AG "Funktionelle pädiatrische Präzisionsonkologie"

Die enormen Fortschritte in der molekularen Charakterisierung und der Behandlung von Tumoren ermöglichen es, dass heute bereits viele kindliche Tumore erfolgreich behandelt werden können. Doch noch immer gibt es zu viele Kinder, die im Laufe der Therapie Resistenzen entwickeln oder bei denen trotz genauester molekularer Diagnostik kein geeignetes Angriffsziel für eine zielgerichtete Therapie gefunden werden kann. Um auch diesen Kindern in Zukunft helfen zu können, verfolgen wir hauptsächlich zwei miteinander verknüpfte Forschungsansätze:

In unserer Translational Drug Screening Unit (TDSU) ergänzen wir molekulare Analysen durch funktionelle Analysen in Form von Hochdurchsatz-Medikamententestungen. Hierzu nutzen wir Tumormaterial von Patient:innen der INFORM Studie, welches in dreidimensionaler Kultur gehalten wird und innerhalb weniger Tage auf das Ansprechen auf verschiedenste klinisch relevante Krebsmedikamente getestet wird. Unser Ziel ist es dabei, ein genaues Empfindlichkeitsprofil des jeweiligen Tumors zu erstellen. Ziel der TDSU ist darüber hinaus auch die Etablierung patientennaher, präklinischer Modelle in Form von Kurz- und Langzeitkulturen, um diese für weiterführende funktionelle Analysen nutzbar zu machen.

Parallel dazu erforschen wir in unseren funktionellen Studien Resistenzmechanismen sowie angreifbare zelluläre Veränderungen in kindlichen Tumoren des Nervensystems (Neuroblastome, Medulloblastome, Gliome, Ependymome) mit besonderem Augenmerk auf besonders resistente Tumor Subtypen, um so neue zielgerichtete Therapieansätze für diese Tumore entwickeln zu können. Vielversprechende Therapieansätze werden dabei innerhalb kürzester Zeit in unserem Zebrabärblingembryonen-Xenograftmodell in vivo getestet.


Forschungsschwerpunkte

Der Fokus unserer Translational Drug Screening Unit (TDSU) liegt auf translationaler Forschung aus dem Labor zum Krankenbett und wieder zurück, um personalisierte, zielgerichtete Therapien zu entwickeln. Mit dem INFORM-Register haben wir innerhalb der Deutschen Gesellschaft für pädiatrische Onkologie und Hämatologie (GPOH) eine Molekulardiagnostik-Plattform geschaffen, die es uns erlaubt, Therapieansätze, biologische Tumorklassifikationen und erbliche Prädispositionssyndrome zu identifizieren.

 Dennoch weisen nur wenige Tumoren vielversprechende Targets (genetische Treibermutationen) auf. Aus diesem Grund ist es essentiell, dass die molekularen Analysen durch funktionale Informationen aus lebenden Tumorzellen komplementiert werden. Aktuelle präklinische Modelle in der Tumorbiologie sind in ihrer Fähigkeit beschränkt, relevante (patho-) physiologische Prozesse, zu rekapitulieren. Dreidimensionale (3D) Wachstumskulturen könnten die fehlende Korrelation zwischen zweidimensionalen (2D) Monolayer-Zellkulturen und humanen Tumoren in präklinischen Wirkstofftests überwinden.

 Unser Ziel ist es, aus Primärtumormaterial 3D in vitro Zellkulturen zu etablieren, die die Heterogenität und Individualität der einzelnen Tumoren widerspiegeln. An diesen Kurzzeittumorzellkulturen wird das Ansprechen gegenüber einer großen Anzahl an Wirkstoffen getestet, sodass für jeden individuellen Tumor ein genaues Empfindlichkeitsprofil für die klinisch relevanten Medikamente erstellt werden kann. Darüber hinaus können hier mögliche synergistische Effekte von Wirkstoffkombinationen für zwei oder mehr Wirkstoffe getestet werden. Parallel finden weitere Untersuchungen statt, wie die genetische Charakterisierung von Tumorproben (Identifizierung von Biomarkern, CRISPR/Cas screenings, Single cell-Sequenzierung). Unser stetig wachsendes Repertoire an präklinischen (Patienten-abgeleiteten und genetischen) Mausmodellen (KiTZ-Kooperationen) erlaubt es uns, nachfolgend die in vivo Anwendbarkeit der von uns in vitro identifizierten Therapieoptionen zu beurteilen.

Wir verwenden ein pädiatrisches Tumormodell mit Larven des Zebrabärblings (danio rerio) im Frühstadium, um Tumorwachstum und -veränderung auf Einzelzellebene zu untersuchen.

 Wir verwenden dieses Xenograft Modell als eine Medium- bis Hochdurchsatzmethode für die in vivo Validierung der ex vivo Ergebnisse. Darüber hinaus führen wir mit Hilfe dieser Methode Medikamententestungen durch, die es uns ermöglichen, potenziell erfolgreiche Ansätze für die Behandlung von Kindern mit rezidivierten Tumoren zu identifizieren. Wir verwenden sowohl etablierte Zelllinien, als auch primäres Tumormaterial und modellieren damit den Krankheitsverlauf, um das Ansprechen auf die Therapie untersuchen und voraussagen zu können.

 Wir haben ein Zebrabärbling humanes pädiatrischen Tumorzell Xenograft Modell entwickelt, mit welchem wir in der Lage sind Tumorwachstum und Tumorprogress (z.B. Metastasierung)  zu beurteilen. Dabei werden humane pädiatrische Tumorzellen in den Dottersack und den Perivitellinen Raum der Zebrabärblingembryonen injiziert. Darüber hinaus entwickeln wir orthotope Hirntumore in den Larven im Frühstadium, wofür die pädiatrischen Tumorzellen bereits im Blastulastadium der Bärblinge injiziert werden.

Obwohl sich die Überlebenschancen für Kinder mit bösartigen Krebserkrankungen in den letzten Jahrzehnten deutlich verbessert haben, können immer noch zu viele Kinder nicht geheilt werden. Ursächlich hierfür sind zum einen das Fehlen geeigneter Medikamente für bestimmte Tumorarten, aber auch zum Zeitpunkt des Therapiebeginns bereits bestehende oder im Laufe der Tumortherapie erworbene Medikamentenresistenzen. Ziel unserer funktionellen Studien ist die Identifikation angreifbarer zellulärer Veränderungen in kindlichen Tumoren des Nervensystems (Neuroblastome, Medulloblastome, Gliome, Ependymome) mit Hilfe von Hochdurchsatz Medikamentenscreens. Hierfür nutzen wir sowohl primäres Patientenmaterial aus der INFORM Studie als auch verschiedene Modelle wie Kurzzeitkulturen, PDX Modelle und etablierte Zelllinien.

In unseren derzeit laufenden Projekten untersuchen wir beispielsweise, wie sich kindliche Histon H3 mutierte Gliome, die durch eine sehr schlechte Prognose gekennzeichnet sind, gezielt durch Behandlung mit epigenetisch wirkenden Medikamenten behandeln lassen. Weiterhin untersuchen wir am Beispiel von Neuroblastomen wie die Resistenz dieser Tumore gegenüber Chemotherapeutika gezielt durch die Hemmung bestimmter Zelloberflächenproteine gebrochen werden kann.

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Untersuchungen liegt in der Erforschung von Lysosomen, zellulärer Organellen deren Hauptfunktion in der Degradation zellulärer Makromoleküle liegt. Eine Vielzahl von Studien legt nahe, dass Lysosomen über verschiedene Mechanismen an der Ausbildung von Multiresistenzen beteiligt sind. So konnten wir beispielsweise zeigen, dass die Histondeacetylase (HDAC) 10 in Neuroblastomen sowohl die Autophagie – einen lysosomal abhängigen zellulären Stressmechanismus -, als auch die Fusion von Lysosomen mit der Zellmembran fördert und dadurch erheblich zur Chemoresistenz diese Tumore beiträgt (Oehme et al. 2013, Ridinger et al. 2018). Weiterhin konnten wir demonstrieren, dass bestimme Breitband Histon-Deacetylase Inhibitoren die Autophagie modulieren und in Kombination mit Autophagieinhibitoren wie Chloroquin Neuoblastomzellen effektiv abtöten (Korholz et al. 2021). Durch systematische Korrelation von Hochdurchsatz Medikamenten Screenings mit hochauflösenden Mikroskopiedaten wollen wir nun herausfinden, wie verbreitet lysosomale Resistenzmechanismen in verschiedenen kindlichen Tumorentitäten (Gliome, Medulloblastome, Neuroblastome) sind und ob sich diese für gezielte Kombinationstherapien nutzen lassen.

In früheren Arbeiten konnten wir das HDAC Familienmitglied HDAC8 als therapeutisches Target in der Therapie von Neuroblastomen identifizieren, dessen Inhibition die Differenzierung von Neuroblastomen in vitro und in vivo fördert (Oehme et al. 2009, Rettig et al. 2015)). Dabei erwies sich die Hemmung der Rezeptortyrosinkinase ALK, identifiziert mithilfe eines kinomweiten RNAi Screen, als synergistische Kombination von HDAC8 Inhibitoren. Die gleichzeitige Inhibition von HDAC8 und des ALK Signalwegs blockiert tumorrelevante Signalwege (Bsp. ERK Signaling), was zu einem effizienten Absterben von Neuroblastomzellen führt (Shen et al. 2018). Unsere Studien zeigen jedoch auch, dass nicht alle Neuroblastomzellen erfolgreich auf HDAC8 Inhibition ansprechen. In einem derzeit laufenden Projekt untersuchen wir daher, inwieweit sich diese therapieresistenten Zellen in ihrem Genexpressionsprofil von sensitiven Zellen unterscheiden, um gezielt Angriffspunkte in diesen Zellen zu identifizieren (nicht publizierte Daten). Ein Weg zur Abtötung solch resistenter Zellen könnte dabei in der kombinierten Inhibition von HDAC8 und HDAC10 durch hoch-selektive HDAC6/8/10 Inhibitoren (TH34) liegen (Kolbinger et al. 2018).

Trotz Identifikation pharmakologisch angreifbarer Zielstrukturen sprechen viele Tumore nur schlecht auf Einzelbehandlungen an. Deshalb testen wir bei besonders resistenten Tumormodellen auch gezielt auf Kombinationsbehandlungen mit bereits klinisch zugelassenen Medikamenten (z.B. Tretinoin/ATRA) oder Medikamenten, die sich derzeit in klinischen Studien befinden. Vielversprechende Therapieansätze testen wir im Anschluss in vivo in unserem Zebrafischlarvenmodell.

Unsere Gruppe hat das HDAC family member 8 (HDAC8) als neues  therapeutisches Target in der Therapie des pädiatrischen Neuroblastoms  identifiziert. Neuroblastome sind die häufigsten extrakranialen soliden  Tumoren bei Kindern und es wird vermutet, dass ein Zusammenhang zwischen  ihrer Entstehung und Maturationsdefekten der von der Neuralleiste  abgeleiteten Vorläuferzellen des peripheren sympathischen Nervensystems  besteht. Die Wahrscheinlichkeit des Langzeitüberlebens von  Hochrisiko-Neuroblastompatienten liegt bei weniger als 50 Prozent.

Wir  konnten zeigen, dass eine Inhibition der enzymatischen Aktivität von  HDAC8 durch spezifische Inhibitoren sich positiv auswirkt. Im  Neuroblastom führt die Hemmung von HDAC8 zu einem Arrest des Zellzyklus  und der Differenzierung in vitro und in vivo. Die  Kombination mit Retinsäure führt zu einer besseren Differenzierung der  Zellen. Dementsprechend ist die Hemmung von HDACs in Tumoren mit  HDAC-Isotyp-abhängigem Wachstum potentiell wirksam und kann mit  Wirkstoffen kombiniert werden, die die Zelldifferenzierung begünstigen.

Unsere  zukünftige Forschung wird sich einerseits mit der Anwendung selektiver  HDAC8-Inhibitoren als Medikamente bei Neuroblastomen beschäftigen.  Andererseits werden wir die selektiven Inhibitoren nutzen, um den  mechanistischen Hintergrund der HDAC8-gesteuerten Malignität von  Neuroblastomen zu verstehen. Außerdem untersuchen wir das Zusammenwirken  von Signalwegen unter Einsatz von synthetischen letalen  Screening-Methoden.

Mitarbeiter

  • PD Dr. phil. nat. Ina Oehme (Gruppenleiterin)
  • Dr. rer. nat. Heike Peterziel (Senior/Staff Scientist)
  • Dr. rer. nat. Johannes Ridinger (Postdoc)
  • Dr. sc. hum. Sara Najafi (Postdoc)
  • Lisa Rösch (Naturwiss. Doktorandin)
  • Simay Ayhan (Naturwiss. Doktorandin)
  • Sonja Herter (Naturwiss. Doktorandin)
  • Marta Emnperador (Naturwiss. Doktorandin ab Sept 2021)
  • Katharina Körholz (Med. Doktorandin)
  • Till Seiboldt (Med. Doktorand)
  • Michael Müller (Med. Doktorand)
  • Charlotte Gatzweiler (Med. Doktorandin)
  • Rabia Altintas (Med. Doktorandin)
  • Constantia Zeiser (Med. Doktorandin)
  • Xenia Gerloff (Student. Hilfskraft)
  • Aileen Mangang (Technische Assistentin)
  • Alexandra Stroh-Dege (Technische Assistentin)
  • Clarissa Holitsch (Technische Assistentin)
  • Katrin Löffler (Praktikantin)

Alumni

  • Dr. sc. hum. Emily Schulze-Koeneke (Doktorandin)
  • Dr. sc. hum. Jing Shen (Doktorandin)
  • Dr. rer. nat. Johannes Fabian (Doktorand)
  • Ramona Straub (Technische Assistentin)
  • Annika Bittmann (Technische Assistentin)
  • Dr. med. Fiona Kolbinger (Medizinische Doktorandin)
  • Paula Eiben (Praktikantin)
  • Tim Machauer (Praktikant)
  • Dr. rer. nat. Jagoda Wrobel (Postdoc)
  • Dr. rer. nat. Sina Oppermann (Postdoc)
  • Dr. rer. nat. Inga Rettig (Doktorandin)
  • Corinna Bingel (Master Studentin)

PD Dr. Ina Oehme

Gruppenleiterin "AG Funktionelle Analysen"

Postanschrift:
Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ)
KKE Pädiatrische Onkologie / G340
Im Neuenheimer Feld 280
69120 Heidelberg / Germany

Ausgewählte Publikationen

Korholz K, Ridinger J, Krunic D, Najafi S, Gerloff XF, Frese K, Meder B, Peterziel H, Vega-Rubin-de-Celis S, Witt O, Oehme I (2021). "Broad-Spectrum HDAC Inhibitors Promote Autophagy through FOXO Transcription Factors in Neuroblastoma." Cells 10(5).

Wrobel JK, Najafi S, Ayhan S, Gatzweiler, C, Krunic D, Ridinger J, Milde T, Westermann F, Peterziel H, Meder B, Distel M, Witt O, Oehme I (2020). "Rapid In Vivo Validation of HDAC Inhibitor-Based Treatments in Neuroblastoma Zebrafish Xenografts." Pharmaceuticals (Basel) 13(11).

Oehme, I., Deubzer, H. E., Wegener, D., Pickert, D., Linke, J. P., Hero, B., Kopp-Schneider, A., Westermann, F., Ulrich, S. M., von Deimling, A., et al. (2009). Histone deacetylase 8 in neuroblastoma tumorigenesis. Clin Cancer Res 15, 91-99.

Oehme I, Linke JP, Böck BC, Milde T, Lodrini M, Hartenstein B, Wiegand I, Eckert C, Roth W, Kool M, Kaden S, Gröne HJ, Schulte JH, Lindner S, Hamacher-Brady A, Brady NR, Deubzer HE, Witt O. (2013) Histone deacetylase 10 promotes autophagy-mediated cell survival. Proc Natl Acad Sci U S A 110(28): E2592-2601.

Oehme I, Lodrini M, Brady NR, Witt O (2013) Histone deacetylase 10-promoted autophagy as a druggable point of interference to improve the treatment response of advanced neuroblastomas. Autophagy 9(12):2163-2165.

Rettig I, Koeneke E, Trippel F, Mueller WC, Burhenne J, Kopp-Schneider A, Fabian J, Schober A, Fernekorn U, von Deimling A, Deubzer HE, Milde T, Witt O, Oehme I (2015) Selective inhibition of HDAC8 decreases neuroblastoma growth in vitro and in vivo and enhances retinoic acid-mediated differentiation. Cell Death Dis 6: e1657.

Bingel C, Koeneke E, Ridinger J, Bittmann A, Sill M, Peterziel H, Wrobel JK, Rettig I, Milde T, Fernekorn U, Weise F, Schober A, Witt O, Oehme I (2017) Three-dimensional tumor cell growth stimulates autophagic flux and recapitulates chemotherapy resistance. Cell Death Dis 8: e3013.

Kolbinger FR, Koeneke E, Ridinger J, Heimburg T, Müller M, Bayer T, Sippl W, Jung M, Gunkel N, Miller AK, Westermann F, Witt O, Oehme I (2018) The HDAC6/8/10 inhibitor TH34 induces DNA damage mediated cell death in human high-grade neuroblastoma cell lines. Arch Toxicol. 2018 Aug;92(8):2649-2664.

Shen J, Najafi S, Stäble S, Fabian J, Koeneke E, Kolbinger FR, Wrobel J, Meder B, Distel M, Heimburg T, Sippl W, Jung M, Peterziel H, Kranz D, Boutros M, Westermann F, Witt O, Oehme I (2018) A kinome-wide RNAi screen identifies ALK as a target to sensitize neuroblastoma cells for HDAC8-inhibitor treatment. Cell Death & Differentiation. Dec; 25(12): 2053–2070.

Ridinger J, Koeneke E, Kolbinger FR, Koerholz K, Mahboobi S, Hellweg L, Gunkel N, Miller AK, Peterziel H, Schmezer P, Hamacher-Brady A, Witt O, and Oehme I (2018) Dual role of HDAC10 in lysosomal exocytosis and DNA repair promotes neuroblastoma chemoresistance. Sci Rep. 2018 Jul 3;8(1):10039.