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Considering cancer not only as malignant cells on their own but as a complex disease in which tumor cells interact and communicate with their microenvironment has motivated the establishment of clinically relevant 3D models in past years. Technological advances gave rise to novel bioengineered models, improved organoid systems, and microfabrication approaches, increasing scientific importance in preclinical research. Notwithstanding, mammalian in vivo models remain closest to mimic the patient’s situation but are limited by cost, time, and ethical constraints. Herein, the in ovo model bridges the gap as an advanced model for basic and translational cancer research without the need for ethical approval. With the avian embryo being a naturally immunodeficient host, tumor cells and primary tissues can be engrafted on the vascularized chorioallantoic membrane (CAM) with high efficiencies regardless of species-specific restrictions. The extraembryonic membranes are connected to the embryo through a continuous circulatory system, readily accessible for manipulation or longitudinal monitoring of tumor growth, metastasis, angiogenesis, and matrix remodeling. However, its applicability in immunoncological research is largely underexplored. Dual engrafting of malignant and immune cells could provide a platform to study tumor-immune cell interactions in a complex, heterogenic and dynamic microenvironment with high reproducibility. With some caveats to keep in mind, versatile methods for in and ex ovo monitoring of cellular and molecular dynamics already established in ovo are applicable alike. In this view, the present review aims to emphasize and discuss opportunities and limitations of the chicken embryo model for pre-clinical research in cancer and cancer immunology.
Background: Tissue-resident macrophages have mixed developmental origins. They derive in variable extent from yolk sac (YS) hematopoiesis during embryonic development. Bone marrow (BM) hematopoietic progenitors give rise to tissue macrophages in postnatal life, and their contribution increases upon organ injury. Since the phenotype and functions of macrophages are modulated by the tissue of residence, the impact of their origin and developmental paths has remained incompletely understood. Methods: In order to decipher cell-intrinsic macrophage programs, we immortalized hematopoietic progenitors from YS and BM using conditional HoxB8, and carried out an in-depth functional and molecular analysis of differentiated macrophages. Results: While YS and BM macrophages demonstrate close similarities in terms of cellular growth, differentiation, cell death susceptibility and phagocytic properties, they display differences in cell metabolism, expression of inflammatory markers and inflammasome activation. Reduced abundance of PYCARD (ASC) and CASPASE-1 proteins in YS macrophages abrogated interleukin-1β production in response to canonical and non-canonical inflammasome activation. Conclusions: Macrophage ontogeny is associated with distinct cellular programs and immune response. Our findings contribute to the understanding of the regulation and programming of macrophage functions.
Im Rahmen vorliegender Dissertation wurde das intrazelluläre Überleben von S. aureus in Makrophagen charakterisiert. Dabei lag ein Schwerpunkt auf der Verwendung von primären murinen Knochenmarkmakrophagen, deren Interaktion mit S. aureus bisher wenig beschrieben ist. Die Internalisierung und Persistenz von S. aureus in primären Makrophagen könnte dabei als Pathogenitätsmechanismus für die therapieresistenten und persistierenden, sowie rekurrenten Infektionen relevant sein, die der Erreger neben den klassischen Manifestationen einer S. aureus-Infektion hervorruft. In diesem Zusammenhang sollte auch diskutiert werden, ob es sich bei S. aureus um ein typisches fakultativ intrazelluläres Bakterium handelt. Zunächst wurde anhand eines in-vitro-Infektionsmodells gezeigt, dass verschiedene S. aureus–Stämme in einer murinen Makrophagen-Zelllinie, sowie in primären murinen Knochenmark-Makrophagen mindestens 5 Tage unter langsamer Reduktion der anfänglichen Keimzahl überleben können. Der als Kontrollstamm eingesetzte KNS-Vertreter S. epidermidis ATCC 12228 konnte etwa 3 Tage intrazellulär nachgewiesen werden. Die gleichen S. aureus-Stämme wurden bezüglich ihrer Internalisierungsrate untersucht. Dabei zeigte sich, dass die S. aureus-Stämme Newman und RN 6390 im Vergleich zu den S. aureus ATCC-Stämmen 25923, 12600 und 29213 deutlich geringer internalisiert wurden. Sogar S. epidermidis ATCC 12228 wies ihnen gegenüber eine höhere Phagozytoserate auf. Dies verdeutlicht die Begrenzbarkeit von Studien, in denen unterschiedliche S. aureus-Stämme untersucht werden. Die geringen Internalisierungsraten von Newman und RN 6390 lassen sich dabei aus ihren bekannten regulatorischen bzw. funktionellen Gendefekten erklären. Im Rahmen dieser Arbeit wurde darüber hinaus ein Infektionsmodell entwickelt, in dem Makrophagen von BALB/c- und C57BL/6-Mäusen vergleichend bezüglich Phagozytose und intrazellulärem Überleben von S. aureus untersucht wurden. Anders als uns von in-vivo-Infektionsmodellen mit S. aureus bekannt ist, zeigten sich in-vitro keine Unterschiede in der Eliminationsfähigkeit von primären Knochenmarkmakrophagen von C57BL/6- und BALB/c-Mäusen gegenüber intrazellulärem S. aureus. Die genetisch bedingte unterschiedliche Empfänglichkeit der verschiedenen Mausstämme gegenüber einer S. aureus-Infektion beruht wahrscheinlich nicht auf den unterschiedlichen bakteriziden Mechanismen der Makrophagen. Es erfolgten weiterhin Experimente mit primären Knochenmarkmakrophagen von Mäusen mit Defekten im iNOS Gen bzw. der gp91 Untereinheit der NADPH-Oxidase, um die Makrophagen-spezifischen Abwehrmechanismen gegenüber einer S. aureus-Infektion genauer zu charakterisieren. Dabei konnte kein Effekt von bakteriziden oxidativen, oder nitrosativen Effektormechanismen des Makrophagen auf die Phagozytose, oder das intrazelluläre Überleben von S. aureus festgestellt werden, obwohl S. aureus die NO-Produktion in Makrophagen induzierte. Zur Untersuchung der bakteriellen Regulation in der Interaktion mit Makrophagen wurden schließlich S. aureus-Stämme mit Mutationen in den globalen regulatorischen Systemen agr bzw. sae eingesetzt. Agr und sae sind essentielle Regulatoren der S. aureus-Pathogenitätsfaktoren. In vorliegenden Ergebnissen zeigte sich deren Einfluss vor allem bezüglich der Phagozytoserate. Das intrazelluläre Überleben hingegen wurde nur unwesentlich beeinflusst. Während sae sich als entscheidend für die Internalisierung erwies, zeigte agr einen gegensätzlichen Effekt. Agr zeigte sich hingegen verantwortlich für die initiale, kurzzeitige Proliferation von S. aureus in Makrophagen. Weiterhin stellten sich das S. aureus-Oberflächenprotein FnBPA, als auch das extrazelluläre Matrixprotein Fibronektin für die Internalisierung in primäre Makrophagen als essentiell heraus. Diese Ergebnisse zeigten, dass die intrazelluläre Aufnahme von S. aureus in Makrophagen durch verschiedene bakterielle Komponenten stark beein flusst wird.