Lumineszenz-basierte Visualisierung des intra- und extrazellulären Tumor-pH sowie Untersuchung des Einflusses von pH auf Tumorzellproliferation und -migration in vitro

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan Schreml; Professor Dr. Joachim Wegener
• Fachliche Zuordnung: Dermatologie ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253182429

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In der ersten Förderperiode wurden pH-sensitiven Nanosonden entwickelt, sowie Tumorzellmodelle zu deren Anwendung. Darüber hinaus wurden automatisierte Impedanz-basierte Assays zum Studium von Zellmigration und -proliferation dieser Tumorzellen etabliert. Anschließend wurde der Einfluss eines modulierten extrazellulären pH auf Zellproliferation und -migration in Tumorzelllinien analysiert, unter anderem in Melanomzelllinien. In Ergänzung dazu wurden die Untersuchungen von 2D Zellmonoschichten auf 3D Tumormodelle (multizelluläre Sphäroide) erweitert, um auch in diesen Modellen eine mögliche Beeinflussung von Proliferation und Zelldynamik vom transmembranösen pH-Gradienten zu hinterfragen. In der letzten Projektphase wurden und werden mittels CRISP/Cas erzeugte knockout Zelllinien für NHE1 und GPR4 in obengenannten Assays hinsichtlich deren Reaktion gegenüber veränderten pH-Werten im Tumormikromilieu untersucht. Die Generierung von stable knockouts für NHE1/GPR4 ist jedoch äußerst schwierig, so dass nach vielen Versuchen auch 2 Firmen damit beauftragt wurden. Auch diese konnten nur einen partial knockout erzielen. Weiterhin besteht eine Kooperation mit einem Startup, das Inhibitoren für pH-GPCRs herstellt, so dass diese nun getestet werden. Die Arbeiten auch hinsichtlich GPR4 resultieren aus unseren Untersuchungen zur Expression von Protonen-sensitiven GPCRs in Hauttumoren und führen die Untersuchungen zum Tumor-pH in eine neue Richtung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Filaggrin deficiency leads to impaired lipid profile and altered acidification pathways in a 3D skin construct. J Invest Dermatol 2014;134:746-53
  Vavrova K, Henkes D, Struver K, Sochorova M, Skolova B, Witting MY, Friess W, Schreml S, Meier RJ, Schafer-Korting M, Fluhr JW, Kuchler S
  
• Luminescent dual sensors reveal extracellular pH- gradients and hypoxia on chronic wounds that disrupt epidermal repair. Theranostics 2014;4:721-35
  Schreml S, Meier RJ, Kirschbaum M, Kong SC, Gehmert S, Felthaus O, Kuchler S, Sharpe JR, Woltje K, Weiss KT, Albert M, Seidl U, Schroder J, Morsczeck C, Prantl L, Duschl C, Pedersen SF, Gosau M, Berneburg M, Wolfbeis OS, Landthaler M, Babilas P
  
• LDHA-Associated Lactic Acid Production Blunts Tumor Immunosurveillance by T and NK Cells. Cell Metab 2016;24:657-71
  Brand A, Singer K, Koehl GE, Kolitzus M, Schoenhammer G, Thiel A, Matos C, Bruss C, Klobuch S, Peter K, Kastenberger M, Bogdan C, Schleicher U, Mackensen A, Ullrich E, Fichtner-Feigl S, Kesselring R, Mack M, Ritter U, Schmid M, Blank C, Dettmer K, Oefner PJ, Hoffmann P, Walenta S, Geissler EK, Pouyssegur J, Villunger A, Steven A, Seliger B, Schreml S, Haferkamp S, Kohl E, Karrer S, Berneburg M, Herr W, Mueller-Klieser W, Renner K, Kreutz M
  
• Label-free profiling of cell dynamics: A sequence of impedance-based assays to estimate tumor cell invasiveness in vitro. Exp Cell Res 2017;359:243-50
  Lang O, Köhiday L, Wegener J
  
• NHE1 expression at wound margins increases time-dependently during physiological healing. Exp Dermatol 2017;26:124-6
  Haverkampf S, Heider J, Weiß KT, Berneburg M, Karrer S, Schreml S
  
• Proton-sensing G protein-coupled receptors as regulators of cell proliferation and migration during tumor growth and wound healing. Exp Dermatol 2017;26:127-32
  Weiss KT, Fante M, Kohl G, Schreml J, Haubner F, Kreutz M, Haverkampf S, Berneburg M, Schreml S
  
• (2019) Increasing the throughput of label-free cell assays to study the activation of G protein-coupled receptors by using a serial agonist exposure protocol. Integr. Biol. 11/3, 99-108
  Stolwijk, J.; Skiba, M.; Kade, C.; Hübner, H.; Gmeiner, P.; Wegener, J.
  
• Image-based monitoring of oxygenation in microfluidic cell culture. Gen Eng Biotech News 2019;39:87-9
  Schmittlein C, Meier RJ, Sauer L, Liebsch G, Wegener J
  
• Imaging of pH and pO2 gives insight in molecular processes of irradiated cells. Exp Dermatol 2019;28:628-30
  Reinders Y, Meier RJ, Liebsch G, Pohl F, Schreml S, Prantl L, Haubner F
  
• Wound monitoring of pH and oxygen in patients after radiation therapy. Radiat Oncol 2019;14:199
  Auerswald S, Schreml S, Meier R, Blancke Soares A, Niyazi M, Marschner S, Belka C, Canis M, Haubner F
  
• Cytocompatibility of Mats Prepared from Different Electrospun Polymer Nanofibers. ACS Appl Bio Mater 2020;3:4912-21
  Wongkaew N, Simsek M, Heider J, Wegener J, Baeumner AJ, Schreml S, Stolwijk JA
  
• Impedance Analysis of Adherent Cells after in situ Electroporation-Mediated Delivery of Bioactive Proteins, DNA and Nanoparticles in µL-Volumes. Sci Rep 2020;10:21331
  Stolwijk JA, Wegener J
  
• pH sensing in skin tumors: Methods to study the involvement of GPCRs, acid-sensing ion channels and transient receptor potential vanilloid channels. Exp Dermatol 2020;29:1055-61
  Stolwijk JA, Sauer L, Ackermann K, Nassios A, Aung T, Haerteis S, Baumner AJ, Wegener J, Schreml S
  
• (2022) Label-free impedance measurements to unravel biomolecular interactions involved in G protein coupled receptor signaling. Methods Cell Biol. 169, 221-236
  Skiba, M.; Stolwijk, J.A.; Wegener, J
  
• GPR4 in the pH-dependent migration of melanoma cells in the tumor microenvironment. Exp Dermatol 2022 (im Druck)
  Stolwijk JA, Wallner S, Heider J, Pütz L, Berneburg M, Haubner F, Wegener J, Schreml S