Salmonella Typhimurium

Felgner, Sebastian

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Salmonella Typhimurium

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Weltweit steigt die Zahl der Krebsfälle stetig an. Auf der Suche nach Alternativen zu gängigen Behandlungsstrategien rückte das alte Konzept der bakteriellen Krebstherapie mit Salmonella Typhimurium wieder in den Fokus. Diese pathogenen Bakterien können Tumorgewebe selektiv kolonisieren und besitzen anti-tumorale Eigenschaften. Um jedoch eine erfolgreiche Anwendung zu garantieren, ist ein Gleichgewicht aus therapeutischem Nutzen und Patientensicherheit von Nöten. Diese Doktorarbeit hat das Ziel, eine solche Balance für Salmonellen zu finden. Einzelne Gen-Knockouts innerhalb der LPS Synthese führten zu sicheren Stämmen, jedoch ohne therapeutisches Potential. Deswegen wurden diese Gene mittels des induzierbaren Promoters PBAD exprimiert, um sie in der planktonischen Kultur zu komplementieren. Dieser Effekt sollte sich in vivo wieder verlieren. Dieses ’Delayed Attenuation System’ stellte den therapeutischen Effekt gegenüber CT26 Tumoren (z.B. Wachstumsverzögerungen) wieder her, war aber gegen widerstandsfähigere Tumore wie RenCa wirkungslos. Um die Effizienz weiter zu verstärken, wurden die Gen-Konstrukte in den wesentlich virulenteren und immunogeneren Salmonellen Stamm UK-1 transferiert. Diese Stämme waren effizienter, zeigten aber noch keine komplette Tumorabstoßung. Infolgedessen wurde zusätzlich das Lipid A Molekül zu einer einheitlichen hexa-acylierten Struktur verän-dert, um die Immunogenität weiter zu erhöhen. Diese Optimierung führte schließlich zu einer 100%igen Abstoßung von CT26 Tumoren und verbesserte die Therapie gegenüber RenCa erheblich. Um letztendlich die Sicherheit zu steigern, wurde das metabolische Gen aroA ausgeschaltet. Dieser Schritt führte zu globalen pleiotropen Effekten, die den Fettsäuren- und Aminosäurenmetabolismus sowie deren metabolischen Umsatz und die Geißelsynthese betraf. Diese Effekte hatten zudem einen positiven Einfluss auf die Immunogenität und Virulenz der Salmonellen, was ihr therapeutisches Potential zusätzlich verstärkte. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch Kombination der metabolischen Veränderung ΔaroA mit der LPS Modifikation und dem Wechsel zu UK-1 ein Salmonellen Stamm kreiert wurde, der eine solide Grundlage für zukünftige Anwendungen im klinischen Bereich darstellen sollte.

Increasing numbers of cancer cases worldwide generate an urgent need for novel and sustainable therapies. Recently, the old concept of using bacteria like Salmonella Typhimurium as therapeutic agent was reconsidered. S. Typhimurium exhibits a high tumor specificity combined with intrinsic anti-tumor potency. To guarantee successful applica-tion, a balance between therapeutic benefit and safety is needed. Hence, the project aimed at tailoring an optimized strain. Single gene deletions interfering with the LPS synthesis led to safe strains without thera-peutic potential. To accommodate efficacy, such genes were expressed under the inducible PBAD promoter allowing complementation in culture which is lost in vivo. This 'delayed attenuation system' reinstalled the therapeutic benefit against CT26 tumors, i.e. growth retardation, while retaining safety. However, efficacy against more resilient tumors like RenCa was less prominent. To further enhance the therapeutic potency, the LPS constructs were transferred to the more virulent and immunogenic Salmonella strain UK-1. The resulting strains showed increased efficacy but no sustainable effect. To further boost the immunogenicity, I genetically modified the Lipid A into a homogenously hexa-acylated structure. This optimization resulted in 100% CT26 rejection and a substantially improved therapy of RenCa tumors. To increase the safety of the strains, the metabolic attenuation ΔaroA was introduced. Interestingly, extensive pleiotropic effects were observed for fatty acid and amino acid composition and turn over. Also flagellum synthesis was influenced. Most importantly, deletion of aroA improved the immunogenicity and virulence of the bacteria as well as their tumor therapeutic potential. Therefore, by combining aspects of LPS modification with the metabolic mutation of aroA and the immunogenic Salmonella background UK-1, I was able to establish a new strain that would represent a strong basis for further strain design ultimately aimed for routine clinical application.