In Vivo Expression of Interleukin-37 Reduces Local and Systemic Inflammation in Concanavalin A-Induced Hepatitis

We recently reported that after LPS stimulation, IL-37 translocates to the nucleus and reduces the expression of proinflammatory cytokines. The aim of this study was to investigate whether transiently expressed IL-37 in mice reduces inflammation in concanavalin A (ConA)-induced hepatitis and LPS-induced sepsis. Transgene IL-37 expression was detected in the liver lysate of mice injected with IL-37 plasmid-DNA after hydrodynamic tail vein injection. All mice developed severe acute hepatitis after ConA injection. No difference in the histological score and serum ALT was observed between the two groups that might be explained by patchy expression of IL-37 protein in the liver. However, 2 hrs after ConA injection, serum levels for IL-1α, IL-6, IL-5, and IL-9 were significantly reduced in IL-37-expressing mice as seen for the LPS model. In conclusion, in vivo expression of human IL-37 in mice reduces local and systemic inflammation in ConA-induced hepatitis and LPS challenge

Cell type differences in activity of the Streptomyces bacteriophage ϕC31 integrase

Genomic integration by the Streptomyces bacteriophage ϕC31 integrase is a promising tool for non-viral gene therapy of various genetic disorders. We investigated the ϕC31 integrase recombination activity in T cell derived cell lines, primary T lymphocytes and CD34+ haematopoietic stem cells in comparison to mesenchymal stem cells and cell lines derived from lung-, liver- and cervix-tissue. In T cell lines, enhanced long-term expression above control was observed only with high amounts of integrase mRNA. Transfections of ϕC31 integrase plasmids were not capable of mediating enhanced long-term transgene expression in T cell lines. In contrast, moderate to high efficiency could be detected in human mesenchymal stem cells, human lung, liver and cervix carcinoma cell lines. Up to 100-fold higher levels of recombination product was found in ϕC31 integrase transfected A549 lung than Jurkat T cells. When the ϕC31 integrase activity was normalized to the intracellular integrase mRNA levels, a 16-fold difference was found. As one possible inhibitor of the ϕC31 integrase, we found 3- to 5-fold higher DAXX levels in Jurkat than in A549 cells, which could in addition to other yet unknown factors explain the observed discrepancy of ϕC31 integrase activity

Characterization of Ku702–NLS as Bipartite Nuclear Localization Sequence for Non-Viral Gene Delivery

Several barriers have to be overcome in order to achieve gene expression in target cells, e.g. cellular uptake, endosomal release and translocation to the nucleus. Nuclear localization sequences (NLS) enhance gene delivery by increasing the uptake of plasmid DNA (pDNA) to the nucleus. So far, only monopartite NLS were analysed for non-viral gene delivery. In this study, we examined the characteristics of a novel bipartite NLS like construct, namely NLS Ku70. We synthesized a dimeric structure of a modified NLS from the Ku70 protein (Ku702-NLS), a nuclear transport active mutant of Ku702-NLS (s1Ku702-NLS) and a nuclear transport deficient mutant of Ku702-NLS (s2Ku702). We examined the transfection efficiency of binary Ku702-NLS/DNA and ternary Ku702-NLS/PEI/DNA gene vector complexes in vitro by using standard transfection protocols as well as the magnetofection method. The application of Ku702-NLS and s1Ku702-NLS increased gene transfer efficiency in vitro and in vivo. This study shows for the first time that the use of bipartite NLS compounds alone or in combination with cationic polymers is a promising strategy to enhance the efficiency of non-viral gene transfer

Untersuchungen zur Radiotoxizität von Tc-99m-markierten Radiotracern in vitro an FRTL-5- und A431-Zellen

Einleitung/ Zielstellung Zusätzlich zur Gammastrahlung emittiert 99mTc ca. 5 niederenergetische Auger-Elektronen mit Reichweiten von wenigen Nanometern im Gewebe. Diese haben für die nuklear-medizinische Diagnostik keine Bedeutung. Es wird jedoch über eine therapeutische Nutzung diskutiert, wofür eine Anreicherung der Auger-Elektronen-Emitter in einem strahlensensitiven Zellkompartiment erforderlich ist. Ziel der Arbeit war es, verschiedene [99mTc]Tc-Radiopharmaka hinsichtlich ihres Uptakeverhaltens, der subzellulärer Verteilung und des Retentionsverhaltens in vitro zu untersuchen, sowie die mutmaßlich durch den Auger-Effekt hervorgerufene Radiotoxizität der [99mTc]Tc-markierten Radiopharmaka zu vergleichen und die gewonnenen Ergebnisse in Hinblick auf potentielle extranukleäre strahlensensitive Targets zu interpretieren. Material und Methode Durchgeführt wurden die Versuche im ersten Abschnitt der Arbeit an Natrium-Iodid-Symporter (NIS)-positiven FRTL-5-Schilddrüsenzellen. Von [99mTc] Pertechnetat ([99mTc]TcO4-), [99mTc]TcO4- nach Vorinkubation von Perchlorat ([99mTc]TcO4-/ ClO4-), [99mTc]Tc-Hexakis-2-Methoxyisobutylisonitril ([99mTc]Tc-MIBI), [99mTc]Tc-Hexamethyl-Propylenaminoxim ([99mTc]Tc-HMPAO) und [99mTc]TcO4- nach Vorinkubation von Zinn-Pyrophosphat (Sn- PYP/ [99mTc]TcO4-) wurden die intrazelluläre Radio¬nuklid¬aufnahme und die subzelluläre Verteilung untersucht. Basierend auf den Ergebnissen dieser Versuche wurde die mittlere absorbierte Zellkerndosis kalkuliert. Zur Beurteilung der strahlenbiologischen Wirkung wurde das klonogene Zellüberleben mit der Anzahl residualer gH2AX-Foci (DNA-Schaden) verglichen und die Wirkung der [99mTc]Tc Tracer auf den Zellzyklus von FRTL-5-Zellen untersucht. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurde an EGFR-positiven A431-Zellen die radiotoxische Wirkung in Abhängigkeit von der intra¬zellulären Lokalisation von [99mTc]Alexa(488)-C225-Cyclooctin-Dpa-Tc(CO)3 ([99mTc]Tc-C225), [99mTc]Tc-HMPAO und [99mTc]TcO4- auf das klonogene Zellüberleben untersucht. Ergebnisse und Diskussion Aufgrund verschiedener Uptakemechanismen zeigte jedes der untersuchten [99mTc]Tc-Radiopharmaka Unterschiede im zeitlichen Verlauf der Uptakekinetik. Durch Blockierung des NIS durch ClO4- konnte eine intrazelluläre Aufnahme von [99mTc]TcO4- verhindert werden, wogegen durch Vorinkubation mit Sn-PYP die zelluläre Aufnahme von [99mTc]TcO4- um das 22-fache gesteigert wurde. [99mTc]Tc-MIBI und [99mTc]Tc-HMPAO wurden aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften unabhängig vom NIS passiv in die Zelle transportiert. Die Untersuchung der intrazellulären Verteilung ergab für [99mTc]Tc-HMPAO und Sn-PYP/ [99mTc]TcO4- eine vergleichbar hohe Anreicherung in der Membran/Organellen-Fraktion sowie in der Zellkernfraktion. Von [99mTc]TcO4- und [99mTc]Tc-MIBI wurde die Hauptaktivität in der Zytosol-Fraktion und nur geringe Anteile in der Membran/Organellen-Fraktion sowie in der Zellkernfraktion nachgewiesen. In guter Übereinstimmung zur subzellulären Verteilung zeigten Sn-PYP/ [99mTc]TcO4- und [99mTc]Tc-HMPAO eine fast vollständige, hingegen [99mTc]Tc-MIBI und [99mTc]TcO4- nur eine geringe Retention. Aufgrund der genannten Unterschiede wurde bei gleicher inkubierter Aktivitätskonzentration folgende Reihenfolge der resultierenden Zellkerndosis ermittelt: [99mTc]TcO4- < [99mTc]Tc-MIBI < [99mTc]Tc-HMPAO < Sn-PYP/ [99mTc]TcO4-. [99mTc]TcO4- und [99mTc]Tc-HMPAO zeigten eine ähnliche Wirkung auf das klonogene Zellüberleben und auf den Zellzyklus. Jedoch bewirken sie eine wesentlich stärkere Reduzierung des Überlebens und einen stärkeren G2-Arrest als [99mTc]Tc-MIBI und Sn-PYP/ [99mTc]TcO4-, wobei [99mTc]Tc-MIBI bei allen drei untersuchten biologischen Endpunkten die geringste Wirkung zeigte. Bei einer vergleichbaren Reduktion des Zellüberlebens von [99mTc]TcO4- und [99mTc]Tc-HMPAO induzierte [99mTc]Tc-HMPAO lediglich die Hälfte der gH2AX-Foci im Vergleich zu [99mTc]TcO4-. Die trotz geringerem DNA-Schaden vergleichbare radiotoxische Wirkung zeigte, dass das klonogene Zellüberleben nicht allein vom DNA-Schaden abhängt. Daraus folgt, dass es außer der Kern-DNA noch weitere strahlensensitive Kompartimente gibt, die durch [99mTc]Tc-HMPAO stärker geschädigt wurden als von den anderen untersuchten [99mTc]Tc Tracern. Ein mögliches extranukleäres strahlensensitives Target ist die Zellmembran, so dass im zweiten Teil der Arbeit zur Überprüfung der Radiosensitivität der Zellmembran die radiotoxische Wirkung von [99mTc]Tc-C225 an EGFR-positiven A431-Zellen untersucht wurde. [99mTc]Tc-C225 wurde über den EGFR und [99mTc]Tc-HMPAO aufgrund seiner Lipophilie durch Diffusion intrazellulär aufgenommen. [99mTc]TcO4- dagegen zeigte keine intrazelluläre Aufnahme in die NIS-negativen Zellen und wurde als Referenz für eine extrazelluläre Bestrahlung verwendet. [99mTc]Tc-C225 wies nach einstündiger Inkubation eine Membranbindung von lediglich 10 % auf, die im Laufe von 24 h auf 1,9 % absank. Dies zeigte, dass [99mTc]Tc-C225 rasch in den A431-Zellen internalisiert wurde und dass nur bei sehr kurzen Inkubationszeiten von einer spezifischen Zellmembranmarkierung gesprochen werden kann. [99mTc]Tc-HMPAO ging keine Bindung an die Zellmembran ein. Weiterhin wurde bei der Inkubation steigender Aktivitäts- und Antikörperkonzentrationen von [99mTc]Tc C225 eine Sättigung des EGFR beobachtet, woraus eine wesentlich geringere Zellkerndosis als bei Inkubation von [99mTc]Tc-HMPAO resultierte. Im Vergleich des klonogenen Zellüberlebens zeigten [99mTc]Tc-C225 und [99mTc]Tc-HMPAO bei gleicher Zellkerndosis keine Unterschiede in der radiobiologischen Wirkung. Somit konnte lediglich eine Verstärkung der radiotoxischen Effekte von [99mTc]Tc-C225 an A431-Zellen im Vergleich zur ausschließlich extrazellulären Verteilung von [99mTc]TcO4- gezeigt werden. Schlussfolgerung Die Untersuchung der radiotoxischen Wirkung von [99mTc]Tc-C225 ermöglichte bei den angewendeten Versuchsbedingungen keine Rückschlüsse auf die Strahlensensitivität der Zellmembran. Weiterführende Arbeiten zur Entwicklung eines 99mTc-markierbaren spezifischen Membranmarkers wären notwendig, um klären zu können, ob die Zellmembran ein ähnlich strahlensensitives Target wie die nukleäre DNA ist. Dosimetrische Betrachtungen an den als Modellsystemen dienenden FRTL-5- und A431-Zellen deuten darauf hin, dass aufgrund ungenügender Anreicherung eine therapeutische Wirkung der Auger-Elektronen im Tumorgewebe eher unrealistisch ist. Damit sollte aus gegenwärtiger Sicht die klinische Anwendung von 99mTc auf den diagnostischen Einsatz beschränkt bleiben. Jedoch könnte 99mTc als Auger-Elektronen-Emitter bei spezifischer Anreicherung in definierten Zellkompartimenten als Nano-Tool zur Erforschung der Strahlensensitivität einzelner Zellbestandteile eingesetzt werden.Introduction In addition to gamma radiation, 99mTc emits approximately 5 low energy Auger and internal conversion electrons per decay, resulting in high ionization density proximal to the radionuclide’s decay position. Low-energy Auger electrons with path lengths of only nanometers cannot be utilized for diagnostic procedures; however, they have frequently been discussed for therapeutic applications. To achieve a radiobiological effect, an intracellular accumulation and distribution in relevant cell compartments of the Auger electron emitter is required. Aim The aim of the thesis was the comparison of different [99mTc]Tc-labeled compounds concerning their intracellular uptake, subcellular distribution and retention in vitro. Furthermore the radiotoxicity caused by the Auger effect has to be investigated. Material and Methods The intracellular radionuclide uptake, subcellular distribution (ProteoExtract®-Kit) and retention of [99mTc] pertechnetate ([99mTc]TcO4-), [99mTc]TcO4- after pre-incubation of perchlorate ([99mTc]TcO4-/ClO4-), [99mTc]TcO4- after pre-incubation of stannous pyrophosphate ([99mTc]TcO4-/Sn-PYP), [99mTc]Tc-hexamethyl-propylene-aminoxime ([99mTc]Tc-HMPAO) and [99mTc]Tc-hexakis-2-methoxyisobutylisonitrile ([99mTc]Tc-MIBI) were quantified in sodium-iodide symporter (NIS)-positive rat thyroid FRTL-5 cells. Basing on these results the mean absorbed nucleus dose was calculated. Radiotoxicity was investigated using phosphorylated histone H2AX (gH2AX foci), clonogenic cell survival and cell cycle analyzes. Additionally the radiotoxicity of [99mTc]Alexa(488)-C225-Cyclooctin-Dpa-Tc(CO)3 ([99mTc]Tc-C225) was compared with the one of [99mTc]TcO4- and [99mTc]Tc -HMPAO depending on the subcellular distribution in EGFR-positive A431 cells. Results and Discussion For the analyzed [99mTc]Tc-labeled compounds we detected differences in the time courses of the uptake kinetics caused by different uptake mechanisms into the FRTL-5 cells. The radionuclide uptake of [99mTc]TcO4- was blocked in the presence of perchlorate and increased by a factor of approximately 22 after pre-incubation of Sn-PYP. The lipophilic complexes [99mTc]Tc-MIBI and [99mTc]Tc-HMPAO crossed the cell membrane through passive transport via diffusion. The compartmental analysis indicated that [99mTc]Tc-HMPAO and [99mTc]TcO4-/Sn-PYP revealed a comparable high uptake in the nucleus and in the membrane/organelle fraction. [99mTc]TcO4- and [99mTc]Tc-MIBI were preferentially distributed in the cytosol, with lower amounts of the accumulated activity in both the membranes/organelles and the nucleus compared with the other compounds. In good agreement with the subcellular distribution [99mTc]Tc-HMPAO, [99mTc]TcO4-/Sn-PYP showed a nearly complete retention and [99mTc]TcO4-, [99mTc]Tc-MIBI a low retention. Due to the differences mentioned above the following sequence of the calculated mean nucleus dose for identical activity concentrations was determined: [99mTc]TcO4- < [99mTc]Tc-MIBI < [99mTc]Tc-HMPAO < Sn PYP/ [99mTc]TcO4-. [99mTc]TcO4- and [99mTc]Tc-HMPAO caused a similar reduction of the cell survival and a dose dependent G2-arrest. [99mTc]Tc-MIBI and Sn-PYP/ [99mTc]TcO4- are both less radiotoxic in terms of the estimated nucleus dose compared with [99mTc]TcO4- and [99mTc]Tc-HMPAO. Despite the similar effect on the cell survival [99mTc]Tc-HMPAO induced only half of the residual gH2AX foci than [99mTc]TcO4-. These findings reveal that clonogenic cellular survival is not solely determined by the DNA-DSB response, which may suggest the involvement of extra-nuclear radiosensitive targets in cell inactivation. A possible extra-nuclear radiosensitive target is the cell membrane. That’s why the aim of the second part of the thesis is the investigation of the radiosensitivity of the cell membrane. Therefore the radiotoxic influence of [99mTc]Tc-C225 was analyzed at EGFR-positive A431 cells. [99mTc]Tc-C225 was taken up over the EGFR and the lipophilic [99mTc]Tc-HMPAO was transported via diffusion over the cell membrane. In contrast, [99mTc]TcO4- did not show any intracellular uptake into the NIS-negative cells and therefore was used as extracellular reference. An incubation of [99mTc]Tc-C225 for one hour resulted to a membrane binding of only 10 %, which was reduced to 1.9 % after 24 hours. This demonstrated a fast internalization into A431-cell. Therefore only in the case of a very short incubation time [99mTc]Tc-C225 leads to a specific targeting of the cell membrane. [99mTc]Tc-HMPAO did not bind to the cell membrane. Furthermore the incubation of increasing concentrations of activity and antibody resulted in a saturation of the EGFR, leading to a significant lower nucleus dose in comparison to the incubation of [99mTc]Tc-HMPAO. Concerning the clonogenic cell survival no differences in the radiotoxicity of [99mTc]Tc-C225 and [99mTc]Tc-HMPAO were observed for equal nucleus dose. Thus only an amplification of the radiotoxic effects of [99mTc]Tc-C225 in comparison to the extracellular distribution in A431 cells of 99mTc-pertechnetate was observed. Conclusion The investigation of the radiotoxic effect of [99mTc]Tc-C225 did not allow any conclusions about the radiosensitivity of the cell membrane under the given experimental conditions. For clarifying if the radiosensitivity of the cell membrane is comparable to the one of the nucleus DNA further experiments for the development of a [99mTc]Tc-labeled specific target for the cell membrane are necessary. On the basis of the dosimetric considerations of the FRTL-5 cells and A431 cells used as model systems it can be concluded that because of an insufficient accumulation a therapeutic radiotoxic effect of the Auger electrons is not realistic. Therefore the clinical use of 99mTc should be limited to the diagnostics. Nevertheless specific accumulated Auger electrons of 99mTc could be applied in the field of investigation as nano-tools for the subcellular analysis of radiotoxicity

Investigation of nonviral gene transfer using integrating and extrachromosomal-replicating competent plasmid DNA into hematopoietic cells

Das Ziel dieser Dissertation bestand in der Optimierung des nichtviralen Gentransfers insbesondere in hämatopoetische Zellen. Hierbei sollte eine möglichst hohe Transfektionseffizienz und damit hohe Transgenexpression, sowie stabile Transgenexpression erzielt werden. Die systematische Untersuchung eines Plasmid-DNA-Dimers im Vergleich mit dessen Monomer ergab deutliche Unterschiede bezüglich intrazellulärer Verteilung und Transgenexpression nach Transfektion. Bei Transfektion äquimolarer Mengen an Genkopien ergab sich bezüglich der Höhe der Transgenexpression der transfizierten Zellen kein Unterschied. Interessanterweise konnte nach Transfektion äquimolarer Mengen an Plasmid-DNA-Molekülen höhere Transgenexpression in den Zellen beobachtet werden, die mit dem Dimer transfiziert wurden. Im Weiteren wurde die intrazelluläre Lokalisation der Konkatemere nach Transfektion untersucht. Im Zusammenhang mit den relativen Mengen der jeweiligen Konstrukte im Zellkern und der zuvor bestimmten Transgenexpression ließ sich die relative Transkriptionseffizienz der beiden Konstrukte berechnen. Interessanterweise vermittelte das dimere Plasmid-DNA-Molekül mit 3,5-fach höherer Effektivität Transgenexpression als das entsprechende Monomer. Durch die spezifische Integration von Plasmid-DNA ins Genom von Zielzellen mittels Streptomyces Bakteriophage phiC31 Integrase ist es möglich grundsätzlich in vitro, als auch in vivo stabile Transgenexpression zu erreichen. Um die Möglichkeit zu untersuchen, mittels phiC31 Integrase stabilen Gentransfer in hämatopoetischen Zellen zur erreichen, wurden verschiedene Vektoren zur Integration mit unterschiedlichen Integrase-kodierenden Plasmiden kotransfiziert. Diese führten allerdings, verglichen mit Kontrollexperimenten, nicht zu erhöhter oder verlängerter Transgenexpression. Ausschließlich mit relativ hohen Mengen an Integrase-kodierender mRNA konnte erhöhte Langzeit-Transgenexpression erzielt werden. Dies steht in Kontrast zu bisherigen Untersuchungen in Zellen anderer Gewebe. Um die Aktivität der Integrase in hämatopoetischen Zellen genauer zu untersuchen, wurde ein optimierter Versuchsaufbau entwickelt. Hierbei wurde die Integrase-vermittelte Rekombination episomaler Plasmid-DNA zwischen den Wildtyp-attB- und attP-Sequenzen in hämatopoetischen Zellen und Zellen anderer Gewebe untersucht. Dabei ergab sich sowohl bezüglich Integrase- vermittelter β-Galaktosidase-Expression als auch bei der Quantifizierung der Rekombinationsprodukte eine deutlich reduzierte Aktivität der Integrase in den untersuchten hämatopoetischen Zelltypen. Um die zellspezifischen Unterschiede in der Aktivität der Integrase im Detail zu untersuchen, wurde ein direkter Vergleich von Jurkat-T-Zellen und A549-Alveolar-TypII-Zellen durchgeführt. Hierbei wurden nach Transfektion unterschiedlicher Integrase-Konstrukte jeweils circa 16-fach höhere Integraseaktivität in Lungenzellen beobachtet. Aus der Literatur ist bekannt, dass die Interaktion der phiC31 Integrase mit zellulärem DAXX-Protein zur Inhibierung der Integraseaktivität führt. Um einen Zusammenhang der reduzierten relativen Aktivität der phiC31 Integrase in hämatopoetischen Zellen mit DAXX zu untersuchen, wurde zelluläres DAXX in Jurkat -, sowie in A549-Zellen auf Protein-Ebene detektiert. Die deutlich verringerte Aktivität der Integrase in hämatopoetischen Zellen, verglichen mit anderen Geweben, könnte auf eine höhere Expression von DAXX-Protein in hämatopoetischen Zellen zurückgeführt werden. Eine Alternative zur stabilen Integration von Plasmid-DNA ins Genom stellt die stabile Transfektion extrachromosomaler Plasmid-DNA dar. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Einführung einer Scaffold Matrix Attachment Region zwischen Transgen und polyA-Schwanz im Plasmid episomale Replikation in hämatopoetischen Zellen vermittelt werden kann (Papapetrou et al., 2006). In den Untersuchungen musste allerdings nach Transfektion des Vektors pEPI1 ein mehrwöchiger Selektionsdruck mit G418 angewendet werden, um episomale Replikation und Langzeit-Expression zu erreichen. Um den Einfluss des Promotors in Kombination mit der huINF β-S/MAR zu untersuchen, und die Möglichkeit zu testen, durch den Austausch des Promotors stabile Transgenexpression ohne Selektionsdruck zu erreichen, wurden Konstrukte mit dem Ubiquitin B- oder dem Ubiquitin C-Promotor in Kombination mit der huINF β-S/MAR bezüglich Transgenexpression in vitro und in vivo charakterisiert. Sowohl unter Kontrolle des Ubiquitin B- als auch des Ubiquitin C Promotors konnte in Kombination mit der S/MAR in vitro eine erhöhte und verlängerte Transgenexpression in hämatopoetischen Zellen ohne die Anwendung von Selektionsdruck beobachtet werden. Die Untersuchungen des Status der transfizierten Plasmid-DNA zu verschiedenen Zeitpunkten nach Transfektion ergab jeweils das Vorhandensein extrachromosomaler S/MAR-enthaltenden Vektoren. In vivo konnte ebenfalls eine erhöhte Transgenexpression in Lunge und Leber der S/MAR-Konstrukte über einen Zeitraum von sechs Monaten beobachtet werden. Der in vivo Effekt der huINF β-S/MAR lag hier vor allem einer Verringerung des Gen-silencing. Zusammenfassend konnte durch die Verwendung von Plasmid-Konkatemeren die Transgenexpression deutlich gesteigert werden. Stabile Transgenexpression durch die spezifische Integration von Plasmid-DNA mittels phiC31 Integrase konnte in hämatopoetischen Zellen durch die Interaktion der Integrase mit dem zellulären Protein DAXX nicht erreicht werden. Dagegen konnte dies nach Transfektion von Plasmid-DNA mit geeigneten Promotoren und der huINF β-S/MAR durch den extrachromosomalen Verbleib der DNA und verlängerte Transgenexpression in der Zelle erreicht werden.The overall aim of this thesis was the optimization of nonviral gene transfer particularly into hematopoietic cells. High transfection efficiencies and transgene expressions were achieved by the use of plasmid DNA (pDNA) concatemers. In further parts of the study it was investigated to which extend stable transgene expression could be achieved either with persistent extrachromosomal pDNA or with integrated pDNA into the genome of hematopoietic cells. The investigation of a pDNA dimer in comparison to its monomer resulted in significant differences regarding intracellular localization and transgene expression after transfection. When equimolar ratios of gene copies were transfected, no difference was found with respect to EGFP expression per transfected cell. Interestingly higher EGFP expression was found in dimer- transfected cells, when equimolar ratios of plasmid molecules were transfected. Further, the intracellular localization of the different constructs was investigated after transfection of equimolar ratios of either gene copies or pDNA molecules. From the relative amounts of pDNA present in the nucleus and the resulting transgene expression the relative transcription efficiency was calculated. Interestingly the dimeric pEGFP-N1 molecule mediated transgene expression with a 3.5-fold higher efficiency compared to its monomer. The bacteriophage Streptomyces phiC31 integrase is a promising tool to achieve safe and stable nonviral gene transfer, for the reason that it mediates site specific integration of pDNA into mammalian host genomes. To investigate the potential of the integrase to mediate stable gene transfer into hematopoietic cells, a variety of donor plasmids and integrase constructs were co-transfected. However this did not lead to enhanced long-term expression compared to control experiments. Only transfection of high amounts of integrase mRNA led to enhanced long-term expression. These data in hematopoietic cells are contrary to former findings in other tissues. An optimized assay was developed to further investigate the integrase activity in hematopoietic cells. Therefore, integrase-mediated recombination of episomal pDNA between wild-type attB and attP sites was determined in hematopoietic cells and cells of other tissues. Significantly reduced activity of the integrase in all investigated hematopoietic cells was observed by determination of integrase-mediated β-galactosidase activity and quantification of recombination products. To investigate this effect in further detail, additional experiments in A549 lung and Jurkat T cell lines were performed. Integrase-mediated transgene expression and recombination was determined in context with intranuclear integrase mRNA expression In independent experiments with different integrase construct, the phiC31 integrase efficacy was approximately 16-fold higher in A549 lung cells than in hematopoietic Jurkat cells. It has previously been published that the cellular protein DAXX interacts with the phiC31 integrase and inhibits its recombination efficiency. To investigate DAXX protein as a possible inhibitor of the integrase in hematopoietic cells, western blot analysis was performed. Higher levels of DAXX in hematopoietic cells might be one reason for this discrepancy. An alternative to integrating systems is the stable transfection of extrachromosomal pDNA. It has recently been published that episomal replication of pDNA can be achieved in hematopoietic cells by cloning a Scaffold Matrix Attachment Region (S/MAR) between transgene and polyA tail in the pDNA (Papapetrou et al., 2006). However, an initial selection with G418 for 2-3 weeks after transfection is necessary to mediate episomal replication and long-term transgene expression. To test the influence of the promoter in combination with the huINF β-S/MAR on the necessity of initial selection pressure, Ubiquitin C and Ubiquitin B promoter comprising constructs were transfected in vitro and in vivo. Both constructs mediated enhanced long-term transgene expression without application of G418-selection compared to the S /MAR-free plasmids. At different time points post transfection extrachromosomal S/MAR-comprising pDNA could be detected. Further, enhanced long-term expression of S/MAR comprising vectors for up to six months was found in lung and liver tissue in vivo. The in vivo effect of the S/MAR sequence rather seems to be a reduction of gene silencing. In conclusion, using a dimeric pDNA concatemer led to higher transgene expression per pDNA molecule compared to its monomer. phiC31 integrase mediated long-term transgene expression could not be achieved in hematopoietic cells presumably due to the interaction of the integrase with cellular DAXX protein. In contrast transfection of pDNA comprising Ubiquitin C or Ubiquitin B promoters and S/MAR led to enhanced transgene expression due to improved extrachromosomal persistence of these vectors

Untersuchungen zur Radiotoxizität von Tc-99m-markierten Radiotracern in vitro an FRTL-5- und A431-Zellen

Einleitung/ Zielstellung Zusätzlich zur Gammastrahlung emittiert 99mTc ca. 5 niederenergetische Auger-Elektronen mit Reichweiten von wenigen Nanometern im Gewebe. Diese haben für die nuklear-medizinische Diagnostik keine Bedeutung. Es wird jedoch über eine therapeutische Nutzung diskutiert, wofür eine Anreicherung der Auger-Elektronen-Emitter in einem strahlensensitiven Zellkompartiment erforderlich ist. Ziel der Arbeit war es, verschiedene [99mTc]Tc-Radiopharmaka hinsichtlich ihres Uptakeverhaltens, der subzellulärer Verteilung und des Retentionsverhaltens in vitro zu untersuchen, sowie die mutmaßlich durch den Auger-Effekt hervorgerufene Radiotoxizität der [99mTc]Tc-markierten Radiopharmaka zu vergleichen und die gewonnenen Ergebnisse in Hinblick auf potentielle extranukleäre strahlensensitive Targets zu interpretieren. Material und Methode Durchgeführt wurden die Versuche im ersten Abschnitt der Arbeit an Natrium-Iodid-Symporter (NIS)-positiven FRTL-5-Schilddrüsenzellen. Von [99mTc] Pertechnetat ([99mTc]TcO4-), [99mTc]TcO4- nach Vorinkubation von Perchlorat ([99mTc]TcO4-/ ClO4-), [99mTc]Tc-Hexakis-2-Methoxyisobutylisonitril ([99mTc]Tc-MIBI), [99mTc]Tc-Hexamethyl-Propylenaminoxim ([99mTc]Tc-HMPAO) und [99mTc]TcO4- nach Vorinkubation von Zinn-Pyrophosphat (Sn- PYP/ [99mTc]TcO4-) wurden die intrazelluläre Radio¬nuklid¬aufnahme und die subzelluläre Verteilung untersucht. Basierend auf den Ergebnissen dieser Versuche wurde die mittlere absorbierte Zellkerndosis kalkuliert. Zur Beurteilung der strahlenbiologischen Wirkung wurde das klonogene Zellüberleben mit der Anzahl residualer gH2AX-Foci (DNA-Schaden) verglichen und die Wirkung der [99mTc]Tc Tracer auf den Zellzyklus von FRTL-5-Zellen untersucht. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurde an EGFR-positiven A431-Zellen die radiotoxische Wirkung in Abhängigkeit von der intra¬zellulären Lokalisation von [99mTc]Alexa(488)-C225-Cyclooctin-Dpa-Tc(CO)3 ([99mTc]Tc-C225), [99mTc]Tc-HMPAO und [99mTc]TcO4- auf das klonogene Zellüberleben untersucht. Ergebnisse und Diskussion Aufgrund verschiedener Uptakemechanismen zeigte jedes der untersuchten [99mTc]Tc-Radiopharmaka Unterschiede im zeitlichen Verlauf der Uptakekinetik. Durch Blockierung des NIS durch ClO4- konnte eine intrazelluläre Aufnahme von [99mTc]TcO4- verhindert werden, wogegen durch Vorinkubation mit Sn-PYP die zelluläre Aufnahme von [99mTc]TcO4- um das 22-fache gesteigert wurde. [99mTc]Tc-MIBI und [99mTc]Tc-HMPAO wurden aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften unabhängig vom NIS passiv in die Zelle transportiert. Die Untersuchung der intrazellulären Verteilung ergab für [99mTc]Tc-HMPAO und Sn-PYP/ [99mTc]TcO4- eine vergleichbar hohe Anreicherung in der Membran/Organellen-Fraktion sowie in der Zellkernfraktion. Von [99mTc]TcO4- und [99mTc]Tc-MIBI wurde die Hauptaktivität in der Zytosol-Fraktion und nur geringe Anteile in der Membran/Organellen-Fraktion sowie in der Zellkernfraktion nachgewiesen. In guter Übereinstimmung zur subzellulären Verteilung zeigten Sn-PYP/ [99mTc]TcO4- und [99mTc]Tc-HMPAO eine fast vollständige, hingegen [99mTc]Tc-MIBI und [99mTc]TcO4- nur eine geringe Retention. Aufgrund der genannten Unterschiede wurde bei gleicher inkubierter Aktivitätskonzentration folgende Reihenfolge der resultierenden Zellkerndosis ermittelt: [99mTc]TcO4- < [99mTc]Tc-MIBI < [99mTc]Tc-HMPAO < Sn-PYP/ [99mTc]TcO4-. [99mTc]TcO4- und [99mTc]Tc-HMPAO zeigten eine ähnliche Wirkung auf das klonogene Zellüberleben und auf den Zellzyklus. Jedoch bewirken sie eine wesentlich stärkere Reduzierung des Überlebens und einen stärkeren G2-Arrest als [99mTc]Tc-MIBI und Sn-PYP/ [99mTc]TcO4-, wobei [99mTc]Tc-MIBI bei allen drei untersuchten biologischen Endpunkten die geringste Wirkung zeigte. Bei einer vergleichbaren Reduktion des Zellüberlebens von [99mTc]TcO4- und [99mTc]Tc-HMPAO induzierte [99mTc]Tc-HMPAO lediglich die Hälfte der gH2AX-Foci im Vergleich zu [99mTc]TcO4-. Die trotz geringerem DNA-Schaden vergleichbare radiotoxische Wirkung zeigte, dass das klonogene Zellüberleben nicht allein vom DNA-Schaden abhängt. Daraus folgt, dass es außer der Kern-DNA noch weitere strahlensensitive Kompartimente gibt, die durch [99mTc]Tc-HMPAO stärker geschädigt wurden als von den anderen untersuchten [99mTc]Tc Tracern. Ein mögliches extranukleäres strahlensensitives Target ist die Zellmembran, so dass im zweiten Teil der Arbeit zur Überprüfung der Radiosensitivität der Zellmembran die radiotoxische Wirkung von [99mTc]Tc-C225 an EGFR-positiven A431-Zellen untersucht wurde. [99mTc]Tc-C225 wurde über den EGFR und [99mTc]Tc-HMPAO aufgrund seiner Lipophilie durch Diffusion intrazellulär aufgenommen. [99mTc]TcO4- dagegen zeigte keine intrazelluläre Aufnahme in die NIS-negativen Zellen und wurde als Referenz für eine extrazelluläre Bestrahlung verwendet. [99mTc]Tc-C225 wies nach einstündiger Inkubation eine Membranbindung von lediglich 10 % auf, die im Laufe von 24 h auf 1,9 % absank. Dies zeigte, dass [99mTc]Tc-C225 rasch in den A431-Zellen internalisiert wurde und dass nur bei sehr kurzen Inkubationszeiten von einer spezifischen Zellmembranmarkierung gesprochen werden kann. [99mTc]Tc-HMPAO ging keine Bindung an die Zellmembran ein. Weiterhin wurde bei der Inkubation steigender Aktivitäts- und Antikörperkonzentrationen von [99mTc]Tc C225 eine Sättigung des EGFR beobachtet, woraus eine wesentlich geringere Zellkerndosis als bei Inkubation von [99mTc]Tc-HMPAO resultierte. Im Vergleich des klonogenen Zellüberlebens zeigten [99mTc]Tc-C225 und [99mTc]Tc-HMPAO bei gleicher Zellkerndosis keine Unterschiede in der radiobiologischen Wirkung. Somit konnte lediglich eine Verstärkung der radiotoxischen Effekte von [99mTc]Tc-C225 an A431-Zellen im Vergleich zur ausschließlich extrazellulären Verteilung von [99mTc]TcO4- gezeigt werden. Schlussfolgerung Die Untersuchung der radiotoxischen Wirkung von [99mTc]Tc-C225 ermöglichte bei den angewendeten Versuchsbedingungen keine Rückschlüsse auf die Strahlensensitivität der Zellmembran. Weiterführende Arbeiten zur Entwicklung eines 99mTc-markierbaren spezifischen Membranmarkers wären notwendig, um klären zu können, ob die Zellmembran ein ähnlich strahlensensitives Target wie die nukleäre DNA ist. Dosimetrische Betrachtungen an den als Modellsystemen dienenden FRTL-5- und A431-Zellen deuten darauf hin, dass aufgrund ungenügender Anreicherung eine therapeutische Wirkung der Auger-Elektronen im Tumorgewebe eher unrealistisch ist. Damit sollte aus gegenwärtiger Sicht die klinische Anwendung von 99mTc auf den diagnostischen Einsatz beschränkt bleiben. Jedoch könnte 99mTc als Auger-Elektronen-Emitter bei spezifischer Anreicherung in definierten Zellkompartimenten als Nano-Tool zur Erforschung der Strahlensensitivität einzelner Zellbestandteile eingesetzt werden.Introduction In addition to gamma radiation, 99mTc emits approximately 5 low energy Auger and internal conversion electrons per decay, resulting in high ionization density proximal to the radionuclide’s decay position. Low-energy Auger electrons with path lengths of only nanometers cannot be utilized for diagnostic procedures; however, they have frequently been discussed for therapeutic applications. To achieve a radiobiological effect, an intracellular accumulation and distribution in relevant cell compartments of the Auger electron emitter is required. Aim The aim of the thesis was the comparison of different [99mTc]Tc-labeled compounds concerning their intracellular uptake, subcellular distribution and retention in vitro. Furthermore the radiotoxicity caused by the Auger effect has to be investigated. Material and Methods The intracellular radionuclide uptake, subcellular distribution (ProteoExtract®-Kit) and retention of [99mTc] pertechnetate ([99mTc]TcO4-), [99mTc]TcO4- after pre-incubation of perchlorate ([99mTc]TcO4-/ClO4-), [99mTc]TcO4- after pre-incubation of stannous pyrophosphate ([99mTc]TcO4-/Sn-PYP), [99mTc]Tc-hexamethyl-propylene-aminoxime ([99mTc]Tc-HMPAO) and [99mTc]Tc-hexakis-2-methoxyisobutylisonitrile ([99mTc]Tc-MIBI) were quantified in sodium-iodide symporter (NIS)-positive rat thyroid FRTL-5 cells. Basing on these results the mean absorbed nucleus dose was calculated. Radiotoxicity was investigated using phosphorylated histone H2AX (gH2AX foci), clonogenic cell survival and cell cycle analyzes. Additionally the radiotoxicity of [99mTc]Alexa(488)-C225-Cyclooctin-Dpa-Tc(CO)3 ([99mTc]Tc-C225) was compared with the one of [99mTc]TcO4- and [99mTc]Tc -HMPAO depending on the subcellular distribution in EGFR-positive A431 cells. Results and Discussion For the analyzed [99mTc]Tc-labeled compounds we detected differences in the time courses of the uptake kinetics caused by different uptake mechanisms into the FRTL-5 cells. The radionuclide uptake of [99mTc]TcO4- was blocked in the presence of perchlorate and increased by a factor of approximately 22 after pre-incubation of Sn-PYP. The lipophilic complexes [99mTc]Tc-MIBI and [99mTc]Tc-HMPAO crossed the cell membrane through passive transport via diffusion. The compartmental analysis indicated that [99mTc]Tc-HMPAO and [99mTc]TcO4-/Sn-PYP revealed a comparable high uptake in the nucleus and in the membrane/organelle fraction. [99mTc]TcO4- and [99mTc]Tc-MIBI were preferentially distributed in the cytosol, with lower amounts of the accumulated activity in both the membranes/organelles and the nucleus compared with the other compounds. In good agreement with the subcellular distribution [99mTc]Tc-HMPAO, [99mTc]TcO4-/Sn-PYP showed a nearly complete retention and [99mTc]TcO4-, [99mTc]Tc-MIBI a low retention. Due to the differences mentioned above the following sequence of the calculated mean nucleus dose for identical activity concentrations was determined: [99mTc]TcO4- < [99mTc]Tc-MIBI < [99mTc]Tc-HMPAO < Sn PYP/ [99mTc]TcO4-. [99mTc]TcO4- and [99mTc]Tc-HMPAO caused a similar reduction of the cell survival and a dose dependent G2-arrest. [99mTc]Tc-MIBI and Sn-PYP/ [99mTc]TcO4- are both less radiotoxic in terms of the estimated nucleus dose compared with [99mTc]TcO4- and [99mTc]Tc-HMPAO. Despite the similar effect on the cell survival [99mTc]Tc-HMPAO induced only half of the residual gH2AX foci than [99mTc]TcO4-. These findings reveal that clonogenic cellular survival is not solely determined by the DNA-DSB response, which may suggest the involvement of extra-nuclear radiosensitive targets in cell inactivation. A possible extra-nuclear radiosensitive target is the cell membrane. That’s why the aim of the second part of the thesis is the investigation of the radiosensitivity of the cell membrane. Therefore the radiotoxic influence of [99mTc]Tc-C225 was analyzed at EGFR-positive A431 cells. [99mTc]Tc-C225 was taken up over the EGFR and the lipophilic [99mTc]Tc-HMPAO was transported via diffusion over the cell membrane. In contrast, [99mTc]TcO4- did not show any intracellular uptake into the NIS-negative cells and therefore was used as extracellular reference. An incubation of [99mTc]Tc-C225 for one hour resulted to a membrane binding of only 10 %, which was reduced to 1.9 % after 24 hours. This demonstrated a fast internalization into A431-cell. Therefore only in the case of a very short incubation time [99mTc]Tc-C225 leads to a specific targeting of the cell membrane. [99mTc]Tc-HMPAO did not bind to the cell membrane. Furthermore the incubation of increasing concentrations of activity and antibody resulted in a saturation of the EGFR, leading to a significant lower nucleus dose in comparison to the incubation of [99mTc]Tc-HMPAO. Concerning the clonogenic cell survival no differences in the radiotoxicity of [99mTc]Tc-C225 and [99mTc]Tc-HMPAO were observed for equal nucleus dose. Thus only an amplification of the radiotoxic effects of [99mTc]Tc-C225 in comparison to the extracellular distribution in A431 cells of 99mTc-pertechnetate was observed. Conclusion The investigation of the radiotoxic effect of [99mTc]Tc-C225 did not allow any conclusions about the radiosensitivity of the cell membrane under the given experimental conditions. For clarifying if the radiosensitivity of the cell membrane is comparable to the one of the nucleus DNA further experiments for the development of a [99mTc]Tc-labeled specific target for the cell membrane are necessary. On the basis of the dosimetric considerations of the FRTL-5 cells and A431 cells used as model systems it can be concluded that because of an insufficient accumulation a therapeutic radiotoxic effect of the Auger electrons is not realistic. Therefore the clinical use of 99mTc should be limited to the diagnostics. Nevertheless specific accumulated Auger electrons of 99mTc could be applied in the field of investigation as nano-tools for the subcellular analysis of radiotoxicity

Non-Viral Generation of Neural Precursor-like Cells from Adult Human Fibroblasts

Recent studies have reported direct reprogramming of human fibroblasts to mature neurons by the introduction of defined neural genes. This technology has potential use in the areas of neurological disease modeling and drug development. However, use of induced neurons for large-scale drug screening and cell-based replacement strategies is limited due to their inability to expand once reprogrammed. We propose it would be more desirable to induce expandable neural precursor cells directly from human fibroblasts. To date several pluripotent and neural transcription factors have been shown to be capable of converting mouse fibroblasts to neural stem/precursor-like cells when delivered by viral vectors. Here we extend these findings and demonstrate that transient ectopic insertion of the transcription factors SOX2 and PAX6 to adult human fibroblasts through use of non-viral plasmid transfection or protein transduction allows the generation of induced neural precursor (iNP) colonies expressing a range of neural stem and pro-neural genes. Upon differentiation, iNP cells give rise to neurons exhibiting typical neuronal morphologies and expressing multiple neuronal markers including tyrosine hydroxylase and GAD65/67. Importantly, iNP-derived neurons demonstrate electrophysiological properties of functionally mature neurons with the capacity to generate action potentials. In addition, iNP cells are capable of differentiating into glial fibrillary acidic protein (GFAP)-expressing astrocytes. This study represents a novel virus-free approach for direct reprogramming of human fibroblasts to a neural precursor fate