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Untersuchungen zu molekularer Expressionsregulation und biologischer
Funktion von Interleukin-22
(2011)
IL-22 wird hauptsächlich von aktivierten Leukozyten produziert, wirkt aber ausschließlich auf nicht-leukozytäre Zellen vor allem epithelialen Ursprungs. Die Funktionen des Zytokins sind strikt kontextabhängig. Einerseits aktiviert es bei infektionsgetriebenen Entzündungen die angeborene Immunität und wirkt gewebeprotektiv, andererseits weist IL-22 im Rahmen von Autoimmunerkrankungen pathogenes Potenzial auf, was vor allem auf die proliferationsfördernde Aktivität des Zytokins zurückzuführen ist. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals die Regulation der humanen IL-22 Expression auf molekularer Ebene charakterisiert. Insbesondere die Regulation des humanen IL-22 Promotors ist bislang nicht untersucht. Darüber hinaus wurden einige biologische Eigenschaften des Zytokins näher beleuchtet. Durch Untersuchungen an der gut charakterisierten humanen T-Zelllinie Jurkat sowie durch ergänzende Versuche an humanen Primärzellen (PBMC, CD3+ T-Zellen) konnte eine relevante Funktion der Transkriptionsfaktoren NF-ATc2 und CREB sowie des IKK/NF-ΚB Signalweges bei der Regulation der IL-22 Expression nachgewiesen werden. Sowohl für NF-ATc2 als auch für den IKK-Komplex konnte dabei CsA Sensitivität gezeigt werden. CsA wird, wenn nötig, in der Therapie schwerer Verlaufsformen der Psoriasis eingesetzt und bewirkt in den Patienten unter anderem eine Reduktion der im Rahmen der Erkrankung beobachteten IL-22 Expression. Die hier vorgestellten Ergebnisse belegen erstmals eine direkte Rolle von CsA in der Reduktion der IL-22 Produktion bei immunmodulatorischer Therapie. Darüber hinaus konnte ich am Beispiel von B. burgdorferi zeigen, dass PBMC unter dem Einfluss extrazellulärer Bakterien Mediatoren freisetzen, welche die Aktivierung des IL-22 Promotors in benachbarten T-Zellen initiieren können. Dies passt zu Befunden, die belegen, dass PBMC nach Aktivierung durch B. burgdorferi eine rapide IL-22 Sekretion zeigen. Interessanterweise wird IL-17 in der frühen Phase der Aktivierung von PBMC durch B. burgdorferi nicht synthetisiert. Damit ergeben sich neue Einblicke in die Pathogenese der Spirochäteninfektion. So könnte IL-22 einen wichtigen Beitrag zum Schutz vor der borrelienassoziierten Lyme Borreliose leisten und die mangelhafte Immunabwehr, verursacht durch das Fehlen von IL-17, kompensieren. Außerdem konnte ich in der hier vorgelegten Arbeit belegen, dass Leberzirrhosepatienten signifikant erhöhte IL-22 Serumspiegel aufweisen. Da auch in Biopsien zirrhotischer Lebern IL-22 immunhistochemisch, vor allem in nicht-parenchymalen Zellen nachweisbar war, scheint die Leber der Syntheseort des im Serum detektierbaren Zytokins zu sein. Interessanterweise korrelierte IL-22 nicht nur mit der Mortalitätsrate bei Leberzirrhose, sondern auch mit der Krankheitsaktivität der betreffenden Patienten. Ein weiterer zu untersuchender Aspekt der hier vorgelegten Arbeit war die Identifizierung neuer IL-22 induzierbarer Gene. Dies geschah unter Verwendung der IL-22 responsiven, gut carakterisierten Kolonkarzinomzelllinien DLD-1 und Caco-2. Eine genomweite Expressionsstudie führte dabei zur Identifikation neuer IL-22 induzierbarer Gene, unter denen sich insbesondere CEACAM5 und NNMT befanden. Beide Proteine spielen eine Rolle in der Karzinogenese und könnten als bisher unbekannte Bindeglieder zwischen IL-22 und der Entstehung und Metastasierung maligner Entartungen fungieren. Darüber hinaus könnte sich durch NNMT, ein Enzym, das vornehmlich in der Leber exprimiert wird, eine Verbindung zur Rolle von IL-22 bei Leberzirrhose ergeben. Zusammengefasst eröffnen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit nicht nur neue Einblicke in die Biologie von IL-22, sondern auch potenzielle Ansätze zur Therapie diverser Erkrankungen. So ist denkbar, in der Behandlung IL-22 getriebener Autoimmunerkrankungen, wie z.B. Psoriasis, auf die von starken Nebenwirkungen begleitete Verabreichung von CsA zu verzichten und stattdessen, beispielsweise durch Inhibierung des IKK-Komplexes, regulatorisch auf IL-22 einzuwirken. Neben einer möglichen Beteiligung von CEACAM5 und NNMT an IL-22/STAT3 vermittelter Karzinogenese, implizieren die hier vorgestellten Ergebnisse eine Funktion des Zytokins bei Borrelieninfektion und Leberzirrhose, wobei die genauen Aufgaben von IL-22 im Rahmen dieser Krankheitsbilder bislang unbekannt sind. Weitere Untersuchungen müssen klären, ob eine Modulation der IL-22 Spiegel für die Therapie der jeweiligen Erkrankungen in Frage kommen könnte. Zumindest bei Leberzirrhose könnte die IL-22 Serumkonzentration aufgrund der hier vorgelegten Ergebnisse allerdings jetzt schon als neuer prognostischer Marker herangezogen werden.
Zusammenfassung und Ausblick
Wissenschaftliche Untersuchungen der quantitativen und qualitativen Erfassung von Mikroperfusion, sowie der peripheren Durchblutung, erfolgen seit dem 19. Jahrhundert. Anfangs registrierte man die Blutströmungsgeschwindigkeit mit mechanischen Stromuhren und durch direkte Beobachtung durchtrennter Muskelvenen (Hürthle 1939). Erst Ende der dreißiger Jahre bestand anhand der Entwicklung elektromagnetischer Strömungsmessung die Möglichkeit, die Durchblutung quantitativ zu erfassen (Leyk 1999). Mit Verfahren wie Ultraschall und Laser Doppler Methoden stehen heutzutage wichtige diagnostische Messverfahren zur Verfügung. Dazu dienen kontinuierliche und nicht-invasive Erfassungsmöglichkeiten der Durchblutungsdynamik, d.h. ohne die biologischen Funktionen traumatisch oder thermisch zu beeinflussen. Die Laser Doppler Fluxmetrie wurde erstmalig von Riva et al.1972 verwendet. Damit konnte erstmalig der Bluttfluss in kleinen Gefäßen aufgezeichnet werden. Ähnlich wie bei der herkömmlichen Dopplermessung mit Hilfe von Schallwellen, basiert die Technik auf dem von Christian Doppler (1803-1853) beschriebenem Prinzip der Frequenzverschiebung von reflektierten Schallwellen durch sich bewegende Teile und ermöglicht in Echtzeit-Analyse, Blutflussdaten der Hautdurchblutung zu erheben. Als Weiterentwicklung ermöglicht die Methodik der Laser Doppler Spektroskopie, die Durchblutung tieferer Gewebeschichten darzustellen. Die Beurteilung des Blutflusses und der Strömungsgeschwindigkeit des Blutes - als die elementaren Größen zur Beschreibung der Kreislaufsituation und Gewebsdurchblutung - ist von hoher klinischer Relevanz. In dieser Studie dienten dazu (n=19) gesunde Proband(-innen), welche auf einem Fahrrad-Spiroergometer mit ansteigender, erschöpfungslimitierter Belastung nach BAL und kontinuierlicher Steadystate-Belastung (100W; 70W), untersucht worden sind. Die Durchblutungsmessung mit der Methode der Laser Doppler Spektrokopie (LDS) erfolgte jeweils vor und nach Intervention über fünf Minuten an der rechten Wade als Vertreter der arbeitenden, peripheren Muskulatur und am absteigenden Teil des Trapezmuskels der rechten Schulter als repräsentativer Charakter einer zentralen nicht-arbeitenden, ruhenden Muskulatur. Die Messungen wurden unter standardisierten Bedingungen durchgeführt. Das wesentliche Ziel dieser Studie war, Informationen über die Unterschiede in der Durchblutung der peripheren, arbeitenden Muskulatur und der ruhenden, nicht-arbeitenden Muskulatur darzustellen, sowie die thermoregulatorischen Vorgänge anhand unterschiedlicher Belastungsformen nicht-invasiv und atraumatisch mit Hilfe der Laser Doppler Spektroskopie darzustellen. Des Weiteren bestand die Intention eine Korrelationen zwischen der Durchblutung und der Vitalparamter, wie Herzfrequenz und Hauttemperatur, zu zeigen. Die geschlechtsunspezifischen Ergebnisse der nahezu identischen Ruhedurchblutungswerte innerhalb der wöchentlichen Messabständen der beiden unterschiedlichen Belastungsprotokolle (kontinuierlich vs. ansteigend-erschöpfend) für die Mikrogefäßdurchblutung der Muskulatur sowie der kutanen Durchblutung, sind beweisend für die Validität der Methode der Laser Doppler Spektroskopie. Gleichzeitig fanden sich signifikante Unterschiede in der Durchblutung der peripheren Arbeitsmuskulatur in Abhängigkeit von der Belastungsform, während die Hautdurchblutung keine signifikanten Unterschiede aufwies. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass bereits aerobe Belastungsintensitäten die thermoregulatorischen Vorgänge im Gefäßbett aktivieren. Weiterhin kann man aus den Ergebnissen erkennen, dass über zentral gesteuerte Mechanismen die gesamte kutane Mikrozirkulation des Organismus aktiviert wird, um die bei der körperlichen Aktivität im gesteigerten Zellstoffwechsel und im Rahmen der Energieerzeugung anfallende Abfallwärme optimal an die Umgebung abzuleiten. Obwohl es zu einer signifikanten Steigerung der Durchblutung der ruhenden Muskulatur - sowohl nach der kontinuierlichen als auch nach der ansteigend-erschöpfenden Belastungsmethode - kommt, finden sich keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden Belastungsformen. Zusammenfassend und in Übereinstimmung mit der aktuellen Literatur scheint die LDS in der Lage zu sein, bei einer Standardisierung der Untersuchungsmethodik, Veränderungen im mikrozirkulatorischen Blutfluss valide in verschiedenen Gewebetiefen, eindrucksvoll darzustellen. Neben den durch die beschriebenen Aktivitäten bedingten Durchblutungserhöhungen, zeigen die Ergebnisse, dass es durch die LDS ermöglicht wird, rasche Veränderungen im Blutfluss, in unterschiedlichen Gewebetiefen, in Echtzeit - noch bevor klinische Warnzeichen eintreten –darzustellen. Dies ist am Beispiel der ausgeschlossenen Probanden dieser Arbeit zu beobachten. Thermoregulatorische Vorgänge mit Blutflussumverteilung und kutanen Mehrperfusion waren eindrücklich, insbesonders über der beanspruchten und stoffwechselaktivierten Muskulatur (M.gastrocnemius) darstellbar. Die hohe Korrelationen zu anderen Kreislaufparameter, wie die Herzfrequenz lassen den weiteren Einsatz in Diagnostik und Therapie diverser Krankheitsbilder wünschenswert erscheinen. In der Leistungsdiagnostik liegt die Vermutung nahe, dass aufgrund der Artefaktanfälligkeit der Laser Doppler Methode, sowie dem erhöhten Mehraufwand, der Gebrauch eine eher untergeordnete Rolle spielen wird. Trotzdem veranschaulichen die in dieser Studie zusammengetragenen und ermittelten Resultate, dass die Technik der Laser Doppler Spektroskopie auch im Bereich der Sportmedizin zur nicht-invasiven Messung der Durchblutungsdynamik und der terminalen Mikrozirkulation als kleinster und wichtigster Vertreter des Kreislaufes, anwendbar ist.
Unmasking a temperature-dependent effect of the P. anserina i-AAA protease on aging and development
(2011)
Different molecular pathways involved in maintaining mitochondrial function are of fundamental importance to control cellular homeostasis. Mitochondrial i-AAA protease is part of such a surveillance system, and PaIAP is the putative ortholog in the fungal aging model Podospora anserina. Here, we investigate the role of PaIAP in aging and development. Deletion of the gene encoding PaIAP resulted in a specific phenotype. When incubated at 27°C, spore germination and fruiting body formation are not different from that of the corresponding wild-type strain. Unexpectedly, the lifespan of the deletion strain is strongly increased. In contrast, cultivation at an elevated temperature of 37°C leads to impairments in spore germination and fruiting body formation and to a reduced lifespan. The higher PaIAP abundance in wild-type strains of the fungus grown at elevated temperature and the phenotype of the deletion strain unmasks a temperature-related role of the protein. The protease appears to be part of a molecular system that has evolved to allow survival under changing temperatures, as they characteristically occur in nature.
TRENTOOL : an open source toolbox to estimate neural directed interactions with transfer entropy
(2011)
To investigate directed interactions in neural networks we often use Norbert Wiener's famous definition of observational causality. Wiener’s definition states that an improvement of the prediction of the future of a time series X from its own past by the incorporation of information from the past of a second time series Y is seen as an indication of a causal interaction from Y to X. Early implementations of Wiener's principle – such as Granger causality – modelled interacting systems by linear autoregressive processes and the interactions themselves were also assumed to be linear. However, in complex systems – such as the brain – nonlinear behaviour of its parts and nonlinear interactions between them have to be expected. In fact nonlinear power-to-power or phase-to-power interactions between frequencies are reported frequently. To cover all types of non-linear interactions in the brain, and thereby to fully chart the neural networks of interest, it is useful to implement Wiener's principle in a way that is free of a model of the interaction [1]. Indeed, it is possible to reformulate Wiener's principle based on information theoretic quantities to obtain the desired model-freeness. The resulting measure was originally formulated by Schreiber [2] and termed transfer entropy (TE). Shortly after its publication transfer entropy found applications to neurophysiological data. With the introduction of new, data efficient estimators (e.g. [3]) TE has experienced a rapid surge of interest (e.g. [4]). Applications of TE in neuroscience range from recordings in cultured neuronal populations to functional magnetic resonanace imaging (fMRI) signals. Despite widespread interest in TE, no publicly available toolbox exists that guides the user through the difficulties of this powerful technique. TRENTOOL (the TRansfer ENtropy TOOLbox) fills this gap for the neurosciences by bundling data efficient estimation algorithms with the necessary parameter estimation routines and nonparametric statistical testing procedures for comparison to surrogate data or between experimental conditions. TRENTOOL is an open source MATLAB toolbox based on the Fieldtrip data format. ...
Background: Transfer entropy (TE) is a measure for the detection of directed interactions. Transfer entropy is an information theoretic implementation of Wiener's principle of observational causality. It offers an approach to the detection of neuronal interactions that is free of an explicit model of the interactions. Hence, it offers the power to analyze linear and nonlinear interactions alike. This allows for example the comprehensive analysis of directed interactions in neural networks at various levels of description. Here we present the open-source MATLAB toolbox TRENTOOL that allows the user to handle the considerable complexity of this measure and to validate the obtained results using non-parametrical statistical testing. We demonstrate the use of the toolbox and the performance of the algorithm on simulated data with nonlinear (quadratic) coupling and on local field potentials (LFP) recorded from the retina and the optic tectum of the turtle (Pseudemys scripta elegans) where a neuronal one-way connection is likely present.
Results: In simulated data TE detected information flow in the simulated direction reliably with false positives not exceeding the rates expected under the null hypothesis. In the LFP data we found directed interactions from the retina to the tectum, despite the complicated signal transformations between these stages. No false positive interactions in the reverse directions were detected.
Conclusions: TRENTOOL is an implementation of transfer entropy and mutual information analysis that aims to support the user in the application of this information theoretic measure. TRENTOOL is implemented as a MATLAB toolbox and available under an open source license (GPL v3). For the use with neural data TRENTOOL seamlessly integrates with the popular FieldTrip toolbox.
Vacuum-assisted closure (VAC) of complex infected wounds has recently gained popularity among various surgical specialties. The system is based on the application of negative pressure by controlled suction to the wound surface. The effectiveness of the VAC System on microcirculation and the promotion of granulation tissue proliferation are proved. In our case report we illustrate a scenario were a patient developed severe bleeding from the ascending aorta by penetration of wire fragments in the vessel. We conclude that all free particles in the sternum have to be removed completely before negative pressure is used.
Background: FTY720, an immunomodulator derived from a fungal metabolite which reduces circulating lymphocyte counts by increasing the homing of lymphocytes to the lymph nodes has recently gained interest in stroke research. The aim of this study was to evaluate the protective efficacy of FTY720 in cerebral ischemia in two different application paradigms and to gather first data on the effect of FTY720 on the rate of spontaneous bacterial infections in experimental stroke. Methods: Middle cerebral artery occlusion (MCAO) in C57BL/6 mice (strain J, groups of 10 animals) was performed with two different durations of ischemia (90 min and 3 h) and FTY720 was applied 2 h after vessel occlusion to study the impact of reperfusion on the protective potency of FTY720. Lesion size was determined by TTC staining. Mice treated with FTY720 or vehicle were sacrificed 48 h after 90 min MCAO to determine the bacterial burden in lung and blood. Results: FTY720 1 mg/kg significantly reduced ischemic lesion size when administered 2 h after the onset of MCAO for 3 h (45.4 +/- 22.7 mm3 vs. 84.7 +/- 23.6 mm3 in control mice, p = 0.001) and also when administered after reperfusion, 2 h after the onset of MCAO for 90 min (31.1 +/- 28.49 mm3 vs. 69.6 +/- 27.2 mm3 in control mice, p = 0.013). Bacterial burden of lung homogenates 48 h after stroke did not increase in the group treated with the immunomodulator FTY720 while there was no spontaneous bacteremia 48 h after MCAO in treated and untreated animals. Conclusions: Our results corroborate the experimental evidence of the protective effect of FTY720 seen in different rodent stroke models. Interestingly, we found no increase in bacterial lung infections even though FTY720 strongly reduces the number of circulating leukocytes.