Patient-derived and stem cell-derived organoids as a predictive tool for personalized medicine

Patient-derived organoids present a unique opportunity to strive for personalized medicine. Isolation and propagation of tumor cells from patients with urological malignancies such as bladder cancer holds great promise to improve the survival of individuals with locally advanced or metastasized disease. Recruiting patients with bladder cancer before treatment will enable us to compare the in vitro response of organoids with the actual response of the patient. By comparison of numerous patients with their respective organoids, we will validate the method in preparation for an early phase clinical trial to implement organoid systems into the clinical routine.
In a second approach, we will employ stem-cell-derived organoids to understand the onset and progression of bladder cancer. Orchestration of different compounds in vitro allows directing the differentiation of pluripotent stem cells into virtually every somatic cell type. Setting up a urothelial differentiation protocol will allow unlimited access to genetically well-defined urothelial cells to serve as a starting point for modeling early steps during bladder cancer carcinogenesis. Introducing inducible oncogenes and knockout of tumor suppressors into pluripotent stem cells will allow to follow the genotype-dependent fate of individual stem cell-derived urothelial cells to luminal or basal tumor types and ultimately mediate a new understanding of tumor biology.
In a third approach, we will apply different stem-cell-derived cell and organoid types such as blood vessel organoids or smooth muscle cells to substantiate in vitro urothelial (cancer) organoids with their genuine niche. Generating multicellular systems will enhance our understanding of tissue development and tumor evolution and generate access to unique, sophisticated model systems

Klonale Stammzellkompetition in der altersabhängigen Kanzerogenese

Am Anfang jeder Tumorerkrankung steht eine (Stamm)Zelle, die sich in ihrer Entwicklung gegen andere (Stamm)Zellen durchsetzt. Bei einer Entität wie dem kolorektalen Karzinom sind mittlerweile diverse Treibermutationen und andere Faktoren bekannt, die in Stammzellen zu einem kompetitiven Vorteil führen können. Mit steigendem Alter eines Individuums steigt die Wahrscheinlichkeit der Entwicklung eines kolorektalen Karzinoms. Bei dem kolorektalen Karzinom liegt z.B. das mediane Erkrankungsalter zwischen 70 und 75 Jahren. Dies lässt unmittelbare Kausalzusammenhänge zwischen den molekularen und zellulären Veränderungen in der Alterung und dem Durchsetzen von Stammzellen im kolorektalen Karzinom vermuten. Bisherige Erklärungsmodelle, wie die Adenom-Karzinom-Sequenz, stoßen jedoch immer häufiger an Ihre Grenzen und werden mittlerweile grundlegend in Frage gestellt. Dagegen mehren sich die Hinweise darauf, dass der Alterungsprozess selbst Einfluss auf das kompetitive Verhalten von Stammzellen hat und damit ein direkter Wegbereiter einer schlussendlich maligen Entartung darstellt.
Ziel der Forschungsarbeit - im Rahmen des Else Kröner Forschungskollegs - ist es nun, die unterschiedliche klonale Kompetition von Stammzellen in humanen Kolon-Organoiden zu untersuchen. Mithilfe viraler Vektoren werden gesunde Organoide von jungen und alten Spendern durch Aktivierung von Treibermutationen modifiziert, um das nun veränderte kompetitive Verhalten in der Organoidkultur zu bestimmen und quantifizieren. Hierzu sollen auch Einzel-zellanalysen durchgeführt werden. Ein besonderer Schwerpunkt soll dabei auf dem direkten Vergleich von Organoiden junger und alter Spender liegen, und der Untersuchung der Rolle von bekannten Mechanismen der Alterung von Stammzellen für die veränderte Kompetition. Das zu vermutende unterschiedliche Kompetitionsverhalten soll bisher unbekannte Schritte der Kanzerogenes aufdecken und im Idealfall Möglichkeiten und Ansatzpunkte zur Prävention oder Therapie solcher Ereignisse aufzeigen.  

Variants of uncertain significance (VUS) characterisation by DNA repair and replication assays
 

Gerade bei Patientinnen und Patienten mit aggressiven Formen von Brust und Eierstockkrebs zeigt sich oftmals eine familiäre Häufung dieser Erkrankung. Die bisher etablierten Risikogene zeigen nur in einem Teil (ca. 30%) der betroffenen Patientinnen und Patienten genetische Veränderungen. Es besteht ein Zusammenhang vieler (etablierter) Risikogene mit einer defekten oder fehleranfälligen Reparatur von DNA-Doppelstrang-Brüchen. 
Das Ziel dieses Projekts ist, die funktionellen Konsequenzen der genetischen Veränderungen, insbesondere Änderungen in der DNA-Reparatur-Aktivität und der DNA-Replikation in Zellen von Patientinnen und Patienten mit erblichem Brust- und Eierstockkrebs an Blutproben zu bestimmen (liquid biopsy). Weiterhin soll auf genetische Veränderungen, sowohl in den bekannten Risikogenen, als auch in möglicherweise neuen Genen rückgeschlossen werden. Zu vielen genetischen Varianten von Risikogenen, welche durch den massenhaften Einsatz des NGS entdeckt wurden, können keine Aussagen zur tatsächlichen Pathogenität oder funktionellen Auswirkung gemacht werden. Ein weiteres Ziel wäre daher die Etablierung von Biomarkern oder Tests zur Bestimmung der Pathogenität von genetischen Varianten mit derzeit noch unklarem Phänotyp. Insbesondere soll sich auf TP53 und FAM175A fokussiert werden.

Boolean network modeling to elucidate the pathobiology of Richter Syndrome

The transformation of indolent B-cell malignancies into aggressive lymphoproliferative diseases is a therapeutically challenging field. Chronic lymphocytic leukemia is an indolent B-cell neoplasm which, in 5-10% of cases, will undergo malignant transformation into an aggressive B-cell lymphoma, most commonly a diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) or classical Hodgkin Lymphoma, termed Richter syndrome (RS). Despite intensive therapy, patients with RS have a poor clinical outcome with a median survival of 1-2 years from diagnosis. Until now, most RS patients are treated using a similar therapeutic regimen to that of patients with de novo DLBCL, even though RS and de novo DLBCL have been shown to be distinct disease entities. In view of the poor prognosis of RS patients despite intensive therapy, more targeted approaches to RS are urgently needed.
In this project I aim to further elucidate the pathobiology of transformation from indolent B-cell malignancies into aggressive lymphoma on the basis of dynamic mathematical models and simulation and further combine this knowledge with well-established in vitro methods of molecular biology.

Mechanisms of pancreatic cancer cell resistance to T cell-mediated cytotoxicity

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a deadly disease with limited treatment options and mostly resistant to immunotherapy. Despite a high abundance of T cells in its microenvironment, their ability in executing a cytotoxic response is thought to be diminished by an immunosuppressive microenvironment as well as cancer cell-autonomous resistance mechanisms. Pancreatic cancer cell-autonomous resistance mechanisms intersect with known oncogenic pathways and understanding their interplay is essential to uncover targetable genes and associated pathways that modulate T cell-responses. We use PDAC clonal cell lines from KPC (LSL-KrasG12D/LSL-TP53R172H/P48-cre) tumors either resistant or sensitive to killing by in vivo tumor-educated T cells in co-culture. Based on our comparative transcriptomic analysis of sensitive and resistant PDAC cells, we will first focus on the most promising gene candidates and differentially activated pathways, which potentially modulate a T cell response against cancer cells. In addition, we will perform a kinome-wide shRNA library screen on PDAC cells to identify kinases that are rate-limiting for the resistant phenotype in sensitive cancer cells and control the sensitive phenotype in resistant cancer cells. The identified candidate genes will be validated and characterized using in vitro and in vivo assays. The clinical significance will be assessed by correlative analysis of gene expression and outcomes in PDAC samples. Identification and characterization of novel genes and pathways in regulating T cell response could provide insights into immunomodulatory actions of targeted anticancer drugs and how to apply kinase inhibitors to sensitize pancreatic cancer cells towards T cell-mediated cytotoxicity.