Forschung

A major obstacle to drug development in pediatric cancers is a lack of pre-clinical models recapitulating the human disease due to incomplete knowledge of tissue origin. This is specifically true for Ewing sarcoma (EwS) which is caused by EWSR1/ETS gene rearrangements. Mesenchymal stem cells (MSC) have been proposed as candidate cell types of origin, however, targeting of EWS-FLI1 to the bone mesenchymal lineage during mouse embryogenesis so far failed to result in tumorigenesis. Little is known about the precise developmental trajectories of different MSC cell types during normal and perturbed differentiation. In this project, we will follow three approaches to decipher the tissue and differentiation state of origin for EwS: i) Based on single-cell transcriptome analyses, we will establish the first time- and lineage-resolved single-cell reference atlas of human MSC development, naïve and along induced differentiation. We will then pinpoint alteration of normal differentiation trajectories after inducing ectopic EWS-FLI1 expression to define the cell type, differentiation stage, and chromatin architecture resembling EwS the closest and trace back the development of EwS tumor cells from single-cell and bulk analysis of EwS tumor samples by aligning them to the MSC differentiation reference atlas. ii) Based on the observation that the cancer epigenome retains memory of the tissue of origin in its enhancer usage, we will screen for convergence in trans-species activity of these enhancers on specific cell types and developmental stages during zebrafish development. Using these enhancers to irreversibly switch-on fluorescent reporter activity by Cre-mediated recombination, we will follow the developmental fate of these cells into adulthood. iii) Finally, we will perform lineage tracing experiments of rare EwS-like tumors developing in zebrafish with mosaic EWS-FLI1 expression to identify cell types permissive for EWS-FLI1 mediated transformation.

Die Vision des CD Labors ist es die Produktion von rAAV zur Gentherapie vom kostenintensiven, Empirie-getriebenen Ansatz zu einer wissens- und modellbasierten Prozessentwicklung und Produktion zu führen. Dazu braucht es profundes Verständnis von Zusammenhängen wie Ziellinien, therapeutischen Gene oder Prozessbedingungen miteinander interagieren und die Qualität und Menge an rAAV beeinflussen. Wir werden Analysen ausbauen, die eine genaue Charakterisierung von rAAV und Verunreinigungen ermöglichen. Eine der wichtigsten Aufgaben wird hier die Differenzierung zwischen mit therapeutischer DNA beladenen und leeren rAAVs sein, nachdem unterschiedliche Zelllinien und verschiedenen therapeutische Gene zu stark variierenden Verhältnissen zwischen diesen Varianten führen. Die Überprüfung der Produktqualität wird zurzeit mittels Analysen im Anschluss an den Prozess durchgeführt. Solche Analysen sind zeit-und kostenintensiv, und verlangen Stehzeiten im Prozess. Sie liefern nur rückblickend Informationen und können daher nicht zur Prozesssteuerung verwendet werden. Daher werden Sensoren untersucht, die während des Prozesses wichtige Prozessparameter aufzeichnen und Information über dessen Verlauf liefern. Das erlaubt die Prozessüberwachung und -steuerung d.h. ein Eingreifen in den Prozess zur Sicherung der gewünschten Qualität. Diese Vorgehensweise erhöht nicht nur die Sicherheit der Prozesse, sondern auch deren Effizienz. Um ein systematisches Verständnis wichtiger Parameter und deren Zusammenspiel zu erarbeiten, werden verschiedene HEK Ziellinien untersucht und genomweite Analysen der Zellantwort auf die Virusproduktion erhoben. Darauf basierende werden Strategien zur Verbesserung der rAAV Ausbeute und deren Qualität entwickelt. Optimierte Zellinien and Prozessierungstrategien in den Produktionsmaßstab zu bringen ist ein mehrstufiger zeit-und kostenintensiver Prozess. Der kleinste zur Zeit für die Prozessentwicklung von rAAV Produktion zur Verfügung stehende Maßstab ist der Labormaßstab, der auf Grund des relativ hohen Materialaufwandes nur eine limitierte Anzahl an Experimenten zulässt. Nur eine miniaturisierte Prozessentwicklungsplattform ermöglicht einen integrierten Ansatz zur Untersuchung von Zusammenhängen zwischen Prozessschritten oder Up und Downstream Processing. Diese wird daher für die Prozessentwicklung von rAAV aufgesetzt und wird alle relevanten Schritte der Zellkultivierung und des Downstream Processing umfassen. Beispielhaft wird schließlich ein optimierter Prozess auf dieser Plattform erarbeitet und mit einem derzeitigen Prozess verglichen.

Theoretischer Rahmen Einer der ersten spezifischen Abwehrmechanismen gegen eindringende Pathogene und Selbstantigene ist das Komplementsystem, das durch Immunglobuline (Igs) aktiviert wird. Igs binden spezifisch an das Antigen des Pathogens und ermöglichen dadurch das Andocken des C1q-Komplement-Initiationskomplexes. Zwei Faktoren, die die Komplementaktivierung beeinflussen, wurden bisher noch nicht im Detail untersucht. Erstens das Format des Antigens, beschrieben durch die chemische Natur, die molekulare Größe und die Art der Präsentation (als lösliche Substanz oder eingebettet in Vesikel zur Nachahmung der Zelloberfläche). Zweitens, der große Unterschied in der Komplementaktivierung, der sich aus dem Grad der Oligomerisierung der IgMs ergibt. Zielsetzung Das übergeordnete Ziel des pent/hexIgM-Projekts ist die Aufklärung der Aktivierungsstellen von C1q und der IgM-Fc nach Bindung von pentameren und hexameren IgMs an unterschiedliche Antigenformate. Herangehensweise/Methoden Wir werden rekombinante IgMs und das C1q-Protein in Säugetierzellen herstellen und Mutanten davon durch Hefeoberflächendisplay generieren. Anschließend werden wir die biologischen Aktivitäten der generierten Proteine in vitro durch immunchemische und biophysikalische Analysen sowie durch Funktionstests bestätigen. Vor allem aber werden wir den Einfluss des Antigenformats und des Oligomerisierungsgrades der IgMs (pentamere versus hexamere IgMs) auf die Aktivierung des Komplementsystems aufklären. Grad der Originalität Obwohl IgMs in Kombination mit Komplementproteinen eine wichtige Funktion im menschlichen Körper haben, werden diese Proteine in Therapie und Diagnostik noch nicht breit eingesetzt. Die Ergebnisse des pent/hexIgM-Projekts werden zum Verständnis der komplexen Mechanismen beitragen, die der Aktivierung der Komplementkaskade zugrunde liegen, und Daten liefern, die für die Entwicklung neuer Diagnostik und effizienter Behandlungsmethoden für verschiedene infektiöse, entzündliche, chronische und Krebserkrankungen von besonderer Bedeutung sind.