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.

Mesenchymale Stammzellen (MSCs) werden aufgrund ihrer immunmodulatorischen Eigenschaften als potenzielle Zelltherapeutika untersucht. In diesem Zusammenhang scheint die Therapie mit MSCs bei der Behandlung von Erkrankungen mit Autoimmun- und Entzündungskomponenten vielversprechend zu sein. Die Rolle von MSCs im Kontext inflammatorischer Erkrankungen ist jedoch nur unzureichend charakterisiert. Die Aufgaben von Toll-like Rezeptoren (TLR) auf und in MSCs sind vielseitig und beinhalten die Steuerung der Proliferation und Migration der MSCs, die Reparatur beschädigter Gewebe, die Förderung der Angiogenese sowie die Regulierung des Immunsystems. In diesem Projekt planen wir neue Zelllinien aus mesenchymalen Stammzellen aufzubauen, bei denen die spezifischen Signalwege von TLR 3 und 4 mithilfe von Optogenetik durch Lichtinduktion ein- bzw. ausgeschalten werden können. Das Einschleusen von Reportergenen ermöglicht zusätzlich eine Echtzeitdetektion der Signalwege. Die so erhaltenen licht-aktivierbaren Zelllinien werden unter physiologischen Bedingungen kultiviert (Hypoxie und 3D Kultur) und sowohl auf ihre Multipotenz (Stammzellcharakter), als auch auf das Potential den proinflammatorischen (MSC1; TLR4 Aktivierung) bzw. antiinflammatorischen (MSC2; TLR3 Aktivierung) Phänotypen auszubilden, getestet. Diese beiden biologischen Phänotypen sollen mit Hilfe von Multiplex-ELISA, Genexpressions- und quantitativen Proteomanalysen genau charakterisiert und mit dem Phänotyp nicht-stimulierter Zellen bzw. primärer Zellen verglichen werden. Die im Rahmen dieses Projektes erworbenen Kompetenzen werden die Zusammenarbeit der Universität Bodenkultur, der IMC FH Krems und der Firma LifeTaq-Analytics verstärken, zu weiteren Kooperationen mit Biotech-Unternehmen führen und zu einem langfristigen Ausbau der jeweiligen Kompetenzfelder im Bereich der Regenerativen Medizin beitragen.

Zur Therapie degenerativer Krankheiten und zur Stimulation von regenerativen Prozessen rücken extrazelluläre Vesikel immer weiter in den Fokus. In den letzten Jahren wurden viele Stammzelltherapien entwickelt, die großes Potential versprachen Krankheiten zu heilen, welche trotz modernster chirurgischer Methoden und pharmazeutischer Fortschritte und Organtransplantationen nicht heilbar waren. Stammzellbehandlungen sollten der Verlauf der Gewebedegeneration stoppen und die Regeneration einleiten bis zur vollständigen Wiederherstellung von Organfunktionen. Allerdings stellte sich heraus, dass viele Stammzelltherapien ineffektiv sind und selbst autologe Stammzellen unvorhergesehene Risiken, wie zum Beispiel immunologische Abstoßungsreaktionen oder die Entartung von Zellen, mit sich bringen können. Im Zuge der Untersuchung der Wirkungsweisen und Mechanismen von Stammzelltherapien wurde entdeckt, dass einen wichtigen Faktor der Signal- und Informationsübertragung zur Regeneration von Gewebe Stammzell-produzierte Extrazelluläre Vesikel (EV) darstellen. EVs übermitteln biologisch aktive Moleküle wie Proteine, Lipide oder RNA von Stammzellen an geschädigte Zellen und vermitteln so therapeutische Effekte. Wenn EVs effektiv von den produzierenden Zellen isoliert und aufgereinigt werden, könnten deren regenerative Eigenschaften, ohne die üblicherweise bei Stammzell-Therapien auftretenden Risiken, genutzt werden. Die Zell-freie Behandlung mit EVs ist eine vielversprechende Alternative zur Zelltherapie, die effektiver, sicherer und günstiger ist. Jedoch, wie die Effektivität der Stammzelltherapie vom Zustand den Ausgangszellen abhängig ist, ist auch die Beladung der Vesikel abhängig von Zelltyp und deren äußeren Einflüssen. Die Kultivierungsbedingungen der produzierenden Zellen können also direkt die Beladung und damit den therapeutischen Effekt der EVs beeinflussen. Deshalb ist das Ziel dieser Studie, die Beladung und Effektivität von EVs aus unterschiedlichen Kulturbedingungen zu untersuchen.