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Validation and characterization of monoclonal antibodies to target cancer stem cells and to develop new anti-cancer therapies

Müller, Sandra Rita (2022):
Validation and characterization of monoclonal antibodies to target cancer stem cells and to develop new anti-cancer therapies. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00021677,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Validation and characterization of monoclonal antibodies to target cancer stem cells and to develop new anti-cancer therapies
Language: English
Abstract:

A fundamental challenge for therapy and long-term survival of cancer patients is tumor reoccurrence, which is often caused by cancer stem cells (CSC) with self-renewal capacities that are not effectively eliminated by chemo- or targeted therapies. In this work, unique, affine and specific mouse monoclonal antibodies from a mouse immunization with CSC membranes were characterized and found to be well suited for the detection of CSC surface proteins. The identification of these targets revealed HSD17B12 as a novel CSC marker, which was evaluated in this work. For the very first time HSD17B12 was found to be located at the cell surface of certain cell types and this opened up the opportunity to investigate the functional relevance of cell surface HSD17B12 for the respective cell types. HSD17B12 was found to contribute to the maintenance of CSC properties as deletion of HSD17B12 reduced cell proliferation, especially in 3D cell culture, and CSC markers such as aldehyde dehydrogenase activity. In line with the known role of HSD17B12 in lipid metabolism, loss of HSD17B12 function was shown to impair lipid droplet formation. Further, the loss of HSD17B12 resulted in a resistance mechanism to ferroptosis which is a special form of cell death triggered by oxidation of cellular lipids. Interestingly, ferroptosis is linked to CSC biology through the Hippo pathway and the activity of YAP and TAZ. It was demonstrated that loss of HSD17B12 impacts the Hippo pathway and leads to the inactivation of oncogenic YAP and TAZ. Conversely, modulation of YAP/TAZ activity impacts the cell surface expression of HSD17B12. Along with the analysis of relevant EMT markers, this led to the hypothesis that loss of HSD17B12 contributes to the differentiation of cells from a more mesenchymal CSC phenotype to an epithelial one. Cellular differentiation upon deletion of HSD17B12 was also found in leukemic HAP1 cells. Thus, the plasma membrane localization of HSD17B12 was hypothesized to fulfill a novel function in CSC, possibly in the interaction with the extracellular matrix. The novel finding that HSD17B12 is expressed on the cell surface offered the opportunity to investigate the effect of treating cancer cells with anti-HSD17B12 antibodies. It could be shown that the antibodies reduce the growth of certain cancer cells in 3D cell culture. It was also found that the HSD17B12 antibodies partially internalize and that an antibody-drug conjugate (ADC) approach would theoretically be possible. However, as HSD17B12 was also found on regular monocytes potential undesired side effects of an ADC approach would need to be examined in more detail. To follow up on this, it will be important to further characterize the function of HSD17B12 on the cell surface on normal and cancer cells in order to assess whether targeting of cell surface HSD17B12 alone could be therapeutically relevant. Given its function in the biology of CSC, HSD17B12 might be a potential drug target for combination with standard of care chemo- or targeted therapy to develop treatment options for cancer patients that offer more durable therapeutic benefits.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Eine grundlegende Herausforderung für die Therapie und das langfristige Überleben von Krebspatienten ist das Wiederauftreten von Tumoren, das häufig durch Krebsstammzellen (CSC) mit der Fähigkeit zur Selbsterneuerung verursacht wird und welche durch Chemo- oder zielgerichtete Therapien nicht wirksam beseitigt werden können. In dieser Arbeit wurden einzigartige, affine und spezifische monoklonale Antikörper aus einer Maus-Immunisierung mit CSC-Membranen charakterisiert, welche nachgewiesenermaßen spezifische Proteine auf der Oberfläche von CSC banden. Die Identifizierung der Zielstrukturen dieser Antikörper führte zur Entdeckung von HSD17B12 als neues CSC-Marker-Protein, welches in dieser Arbeit untersucht wurde. Zum ersten Mal wurde eine Zelloberflächenlokalisation von HSD17B12 auf bestimmten Zelltypen festgestellt, was die Möglichkeit für eine Untersuchung der funktionellen Bedeutung der Zelloberflächenlokalisation eröffnete. Es zeigte sich, dass HSD17B12 zur Erhaltung von CSC-Eigenschaften beiträgt, da die Deletion von HSD17B12 die Zellproliferation, insbesondere in 3D-Zellkultur, und CSC-Marker wie die Aldehyd-Dehydrogenase-Aktivität reduzierte. Im Hinblick auf die eigentliche Rolle von HSD17B12 im Lipidstoffwechsel wurde festgestellt, dass der Verlust der HSD17B12-Funktion die Bildung von Lipid Depots (Lipid Droplets) beeinträchtigte. Außerdem führte der Verlust von HSD17B12 zu einer Resistenz gegenüber der Ferroptose, einer durch Oxidation von Lipiden hervorgerufenen speziellen Form des Zelltods. Interessanterweise besteht eine direkte Verbindung zwischen Ferroptose und der CSC-Biologie, bei der der Hippo-Signalweg und die Aktivität von YAP/TAZ eine wichtige Rolle spielt. In diesem Zusammenhang wurde gezeigt, dass der Verlust von HSD17B12 den Hippo-Signalweg beeinflusst und zur Inaktivierung der onkogenen Transkriptionsregulatoren YAP und TAZ führt. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass durch Inhibierung von YAP und TAZ die Zelloberflächenlokalisierung von HSD17B12 beeinflusst werden konnte. Zusammen mit der Analyse relevanter EMT-Marker führte dies zu der Vermutung, dass Krebszellen infolge einer Inaktivierung von HSD17B12 von einem eher mesenchymalen CSC-Phänotyp zu einem epithelialen Phänotyp differenzieren. Eine stärkere Zelldifferenzierung wurde auch in leukämischen HAP1 Zellen nach Deletion von HSD17B12 beobachtet. Basierend auf diesen Ergebnissen lässt sich die Hypothese aufstellen, dass die Plasmamembranlokalisierung von HSD17B12 eine bisher unbekannte Funktion für Krebsstammzellen erfüllt, möglichweise in der Wechselwirkung mit der extrazellulären Matrix. Die neuartige Erkenntnis, dass HSD17B12 auf der Zelloberfläche exprimiert wird, bot die Möglichkeit zu untersuchen, welche Wirkung eine Behandlung mit HSD17B12-Antikörpern auf Krebszellen hat. Dabei zeigte sich eine reduzierende Wirkung auf das 3D-Wachstum von Krebszellen. Es wurde auch festgestellt, dass die HSD17B12-Antikörper teilweise internalisiert werden und als Antikörper-Wirkstoff-Konjugate (ADC) eine toxische Wirkung auf die hier verwendeten Krebszellen haben. Da die Oberflächenlokalisation von HSD17B12 allerdings auch auf Monozyten nachgewiesen wurde, müssten potenzielle Nebenwirkungen eines ADC-Ansatzes näher untersucht werden. Um die therapeutische Relevanz von HSD17B12-Antikörpern genauer herauszuarbeiten ist es wichtig, die Funktion von HSD17B12 auf der Zelloberfläche weiter zu charakterisieren. In Anbetracht seiner biologischen Funktion in Krebszellen könnte HSD17B12 ein neuer pharmakologischer Ansatzpunkt insbesondere für die Kombination mit Chemo- oder zielgerichteten Therapien sein, um für Krebspatienten Therapieoptionen mit einer dauerhafteren Wirkung zu entwickeln.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 117, XXXVI Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 07 Department of Chemistry > Fachgebiet Biochemie
Date Deposited: 03 Aug 2022 12:33
Last Modified: 16 Dec 2022 08:23
DOI: 10.26083/tuprints-00021677
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-216776
Referees: Kolmar, Prof. Dr. Harald ; Breuhahn, Prof. Dr. Kai
Date of oral examination: 11 July 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21677
PPN: 499051157
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