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Einleitung: Feedback ist ein elementarer Bestandteil effektiven Lernens, auch im Medizinstudium, insbesondere beim Erlernen praktischer Fertigkeiten. Feedback kann in verschieden Formen gegeben werden, die Einfluss auf das Erlernen und Behalten der Fertigkeit haben.
Videofeedback, auf der Grundlage von Videoaufzeichnungen einer Tätigkeit, erscheint hierbei eine effektive Methode zum Verstärken des Lerneffektes bei komplexen praktischen Fertigkeiten darzustellen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die vergleichende Effektivitätsanalyse von Videofeedback im Vergleich zu mündlichem Feedback auf das Erlernen des sterilen Arbeitens bei der Wundversorgung als Beispiel für eine komplexe praktische Fertigkeit.
Methode: Medizinstudierende an der Goethe-Universität Frankfurt am Main absolvieren im Rahmen ihrer curricularen Ausbildung im 2. bzw. 3. klinischen Semester das dreiwöchige Blockpraktikum Chirurgie. Hierbei durchlaufen sie das einwöchige „Training praktischer Fertigkeiten“ im Skillslab. Im Rahmen dieses aus 12 Modulen bestehenden Trainings absolvieren die Studierenden unter anderem das Modul „Wundversorgung“. In dieser 210-minütigen Trainingseinheit erlernen und üben sie die Versorgung einer einfacher Schnittwunden (von der Anamnese über das sterile Abdecken bis zum Anlegen des Verbandes) unter Anleitung und Supervision eines Peer-Tutors.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Studierenden in eine Interventions- und eine Kontrollgruppe randomisiert. Die Interventionsgruppe wurde beim Üben auf Video aufgezeichnet. Im Anschluss erhielten die Studierenden anhand der Videoaufzeichnung Feedback durch einen Peer-Tutor. Die Kontrollgruppe erhielt nach dem Üben Feedback durch den Peer-Tutor ohne Videoaufzeichnung.
Direkt im Anschluss an das Modul absolvierten die Studierenden zwei strukturierte checklistenbasierte formative Prüfungsstationen im Sinne von zwei Objective Structured Clinical Examination-Stationen (OSCE); 2 bis 3 Monate nach dem Training erfolgte die zweite Datenerhebung im Rahmen des summativen curricularen OSCE als Abschlussprüfung des Blockpraktikums Chirurgie.
Ergebnisse: Insgesamt nahmen 107 Studenten an der vorliegenden Studie teil. Am Messzeitpunkt 1 zeigte sich kein signifikanter Unterschied zwischen Interventions- und Kontrollgruppe. Am Messzeitpunkt 2 mussten an der Prüfungsstation „Wundversorgung“ 39 Studierende durch veränderte und damit nicht mehr vergleichbare Prüfungsbedingungen ausgeschlossen werden. An der zweiten Prüfungsstation konnten alle Studierenden in die Auswertung inkludiert werden. Auch am Messzeitpunkt 2 zeigte sich kein signifikanter Unterschied zwischen Interventions- und Kontrollgruppe.
Schlussfolgerung: Im Kontext des curricularen chirurgischen Training praktischer Fertigkeiten konnte für das Erlernen des sterilen Arbeitens kein Unterschied zwischen reinem mündlichen Feedback und Videofeedback nachgewiesen werden.
Interleukin-18-Bindungsprotein (IL-18BP) ist ein erst kürzlich entdeckter Gegenspieler von Interleukin-18 (IL-18). Aufgrund der Eigenschaft von IL-18BP mit hoher Affinität an IL-18 zu binden, wird IL-18 neutralisiert und seine biologischen Wirkungen durch IL-18BP inhibiert. Das Zytokin IL-18 ist ein multifunktioneller Botenstoff des Immunsystems, dessen Aktivität bei der Entstehung von Entzündungen, der Abwehr von Infektionen und der Rückbildung von Tumoren beteiligt sein kann. Eine der bedeutendsten Wirkungen von IL-18 ist insbesondere seine Fähigkeit die Produktion und Freisetzung von Interferon-gamma durch T-Helfer Typ 1 (Th1) Zellen, Natürliche Killer (NK) Zellen und CD8+ zytotoxische Zellen auszulösen. Bislang war lediglich bekannt, dass es sich bei IL-18BP um ein konstitutiv exprimiertes und sezerniertes Protein handelt. Die Zielsetzung dieser Promotionsarbeit war es zu untersuchen, ob eine Regulation der Genexpression von IL-18BP in Nicht-Immunzellen stattfindet. Dazu wurde im ersten Schritt eine semiquantitative RT-PCR Methode etabliert, mit Hilfe derer eine schwache konstitutive Expression der IL-18BP mRNA in Zellkulturen von humanen renalen Mesangiumzellen, epithelialen DLD-1 Kolonkarzinomzellen und Fibroblasten nachgewiesen wurde. Im Folgenden konnte als wesentliches Ergebnis festgestellt werden, dass eine Induktion der Genexpression von IL-18BP durch Interferon-gamma erfolgt. Mit RNase Protection Assays wurden nach Interferon-gamma Exposition 20 – 30fache relative Steigerungen der IL-18BP mRNA detektiert. In humanen Mesangiumzellen führte außerdem bakterielles Lipopolysaccharid zum Anstieg der IL-18BP Genexpression. Im zweiten Teil der Untersuchungen ließ sich unter Verwendung eines eigens hergestellten polyklonalen Antiserums nachweisen, dass durch Interferon-gamma auch eine starke Vervielfachung der Freisetzung bzw. Sekretion von IL-18BP stattfindet. Weiterhin wurden Kokulturen von IL-12/IL18 aktivierten humanen mononukleären Zellen aus dem peripheren Blut (PBMCs) mit entweder Mesangiumzellen oder DLD-1 Zellen durchgeführt. In diesen Kokulturen bewirkte die mittels ELISA gemessene Freisetzung von endogenem Interferon-gamma durch die PBMCs ebenfalls eine Induktion der Genexpression von IL-18BP in den Mesangiumzellen und DLD-1 Zellen. Darüber hinaus wurde in anderen Experimenten untersucht, ob die Regulation von IL-18BP gleichzeitig von Änderungen im Gehalt an IL-18 begleitet wird. Während in den humanen Mesangiumzellen kein IL-18 exprimiert wurde, konnte in den DLD-1 Zellen konstitutives proIL-18 detektiert werden. Jedoch hatte Interferon-gamma in DLD-1 Zellen keinen Einfluss auf die IL-18 Expression. Die hier zusammengetragenen Resultate belegen zum ersten Mal, dass es sich bei IL-18BP nicht nur um ein konstitutiv exprimiertes Protein, sondern vielmehr um einen spezifisch regulierten Immunmodulator handelt. Die Induktion der Freisetzung von IL-18BP durch Interferon-gamma stellt den entscheidenden Schritt eines bislang unbekannten negativen Rückkopplungsmechanismus zwischen Immunzellen und ortsständigen Nicht-Immunzellen dar: Nach der Freisetzung von IL-18 bei Entzündungen, Infektionen und Tumorerkrankungen führt das von Th1-, NK- und CD8+-Zellen produzierte Interferon-gamma zu einer Sekretion von IL-18BP durch Nicht-Immunzellen. Infolgedessen kommt es konsekutiv zur Limitierung der Aktivität von IL-18 mit Reduzierung seiner proinflammatorischen Wirkungen. Da ein Übermaß an IL-18 bei der Pathogenese von chronisch entzündlichen Erkrankungen wie beispielsweise der Rheumatoiden Arthritis und dem M. Chron eine Rolle zu spielen scheint, ist von besonderem Interesse welche natürlichen Wege für die Blockierung von IL-18 existieren. Die therapeutische Applikation von IL-18BP könnte sich in Zukunft als eine neue Strategie zur erfolgreichen Behandlung dieser Krankheiten erweisen.
Inflammation is a regulated reaction of the body to control a threat such as infection or injury. An efficient resolution of inflammation is critical to prevent the development of chronic inflammation and to restore tissue homeostasis. Macrophages (Mf) play a crucial role in the onset, but also in the resolution of inflammation, because they phagocytose and eliminate pathogens and tissue debris. Efficient efferocytosis, i.e. the engulfment of apoptotic cells, represents an important trigger for the onset of the resolution response and contributes to the pro-resolving reprogramming of Mf. Despite the importance of post- transcriptional modes of regulation during the resolution phase and translational control as a key node modulating gene expression in immune cells, relevant translational alterations remain largely elusive.
In the present study, I aimed to identify translationally regulated targets in inflammatory primary murine Mf upon resolution-promoting efferocytosis. To this end, I used total RNA-sequencing as well as de novo proteomics analyses to determine global transcriptional and translational changes. Sequencing data confirmed that efferocytosis induced a pro-resolution signature in inflammatory Mf and pointed towards translational regulation because the related integrated stress response was enriched upon efferocytosis. While changes of gene expression between efferocytic and non-efferocytic Mf appeared rather small at the transcriptional level, I observed considerable differences at the level of de novo synthesized proteins. This finding suggests a regulation at the level of translation. Furthermore, the tight connection between translational and metabolic changes was confirmed by enriched metabolism-associated terms of targets upregulated by efferocytosis at both RNA and de novo protein level. Interestingly, analysis of translationally regulated targets in response to inflammatory stimulation showed reduced translation for most targets, with only little impact of efferocytosis. Among those targets, I identified pro-resolving matrix metallopeptidase 12 (Mmp12) as a novel candidate, which showed translational repression during early inflammation and translational increase during the resolution phase. Noteworthy, a first indicator for a potential translation regulatory component of Mmp12 were the extremely high mRNA levels and not overly high de novo protein levels. Validation experiments recapitulated a slight elevation of Mmp12 mRNA expression and a significant downregulation of MMP12 intracellular protein levels in inflammatory Mf, as observed in the RNA-seq and de novo proteomics datasets. To investigate whether the discrepancy in mRNA and protein expression were due to changes in translation, I applied polysomal fractionation analysis to determine the translational status of Mmp12. Inflammatory Mf displayed a significantly lower relative Mmp12 mRNA abundance in the late polysomes compared to naïve Mf, suggesting reduced translational efficiency upon inflammatory stimulation. Consequently, extracellular MMP12 levels in the supernatant of inflammatory Mf decreased, although with a slight delay.
The functional impact of attenuated Mmp12 translation upon inflammatory stimulation was assessed in migration assays. While siRNA-mediated knockdown of Mmp12 did not alter Mf migration on uncoated plates, it increased migration 3-fold on matrigel/elastin-coated plates. Importantly, the increase in migrated distance driven by siMmp12 could be lowered by the addition of exogenous recombinant MMP12 protein. In line with reduced Mmp12 translation and MMP12 protein in inflammatory Mf, I observed a significant increase in cell migration on matrigel/elastin-coated plates, while it remained unaltered on uncoated plates. Consequently, Mf elastase MMP12 degrades elastin, thereby cell migration along elastin fibers is diminished. In inflammatory Mf, Mmp12 is translationally downregulated, thereby enhancing the migratory capacity.
In summary, the present study identifies a substantial contribution of translational regulation in the course of inflammation shown by high changes between inflammatory naïve and efferocytic Mf at the de novo proteomic level. Specifically, I was able to determine the translational regulation of pro-resolving Mmp12, which is repressed during early inflammation and recovers during the resolution phase. Functionally, translational control of MMP12 emerged as a strategy to alter the migratory properties of Mf, enabling enhanced, matrix- dependent migration of Mf during the early inflammatory phase, while restricting migration during the resolution phase.
IL-18, a recently identified member of IL-1 family, is now recognized as an important regulator of innate and acquired immune responses. Therefore, the antitumor activities of IL-18 have been investigated. IL-18 has been shown to induce IFN-γ production by T, B, and NK cells, enhances NK cell activity, activates Fas ligandmediated apoptosis of the tumor cells, and improves the overall antitumor immunity. KG-1 cells were derived from a patient with acute myeloid leukemia (AML). IL-18 has been shown to induce IFN-γ production in those leukemic cells. TLR-3, in addition to its ability to recognize viral double stranded RNA, also can recognize the synthetic analogue poly(I:C) and induces type I IFN, inflammatory cytokine production, e.g TNF-α, and maturation of denderitic cells. In the present work the potential modulatory effect of PIC on IFN-γ and TNF-α production by KG-1 cells treated with IL-18 was investigated. Indeed, PIC strongly amplified the production of IFN-γ induced by IL-18 on mRNA and protein levels via NF-κB as well as p38 and JNK MAPK activation. Compared to IFN-γ, TNF-α showed different behaviour in KG-1 cells. On mRNA level I found only weak induction of TNF-α by IL-18 which was potentiated in the presence of PIC. Similarly, the release of TNF-α by IL-18 plus PIC required NF-κB as well as p38 and JNK MAPK activation. Furthermore, in the present work I found that TLR-3 is required for IFN-γ and TNF-α production. In addition, it is demonstrated by immunofluoresence that TLR-3 is localized in cytoplasm but not on the cell surface in KG-1 cells. Recently, it has been demonstrated that IFN-γ shows therapeutic potential as detected in AML blasts, specifically via inhibition of proliferation and induction of apoptosis. Thus our data could serve as a rationale for the clinical use of PIC and IL-18 in combination therapy. In search for new cytokines potentially modulated by the combination IL-18 plus PIC in KG-1 cells, cytokine antibody array analysis was performed. I found an upregulation of expected genes like IP-10 but most interestingly unexpected upregulation of PDGF-AA. Searching for detailed mechanisms of PDGF-AA induction, I found that neither p38 nor JNK is involved in PDGF-AA production but NF-κB is essential for the expression of PDGF-AA. Furthermore, I found that PDGF-AA is not able to increase the proliferation of KG-1 cells. PDGF and TGF-β are examples of signaling molecules which control the growth, survival, motility, and differentiation of cells. Therefore, the release of TGF-β by IL-18 plus PIC was monitored by ELISA. The level of TGF-β in cellular supernatants revealed that neither PIC nor IL-18 was able to significantly mediate release of TGF-β indicating that only PDGF-AA but not TGF-β is induced by PIC and IL-18 in KG-1 cells. To the best of our knowledge this is the first time that IL-18 or PIC is shown to induce the expression of PDGF-AA in KG-1 cells.
NO ist ein gasförmiges Molekül, das durch drei verschiedene NO-Synthasen hergestellt werden kann. Die Signalkaskaden von NO sind multipel und sehr stark von der jeweiligen Konzentration abhängig. In niedrigen Dosen ist NO an der Regulation physiologischer Prozesse beteiligt, wohingegen hohe NO-Spiegel, wie sie von der induzierbaren NO Synthase (iNOS) im Verlauf von entzündlichen Erkrankungen produziert werden, zytotoxische Effekte wie Apoptose und Nekrose bedingen können. Der Wachstumsfaktor PDGF kann durch Inhibition der iNOS Expression, dieser hohen NO Produktion entgegen wirken. Ob NO im Gegenzug auch eine Wirkung auf das PDGF-System aufweist, sollte mit dieser Arbeit geklärt werden. Da die Aktivität von PDGF letztendlich von der Rezeptormenge abhängt, wurde die expressionsmodulatorische Wirkung von NO auf der PDGF-Rezeptorebene untersucht.
Im ersten Teil der Arbeit wurden MZ mit dem NO-Donator DETA-NO stimuliert. Mittels PCR-Analyse konnte gezeigt werden, dass NO die PDGFR-α-mRNA Expression zeit- und dosisabhängig induziert. Die Expression von PDGFR-β wird hingegen nicht wesentlich beeinflusst. Western-Blot-Analysen (WB) bestätigten die Regulierbarkeit des PDGFR-α auch auf Translationsebene. Als nächstes sollte geprüft werden, ob die durch exogene Applikation eines NO-Donatoren hervorgerufene Induktion des PDGFR-α auch durch eine endogene NO-Produktion imitiert werden kann. Hierzu wurden MZ mit dem Zytokin IL-1β inkubiert. IL-1β steigert die iNOS und auch die PDGFR-α-Expression durch Induktion von Transkriptionsfaktoren. Die IL-1β bedingte PDGFR-α-Expression könnte dabei über zwei Mechanismen reguliert werden: Einerseits über die gesteigerte Synthese von NO durch iNOS und andererseits durch direkte Interaktionen der IL-1β-induzierten Transkriptionsfaktoren mit dem PDGFR-α-Promotor. Um die NO bzw. iNOS-vermittelte von der Promotor-vermittelten Wirkung zu unterscheiden, wurden MZ zusätzlich mit dem NOS-Inhibitor L-NMMA inkubiert. L-NMMA war im Stande die durch IL-1β hervorgerufene Erhöhung der PDGFR-α Proteinmenge signifikant auf 60% zu reduzieren, was die Beteiligung der iNOS bzw. von NO an der IL-1β vermittelten Regulation des PDGFR-α impliziert. NO entfaltet seine Wirkung über verschiedene Signalkaskaden. Der klassische Weg verläuft über die Aktivierung der löslichen Guanylatzyklase (sGC). Um die Beteiligung der sGC an der NO-vermittelten Induktion des PDGFR-α zu untersuchen, wurden DETA-NO stimulierte MZ zeitgleich mit ODQ, einem Inhibitor der sGC inkubiert. Die durch NO verursachte Erhöhung der PDGFR-α-Proteinmenge konnte durch die gleichzeitige Zugabe von ODQ komplett gehemmt werden. Die Behandlung von MC mit dem sGC-Aktivator YC-1 imitierte andererseits den NO-Effekt. Beide Versuche zusammengenommen beweisen die Notwendigkeit der sGC-Aktivierung zur NO-vermittelten Induktion des PDGFR-α. Da viele Gene schon auf Transkriptionsebene durch NO beeinflusst werden, wurde der an einen Vektor gebundene PDGFR-α-Promotor vor das Luziferase-Gen kloniert und MZ mit diesem Konstrukt transfiziert. Die transfizierten MZ wurden mit DETA-NO oder 8-BromocAMP stimuliert. cAMP erhöht die Aktivität des PDGFR-α-Promotors und diente somit als Positivkontrolle. Die Promotoraktivität wurde indirekt über das Luziferase-Renilla-System bestimmt. Da NO im Gegensatz zu 8-Bromo-cAMP die Promotoraktivität nicht erhöhte, ist davon auszugehen, dass die NO-abhängige Induktion des PDGFR-α posttranskriptionell erfolgt oder, dass das NO-responsive Element nicht in unserem Konstrukt enthalten war.
Im letzten Abschnitt meiner Arbeit wurde die Funktionsfähigkeit des neusynthetisierten PDGFR-α Proteins bestätigt. Hierzu wurde die Phosphorylisierung vom PDGFR-α und von einem weiteren in der PDGF-Signalkaskade angeordneten Enzym, der antiapoptotisch wirksamen Proteinkinase B (PKB) untersucht. Mit DETA-NO vorbehandelte MZ wurden mit PDGF-BB stimuliert und eine Nachweisanalyse mit einem Phospho-spezifischen Antikörper der gegen pTyr720-PDGFR-α (pPDGFR-α) gerichtet ist, durchgeführt. Der Vergleich mit nichtvorbehandelten MZ belegt eindeutig, dass die NO vermittelte Erhöhung der basalen PDGFR-α-Proteinmenge auch zu einer Zunahme an detektierbarem pPDGFR-α führt, die dann wiederum eine Verstärkung der Signaltransduktion zur Folge hat. So konnten in DETANO vorbehandelten MZ, die mit dem α-Rezeptor spezifischen Liganden PDGF-AA stimuliert wurden, eine vergleichsweise erhöhte PKB-Phosphorylierung festgestellt werden. In einer Kooperation mit Dr. L. Schäfer (Universität Münster) konnte ferner gezeigt werden, dass die NO-Abhängigkeit der PDGFR-α Proteinexpression auch im Krankheitsverlauf eines experimentellen Glomerulonephritismodells, zu beobachten ist. Durch WB-Analysen und immunhistologischen Färbungen konnte dargelegt werden, dass die Vorinjektion des iNO-Sspezifischen Inhibitors L-NIL die Produktion von phosphoryliertem und unphosphoryliertem PDGFR-α Protein in Anti-Thy.1.1-behandelten Ratten signifikant hemmt. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass NO über eine Aktivierung der sGC, die Produktion von funktionsfähigem PDGFR-α- Protein in vitro und in vivo steigert. Die pathophysiologische Bedeutung der NO-vermittelten Induktion des PDGFR-α im Krankheitsprozess der GN, wird gegenwärtig in weiteren in vivo Experimenten untersucht.
Der Erfolg der stabilisierenden Wirbelsäulenchirurgie hängt entscheidend von der Auswahl der richtigen Pedikelschraube ab. Insbesondere der Schraubendurchmesser, die Schraubenlänge und der Einführungswinkel sind zu berücksichtigen, da es große (inter-) individuelle anatomische Schwankungen gibt. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit den röntgenmorphometrischen Gegebenheiten der Wirbel. Es wurde bei einem großem Patientenkollektiv an 174 Wirbelkörpern folgende entscheidende Messungen durchgeführt: Pedikelaußen- und - innendurchmesser, Pedikellänge und Pedikelwinkel. Dabei ist der Pedikelinnendurchmesser deutlich hervorzuheben, da er dem tatsächlichen Schraubendurchmesser entsprechen sollte und in der gegenwärtigen Literatur bisher zu wenig Beachtung gefunden hat. Als Richtlinien für die Pedikelschraubendurchmesser empfiehlt sich für die Halswirbelsäule (HWS) bis zu 4 mm, für die Brustwirbelsäule (BWS) 4 - 5 mm und für die Lendenwirbelsäule (LWS) 6 mm. Die Schraubenlänge (wenn im entsprechenden transversalen Winkel eingführt) beträgt in der HWS 25 mm, in der BWS 35 - 40 mm und in der LWS 40 - 45 mm. Dabei sollte die Pedikelschraube stets geringfügig in die ventrale Compacta eindringen, da hierdurch eine größere Stabilität gewährleistet wird. Hierbei kann es dennoch in einem Drittel der Fälle zu einer Penetration kommen, daher ist, wie aus der vorliegenden Arbeit zu ersehen ist, eine individuelle präoperative computertomographische Darstellung des betroffenen Wirbelsäulenabschnitts mit mulitplanaren Rekonstruktionen der Pedikel unerläßlich. Die Zielsetzung der Arbeit war die Klärung der Frage, ob mittels routinemäßig durchgeführter computertomographischer Untersuchungen ausreichend genaue Daten ermittelt werden können, um eine stabilisierende Wirbelsäulenoperaion durchzuführen. Dies konnten anhand detailierten Analyse erfolgreich bestätigt werden.
Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind von großer Bedeutung für die Regulation des vaskulären Tonus und die intrazelluläre Signaltransduktion. Die ROS-produzierenden Enzyme der Gefäßwand sind bisher nur unzureichend charakterisiert. Wir untersuchten, ob eine ähnliche NADPH Oxidase wie in Leukozyten, mit den Untereinheiten p22phox und gp91phox auch in den Endothel- und glatten Muskelzellen der Gefäßwand existiert. Phorbol 12-myristate 13-acetat (PMA) aktiviert die leukozytäre NADPH Oxidase und steigert in endothelintakten Aortenringen die ROS-Produktion. PMA steigert auch die Radikalproduktion in Endothelzellen (EC); jedoch nicht in glatten Muskelzellen (SMC) und denudierten Aortenringen. ECs und SMCs exprimieren p22phox, während gp91phox nur in ECs nachgewiesen werden konnte. Mox1, ein Homolog von gp91phox konnte im Gegensatz dazu nur in SMCs und nicht in ECs gefunden werden. Die funktionelle Relevanz von gp91phox wurde mittels vergleichender Experimente mit Aorten-Segmenten von Wildtyp-, gp91phox-/--und eNOS-/--Mäusen analysiert. Die PMA-induzierte ROS-Produktion der Aortenring von Wildtyp und eNOS-/--Mäusen war ähnlich stark, während sie in den Aortenringen von gp91phox-/--Mäusen ausblieb. Der Radikalfänger Tiron verstärkte die endothelabhängige Relaxation in Aortensegmenten von Wildtyp-, jedoch nicht von gp91phox-/--Mäusen. Unsere Daten zeigen, dass ECs, ähnlich wie Leukozyten, eine gp91phox enthaltende NADPH Oxidase exprimieren. Dieses Enzym ist eine Hauptquelle arterieller ROS und beeinflusst die Bioverfügbarkeit von endothelialem NO.
Das Gleichgewicht zwischen den Sphingolipiden Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat (S1P) spielt eine entscheidende Rolle für das Schicksal einer Zelle. Es ist bekannt, dass Ceramid proapoptotisch wirkt, wohingegen S1P antiapoptotische und entzündungshemmende Signalwege induziert [6]. Eine Beeinflussung der Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme sowie eine daraus resultierende gestörte Balance zwischen Ceramid und S1P ist somit ein Merkmal diverser entzündlicher Krankheiten wie der Asthma bronchiale, der Colitis ulcerosa [148] oder auch verschiedenen Arten von Tumoren [199]. Das Hauptziel dieser Arbeit lag in der Untersuchung der Ceramid-abbauenden neutralen Ceramidase (NCDase) und der S1P-synthetisierenden Sphingosinkinase 1 (SK1) in verschiedenen Nierenzellen. Ein Fokus wurde dabei auf die Regulierung dieser Enzyme durch entzündungshemmende Corticosteroide in Ratten Mesangiumzellen gelegt, wobei diese Zellen entscheidend in der Entstehung entzündlicher Nierenerkrankungen wie einer Glomerulonephritis sind. Weiterhin wurde der Einfluss der Mutation putativer Phosphorylierungsstellen der NCDase auf die Regulierung dieses Enzyms in HEK293 Zellen untersucht und in einem dritten Teil der Arbeit schließlich die Expression und die Funktion der SK1 in der humanen Niere im Vergleich zum Nierenzellkarzinom analysiert.
Es konnte gezeigt werden, dass Glucocorticoide (GCs) Mesangiumzellen durch eine Steigerung der intrazellulären S1P-Konzentrationen vor durch Stress induzierter Apoptose schützen. Diese Beeinflussung des Sphingolipid-Rheostats beruhte auf einer gesteigerten mRNA- und Proteinexpression der Sphingosinkinase 1 (SK1) und der neutralen Ceramidase (NCDase). Außerdem wurde nachgewiesen, dass der Promotor der NCDase durch GCs aktivierbar ist und dass zwei Glucocorticoid-responsive-Elemente (GREs) innerhalb der Promotorsequenz durch die Bindung von Glucocorticoidrezeptoren (GRs) diese Aktivierung bewirken. In vivo Experimente mit isolierten Glomeruli, die aus mit Dexamethason behandelten Mäusen gewonnen wurden, zeigten ebenfalls eine Erhöhung der mRNA-Expression und Aktivität der SK1 sowie eine gesteigerte Proteinexpression der NCDase. Somit wurde erstmals ein direkter Einfluss von GCs auf den Sphingolipidmetabolismus in Mesangiumzellen beschrieben.
In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine Mutation zweier putativer Proteinkinase C (PKC)-Phosphorylierungsstellen (T253A und T420/23A) in der Sequenz der murinen NCDase zu einem verlangsamten Reifungsprozess dieses Enzyms führt. Western Blot-Analysen ergaben, dass der überexprimierte NCDase-WT zwei unterschiedlich glykosylierte Isoformen mit einem Molekulargewicht von 120 und 130 kDa exprimiert, welche stetig durch einen aktiven Prozess sezerniert werden. Im Gegensatz dazu war in den Mutanten ausschließlich die 130 kDa-Form im Zellkulturüberstand und die 120 kDa-Form im Lysat zu finden. Im Gegensatz zum WT lokalisierten die Mutanten lediglich an intrazellulären Membranen und nicht zusätzlich an der Plasmamembran. In Lysaten von Zellen die die Mutanten exprimierten, konnte eine verringerte relative Aktivität gemessen werden, die der sezernierten mutierten Formen hingegen war erhöht. Daher wurde vermutet, dass die 130 kDa-Form die reife Plasmamembran-gebundene und anschließend sezernierte, aktivere Isoform der NCDase darstellt. Die Inkubation von Mesangiumzellen mit Zellkulturüberständen, die den sezernierten NCDase-WT enthielten, führte zum Schutz vor durch Stress induzierter Apoptose. Somit kann eine auto- bzw. parakrine Funktion der sezernierten NCDase angenommen werden.
Dem dritten Teil der Arbeit lag die erstmalige Beschreibung der SK1-Expression in der gesunden humanen Niere zugrunde. Es konnte gezeigt werden, dass diese im Zytoplasma sowie an Membranen von Zellen des proximalen Tubulus sowie in geringerem Maße in Podozyten und Mesangiumzellen des Glomerulus exprimiert wird. Im Gegensatz dazu wurde die SK1 in Biopsien von Patienten mit Nierentumor im Nukleus gefunden. Die Untersuchung der SK1-Expression in 5 verschiedenen Nierentumorzelllinien im Vergleich zu Epithelzellen des proximalen Tubulus (Human Kidney 2 - HK2-Zellen) ergaben, dass sowohl die Protein- als auch die mRNA-Expression der SK1 in Föhn-Zellen stark erhöht, in ACHN3-Zellen hingegen signifikant niedriger war. Zudem konnte auch in den Föhn-Zellen eine nukleäre Expression der SK1 nachgewiesen werden. Die Behandlung von HK2-, ACHN3- und Föhn-Zellen mit dem Transforming Growth Factor-ß2 (TGF-ß2) resultierte in einer transkriptionellen Steigerung der SK1-Expression. Die Herunterregulierung der SK1 in diesen Zellen führte zu einem Arrest der Zellen in der S Phase, wohingegen die Überexpression der SK1 in den ACHN3-Zellen zu einem signifikanten Schutz vor Apoptose führte.
Zusammenfassend sind die Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme NCDase und SK-1 ein interessanter therapeutischer Ansatzpunkt zur Behandlung von Krankheiten, die mit pathologischen Prozessen wie Entzündung, Apoptose und Proliferation einhergehen, wie es bei Glomerulonephritiden und bei Nierentumoren der Fall ist.
The generation of O2- by NADPH oxidaes was mainly attributed to immune cells that kill invading bacteria or cancer cells. But importantly, in the past several years, several homologs of the catalytic subunit gp91phox (Nox2) of the phagocytic NADPH oxidase have been identified in non-immune cells and tissues. Superoxide production derived from NADPH oxidaes has been shown to play a role not only in host defense but also in defined signaling cascades mediating growth and apoptosis. The aim of this work was to study the expression and the regulation of the”new” Nox isoforms in rat renal mesangial cells (MC). In particular the following results were achieved. 1) mRNA’s for both Nox1 and Nox4 were detected by RT-PCR. 2) Nox1 mRNA levels were increased upon exposure to basic fibroblast growth factor (bFGF), platelet-derived growth factor (PDGF) and fetal calf serum (FCS) in a time- and dose-dependent manner. Exposure of MC to bFGF and FCS increased also basal production of reactive oxygen species (ROS) by MC. By contrast, Nox4 mRNA levels were not significantly affected by bFGF treatment, but were markedly down-regulated by PDGF and FCS. 3) To study the regulation of Nox1 on the protein level, an anti-Nox1 antibody was generated and characterized using affinity chromatography. Up-regulation of Nox1 expression by growth factors was confirmed also on the protein level. 4) Based on the already known cDNA sequence for Nox1, the transcriptional start site was determined by the “gene RACE” technique. 2547 bp of the genomic sequence of the 5´-flanking region of the Nox1 gene were cloned and sequenced using the „Genome-Walking“ method. To study the regulation of Nox1 transcription functional Nox1 promoter/luciferase fusions were be established. MC were transiently transfected with different promoter/luciferase constructs and stimulated with growth factors. By measuring luciferase activity it was determined that growth factors induced the Nox1 transcription and that the Nox1 core promoter is sufficient for the activation. 5) By measurement of superoxide radicals and analysis of Nox1 mRNA expression by quantitative RT-PCR (TaqMan) as well as protein level by Western blotting it could be shown that treatment of MC with NO donors inhibited the expression of Nox1 in a time- and dose-dependent manner. Moreover, using activators and inhibitors of the soluble guanylyl cyclase (sGC) it could be shown, that the activation of sGC mediates the effect of NO on Nox1 expression. However, NO had no inhibitory effect on Nox1 promoter activity. Experiments with the inhibitor of transcription, actinomycin D, suggest that NO-mediated regulation of Nox1 is triggered probably via post-transcriptional mechanisms. Nox4 is regulated on the mRNA levels in a similar manner as Nox1. 6) To analyze the sub-cellular localization of the Nox isoforms, coding sequences for Nox1 and Nox4 were fused together with green fluorescent protein into the pEGFP-N1 demonstrated that both isoforms are localized predominantly in the plasma membrane, but also in the perinuclear region and cytoplasm. However, the localization of Nox1 in the plasma membrane was more pronounced. 7) In addition to Nox1 and Nox4, mRNA of the newly identified NOXA1 that is a homolog of the p67phox subunit of NADPH oxidase was detected in MC by RT-PCR.
During the past several years, ceramide has emerged as an important second messenger triggering cell responses including proliferation, differentiation, growth arrest and apoptosis. This thesis has focused on the regulation of neutral ceramidase which critically determines, in concert with ceramide generating sphingomyelinases, the intracellular ceramide levels. In the first part it is reported that besides a rapid and transient increase in neutral sphingomyelinase activity a second delayed peak of activation occurs after hours of IL-1beta treatment. This second phase of activation is first detectable after 2 h of treatment, and steadily increases over the next two hours reaching maximal values after 4 h. In parallel, a pronounced increase in neutral ceramidase activity is observed, which accounts for a constant or even decreased level of ceramide after long-term IL-1beta treatment, despite continuous sphingomyelinase activation. The increase in neutral ceramidase activity is due to expressional up-regulation, as detected by an increase in mRNA level and enhanced de novo protein synthesis. The increase of neutral ceramidase protein levels and activity can be blocked dosedependently by the p38- mitogen-activated protein kinase (p38-MAPK) inhibitor, SB 202190, whereas the classical MAPK pathway inhibitor U0126, and the PKC inhibitor Ro 31-8220 were ineffective. Moreover, co-treatment of cells for 24 h with IL-1~ and SB 202190 leads to an increase in ceramide formation. Interestingly, IL-1beta-stimulated neutral ceramidase activation is not reduced in mesangial cells isolated from mice deficient in MAPK-activated protein kinase 2 (MAPKAPK-2), which is one possible downstream substrate of the p38-MAPK, thus suggesting that the p38-MAPK-mediated induction of neutral ceramidase occurs independently of MAPKAPK-2. The results suggest a biphasic regulation of sphingomyelin hydrolysis in cytokine-treated mesangial cells with a delayed de novo synthesis of neutral ceramidase counteracting sphingomyelinase activity and apoptosis. Neutral ceramidase may thus represent a novel cytoprotective enzyme for mesangial cells exposed to inflammatory stress conditions. In a second part, the effect of NO on neutral ceramidase was studied. Ceramide levels are strongly increased in a delayed fashion by stimulation of renal mesangial cells with NO. This effect is due to a dual action of NO, comprising an activation of sphingomyelinases and an inhibition of ceramidase activity. The inhibition of neutral ceramidase activity correlates with the decrease of neutral ceramidase protein. A complete loss of neutral ceramidase protein is obtained after 24h of NO stimUlation. Moreover, the NO-induced degradation is reversed by the protein kinase C (PKC) activator, 12-0-tetradecanoylphorbol-13-acetate (TPA) , but also by the physiological PKC activators platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB), angiotensin II and ATP, resulting in a normalisation of neutral ceramidase protein as well as activity. In vivo phosphorylation studies using 32Pj-labelled mesangial cells, reveal that TPA, PDGF-BB, angiotensin II and ATP trigger an increased phosphorylation of the neutral ceramidase, which is blocked by the broad-spectrum PKC inhibitor Ro-31 8220, but not by CGP 41251, which has a preferential action on Ca2+-dependent PKC isoforms, thus suggesting the involvement of a Ca2+-independent PKC isoenzyme. In vitro phosphorylation assays using recombinant PKC isoenzymes and neutral ceramidase immunoprecipitated from unstimulated mesangial cells, show that particularly the PKC-alpha isoform, and to a lesser extent the PKC-a isoform, are efficient in directly phosphorylating neutral ceramidase. The data show that NO is able to induce degradation of neutral ceramidase thereby promoting accumulation of ceramide in the cell. This effect is reversed by PKC activation, most probably by the PKC-delta isoenzyme, which may directly phosphorylate and thereby, prevent neutral ceramidase degradation. In the third chapter it is demonstrated that the NO-triggered degradation of neutral ceramidase involves activation of the ubiquitin/proteasome complex. The specific proteasome inhibitor, lactacystin, completely reverses the NO-induced degradation of ceramidase protein and neutral ceramidase activity. As a consequence, the cellular amount of ceramide, which drastically increases by NO stimulation, is reduced in the presence of lactacystin. Furthermore, ubiquitinated neutral ceramidase accumulates after NO stimulation. The data clearly show that the ubiquitin/proteasome complex is an important determinant of neutral ceramidase activity and thereby regulates the availability of ceramide. In a last part, the cellular localisation of neutral ceramidase was investigated using green fluorescent protein (GFP) as fusion protein to examine cellular distribution and translocation of neutral ceramidase. Unstimulated HEK 293 cells reveal after transient transfection experiments that neutral ceramidase is preferentially localized in the cytoplasm. PKC activation led to an accumulation of neutral ceramidase at the nuclear membrane. In summary, this work demonstrates that the neutral ceramidase is a fine regulated protein that plays a critical role in regulating intracellular ceramide levels and thereby the cell's fate to undergo apoptosis or survive. Regulation of neutral ceramidase can be achieved on all levels, i.e. on the mRNA level, the protein level or posttranslationally by phosphorylation and subcellular translocation. Future work will reveal whether neutral ceramidase can serve as a therapeutic target in the development of novel antiinflammatory and anti-tumour drugs.