Forschung

Die Heilungsrate bei der Behandlung von Osteosarkom (OS), einer aggressiven Krebsart mit vielen Todesfällen in betroffenen Kindern und Jugendlichen, hat sich in den letzten 40 Jahren nicht verbessert. In Anbetracht der beträchtlichen Anzahl von OS-assoziierten Mutationen und Möglichkeiten durch innovationsgetriebene personalisierte T Zell Therapien mit immer besser werdendem Heilungspotential ist solch ein Stillstand nicht weiter akzeptabel. Als therapeutischer Angriffspunkt werden OS-assoziierte Tumorantigene auf der Oberfläche der Tumorzellen abgebildet, und zwar als kurze Peptide, die auf MHC Molekülen präsentiert und von tumorinfiltrierenden CD4+ Helfer T Zellen und CD8+ zytotoxischen T Zellen (CTLs) erkannt werden können. CTLs, die mit dem entsprechenden T Zell Rezeptor (TCR) ausgestattet sind, können Zielzellen eliminieren, selbst wenn diese nur ein einziges Antigen präsentieren. Auf Grund der Komplexitäten, die die Interaktionen zwischen OS und dem T Zell Kompartment charakterisieren, sowie auch der Limitierungen der TCR-Reaktivität durch die negative Selektion im Thymus, prophezeien wir, dass bahnbrechende Errungenschaften eine perfekt abgestimmte multidisziplinäre Herangehensweise erfordern. Deswegen wird unser Team seine breite Expertise in den Bereichen der Krebsbiologie, der T Zell und molekularen Immunologie, sowie in der Biotechnologie und Systembiologie kombinieren. Wir werden personalisierte OS-assoziierte Antigene und deren passende TCRs, sowie T Zell- und OS-intrinsische Regulationsmechanismen, die Resistenzmechanismen zugrunde liegen, identifizieren. Dieser Ansatz wird letztendlich ermöglichen, autologe CTLs mit verbessertem Potential zur Tumoreliminierung zu entwickeln. Zu diesem Zweck werden wir rekombinante tumor-angereicherte TCRs herstellen, die aus TILs aus OS-Patienten isoliert wurden. Mit diesen TCRs werden anschließend Hefe-präsentierte Peptid-MHC Bibliotheken nach den passenden Peptidantigenen durchsucht. In einem komplementären Ansatz werden wir zuerst T Zell Epitope nach ihrem Potential zur Tumorerkennung klassifizieren und danach die entsprechenden TCRs identifizieren. Nach funktioneller Validierung von TCR-Antigen Paaren in vitro, in Tumorproben und in vivo werden wir computergestützte, biophysikalische und protein-basierte Herangehensweisen kombinieren um funktional verbesserte und patientenspezifische TCRs zu generieren. Parallel dazu werden wir Strategien zur OS-Präkonditionierung und zur Generierung von T Zellen, die widerstandsfähig gegenüber der immunsuppressiven Umgebung im Tumor sind, entwickeln. Mit CRISPR-Cas9 und DNA-Barcode-basierten Screens werden wir T Zell- und OS-intrinsische Mechanismen der Immunresistenz entschlüsseln. Wir werden uns auf OS-spezifische Strategien fokussieren, um mit der Oberflächenexpression und TCR-Zugänglichkeit von MHC Klasse I zu interferieren. Außerdem wollen wir T Zell- und OS-intrinsische Signalwege identifizieren, die die Antigensensitivität und Effektorfunktionen von CTLs beeinflussen. Wir erwarten, dass wir das Fundament für eine heilende OS Behandlung in Österreich und auch anderswo legen und Pionierarbeit für effektive und gut verträgliche Therapien für solide Tumore leisten.

In diesem Wissenschaftskommunikationsprojekt werden junge Nachwuchswissenschaftler*innen ( PostDoc-Level), die Interesse daran haben, ihre Forschung an die Öffentlichkeit zu kommunizieren gefördert und unterstützt. Als Grundlage dienen interaktive Workshops zu den Grundlagen der Wissenschaftskommunikation sowie praktischen Übungen zur Nutzung von Social Media Kanälen für Forscher*innen. Die Wissenschaftler*innen werden dazu in Kleingruppencoachings begleitet, um eine Umsetzung zu ermöglichen und auftauchende Herausforderungen zu besprechen.

Breiterer Forschungskontext: Von den fünf menschlichen Hämperoxidasen, deren Entwicklung sehr unterschiedliche Funktionen erfüllt, ist die Schilddrüsenperoxidase (TPO) die am wenigsten gut untersuchte. Das Multidomänen-Membranprotein katalysiert die Biosynthese von Schilddrüsenhormonen, die für Stoffwechsel, Wachstum und Entwicklung des menschlichen Körpers unerlässlich sind. Durch den Einsatz von Wasserstoffperoxid katalysiert TPO die Jodierung und Kopplung von Tyrosinresten auf der Oberfläche von Thyreoglobulin (TG) in der Schilddrüse. Allerdings gibt es offene Fragen zur Substratselektivität, den biochemischen Eigenschaften, dem Kopplungsmechanismus und den Rollen der einzelnen Domänen. Entscheidend ist, dass TPO der Kern zweier autoimmuner Schilddrüsenerkrankungen ist, an denen zusammen fast 150 Millionen Menschen leiden. Die einzigen beiden klinisch zugelassenen TPO-Hemmer sind jedoch nicht spezifisch. Ziele: Dieses Projekt wird die biochemischen und strukturellen Eigenschaften von TPO aufklären. Die Hauptziele sind (I) das Verständnis der Kinetik und Substratspezifität von TPO, (II) die Bereitstellung von Strukturdaten von TPO allein und relevanten Ligationszuständen und (III) die Klärung der Wirkungsweise von TPO-Inhibitoren. Ansatz: In Vorarbeiten wurde ein Expressions- und Reinigungsprotokoll für verkürzte TPO-Varianten erstellt. Wichtig ist, dass festgestellt wurde, dass es möglich ist, den Häm-Cofaktor auch nach der Reinigung wiederherzustellen und zu verknüpfen, wodurch hochreines und enzymatisch aktives rekombinantes TPO entsteht. Dies ermöglicht die erste detaillierte spektroskopische, thermodynamische und strukturelle Untersuchung des Enzyms. Dazu gehört eine Analyse der Reaktionskinetik von TPO mit einer Reihe von Methoden, einschließlich Stopped-Flow-UV-Vis-Spektroskopie für prästationäre Kinetiken, Analyse der Wechselwirkung mit kleinen Molekülen (z. B. Inhibitoren, Liganden) und TG mit Thermodynamik und Masse spektroskopische Untersuchungen. Schließlich zielt dieses Projekt darauf ab, die Röntgenkristallstruktur von TPO allein und im Komplex mit biologisch relevanten Substraten, Liganden und Inhibitoren aufzuklären. Maß an Originalität: TPO ist entscheidend für die Biosynthese von Schilddrüsenhormonen. Bisher sind jedoch nur wenige biochemische und strukturelle Daten verfügbar, die (I) keine klare Erklärung der Struktur-Funktions-Beziehung der Architektur des aktiven Zentrums und der TPO-Reaktivität, (II) der Rolle der zusätzlichen TPO-Domänen und (III) ermöglichen ) das Design neuer, spezifischerer Inhibitoren. Ziel dieses Projekts ist es, eine vollständige enzymatische und strukturelle Charakterisierung von TPO bereitzustellen, um diese Probleme anzugehen. Beteiligte Primärforscher: Vera Pfanzagl schloss 2019 das internationale PhD-Programm BioToP an der BOKU ab. Sie arbeitete hauptsächlich an Struktur-Funktions-Beziehungen von Häm-Enzymen und konzentrierte sich während ihres Postdocs auf menschliche Häm-Peroxidasen. Im Rahmen dieses Stipendiums strebt sie die Habilitation an, um ihre akademische Karriere voranzutreiben. Unterstützt und gecoacht wird sie von Kristina Djinovic-Carugo, einer anerkannten Expertin für Strukturbiologie und Leiterin des EMBLE Grenoble, und Chris Oostenbrink (Professor an der BOKU), einem Experten für molekulare Modellierung und Simulation.