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The canonical Wnt/β-catenin and the Shh pathway as well as the Notch signaling cascade
are key regulators in stem cell biology and are independently associated with the development
of cancer. Despite the knowledge of a balanced signaling for cellular maintenance, the
fundamental biochemical mechanisms of crosstalk are still poorly understood. This study
demonstrates that the outcome of interaction between Wnt and Shh is cell type specific. A
combined inhibitory mechanism of the Shh and Notch2/Jagged2 pathways on dominant
active β-catenin signaling in the adult tongue epithelium keeps Wnt/β-catenin signaling
restricted to physiological tolerable levels. In the opposite crosstalk the activation of
Wnt/β-catenin signaling in medulloblastoma (MB) of the Shh subtype, in turn inhibits the Hh
pathway.
The inhibitory mechanism of Shh and Notch2/Jagged2 on Wnt/β-catenin signaling is
independent of the degradation complex of β-catenin and takes place inside the nucleus.
Furthermore, the negative feedback on Wnt/β-catenin signaling by the Shh pathway relies
on transcriptional activity of Gli1/2A. Inhibition of Gli1/2A with the specific inhibitor GANT61
abrogated the negative impact of Shh on β-catenin signaling in vitro. Although the negative
feedback loop of Shh is still functional in human SCC25 cells, the inhibitory effect of
Notch2/Jagged2 is lost and contributes to the cancerogenic phenotype of these cells. In the
inverse situation, the activation of β−catenin signaling has a negative feedback on
constantly active Shh signaling and significantly inhibits the Hh pathway. This was shown in
Ptch+/- and Math1-Cre:SmoM2Fl/+ MB tumor spheres in vitro, in which inhibition of sphere
formation and growth was observed and Hh target gene transcription was down-regulated.
This demonstrates for the first time that the activation of canonical Wnt/β-catenin signaling
in primary MB cells with a Hh pathway over-activation has a negative effect on the growth of
these cells in vitro.
In summary the results show that crosstalk of Wnt/β-catenin and Shh signaling has context
specific outcome on pathway activity. Elucidation of the molecular interactions will improve
our understanding of Wnt and Hh associated tumors and contribute to the development of
new therapeutic strategies.
The study of meson production in proton-proton collisions in the energy range
up to one GeV above the production threshold provides valuable information about
the nature of the nucleon-nucleon interaction. Theoretical models describe the interaction
between nucleons via the exchange of mesons. In such models, different
mechanisms contribute to the production of the mesons in nucleon-nucleon collisions.
The measurement of total and differential production cross sections provide information
which can help in determining the magnitude of the various mechanisms.
Moreover, such cross section information serves as an input to the transport calculations
which describe e.g. the production of e+e− pairs in proton- and pion-induced
reactions as well as in heavy ion collisions.
In this thesis, the production of ω and η mesons in proton-proton collisions at 3.5
GeV beam energy was studied using the High Acceptance DiElectron Spectrometer
(HADES) installed at the Schwerionensynchrotron (SIS 18) at the Helmholtzzenturm
f¨ur Schwerionenforschung in Darmstadt.
About 80 000 ω mesons and 35 000 η mesons were reconstructed. Total production
cross sections of both mesons were determined. Furthermore, the collected statistics
allowed for extracting angular distributions of both mesons as well as performing
Dalitz plot studies.
The ω and η mesons were reconstructed via their decay into three pions (π+π−π0)
in the exclusive reaction pp −→ ppπ+π−π0. The charged particles were identified
via their characteristic energy loss, via the measurement of their time of flight and
momentum, or using kinematics.
The neutral pion was reconstructed using the missing mass method. A kinematic
fit was applied to improve the resolution and to select events in which a π0 was
produced.
The correction of measured yields for the effects of spectrometer acceptance was done
as a function of four variables (two invariant masses and two angles). Systematic
studies of the acceptance for different input distributions were performed.
The measured yields were normalized to the number of measured events of elastic
scattering. Systematic errors due to the methods of the data analysis and the
background subtraction were investigated.
Production angular distributions of ω and η mesons were measured. Both mesons
exhibit a slightly anisotropic angular distribution.
The Dalitz plot of ω meson production shows indications of resonant production.
However, the deviation of the distribution from the one expected by phase space
simulations is not large.
The Dalitz plot of η meson production shows a signal of the production via the
N(1535) resonance, The contribution of N(1535) to the production was quantified
to be about 47%. The angular distribution of η mesons does not show significant
differences between resonant and non resonant production.
The total production cross section of ω mesons in the reaction pp −→ ppω was
determined to be 106.5 ± 0.9 (stat) ± 7.9 (sys) [μb] where stat indicates statistical
error and sys indicates systematic error, while that of η mesons was determined to
be 136.9 ± 0.9 (stat) ± 10.1 (sys) [μb] in the reaction pp −→ ppη
VHF ist mit einer erhöhten Morbidität und Mortalität assoziiert. Aufgrund des erhöhten thromboembolischen Risikos erfolgt eine Risikostratifizierung im klinischen Alltag mit Hilfe des CHADS2 Scores. Dieser ist praktikabel, jedoch oftmals ungenau, da nicht alle Risikofaktoren erfasst werden. Klinische und experimentelle Daten deuten auf einen kausalen Zusammenhang zwischen systemischer Immunreaktion und Entstehung von VHF als auch von VHF-abhängigen Komplikationen. In mehreren Studien zeigte sich, dass CRP ein prognostischer Risikofaktor für zukünftige kardiovaskuläre Erkrankungen ist. Darüber hinaus spielen auch andere Enzyme (wie z.B. MMPs) eine Rolle bei der Modulation von Entzündungsreaktionen im Rahmen kardiovaskulärer Erkrankungen.
Ziel dieser Studie: Identifizierung von Serum-Markern als Prädiktoren für zukünftige, thromboembolische Komplikationen bei Patienten mit VHF zur optimierten Risikostratifizierung hinsichtlich kardiovaskulärer Ereignisse. Hierzu wurden folgende Biomarker untersucht: MMP2, sVCAM1, hsCRP, vWF und sCD40L.
Material und Methode: Zur Analyse der prädiktiven Wertigkeit biochemischer Marker für das Auftreten thromboembolischer Komplikationen bei VHF wurden Patienten über einen langen Zeitraum nachbeobachtet. Es wurde das Auftreten des kombinierten, primären Endpunktes (Herzinfarkt, Schlaganfall, periphere Embolie, TIA, Tod) und des sekundären Endpunktes (Gesamtmortalität) untersucht. Die Serum-Marker Konzentrationen wurden mittels ELISA-Technik aus EDTA Blut bestimmt.
Ergebnisse: Es wurden 278 Patienten in die Studie eingeschlossen. Hiervon waren 175 (63%) männlich. Das mittlere Alter betrug 70,3 Jahre (37,5 bis 94,5 Jahre); Insgesamt wurden 272 Patienten über im Mittel 27±1 Monate nachbeobachtet. Paroxysmales VHF lag bei 198 (71%) Patienten vor, 39 (14%) hatten persistierendes und 41 (15%) permanentes VHF. Arterielle Hypertonie: 214 (77%) Patienten; KHK: 113 (41%) Patienten; 73 (26%) Patienten hatten Diabetes mellitus, 40 (14%) Patienten hatten vor Studieneinschluss einen Schlaganfall oder eine TIA. Bei 22 (8%) Patienten wurde eine Kreatinin-Clearance < 30%, bei 50 (18%) Patienten eine Mitralinsuffizienz > II° sowie bei 5 (2%) Patienten eine Aortenstenose > II° dokumentiert. Die LVEF betrug durchschnittlich 48±18%. LVEF <35%: 89 (32%) Patienten; 88 (32,4%) Patienten erreichten ein dem primären Endpunkt zugeordnetes Ereignis, davon erlitten 3 (1,1%) Personen einen Herzinfarkt, 8 (2,9%) Personen einen Schlaganfall oder eine TIA und 2 Personen (0,7%) eine periphere Embolie. Insgesamt verstarben 75 (27,6%) Patienten (nach durchschnittlich 15 Monaten) und erreichten somit den sekundären Endpunkt. In der univariaten Analyse waren in Bezug auf den primären und sekundären Endpunkt Alter > 75 Jahre, Diabetes mellitus, LVEF <35%, CHADS2 Score >2, hohe MMP2-, vWF- und hohe sVCAM-Werte signifikant assoziiert. In der multivariaten Analyse zeigte sich, dass hohes Alter, hohe MMP2- und sVCAM1-Werte unabhängig und signifikant mit dem primären Endpunkt assoziiert waren, während mit dem sekundären Endpunkt zusätzlich LVEF <35% signifikant assoziiert war.
Diskussion: Neben fortgeschrittenem Alter korrelierten erhöhte sVCAM1 und MMP2 Werte mit dem Auftreten kardiovaskulärer Ereignisse (Myokardinfarkt, Schlaganfall/TIA, Tod) sowie mit einem erhöhten Mortalitätsrisiko. VHF korrelierte in früheren Arbeiten mit erhöhten Entzündungsmarkern und mit VHF-Komplikationen. In unserer Arbeit konnte kein unabhängiger Einfluss von hsCRP auf den primären oder sekundären Endpunkt nachgewiesen werden. Möglicherweise ist eine Ursache darin zu suchen, dass die verschiedenen Marker von Inflammation, Gewebeumbau und Zelladhäsion bisher noch nicht systematisch untersucht wurden.
Endotheliales Remodeling der Vorhöfe und der Umbau der extrazellulären Matrix kann für die Entstehung eines Schlaganfalls von Bedeutung sein kann und korreliert mit erhöhten MMP2 Werten. Unsere Daten zeigen zusammenfassend, dass Marker struktureller oder endothelialer Umbauvorgänge bei VHF Patienten stärker mit kardiovaskulären Ereignissen assoziiert sind als hsCRP.
Occurrence and sources of 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol (TMDD) in the aquatic environment
(2011)
The aim of the present study was to identify the sources of 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol (TMDD) into the aquatic environment and to investigate its occurrence in rivers and wastewater treatment plants (WWTPs). Therefore, TMDD was analyzed in 441 wastewater samples from influents and effluents of 27 municipal WWTPs, in 6 sludge samples, in 52 wastewater samples from 3 sewage systems of municipal WWTPs, in 489 surface samples from 24 rivers, in 9 wastewater samples of 3 paper-recycling industries and in 65 groundwater samples. TMDD was also analyzed in household paper products, in 23 samples of toilet
papers, in 5 types of paper towels and in 12 types of paper tissues. The samples were collected between 2007 and 2011. The water samples were extracted with solid phase extraction (SPE) and the household paper samples with Soxhlet extraction. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used for quantification purposes. Between November 2007 and January 2008, TMDD was detected in the river Rhine at Worms with permanent high concentrations (up to 1330 ng/L). The results showed that TMDD is uniformly distributed across the river at Worms. An increase of the mean TMDD concentration from approximately 500 ng/L to 1000 ng/L was registered in January 2008. Due to the minor fluctuations of the TMDD concentration during the sampling period it is expected that the input of TMDD into the river is continuous. Therefore, TMDD might rather originate from effluents of municipal WWTPs than from temporal sources. The mean TMDD load based on the analysis of 147 water samples collected in the River Rhine was 62.8 kg/d which is equivalent to 23 t/a suggesting that TMDD must be used and/or produced in high quantities in order to be found in those high concentrations. To determine if TMDD is discharged by effluents of municipal WWTPs into the rivers, 24 hours influent and effluent samples of four municipal WWTPs in the Frankfurt/Rhine-Main metropolitan region were collected during November 2008 and February 2010 and analyzed for TMDD. The TMDD influent concentrations varied between 134 ng/L and 5846 ng/L and the effluent concentrations between <LOQ (limit of quantitation) and 3539 ng/L. The TMDD elimination rates in the four WWTPs varied between 33% and 68%. The results showed that effluents of municipal WWTPs are an important source of TMDD in the aquatic environment because TMDD is not completely removed from the sewage during the wastewater treatment. Weekly and daily variations of the TMDD concentration in the influents of two municipal WWTPs indicated that both private households and indirect industrial dischargers contribute to the introduction of TMDD into the municipal sewage systems. A more detailed study of the TMDD elimination rate in the different wastewater treatment stages was carried out in the WWTP Niederrad/Griesheim in Frankfurt am Main. The results showed that the removal of TMDD is mainly carried out during the aerobic biological treatments, where the elimination rate was 46%. In contrast, during the anoxic treatment the removal efficiency was only 1.4% and during the mechanical treatment the elimination rate was 19%. To determine the sources of TMDD in the sewage, household paper products (paper tissues, toilet papers and paper towels) were analyzed for TMDD using Soxhlet extraction. TMDD was detected in 83% of the samples (n=40). The highest mean TMDD concentrations were found in recycled toilet paper (0.20 μg/g) and in paper towels (0.11 μg/g). In paper tissues and non-recycled toilet paper the mean TMDD concentrations were lower 0.080 μg/g and 0.025 μg/g respectively. According to these results the high TMDD influent concentrations found previously in municipal WWTPs (mean 1.20 μg/L) cannot be explained due to migration of TMDD from the household paper products into the sewage. Thus indirect industrial dischargers are the cause of the high influent TMDD concentrations. Effluents of municipal WWTPs with different indirect industrial dischargers (textile-, metal processing-, food processing-, electroplating-, paper-recycling- and printing ink factories) were analyzed. The highest mean TMDD concentrations were found in the effluents of municipal WWTPs that have paper-recycling (71.3 μg/L) and printing ink factories (138 μg/L) as indirect industrial dischargers. These results were confirmed by analyzing process wastewater of three paper-recycling factories located in Germany. High TMDD concentrations were detected and fluctuated between 1.83 μg/L and 113 μg/L. TMDD was also analyzed in the wastewater of a non-recycling-paper factory but its concentration was much lower (0.066 μg/L) indicating that TMDD is introduced into the processing water during the papermaking process due to the use of waste paper. Analyses of wastewater samples from different parts of the sewage pipes of a municipal WWTP in Hesse, which receives the wastewater from a printing ink factory, were carried out. The TMDD concentration in the wastewater sample from the sewage pipe of the printing ink factory was much higher (3,300 μg/L) than the TMDD concentration detected in the other wastewater samples from the sewage system (0.030 μg/L – 0.89 g/L). These results confirm the printing ink production as one of the principal sources of TMDD in the sewage. Analysis of surface water samples of the River Modau downstream from the effluent of the WWTP Nieder-Ramstadt showed TMDD concentrations of up to 28.0 μg/L. These high TMDD concentrations might be caused by the indirect wastewater discharges of a paint factory connected to the municipal sewage system. These results indicate that TMDD is introduced into the municipal WWTPs principally by indirect industrial dischargers and they are mainly paint and printing ink factories. The paper-recycling factories also represent an important source of TMDD in municipal WWTPs but indirectly. According to statements given by the representatives of two paper recycling factories neither TMDD or any other TMDD containing product is used or added during the papermaking process. Therefore, TMDD is washed out from the printing inks of the coloured waste paper and concentrated in the process wastewater in the closed water circuits of paper-recycling factories reaching rivers and municipal WWTPs. The occurrence and distribution of TMDD in surface waters in Germany was also studied. The results showed that TMDD is widely distributed across different rivers systems in the federal states of Hesse, North-Rhine-Westphalia, Bavaria, Baden-Wuerttemberg and Rhineland-Palatinate. In Hesse, TMDD was detected in the some of main rivers with mean concentrations of 812 ng/L (Schwarzbach, Hessian Ried), 374 ng/L (Kinzig), 393 ng/L (Main, at Frankfurt), 539 ng/L (Werra), 326 ng/L (Fulda), 151 ng/L (Emsbach) and 161 ng/L (Nidda). In small rivers (creeks) the mean TMDD concentrations varied between <LOQ (Diemel, Urselbach) and 1890 ng/L (Darmbach). The results showed that the TMDD concentrations in creeks are highly influenced by both effluents of WWTPs and by the distance between the sampling point and the nearest WWTP. Surface samples from sampling locations downstream from WWTPs dischargers showed higher TMDD concentrations (mean 518 ng/L) than sampling locations upstream from WWTPs dischargers (mean 35.1 ng/L). The behavior of TMDD during bank filtration was investigated at two locations, at a water utility company at the Lower River Rhine (urban area) and at the Oderbruch polder (rural area). The results indicated that TMDD is removed from the surface water by bank filtration at both sampling locations. The removal process is probably carried out in the first meters of the aquifer (hyporheic zone) by biodegradation processes, since TMDD does not tend to be absorbed by sediments and it was not found in the groundwater of monitoring wells. In groundwater samples from the Hessian Ried (n=23) TMDD was found only in five samples and the highest TMDD concentration was 135 ng/L. According to these results, TMDD does not represent a concern for drinking water in Germany, since it does not reach the groundwater with high concentrations and it has a low toxicity potential. The input of TMDD into the North Sea was estimated to be 60.7 t/a by considering the mean transported loads of TMDD by the River Rhine at Wesel (58.3 t/a) and Meuse in the Netherlands (2.40 t/a). The estimated discharge of TMDD by German municipal WWTPs (8.19 t/a) and paper-recycling factories (9.24 t/a) into rivers seems to be too low considering that the mean TMDD load in the River Rhine downstream from Wesel is 58.3 t/a. However, due to the high density of population and industries at the Lower Rhine it is expected that more relevant sources of TMDD are located along the Rhine River increasing the transported load. According to the results of this PhD project TMDD is a non-ionic surfactant contained in products, which are applied on surfaces (printing inks and paints) and has the potential to reach the aquatic environment. Therefore, TMDD should fulfill the requirement of a biodegradability of 80% established by the “Law on the Environmental Impact of Detergents and Cleaning Products” in Germany. However, due to the partial elimination rates of TMDD obtained in municipal WWTPs (between 33% and 68%) and to the absence of information about the execution of the biodegradation test on TMDD, it is unknown if TMDD is in accordance with this law. Otherwise, its use as surfactant in such products is questionable.
Hypoxie und Stickstoffmonoxid (NO) sind wichtige Mediatoren von akuten und chronischen Erkrankungen sowie auch von Tumoren. Makrophagen spielen eine zentrale Rolle bei der Eliminierung von Pathogenen aber auch bei der Induktion, Entwicklung und Metastasierung von Tumoren. Wenn Makrophagen in verletztes Gewebe, einen Entzündungsherd oder in einen Tumor einwandern, sind sie einem Umfeld ausgesetzt, das durch Hypoxie und die Produktion von NO und ROS erheblichen Stress auf die Zellen ausübt. Dieser Zellstress wirkt sich auf das Redoxgleichgewicht und damit auf die Signaltransduktion der Zellen aus. Im ersten Teil meiner Arbeit wurde mittels einer Micoarray-Analyse die Interaktion von hypoxischen und NO-vermittelten Signalen in Makrophagen und deren Bedeutung für die Zellen im entzündlichen Umfeld ermittelt. In RAW 264.7 Makrophagen wurden 196 Gene als Hypoxie-reguliert 85 Gene als DETA-NO-reguliert identifiziert. Die Mehrzahl der Gene (292) wurde jedoch von einer Kombination aus Hypoxie und DETA-NO reguliert und lediglich 14 Gene wurden in allen drei Ansätzen identifiziert. Aus der Gruppe der durch Hypoxie-und DETA-NO-regulierten Transkripte zeigte Sesn2 als Peroxiredoxin (Prdx) Reparatur-Protein eine signifikant höhere Induktion durch DETA-NO im Vergleich zur Hypoxie. Mit Hilfe von HIF-1α-/- Maus-Peritonealmakrophagen wurde Sesn2 als sowohl Hypoxie- und NO-reguliertes HIF-1α Zielgen identifiziert. Eine Vorinkubation der RAW 264.7 Zellen mit DETA-NO reduzierte die Bildung von überoxidiertem, inaktivem Prdx durch H2O2. Die Reduktion an überoxidiertem Prdx durch eine Vorinkubation mit DETA-NO konnte mittels eines siRNA knockdowns auf Sesn2 zurückgeführt und Sesn2 als Prdx-Reduktase etabliert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Vorinkubation von Makrophagen mit NO die Akkumulation von Sesn2 HIF-1α-abhängig induziert und somit Prdxs vor einer Überoxidierung durch ROS schützt. Die Aktivierung von HIF-1α durch Hypoxie oder NO kann somit die Vitalität von Zellen in einem entzündlichen Mikroumfeld verbessern. Im zweiten Teil meiner Arbeit wurde mittels konditioneller knockouts von HIF-2α und HIF-2α in myeloiden Zellen deren Auswirkung auf die Tumorentwicklung im PyMT Tumormodell untersucht. Die Tumorbelastung der Tiere zeigte in Folge der myeloiden knockouts von 1α und HIF-2α nur eine leichte Tendenz zu geringerer Tumorbelastung. Im Gegensatz zum myeloiden HIF-2α knockout beschleunigte der knockout von HIF-1α die Tumorinzidenz in PyMT Mäusen verlangsamte jedoch die Tumorentwicklung. Zusätzlich führte der myeloide knockout von HIF-1α und HIF-2α zu verstärkter Tumorhypoxie. Dies konnte auf eine Beeinträchtigung der Tumorangiogenese in den Tumorkernzonen zurückgeführt werden, wobei die Angiogenese durch das Fehlen von myeloidem HIF-1α am stärksten beeinträchtigt wurde. Während der Entstehung eines Tumors und dessen Progression werden die Tumorumgebung, das sogenannte Stroma, und der Tumor selbst von unterschiedlichen Immunzellen infiltriert. Der myeloide knockout von HIF-1α hatte erheblichen Einfluss auf die Immunzellverteilung im Tumorgewebe. Es wanderten weniger Makrophagen und B Zellen in den Tumor ein, wohingegen die Zahl von CD4+ T Helfer Zellen signifikant erhöht war. Zusätzlich wurde die Reifung der Dendritischen Zellen (DCs) durch den myeloiden knockout von HIF-1α erheblich beeinträchtigt. Der myeloide knockout von HIF-2α resultierte lediglich in einer verminderten Zahl an B Zellen und T Zellen im Tumorgewebe. Wildtyp und HIF-2α-/- Makrophagen, die hypoxische Tumorareale infiltrierten wiesen eine erhöhte Akkumulation von HIF-1α Protein auf. Makrophagen mit einem knockout von HIF-1α zeigten daraus folgend keine Akkumulation des HIF-1α Proteins in hypoxischen Tumorarealen. Darüber hinaus wurde Ym1 in allen Makrophagen-Genotypen im Tumorgewebe gleichstark exprimiert, wohingegen die Expression von iNOS im Tumorgewebe durch den myeloiden knockout von HIF-1α und HIF-2α verringert war. Die kolokalisierte Expression von iNOS und Ym1 in den Tumor-assoziierten Makrophagen deutet auf eine sowohl pro- als auch anti-inflammatorische Aktivierung der Makrophagen im Tumor hin. Die Ergebnisse der Immunzellverteilung von Makrophagen, unreifen DCs, CD4+ T Helfer Zellen sowie auch die verminderte iNOS-Expression weisen jedoch auf ein eher anti-inflammatorisches Tumormileu der PyMT+/-/HIF-1α -/- Tiere hin. Dies zeigt, dass HIF-1α in Makrophagen an der Entstehung eines inflammatorischen Tumormileus beteiligt ist.
MutLα ist Bestandteil des Mismatch-Reparatur-Systems und spielt eine wichtige
Rolle bei der postreplikativen Reparatur von Kopierfehlern, der Detektion von DNASchäden
durch exogene Noxen und der Signalisierung von irreparablen DNALäsionen
an die Apoptosemaschinerie. MutLα setzt sich als Heterodimer aus MLH1
und PMS2 zusammen. Da sein Fehlen zur Entstehung von Krebs führt, werden
MLH1 und PMS2 zu den Tumorsuppressorproteinen gezählt.
Von vielen krebsassoziierten Proteinen, darunter p53, BRCA und c-Abl, ist bereits
bekannt, dass sie zwischen nukleärer und zytoplasmatischer Lokalisation wechseln.
Dagegen wurde MutLα in der Vergangenheit vorrangig in nukleärer Funktion und
Lokalisation wahrgenommen. Jedoch haben Brieger et al. kürzlich zahlreiche
Interaktionen mit zytoplasmatischen Proteinen aufgedeckt, was nahe legt, dass
MutLα möglicherweise auch wichtige zytosolische Aufgaben hat (Brieger et al.
2010a). Während der Import von MutLα in den Kern bereits aufgeklärt ist, gibt es
über den Export ins Zytosol bislang nur vage Kenntnisse. Hauptfokus dieser Arbeit
ist es deshalb, MutLα auf seine Fähigkeit zum nukleären Export zu untersuchen.
Wir konnten mithilfe eines von Henderson und Eleftheriou entwickelten in vitro
Export-Assays (Henderson, Eleftheriou 2000) zeigen, dass MutLα eine aktive
nukleäre Export-Sequenz im Bereich der Aminosäuren 578-595 von MLH1 besitzt.
Die gezielte Mutation von Leucinen in diesem Bereich veränderte die subzelluläre
Lokalisation von MutLα. Auch setzten solche Mutationen häufig die Stabilität und
die Mismatch-Reparatur-Aktivität des Proteins herab.
Die Untersuchung einer von Han et al. als pathogen beschriebenen Mutation in
diesem Bereich des MLH1-Gens, MLH1L582V (Han et al. 1995), zeigte, dass der
Defekt weder die Proteinstabilität noch die Reparatureigenschaft von MutLα
beeinträchtigte. Jedoch wies das veränderte Heterodimer eine eingeschränkte
Exportfähigkeit auf, sodass dieser Funktionsverlust ursächlich für die
Krebserkrankung des Mutationsträgers sein könnte.
Sowohl Menschen und Tiere als auch Pflanzen haben im Laufe der Evolution innere Uhren
entwickelt, die dem Körper auch in Abwesenheit äußerer Einflüsse Zeitinformationen liefern.
Unter diesen ist die endogene Tageszeitenuhr durch die Steuerung eines Rhythmus von Ruhe
und Aktivität, von Schlaf- und Wachzustand charakterisiert. Da diese Uhr unter konstanten
Bedingungen nicht einem exakten 24h-Rhythmus unterliegt, werden Zyklen, die unter der
Kontrolle dieser Uhr stehen, als circadiane Rhythmen bezeichnet; sie stellen eine
fundamentale Adaptation des Organismus an den physikalischenTag-Nacht-Wechsel dar, die
auch bei geringen diurnal-nocturalen Unterschieden persistiert.
Gesteuert werden diese Zyklen über eine übergeordnete circadiane „Master-Clock“, die sich
bei Säugern im Nucleus suprachiasmaticus (SCN) des Hypothalamus befindet. Da die
Periodendauer des circadianen, endogen generierten Rhythmus von einem 24h-Rhythmus
abweicht, muss die endogene Uhr durch das Tageslicht nachgestellt werden, d.h. mit der
tatsächlichen Tageszeit synchronisiert werden. Neben dem Beleuchtungszyklus hat auch der
Schlaf einen stabilisierenden Einfluss auf den im SCN generierten circadianen Rhythmus. Für
die Funktion der inneren Uhr ist die rhythmische Expression sogenannter Uhrengene
verantwortlich. Die Uhrengenprodukte bilden interagierende transkriptionell-translationale
Rückkoppelungsschleifen, die eine Periodenlänge des Syntheseablaufs von 24 Stunden
besitzen. Ein heterodimerer Komplex, der aus den beiden Transkriptionsfaktoren CLOCK
und BMAL1 aus der bHLH-PAS-Familie besteht, aktiviert über ein hochspezifisches E-Box-
Promotorelement die Transkription der Uhrengene per1-3, cry1-2 und rev-erbα. Unter dieser
Aktivierung häufen sich die Uhrengenprodukte PER und CRY im SCN an, bis am Ende des
circadianen Tages der Gipfel erreicht wird. Eine negative Rückkoppelung kommt zum Zuge,
indem die Proteine CRY und PER zusammen mit der Caseinkinase Iε (CKIε) einen
heterotrimeren Komplex bilden, der im Zellkern die CLOCK-BMAL1-abhängige
Transkription blockiert.
Schlaf als prominenter rhythmischer Prozess, der vom SCN gesteuert wird, dient gleichzeitig
zur Erholung des gesamten Organismus (genaue Funktionen immer noch unbekannt). Insofern
ist es interessant zu erforschen, wie der SCN auf Schlafentzug reagiert. Bei Goldhamstern
wurde die Beeinflussung von Schlafentzug auf die Uhrengenprodukte im SCN untersucht.
Dabei wurden die Veränderungen der Proteine CLOCK, BMAL1, PER1-3 und CRY1-2
direkt nach dem Schlafentzug und während des Tagesganges analysiert.
Mit immuncytochemischer Technik wurde in einem ersten Schritt nachgewiesen, dass ein 2-
stündiger Schlafentzug direkte Auswirkungen auf CLOCK, BMAL1, PER1 und CRY1 im
SCN des Goldhamsters besitzt. Um diese Auswirkungen besser zu deuten, wurde der
Schlafentzug auf 3 Stunden erhöht, und die Proteinkonzentrationen im SCN in regelmäßigen
Abständen über den ganzen Tag beobachtet. Von allen untersuchten Uhrengenprodukten
wiesen BMAL1, PER1-2 und CRY1 die stärksten Unterschiede zu den Kontrolltieren auf. Die
BMAL1 Immunreaktitivtät war nach Schlafentzug gesenkt. PER1, PER2 und CRY1
reagierten über eine Hochregulierung ihrer Proteine im SCN direkt nach dem Schlafentzug,
die zu einer Phasenvorverschiebung führte. Dabei war der Gehalt von PER2 schneller erhöht
als der von PER1. Die Uhrengene per1 und per2 spielen eine prominente Rolle bei der
Anpassung des endogenen Rhythmus an die exogenen Beleuchtungsverhältnisse und
antworten auf synchronisierende Lichtimpulse durch eine Hochregulation ihrer Transkription,
weshalb sie zu den immediate early genes gehören. Daraus kann die Hypothese hergeleitet
werden, dass auch Schlafentzug, da die Hamster im Licht wach gehalten wurden, zu
demselben Synchronisationsverhalten des SCN führt, wie ein kurzer Lichtstimulus. Der
BMAL1-Gehalt verringerte sich direkt nach Schlafentzug, der den antiphasischen Verlauf des
Expressionsmusters von BMAL1 und PER2 widerspiegelt. Eine Hochregulation des BMAL1-
Gehaltes während des Tages spricht dafür, dass ein initial hoher Gehalt von PER2 über eine
Supprimierung von REV-ERBα zu einer Enthemmung der Inhibition von BMAL1 führte. Da
REV-ERBα die Expression von CRY1 hemmt, dieses wiederum durch PER2 in seiner
Expression gehemmt wird, hat ein erhöhter PER2-Gehalt auch einen erhöhten CRY1-Gehalt
zur Folge. Der CLOCK-Gehalt im SCN, der auch unter normalen Bedingungen stabil bleibt,
schwankte unwesentlich im Laufe des Tages nach Schlafentzug. Dies spiegelt seine nur
geringfügige Bedeutung in der Synchronisation des Hauptoszillators wider.
Zum letzten Messungszeitpunkt, d.h. in der Mitte der Dunkelphase, ähnelten sich die
Proteingehalte von Versuchstieren und Kontrolltieren, woraus man schließen kann, dass die
Auswirkungen des Schlafentzugs durch den SCN im Laufe einer Tagesperiode von 24 h
wieder kompensiert werden können.
In der vorliegenden Arbeit wurde der tageszeitkorrelierte Serotonin-Gehalt des SCO, sowie die Expression der 5-HT1A- und 5-HT2A-Rezeptoren und die Synthese- bzw. Sekretionsleistung des SCO bei Goldhamstern untersucht. Serotonin entfaltet im SCO des Goldhamsters eine inhibitorische Wirkung und hemmt die Sezernierungsrate von Glykoproteinen, die den RF formen. Dies bestätigt die Tatsache, dass mit steigender Rezeptorausprägung die Immunreaktivität für AFRU abnimmt. Ob Serotonin beim Hamster auch auf die Synthese von Glykoproteinen wirkt, muss nachfolgend geklärt werden, da in unserem Versuchsaufbau lediglich die Glykoprotein-Sezernierung untersucht wurde. Aussagen bezüglich der Auswirkung von Serotonin auf die Synthese und Sezernierung von löslichen Komponenten des SCO konnten bei dem von uns verwendeten Versuchsaufbau nicht gemacht werden. Deren mögliche Funktionen bleiben noch fraglich und eröffnen neue Optionen. Geklärt ist nun auch die quantitative Relation von 5-HT1A- und 5-HT2A-Rezeptoren im SCO. Es sind deutlich mehr 5-HT1A-Rezeptoren exprimiert. Dies lässt darauf schließen, dass Serotonin im SCO einen entscheidenden Einfluss auf die Glykoprotein-Synthese oder -Sekretion hat. Die tageszeitkorrelierte Rezeptorausprägung muss diskutiert werden. Sie ist tageszeitkorreliert relativ konstant, fraglich bleibt jedoch, wieso die Rezeptorausprägung im zweiten Abschnitt der Tiefschlafphase der Tiere abnimmt, obwohl hier der serotonerge Input weiterhin hoch sein müsste, um in der Aktivitätsphase wieder abzunehmen. Wahrscheinlich ist die Erklärung hierfür in den Expressionsmechanismen der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren selbst zu finden. Welche Proteine die geschwindigkeitsbestimmenden Faktoren der 5-HT1A- und 5-HT2A-Rezeptorexpression sind, bleibt zu klären und auch ob sich der Verdacht bestätigt, dass die 5-HT1A-Rezeptorausprägung deutlich schneller voran geht als die der 5-HT2A-Rezeptoren und damit mehr 5-HT1A--Rezeptoren zur Prezeption von Serotonin zur Verfügung stehen. Mit dieser tageszeitkorrelierten Ausprägung schützt sich das SCO unter Umständen vor einer völligen Entleerung der Glykoprotein-Speicher unter erheblichem Serotonin-Einfluss während der Schlafphase. Dieser Aspekt und dessen mögliche Folgen müssen weiter untersucht werden. Weiterhin bleibt fraglich, wie die relative Konstanz in der Glykoprotein-Ausschüttung am Tag und in der Nacht etabliert werden kann, da die Serotonin-Ausschüttung der Raphe-Kerne am SCO nachweislich einer periodischen Rhythmik unterworfen ist. Neben dem Nucleus raphe dorsalis und dem Nucleus raphe medianus ist der Einfluss weiterer Aktivitätszentren auf das SCO denkbar. Auch eine Co-Stimulation der ependymalen und hypendymalen SCO-Zellen mit anderen Transmitterklassen ist möglich und teilweise auch bewiesen. Beide genannten Aspekte könnten Teil eines Feedback-Mechanismus sein, der das SCO vor vollständiger Entspeicherung schützt.
Der vorliegenden Arbeit liegt ein Kollektiv von 30 Patienten mit einer Humerusschaftfraktur zugrunde, die in der Unfallchirurgischen Klinik des Markus-Krankenhauses in Frankfurt in der Zeit von Januar 1990 bis Oktober 2000 durch eine Bündelnagelung operativ versorgt wurden. Die Krankenakten wurden nachträglich ausgewertet und die Patienten wurden retrospektiv zur Nachuntersuchung einbestellt. Die Bewertung der Ergebnisse erfolgte anhand des Bewertungsschlüssels nach Kwasny.
Anhand der Nachuntersuchungsergebnisse wurde die Leistungsfähigkeit des eigenen Therapiekonzeptes zur Versorgung der genannten Verletzung überprüft und die Ergebnisse wurden mit den Literaturangaben für die konservativen und operativen Therapieverfahren verglichen.
Im Vergleich mit den nach operativen Verfahren publizierten Resultaten fielen unsere Ergebnisse hinsichtlich der schweren Komplikationen wie Pseudarthrosenrate, tiefe Infekte, postoperative Radialisläsionen mit jeweils 0% deutlich besser aus. Hinsichtlich dieser Komplikationen konnten unsere Ergebnisse mit denen einer konservativen Behandlung gleichgesetzt werden. Die Frühkomplikationsrate fiel allerdings mit 39,6% sehr hoch aus. Die meisten Komplikationen betrafen die Lokomotion der Bündelnägel und die Perforation der Nägel durch die Humeruskopfkortikalis mit jeweils 13.3%. In keinem der Fälle führte dieses jedoch zu einer Beeinträchtigung des Gesamtergebnisses.
Insgesamt erreichten 86,7% (26 Patienten) ein gutes und sehr gutes Nachuntersuchungsergebnis, 6,6% (2 Patienten) erreichten befriedigende Ergebnisse. Ebenfalls 6,6% (2 Patienten) hatten ein schlechtes Endergebnis: Eine Patientin entwickelte ein komplexes regionales Schmerzsyndrom (Morbus Sudeck) und ein Patient wies eine Störung des sensiblen Astes des N. radialis auf, möglicherweise durch vermehrte Kallusbildung, allerdings erst 3 ½ Jahre postoperativ.
Es konnten alle Frakturen zeitgerecht (6-10Wo) zur Ausheilung gebracht werden. Hinsichtlich der Operationsindikation ist in den letzten Jahren ein Trendwechsel hin zur operativen Versorgung erfolgt, wobei die konservative Therapie nach Sarmiento immer noch eine gute Alternative darstellt. Begünstigt wird dies sicher zusätzlich durch die Entwicklung neuer Operationsverfahren mit speziell für den Humerus entwickelten Implantaten. Die intramedulläre Frakturstabilisierung weist einige Vorteile gegenüber der Plattenosteosynthese auf: Minimierung des Zugangstraumas, Übungsstabilität auch bei osteoporotischen Knochen erzielbar, durch die Entwicklung neuer Implantate auch Rotationsstabilität, antegrade oder retrograde Implantation und somit eine Erweiterung der Indikation bei weiter nach proximal und distal reichenden Frakturen möglich. Gute Indikationen für die Plattenosteosynthese sind immer noch die Versorgung der primären Radialisläsion, Frakturen mit Verdacht auf Weichteilinterponat, die Behandlung einer Pseudarthrose oder zur Defektüberbrückung. Im Wandel der Zeit mögen die neueren intramedullären Operationsverfahren Alternativen zur Bündelnagelung bieten und werden diese wahrscheinlich in Zukunft ablösen.
Die guten Ergebnisse und die geringe Rate an schweren postoperativen Komplikationen in der Unfallchirurgischen Klinik des Markus-Krankenhauses haben aber unserer Meinung nach zum damaligen Zeitpunkt den Einsatz der Bündelnagelung zur Versorgung von Oberarmschaftfrakturen als Alternative zu konservativen Verfahren gerechtfertigt. Wegen der hohen Rate an Perforationen durch die Humeruskopfkortikalis ist eine strengere Indikationsstellung bei Frakturen mit Gelenkbeteiligung bzw. mit bis in den Oberarmkopf reichenden Frakturen zu fordern. Ebenso sollte eine vermehrte Verwendung von Verkeilungsnägeln zur Verringerung der Lokomotionsrate erwogen werden.
Vorteile der Bündelnagelung gegenüber anderen intramedullären Verfahren sind:
- geringe Materialkosten und kein aufwendiges Zusatzinstrumentarium notwendig
- eine Anpassung durch Variieren der Nagelanzahl an sehr schmale und sehr weite Markhöhlen möglich
- geringe postoperative Komplikationsrate.
Wir betrachten die Bündelnagelung auch heute noch als gute Alternative bei der Versorgung von
- kurzen Quer- oder Schrägfrakturen des mittleren Drittels des Oberarmschaftes, wobei möglichst alle vier von Hackethal gestellten Forderungen erfüllt sein sollten: Fensterschnürung, Taillenschnürung, Spongiosanagelung und Verkeilungsnagelung.
- kombinierten subkapitalen Oberarmfrakturen mit langen Spiralfrakturen des Oberarmschaftes, die nach wie vor Problemfälle in der operativen und konservativen Versorgung darstellen.
Der Bewertungsschlüssel nach Kwasny hat sich bewährt und kann zur breiten Anwendung empfohlen werden, v.a. zum Vergleich verschiedener Therapiekonzepte. Er bietet eine gute Vergleichsmöglichkeit verschiedener Therapieverfahren und eine schnelle und einfache Auswertung.
Mesenchymale Stammzellen aus Fettgewebe bieten faszinierende Möglichkeiten hinsichtlich einer zukünftigen therapeutischen Anwendung. Um diese Möglichkeiten genauer zu erkunden, sind noch umfassende Experimente durchzuführen. Die wichtigste Vorraussetzung für diese Experimente ist die Etablierung einer verlässlichen Methode zur Isolierung von mesenchymalen Stammzellen aus murinem Fettgewebe (mASCs). Die isolierten Zellen müssen charakterisiert werden und es muss der Nachweis geführt werden, dass die isolierten Zellen in vitro in bestimmte Linien differenzieren können. Die Ziele dieser Arbeit waren somit die Etablierung dieser Methode und die Charakterisierung der Zellen. Außerdem wurde die Stabilität der GFP-Expression bei mASCs aus transgenen Mäusen untersucht.
Die Erarbeitung eines Standardprotokolls zur Isolierung und Kultur war erfolgreich. Die kultivierten Zellen zeigten die typische Morphologie von mesenchymalen Stammzellen. Die isolierten Zellen wurden durch ein Oberflächenmarkerprofil charakterisiert. Es wurden die in der Literatur beschriebenen charakteristischen CD-Marker untersucht. Durchflusscytometrisch wurde bei den primär isolierten mASC folgende Oberflächenantigene nachgewiesen: CD29+, CD34+, CD44+, CD45-, CD90+, Sca1+. Im Laufe der Kultivierung reduzierte sich die CD34-Expression stark. Dieses Ereignis ist in der Literatur gut beschrieben. Auch die GFP-Expression wurde im FACS untersucht und zeigte sich stabil bis in hohe Passagen.
Der Nachweis, dass die isolierten Stammzellen ihr beschriebenes in vitro-Differenzierungspotential besitzen, wurde durch eine Differenzierung in Adipozyten, Osteozyten und Chondrozyten belegt. Die mASCs wurden für 3 bzw. 4 Wochen in beschriebenen Medien mit adipogenen, osteogenen oder chondrogenen Supplementen kultiviert. Danach wurden die Zellen gefärbt, um histologisch intrazelluläre Lipidvakuolen bei den Adipozyten, extrazelluläre Knochensubstanz bei den Osteozyten und Glycosaminoglycane bei den Chondrozyten nachzuweisen. Durch revers transkribierte RNA und PCR der so erhaltenen cDNA wurde das Fehlen eines typischen „Stammzell-Genprodukts“, Wnt-4, bei den Adipozyten bzw. Osteozyten nachgewiesen, sowie die Expression von fettspezifischen Genprodukten bei den Adipozyten. Der molekularbiologische Nachweis von knochenspezifischen Genprodukten gelang nicht, die Differenzierung in Osteozyten wurde jedoch durch die histochemische Färbung klar bewiesen.
Ein weiteres Ergebnis ist die beobachtete spontane Immortalisierung bei einigen der isolierten Zellpopulationen. Ein mögliches tumorigenes Potential ist im Hinblick auf die zukünftige therapeutische Anwendung von mASCs von großer Bedeutung und bedarf weitere Untersuchungen in vitro und in vivo.
Ausblick: Die etablierten mASCs sollen in einem Tierversuch zur Nierenregeneration nach Cisplatin-induzierter akuter Tubulusschädigung zur Anwendung kommen. Es wäre der erste Versuch, in dem murine mesenchymale Stammzellen aus Fettgewebe zur Unterstützung der Nierenregeneration bei Mäusen untersucht werden. Eine Unterstützung der Reparaturvorgänge durch Applikation der optimalen Menge von mASCs zum richtigen Zeitpunkt sowie die Einwanderung von mASCs in die Niere sollen nachgewiesen werden.
Nach der induzierten Schädigung werden den Tieren mASCs appliziert, während die Kontrolltiere nur Pufferlösung ohne Stammzellen erhalten. Die Regeneration wird mithilfe der Serumkreatinin-Konzentration im Blut sowie mit histologischen Methoden an Nierenschnitten beurteilt werden. Auch das in vitro-Modell soll weitergeführt werden, um weitere Erkenntnisse zu den Mechanismen der Stammzelldifferenzierung zu erhalten. Vor allem soll eine mögliche Differenzierung von mASCs zu Nierenepithelzellen erforscht werden. Dazu werden die Effekte von renotrophen Faktoren, Wachstumsfaktoren und konditionierten Medien untersucht. Ein Artikel zur Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen in Richtung der epithelialen Linie wurde von unserer Arbeitsgruppe bereits publiziert (45).