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Protective Immunity to Mycobacterium tuberculosis Infection by Chemokine and Cytokine Conditioned CFP-10 Differentiated Dendritic Cells
BACKGROUND: Dendritic cells (DCs) play major roles in mediating immune responses to mycobacteria. A crucial aspect of this is the priming of T cells via chemokines and cytokines. In this study we investigated the roles of chemokines RANTES and IP-10 in regulating protective responses from Mycobacterium tuberculosis (M. tb) 10 kDa Culture Filtrate Protein-10 (CFP-10) differentiated DCs (CFP10-DCs). METHODS AND FINDINGS: Infection of CFP10-DCs with mycobacteria down-modulated RANTES and IP-10 levels. Pathway specific microarray analyses showed that in addition to RANTES and IP-10, mycobacteria infected CFP10-DCs showed reduced expression of many Th1 promoting chemokines and chemokine receptors. Importantly, T cells co-cultured with RANTES and IP-10 conditioned CFP10-DCs mediated killing of mycobacteria from infected macrophages. Similarly, T cells recruited by RANTES and IP-10 conditioned CFP10-DCs mediated significant killing of mycobacteria from infected macrophages. IFN-gamma treatment of CFP10-DCs restored RANTES and IP-10 levels and T cells activated by these DCs mediated significant killing of virulent M. tb inside macrophages. Adoptive transfer of either RANTES and IP-10 or IL-12 and IFN-gamma conditioned CFP10-DCs cleared an established M. tb infection in mice. The extent of clearance was similar to that obtained with drug treatment. CONCLUSIONS: These results indicate that chemokine and cytokine secretion by DCs differentiated by M. tb antigens such as CFP-10 play major roles in regulating protective immune responses at sites of infection
Development of lentiviral vectors for the gene therapy of HIV infection
Drug toxicity and viral resistance limit long-term efficacy of antiviral drug treatment for HIV
infection. Thus, alternative therapies need to be explored. Previously, group of âProf. von Laerâ
tested the infusion of T lymphocytes transduced with a retroviral vector (M87o) that expresses an
HIV entry inhibitory peptide (maC46). Gene-modified autologous T cells were infused into 10
HIV-infected patients with advanced disease and multidrug resistant virus during antiretroviral
combination therapy. T cell infusions were tolerated well with no severe side effects. A
significant increase of CD4 counts was observed post infusion. At the end of the one-year
follow-up, the CD4 counts of all patients were still around or above baseline. Gene-modified
cells could be detected in peripheral blood, lymph nodes and bone marrow throughout the oneyear
follow-up, whereby marking levels correlated with the cell dose. No significant changes of
viral load were observed during the first four months. Four of the seven patients that changed
their antiviral drug regimen thereafter responded with a significant decline in plasma viral load.
In conclusion, the transfer of gene-modified cells was safe, led to sustained levels of gene
marking and may improve immune competence in HIV-infected patients with advanced disease
and multidrug resistant virus. However, the low level of gene marking and the lack of substantial
long-term in vivo accumulation of gene-protected cells observed in this trial clearly demonstrate
the requirement for new vectors with new strategy.
In this thesis selfâinactivating lentiviral vectors harboring internal promoters and RNA elements
were therefore evaluated for their potential use in a clinical geneâtherapy trial. The results from
this work provide the basis for the selection of a suitable candidate vector for extensive
preclinical testing. Apart from being capable of transducing nonâdividing cells, lentiviral vectors
incorporate a number of additional features that are of potential value for gene therapeutic
applications. These include a larger packaging capacity, higher titers than Îłâretroviral vectors
and, most importantly, a reduced risk of deregulating cellular genes due to its natural integration
profile. The use of internal promoters to drive expression of the therapeutic transgene maC46
should further improve the safety profile of these newâgeneration vectors, while an additional
artificial splice acceptor (SA) into the 5âUTR of the transgene over all elevate transgene
expression. The rationale for this is that hematopoietic stem and progenitor cells will be
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protected from enhancerâmediated transactivation effects and also from potential side effects due
to the aberrant expression of maC46 while at the same time the full clinical benefit for the
patients is maintained.
In order to find a suitable candidate for preclinical studies, two candidate therapeutic vectors
harboring different regulatory elements were selected based on results from pilot experiments.
The internal promoters used to drive expression of codon optimized maC46 were the PGK
promoter and MPSV promoter. This work focuses on the transgene expression levels in
lymphoid cells and antiviral activity. The issues of long term expression, propensity to
methylation mediated silencing of the promoters, and genotoxicity were also touched. In a first
step the performance of different vectors was evaluated in the human T cell lines. Based on
promising data from ex vivo human peripheral blood mononuclear cells, the vector carrying the
MPSV promoter along with intron were selected for in vivo transplantation experiments.
In summary, the ex vivo data suggested the long term survival of lentiviral gene modified cells,
along with maintained expression of introduced genes. It was observed that the expression of
these constructs depends strongly on the activation and differentiation status of the targeted T
cells. This regulation was not linked to any specific promotor. In vivo study shows that maC46
can be introduced into murine multiple hematopoietic lineages via lentiviral vector and expressed
at high levels in their mulilineage progeny, without altering the hematopoiesis. There was no
sign of any kind of hematopoietic or lymphoid malignancies. Although gene-modified
lymphocytes persisted in-vivo, the downregulation of transgene expression was consistent with
the ex-vivo observation. In contrast to that the T cells transplanted group showed delayed
engraftment of donor cells and there was no expression of C46 in blood and lymphatic organs. .
In conclusion, when considering HIV gene therapy focusing CD4+ T cells, potential problems of
T cell activation status as related to the desired clinical effect must be addressed. These results
might open the way for a gene therapy targeting mainly or exclusively activated T cells and
could be exploited for immunostimulatory as well as suppressive approaches.Trotz des bemerkenswerten klinischen Erfolgs der vor etwa 15 Jahren eingefĂŒhrten
Standardbehandlung der HIV-Infektion, HAART (highly active anti retroviral therapy), ist die
Entwicklung alternativer Behandlungsstrategien, weiterhin notwendig, da bisher weder eine
effiziente Impfung noch eine kurative Behandlung entwickelt werden konnte.
Im Zuge der Suche nach neuen TherapieansÀtzen wurde eine Reihe von zellulÀren und viralen
Zielstrukturen identifiziert, die essentiell fĂŒr die HIV Replikation sind und als Ansatzpunkte fĂŒr
innovative Gentherapiestrategien dienen. Unter anderem wurden bereits RNA-basierte AnsÀtze
verfolgt, wie z.B. Ribozyme, RNA FĂ€ngersequenzen (decoys), antisense mRNAs sowie Strategien
der RNA Interferenz. Auf Proteinebene wurden dominant-negative Virusproteine sowie sog.
Intrabodies (zytoplasmatisch lokalisierte Antikörper) als Therapieansatz verfolgt. Diese Strategien
weisen jedoch immanente Probleme auf, die eine Heilung der HIV Infektion letztlich nicht
herbeifĂŒhren können.
Ein weiterer Therapieansatz, der auf der Gabe synthetischer, vom viralen Glykoprotein (gp) 41
abgeleiteter Peptide beruht, inhibiert die HIV Replikation im niedrigen nanomolaren
Konzentrationsbereich. Die sogenannten C-Peptide, in Form von T20 (Enfuvirtide, FuzeonÂź) sind
als Medikament zugelassen. Enfuvirtide ist ein synthetisches C-Peptid, das einem 36 AminosÀure
umfassenden Bereich in der Heptad-Repeat (HR) - 2 DomÀne in gp41 entspricht. Es bindet an den
HR1 DomĂ€nentrimer von gp41, sodass die Formierung des Sechs-Helix-BĂŒndels verhindert und
somit die Fusion der zellulÀren und viralen Membranen inhibiert wird.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dorothee von Laer hat in den Jahren 2004-2006 in
zusammenarbeit mit dem UniversitÀts-klinikum Hamburg Eppenheim eine klinische Phase I/II
Studie durchgefĂŒhrt, in der autologe T-Zellen von 10 HIV+ Patienten gentherapeutisch in der Art
modifiziert wurden, dass sie eine membranverankerte (ma) Variante eines C-peptids, dem
sogenannten maC46 auf deren ZelloberflÀche exprimieren. C46 entspricht, wie T20, einem
Bereich der extrazellulÀren DomÀne des gp41 Proteins ist allerdings N-terminal um zehn
AminosÀuren verlÀngert und besitzt dadurch verbesserte Eigenschaften in Bezug auf virale
Resistenzmutationen. Die maC46 transduzierten Zellen wurden nach Expansion wieder den
Patienten reinfundiert. Die Transgenexpression wurde von einem -retroviralen Vektor (M87o)
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gesteuert. Die genmodifizierten T-Zellen zeigten in vorangegangenen in vitro und in vivo
Experimenten, einen selektiven Vorteil gegenĂŒber nicht modifizierten T-Zellen unter dem
Selektionsdruck einer aktiven HIV-1 Replikation und eine Absenkung des Gesamtvirusreplikation
in Form einer erniedrigten p24 Protein Viruslast. Im Ergebnis der klinischen Studie konnte
allerdings weder eine Absenkung der PlasmavirÀmie noch eine Akkumulation transgener T-Zellen,
trotz eines transienten CD4+ Anstiegs nach Zellreinfusion, beobachtet werden. Zusammenfassend
lÀsst sich an dieser Stelle festhalten, dass der Therapieansatz mit peripheren T-Zellen aus
vielschichtigen GrĂŒnden nicht erfolgreich war. In KĂŒrze sind hier vor allem (i) die Limitation der
transduzierbaren Zielzellen des Virus (1x109; entsprechend nur 1% der Gesamtzielzellpopulation),
(ii) der stark Fortgeschrittene Krankheitsverlauf der 10 Patienten der Studie sowie (iii) ein
verminderter Selektionsdruck der Virusreplikation im Patienten im Vergleich zu den prÀklinischen
in vitro und in vivo Analysen.
Fortschritte auf dem Gebiet der stammzellbasierten TherapieansÀtze sowie Entwicklungen im
Bereich des Vektordesigns haben die verwendung von hematopoetischen stammzellen (HSCs) als
zielzellen einer HIV-Gentherapie ermöglicht. Hematopoetische Stammzellen (HSCs) sind auf
Grund ihrer Eigenschaft der Selbsterneuerung und der Differenzierung in alle Zellarten des
hematopoetischen Systems wichtige Zielzellpopulationen im Gentherapiesektor, da sie die
Möglichkeit einer lebenslangen Genkorrektur in allen hematopoetischen Zelltypen bieten. Nach 20
Jahren intensiver Vektorentwicklung, prÀklinischen Testungen sowie ersten klinischen Studien ist
die Gentherapie mit HSCs RealitÀt geworden. Dabei konnte bereits in einigen Studien ein
klinischer Nutzen fĂŒr die Patienten gezeigt werden. Die effizienteste Art des Gentransfers in HSCs
konnte bisher durch -retrovirale oder durch die neueren lentiviralen Vektoren erzielt werden. Die
Verwendung von lentiviralen Vektoren hat das Potential die in klinischen Studien aufgetretenen
Probleme der bisher verwendeten -retroviralen Vektoren zu ĂŒberwinden; unter anderem
Insertionsmutagenese (oder Transaktivierung zellulÀrer Gene durch Integration der viralen
Genome in der NĂ€he von transkriptionellen Startregionen), niedriges Anwachsen transgener
Stammzellen sowie geringe Langzeit-Transgenexpressionslevel.
Lentivirale Vektoren der dritten Generation, wie sie auch in der vorliegenden Arbeit verwendet
wurden, besitzen die zusĂ€tzliche SicherheitsmaĂnahme, dass im viralen Genom die Enhancer-
Funktion in der 3â-long terminal repeat Region (LTR) deletiert wurde. Diese Deletion wird im
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reversen Transkriptionsprozess auch auf die 5âLTR ĂŒbertragen, sodass die Transgenexpression
nicht mehr durch die LTR sondern von einem internen Promotor getreiben wird. Diese
Konfiguration der selbst-inaktivierenden (SIN) lentiviralen Vektoren besitzt eine vielfach
reduzierte GenotoxizitÀt im Vergleich zu den LTR getriebenen -retroviralen Vektoren. Die
Eigenschaft der lentiviralen Vektoren auch ruhende Zellen effizient transduzieren zu können
ermöglicht eine stark verkĂŒrzte Kultivierungszeit der HSCs, welche wiederum eine verbesserte
RepopulierungskapazitÀt der transgenen HSCs im Patienten zur Folge hat.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Testung von zwei Promotoren in Bezug auf die
Verwendbarkeit in klinischen Studien zur HIV Gentherapie. FĂŒr einen Vergleich der relativen
PromotoraktivitÀt (pHRŽ) wurde zum einen der konstitutiv-aktive, zellulÀre
Phosphoglyceratkinase-Promotor (PGK) und zum anderen der virale Myeloproliferative sarcoma
virus Promotor (MPSV) in das VektorrĂŒckrad eines SIN lentiviralen Vektors kloniert, sodass die
jeweiligen Promotoren die Expression des antiviralen Transgens maC46 steuern. FĂŒr eine
optimierte RNA Prozessierung wurde eine kĂŒnstliche SpleiĂakzeptordomĂ€ne in die 5â nichttranslatierte
Region (5â-UTR) des Transgenkassette kloniert. Des Weiteren verfĂŒgten alle
verwendeten Vektoren ĂŒber ein post-transkriptionelles regulatorisches Element (PRE) des
Woodchuck Hepatits Virus (Biber Hepatitis Virus) in der 3â nicht-translatierten Region der
Transgenkassette, um einen verbesserten Vektortiter zu erhalten. Sowohl die eingefĂŒgte
SpleiĂakzeptorsequenz als auch das wPRE erhöhten in den durchgefĂŒhrten Experimenten die
allgemeinen Transgenexpressionslevel.
Die Expression von maC46 in der T-zelline PM-1 war unter der Kontrolle des MPSV Promotors
signifikant stÀrker im Vergleich zum PGK Promotor. Die jeweiligen Intron tragenden Varianten
der beiden Promotorkonstrukte erzielten höhere Transgenexpressionslevel als die Vektoren ohne
Intron.
Als nÀchstes wurden die verschiedenen Konstrukte in HIV Infektionsexperimenten getestet, ob sie
maC46 transduzierte Zelllinien effizient vor Infektion schĂŒtzen können. Es zeigte sich, dass der
Fusionsinhibitor maC46 in HIV infizierten Mischkulturen transduzierter und nativer Zellen eine
starke positive Selektion transduzierter Zellen vermittelt.
Zusammenfassung
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Um die Tauglichkeit der neuen Vektoren fĂŒr die Gentherapie weiter zu analysieren, wurden
humane primÀre periphere Blutlymphozyten mit den beschriebenen Vektoren transduziert und in
Bezug auf TransgenexpressionstÀrke und Expressionsdauer untersucht. Die Expression eines
Transgens variiert generell auf Grund der verschiedenen Stadien der Zellaktivierung. Die
Expression von maC46 fluktuierte ĂŒber den gesamten Beobachtungszeitraum je nach
Aktivierungsstatus der T-Zellen mit den höchsten maC46 Expression zu Beginn der Kultur
(entsprechend der T-Zellaktivierung, gemessen anhand der CD25+ OberflÀchenexpressionslevel).
Die geringste Expression wurde 14 Tage nach Transduktion beobachtet; korrelierend mit einem
niedrigen Aktivierungsstatus der T-Zellen (niedrige CD25-Expression). Northern Blot Analysen
der Gesamt-RNA aus transduzierten Zellen an verschiedenen Zeitpunkten zeigten, dass die
maC46 Proteinabnahme mit einer geringeren mRNA Menge korreliert. Eine Restimulierung der TZellen
bewirkte eine Reaktivierung der maC46 Expression zu vergleichbaren Proteinlevels wie zu
Beginn des Experiments.
In Arbeiten anderer Gruppen konnte gezeigt werden, dass in den 3â Regionen der HIV-1 mRNAs
Zielsequenzen zellulÀrer Mikro-RNAs (miRNAs) lokalisiert sind, die nur in ruhenden aber nicht in
aktivierten CD4-T-Zellen exprimiert werden. Um eine miRNA induzierte Translationsinhibition
ausschlieĂen zu können, wurde die miRNA-28 Zielsequenz im Kontext eines bidirektionellen
Promotors analysiert. Dabei wurden die Expressionslevel zweier Transgene (LNGFR und eGFP)
relativ zueinander verglichen. Beide Transgene wurden gleich stark im Zuge der Inaktivierung der
T-Zellen herunterreguliert, sodass ein Einfluss der miRNA-28 ausgeschlossen werden konnte.
ZusÀtzlich wurde eine Bisulfitsequenzanalyse auf den CpG Bereichen des MPSV-Promotors
durchgefĂŒhrt. Es konnte gezeigt werden, dass der Promotor ĂŒber den gesamten zeitlichen Verlauf
nur zu geringem Anteil methyliert wurde, sodass der Promotor prinzipiell transkriptionell aktiv in
humanen Lymphozyten ist.
Langzeitkulturen transduzierter PBLs zeigten eine Abnahme in der Transgenexpression, was
letztlich die IntegrationsfÀhigkeit der verwendeten Vektoren oder die Fitness transduzierter Zellen
in Frage stellt. qPCR Analysen konnten zeigen, dass die Transgenexpressionabnahme nicht durch
einen Vektorkopienverlust hervorgerufen wurde. Eine vergleichende Analyse der
Lanzeitexpression von vier verschiedenen Vektoren mit zwei unterschiedlichen Transgenkassetten
(eGFP und maC46) und zwei unterschiedlichen Promotoren (SFFV und MPSV) ergab ebenfalls
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eine stabile Vektorkopienzahl bzw. eine Abnahme der Transgenexpression in AbhÀngigkeit der TZellaktivierung.
In einem weiteren Schritt sollten die Beobachtungen aus den in vitro Experimenten in einem
Knochenmarkstransplantations-Mausmodel bestĂ€tigt werden. HierfĂŒr wurden Knochenmarkszellen
einer immunkompetenten Maus entnommen und mit verschiedenen lentiviralen Konstrukten fĂŒr
maC46 transduziert. Nach isogener Transplantation konnte gezeigt werden, dass maC46 in
verschiedenen lymphoiden Zelltypen, unter anderem Monozyten und CD4+ T-Zellen, in hohen
Konzentrationen exprimiert wurde. Es konnte kein signifikanter Unterschied in der maC46
Expression zwischen myleoiden und lymphoiden Zellen festgestellt werden. Gleichzeitig wurde
beobachtet, dass die Ausdifferenzierung der HSCs durch die maC46 Expression, auch bei hohen
Transgenkonzentrationen, nicht gestört wurde, sodass eine StammzelltoxizitÀt des maC46
wahrscheinlich nicht vorliegt.
Untersuchungen des peripheren Blutes HSC-transplantierter Tiere zeigten stabile Transgenlevel in
myeloiden Zellen und B-Zellen. In CD4+ T-Zellen wurde nach anfÀnglicher Verminderung der
Transgenmengen eine stabile ExpressionsstĂ€rke von maC46 beobachtet, die ĂŒber den
Beobachtungszeitraum von ĂŒber 20 Wochen stabil war. Der Verlust der ExpressionsstĂ€rke
korreliert mit dem Verlust an transgenen Zellen besonders im Zeitraum von 10 bis 14 Wochen.
Der beobachtete Verlust an maC46 Expression in CD4 T-Zellen unterstrich die Hypothese des
transkriptionellen Abschaltens in AbhÀngigkeit des T-Zellaktivierungsstatus. Eine detaillierte
Endanalyse der lymphatischen Organe zeigte eine hohes Maà an Chimerismus in sekundÀren
lymphatischen Organen (Lymphknoten, Milz und Knochenmark) sowie eine maC46 PositivitÀt bis
zu 60% in CD4-T-Zellen. Gleichzeitig lag die DNA Vektorkopienzahl weit ĂŒber den zu erwarteten
Kopien pro Zelle ausgehend von der maC46 ExpressionsstĂ€rke; wiederum ein Anzeichen fĂŒr
transkriptionelles Abschalten der maC46 Expression.
In einem weiteren Experiment wurden reife periphere T-Zellen mit maC46 kodierende lentivirale
Vektoren transduziert und in immundefiziente MĂ€use transplantiert. Das Transplantat zeigte ein
verzögertes Angehen der Zellen, wobei nur nicht transduzierte Zellen nachzuweisen waren. Blut
und sekundÀre lymphatische Organe zeigten ein geringes Maà an maC46 Kopien im Vergleich
zum Transplantat. Eine detaillierte Analyse von Tieren, die mit verschiedenen MOI (MultiplizitÀt
der Infektion) transduzierten PBL injiziert wurden, zeigte keine signifikanten Unterschiede in der
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maC46 Expression bzw. Kopienzahl in Blut, Milz und Lymphknoten. Hieraus kann eine mögliche
VSV-G ToxizitÀt im Verlauf der Transduktion prinzipiell ausgeschlossen werden.
Zusammenfassend lÀsst sich aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit subsumieren, dass eine
CD4 T-Zell-fokussierte Gentherapie dem grundlegenden Problem der Transgenexpression in
AbhĂ€ngigkeit des Aktivierungsstatus der jeweiligen Zelle gegenĂŒbersteht. Da diese AbhĂ€ngigkeit
der Transgene expression vom Aktivierungszustand der T-Zelle fĂŒr T-Zellen, die in-vivo aus
transgenen HSCs differenziert sind, weniger aus geprĂ€gt zu sein scheint, sollten kĂŒnftige klinische
studien zur HIV-Gentherapie mit stammzellen durchgefĂŒhrt werden
Generation of X-CGD cells for vector evaluation from healthy donor CD34+ HSCs by shRNA-mediated knock down of gp91phox
Innovative approaches for the treatment of rare inherited diseases are hampered by limited availability of patient derived samples for preclinical research. This also applies for the evaluation of novel vector systems for the gene therapy of monogenic hematological diseases like X-linked chronic granulomatous disease (X-CGD), a severe primary immunodeficiency caused by mutations in the gp91phox subunit of the phagocytic NADPH oxidase. Since current gene therapy protocols involve ex vivo gene modification of autologous CD34+ hematopoietic stem cells (HSC), the ideal preclinical model should simulate faithfully this procedure. However, the low availability of patient-derived CD34+ cells limits the feasibility of this approach. Here, we describe a straightforward experimental strategy that circumvents this limitation. The knock down of gp91phox expression upon lentiviral delivery of shRNAs into CD34+ cells from healthy donors generates sufficient amounts of X-CGD CD34+ cells which subsequently can be used for the evaluation of novel gene therapeutic strategies using a codon-optimized gp91phox transgene. We have used this strategy to test the potential of a novel gene therapy vector for X-CGD
Enhanced Thermostability of Silica-immobilized Lipase from Bacillus coagulans BTS-3 and Synthesis of Ethyl Propionate
A lipase from the thermophilic isolate Bacillus coagulans BTS-3 was produced and purified. The enzyme was purified 40-fold to homogeneity by ammonium sulfate precipitation and DEAE-Sepharose column chromatography. Its molecular weight was 31 kDa on SDS-PAGE. The purified lipase was immobilized on silica and its binding efficiency was found to be 60%. The enzyme took 60 min to bind maximally onto the support. The pH and temperature optima of immobilized lipase were same as those of the free enzyme, i.e. 8.5 and 55ÂșC, respectively. The immobilized enzyme had shown marked thermostability on the elevated temperatures of 55, 60, 65 and 70ÂșC. The immobilized enzyme was reused for eigth cycles as it retained almost 80% of its activity. The catalytic activity of immobilized enzyme was enhanced in n-hexane and ethanol. The immobilized enzyme when used for esterification of ethanol and propionic acid showed 96% conversion in n-hexane in 12 h at 55ÂșC