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Die Atherosklerose stellt eine der Haupttodesursachen der westlichen Zivilisation dar. Die Karotisbifurkation ist eine der Lokalisationsorte für die Formierung einer atherosklerotischen Läsion, die sich nach Lumeneinengung schliesslich in neurologischen Symptomen bemerkbar machen kann. In einer fortgeschrittenen, symptomatisch gewordenen Karotisplaque kann als charakteristisches Merkmal oftmals ein in der Literatur unter dem Begriff der „Ruptur“ bekannte Oberflächendefekt ausgemacht werden. Es gibt allerdings gehäuft Hinweise über eine Thrombusausbildung auf einer intakten Plaqueoberfläche. Es wird vermutet, dass hier apoptotische Endothelzellen eine entscheidende Rolle bei Veränderungen der Gefässwand spielen, die letzlich für die Thrombusbildung verantwortlich ist. Aus diesen Überlegungen heraus untersuchten wir in der vorliegenden Studie das Ausmaß von Endothelzellapoptosen innerhalb eines Karotisplaque bei symptomatischen und asymptomatischen Patientengruppen. Insgesamt wurden 38 stationäre Patienten mit einer ≥70%-igen ACI-Stenose in die Studie eingeschlossen. Als symptomatisch galten die Patienten, die im Sinne von retinalen oder zerebralen TIA’s oder durch sog. „minor strokes“ in einem Zeitraum von 60 Tagen vor dem Operationstag auffällig geworden waren. Das asymptomatische Patientengut bestand aus den Patienten, bei denen die Karotisstenose als „Zufallsbefund“ aus Routineuntersuchungen in Klinik oder bei niedergelassenen Kollegen entdeckt wurde. Die Plaques wurden “en bloc” exzidiert. In den überwiesenden 33 Fällen wurde die Eversionstechnik durch den Operateur angewendet, bei der das Restlumen unbeschädigt bleibt. Nach Entfernung wurden die Präparate umgehend in 4%-iges Formalin fixiert. Nach Dekalzifizierung erfolgte die transversale Sektionierung in 2mm Scheiben. Jeder 2mm Block wurde in Paraffin eingebettet. Insgesamt wurde dann die Gesamtheit aller 279 Blöcke weiter in 3μm dicke Sektionen geschnitten. Das Vorliegen einer rupturierten Gefässwand wurde als ein intimaler Defekt grösser als 1000μm Breite definiert und für jedes Präparat dokumentiert. Die vitalen Zellen der Endothelschicht wurden durch ein standardisiertes Färbeprotokoll (CD31 Immunhistochemie) sichtbar gemacht. Apoptotische Endothelzellen konnten nach Anwendung der TUNEL-Technik visualisiert werden. Die Färbemethoden wurden jeweils zur Orientierung an angrenzenden Sektionen des Plaques durchgeführt. Die Bilder wurden digitalisiert und bei 40-facher Vergrösserung ausgezählt. Eine Endothelzelle wurde als apoptotisch gewertet, wenn sie jeweils eine positive CD31-Markierung sowie eine positive TUNEL-Färbung in angrenzenden Gewebsschnitten auf sich vereinte. Um das Ausmass der Apoptosen in den Reihen des Endothels zu quantifizieren wurde zunächst die Prozentzahl apoptotischer Endothelzellen pro Plaque Sektion ermittelt und anschliessend durch Berechnung des Medians aller konsekutiven Sektionen die mittlere Prozentzahl apoptotischer Zellen erhoben. Insgesamt war das Auftreten von Apoptose innerhalb des Endothel rar; trotzdem zeigte die symptomatischen Patientengruppe eine signifikant höhere mittlere Prozentsatz apoptotischer Endothelzellen im Vergleich zu dem asymptomatischen Kollektiv. Zwischen den rupturierten und unrupturierten Plaques konnte kein signifikantes Ergebnis erzielt werden, beide Gruppen unterschieden sich kaum. Trotz des möglichen Stellenwerts apoptotischer Endothelzellen bei der fortgeschrittenen Atherosklerose existieren bis heute keine Studien, die das Ausmass derselben in Beziehung zu klinischen Symptomen gebracht haben. Bislang konnte der Nachweis dieser Zellreihe in atherosklerotischen Karotisplaques besonders im poststenotischen Bereich erbracht werden. Veränderungen lokaler Hämodynamik scheinen hier eine Rolle bei der Induktion von Apoptose zu spielen. Da in der hier vorliegenden Arbeit sich der Grad der Stenose kaum unterscheidet müssen alternative Wege bestehen, die Apoptose in atheromatösen Plaques fördert. Apoptotische Endothelien fördern ihrerseits prokoagulatorische Eigenschaften durch vermehrte Expression von thrombogenen Faktoren der Gerinnungskaskade. Das klassische Dogma der Plaqueruptur mit konsekutiver Freilegung des nekrotischen Kerns und Thrombusbildung muss daher erweitert werden, da nicht alle Plaques der vorliegenden Studie diese Oberflächendefekte aufwiesen. Durch das leichte Übergewicht des symptomatischen Kollektivs lassen sich diese Theorien der Apoptose als kritischer Faktor in der Progression atherosklerotischer Herde weiter untermauern, benötigen aber weitere Studien um unter Umständen völlig andere Mechanismen aufzudecken.
The removal of apoptotic cells (AC) can be regarded as an integral component of the program to terminate inflammation. Clearance of AC by professional phagocytes such as macrophages induces an anti-inflammatory phenotype in the latter ones. Anti-inflammatory or M2 polarization is also observed in macrophages infiltrating certain human tumors. These tumor-associated macrophages (TAM) contribute actively to tumor progression by promoting immune evasion, angiogenesis and tumor cell survival. The aim of my Ph.D. thesis was to approach the mechanisms as well as the characteristics of macrophage phenotype alterations induced by AC, and to elucidate a possible connection between tumor cell apoptosis and TAM generation. In the first part of my studies, I investigated the impact of AC on macrophage viability. I could show that macrophage survival against pro-apoptotic agents increased after the interaction with AC. Protection of macrophages against cell death required activation of phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K), extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) and Ca2+ signaling, and correlated with Bcl-XL and Bcl-2 up-regulation as well as Ser136-Bad phosphorylation. Unexpectedly, neither phagocytosis nor binding of apoptotic debris to the phagocyte was necessary to induce protection. AC released the bioactive lipid sphingosine-1-phosphate (S1P), dependent on sphingosine kinase (SphK) 2, as a survival messenger. These data indicated an active role of AC in preventing cell destruction in their neighborhood. My next aim was to elucidate the mechanism of S1P production by AC. During cell death, SphK 2 was cleaved at its N-terminus by caspase-1. Thereupon, the truncated but enzymatically active fragment of SphK 2 was released from cells. This release was coupled to phosphatidylserine exposure, a hallmark of apoptosis and a crucial signal for the phagocyte/apoptotic cell interaction. Thus, I observed a link between common signaling events during apoptosis and the extracellular production of S1P, which is known to affect immune cell attraction and polarization as well as angiogenesis in cancer. In the next part of my studies, I asked for a correlation between tumor cell apoptosis and TAM polarization. During co-culture of human macrophages with human breast cancer carcinoma cells (MCF-7), the latter ones were killed, while macrophages acquired an alternatively activated phenotype. This was characterized by decreased tumor necrosis factor (TNF)-α; and interleukin (IL)-12-p70 production, but increased formation of IL-8 and IL-10. Alternative macrophage activation required tumor cell death, because a co-culture with apoptosis-resistant colon carcinoma cells (RKO) or Bcl-2-overexpressing MCF-7 cells failed to induce phenotype alterations. These phenotype alterations were also achieved with conditioned media from apoptotic tumor cells, which again argued for a soluble factor being involved. Knock-down of SphK2, but not SphK1, to attenuate S1P formation in MCF-7 cells, repressed the otherwise observed alternative macrophage polarization during co-culture. Furthermore, macrophage polarization achieved by tumor cell apoptosis or substitution of authentic S1P was characterized by suppression of pro-inflammatory nuclear factor (NF)-κB DNA binding. These findings suggested that tumor cell apoptosis-derived S1P contributes to the macrophage polarization present in human tumors. To validate these in vitro data, I used an in vivo tumor model to clarify the relevance of SphK2 and S1P in tumor development. The growth of, as well as blood vessel infiltration into SphK2 knock-down MCF-7 (MCF-7-siSphK2) xenografts in nude mice was markedly decreased in comparison to control MCF-7 xenografts. In contrast, macrophage infiltration was similar or even more pronounced. These data provided a first hint for an in vivo role of SphK2-derived S1P in macrophage polarization associated with tumor promotion. In summary, these data indicate a new mechanism how AC themselves shape macrophage polarization, which results in the termination of inflammatory responses and macrophage survival. Furthermore, my studies present evidence that human tumors may utilize this mechanism to foster growth via increased angiogenesis.
Der ubiquitäre Redoxregulator Thioredoxin-1 (Trx-1) hat wichtige Funktionen für den zellulären Redoxstatus, Zellwachstum und Apoptose. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind beteiligt an der Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen wie der Atherosklerose und werden zunehmend in ihrer Rolle als intra- und extrazelluläre Signalmoleküle charakterisiert. Ein Ungleichgewicht zwischen der Entstehung von ROS und ihrem Abbau durch antioxidative Systeme führt zu oxidativem Stress, zur Oxidation von Proteinen und letztlich zum Zelltod. Daher wurde in dieser Doktorarbeit untersucht, wie reaktive Sauerstoffspezies Trx-1 in Endothelzellen regulieren, welchen Einfluss dies für die Endothelzellapoptose hat und welche Bedeutung Antioxidantien, Stickstoffmonoxid (NO) und Schubspannung haben. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass H2O2 konzentrationsabhängig die Expression von Trx-1 beeinflusst. Geringe Konzentrationen H2O2 wie 10 und 50 µM induzierten Trx-1-mRNA nach 3 Stunden. Auf Proteinebene fand sich dann nach 6 Stunden eine transiente Hochregulation von Trx-1. Diese geringen Konzentrationen von H2O2 wirkten antiapoptotisch. Dieser antiapoptotische Effekt war von der Trx-1 Proteinexpression abhängig. Im Gegensatz dazu kam es bei hohen Konzentrationen H2O2 zu einer Degradierung von Trx-1. Durch das Antioxidans NAC und NO konnte der Abbau von Trx-1 unter höheren H2O2-Konzentrationen verhindert werden. Untersuchungen zum Mechanismus des Degradierungsprozesses ergaben, dass Trx-1 durch die Aspartatprotease Cathepsin D abgebaut wird. Der protektive Effekt von NO auf die Trx-1 Expression konnte auch im Gewebe eNOS-defizienter Mäuse gezeigt werden, da bereits eNOS-defiziente Mäuse in den Nieren weniger Trx-1 Protein aufwiesen im Vergleich zu Wildtyp-Kontrollmäusen. Bei der Entstehung endothelialer Läsionen und der Stabilität atheromatöser Plaques spielt die Endothelzellapoptose vermutlich eine wichtige Rolle. Trx-1 schützt Endothelzellen vor Apoptose, wird jedoch unter oxidativem Stress abgebaut. Faktoren, die Trx-1 unter oxidativem Stress stabilisieren wie NAC und NO, kommt daher eine besondere Bedeutung für die Endothelzellhomöostase zu.