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Im Zentralen Nervensystem (ZNS) kommunizieren neuronale Synapsen über eine Kombination von chemischen und elektrischen Signalen, die in ihrer Umgebung eine spezifische Komposition von Ionen benötigen. Um eine strenge Kontrolle des ZNS-Milieus zu gewährleisten, hat sich in Säugetieren eine endotheliale Blut-Hirn-Schranke (BHS) entwickelt. Die BHS limitiert den parazellulären Molekül Transport und wird von den Kapillargefässen des Gehirns gebildet, wobei die physische Barrier von den Tight Junctions (TJs) des vaskulären Endothels generiert wird. Das Gehirnendothel ist Teil einer neurovaskulären Einheit (NVE), zu der auch Perizyten (PZ), Astrozyten (AZ), Mikroglia und Interneurone zählen. Fehlkommunikation oder defekte zelluläre Komponenten in der NVE führen in der Regel zu Störungen in der BHS Funktion und können schwerwiegende neuronale Erkrankungen zur Folge haben.
Vor einigen Jahren haben wir und andere Forschungsgruppen herausgefunden, dass der Wnt/β-Catenin Signalweg essentiell für die Vaskularisierung des Gehirns während der Embryonalentwicklung ist und darüber hinaus auch eine bedeutende Rolle in der Induktion der BHS spielt. Des Weiteren konnte im Zebrafischmodell eine Aktivierung des kanonischen Wnt Signalweges auch im adulten Organismus nachgewiesen werden. Allerdings ist die Quelle der Wnt Wachstumsfaktoren bis dato unbekannt. Der Wnt Signalweg ist eine hoch konservierte und komplexe zelluläre Signalkaskade, die in allen mehrzelligen Organismen vorkommt. Wnt Wachstumsfaktoren sind sekretierte, hydrophobe Signalmoleküle, die sowohl über lange als auch kurze Strecken entweder den β-Catenin-abhängingen („kanonischen“) oder β-Catenin-unabhängingen („nicht-kanonischen“) Wnt Signalweg aktivieren können.
Da die meisten ZNS Erkrankungen mit einem Zusammenbruch der BHS-Funktion assoziiert sind, ist die Forschung bestrebt die Mechanismen, die der Entstehung und Aufrechterhaltung der BHS zugrunde liegen, zu ermitteln und zu verstehen. Das Ziel meiner Doktorarbeit war es herauszufinden, ob AZ Wnts produzieren und ob deren Wirkung auf das Gehirnendothel an der Aufrechterhaltung der BHS beteiligt ist. Zu diesem Zweck, habe ich ein in vitro BHS Kokultivierungs-Modellsystem etabliert das erstmalig ausschliesslich auf der Verwendung von murinen AZ und Gehirnendothelzellen basiert. Zu Beginn der Studie wurden sowohl primäre AZ als auch eine murine Gehirnendothel-zelllinie (MBE) bezüglich ihrer zell-spezifischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei konnte belegt werden, dass sowohl die primären AZ als auch die MBE Zelllinie, aufgrund ihrer Proteinexpressionsprofile als repräsentative Vertreter ihres Zelltyps eingestuft werden können. Die darauffolgenden Untersuchungen konnten zeigen, dass primäre AZ über mehrere Passagen hinweg fast alle 19 Wnt Liganden auf mRNA Ebene exprimierten. Ferner konnte in primären Gehirnendothelzellen und zwei Gehirnendothelzelllinien die korrespondierenden Frizzled (FZD) Rezeptoren und low density lipoprotein receptor-related protein (LRP) Korezeptoren nachgewiesen werden. Dieser Befund legte Nahe, dass AZ und Gehirnendothelzellen die basalen Eigenschaften besitzen, um über den Wnt Signalweg miteinander zu kommunizieren. Die Stimulation von pMBEs mit Astrozyten konditioniertem Medium (AKM) induzierte die Hochregulation von Claudin-3 einem bekannten kanonischen Wnt Zielgens. Interessanterweise konnte diese Regulation teilweise durch die Zugabe von dickkopf 1 (Dkk1), einem Wnt/β-Catenin Antagonisten, inhibiert werden.
Um die physiologische Rolle der Wnt Liganden zu bestimmen, habe ich mir die Eigenschaft des universellen Sekretionsmechanismus der Wachstumsfaktoren, welcher von dem Transmembranprotein evenness interrupted (Evi) abhängig ist, zu Nutze gemacht. Die Verpaarung von Evifl/fl mit hGFAP-Cre Mäusen erlaubt die AZ-spezifische Deletion des Evi Proteins (Evi KO), was zur Folge hat, dass die Astrozyten der Nachkommen keine Wnt Wachstumsfaktoren sekretieren können.
In vitro führte der Verlust von Wnts in AKM zu einer teilweisen Delokalisierung von Junction Proteinen. Während die Kokultivierung mit Evi WT AZ einen straken Anstieg im TEER und reduzierte Permeabilitätsmesswerte induzierten, konnten diese pro-BHS Eigenschaften bei Evi KO AZ nicht beobachtet werden. Diese Ergebnisse zeigten deutlich, dass Wnts sekretiert von AZ den BHS Phenotyp positive beeinflussen, indem sie die Zell-Zell-Verbindung verstärken, was wiederum zu erhöhtem Zellwiderstand und reduzierter transzellulärer Permeabilität führt. Die Analyse des in vivo Phänotyps von Evi KO Mäusen ergab, dass mit fortschreitendem, postnatalem Alter makroskopisch erkennbare zerebrale Blutungen auftraten. Ausserdem konnte ich zeigen, dass eine Subpopulation von Blutgefässen Malformationen aufwies, die mit reduzierter Astrozytenendfuss-Assoziierung einhergingen.
Das Wissen um die Beteiligung des Wnt Signalweges an der Regulation der BHS auch im adulten Organismus kann in Zukunft von wichtiger Bedeutung sein, da es potentielle therapeutische Anwendungen ermöglicht.
The brain vascular system is composed of specialized endothelial cells, which regulate the movement of ions, molecules and cells from the blood lumen to the central nervous system (CNS). Endothelial cells in the brain form the blood-brain barrier (BBB) that is essential to maintain the brain homeostasis and protect the CNS from pathogens and toxins for a proper neurological function. Endothelium together with other cellular components such as pericytes, astrocytes and the basement membrane, forms the neurovascular unit (NVU), the structural unit of the BBB. Breakdown of the BBB occurs in various neurological disorders, leading to edema and neuronal damage. Therapeutic strategies focusing on factors that regulate the permeability of the BBB may help to improve neurological disorders and facilitate drug delivery to the brain.
Angiopoietins (Ang) are potential candidates for therapeutic targeting the BBB due to their role in regulating the vascular permeability in periphery. They are key growth factors that control angiogenesis and vessel maturation. Ang-1 and Ang-2 possess similar binding affinities to the Tie2 receptor tyrosine kinase, which is almost exclusively expressed on endothelial cells. Ang-1 is expressed in smooth muscle cells and pericytes, and binds in a paracrine manner to Tie2. This results in phosphorylation of the receptor and induction of downstream signaling pathways leading to vessel maturation via pericyte recruitment and blood vessel stabilization. Ang-2, on the other hand, is stored in Weibel Palade bodies in endothelial cells and is released upon inflammatory or angiogenic stimuli. Therefore, in mature, stabilized blood vessels, Ang-2 expression is low. Increased level of Ang-2 is only observed during development or in pathology such as ischemia, cancer and inflammation. When Ang-2 is released, it acts in an autocrine manner and interferes with Tie2 phosphorylation in a context-dependent way. Antagonizing the receptor results in de-stabilization of the vessels, often accompanied by reduced numbers of pericytes leading to myeloid cell infiltration. In conjunction with the vascular endothelial growth factor (VEGF), Ang-2 contributes to blood vessel sprouting, whereupon in absence of VEGF it promotes vessel regression. ...
The brain is characterized by its immune privileged state. However, recent studies suggest an extended contribution of hematopoietic cells to the brain. After transplantation of genetically labeled bone marrow into bone marrow depleted mice, not only labeled blood cells but also labeled neurons and other non-hematopoietic cells can be observed. Initially interpreted as transdifferentiated hematopoietic stem cells, this contribution later was identified as cell fusion of hematopoietic cells and neurons. Our lab previously addressed the question whether these fusion events also occur under non-invasive conditions. A Cre-LoxP based transgenic mouse line was used to irreversibly label all hematopoietic cells. In these mice, Cre expression is controlled by a hematopoietic promoter, thus causing recombination and subsequent marker gene expression restricted to blood cells. Interestingly, contribution of these hematopoietic cells to non-hematopoietic tissues was observed, but fusion could be excluded as the underlying mechanism. The Cre mRNA or protein seems to reach the non-hematopoietic cells from an external source. Extracellular vesicles, specifically exosomes, are increasingly recognized as a vehicle for the intercellular transfer of cellular components such as proteins or mRNAs. However, if they contribute to signaling between tissues in vivo is completely unknown and would represent a major paradigm shift for intercellular communication. Therefore, the aim of this PhD study is to investigate whether an exosomal transfer between the hematopoietic system and the brain exists. To confirm the previous results, a second Cre-LoxP mouse line that expresses the Cre recombinase under a different hematopoietic promoter is used additionally. Both mouse lines are screened for recombination and show comparable numbers and types of different non-hematopoietic cells. Besides hepatocytes and cells in lung and intestine, recombined Purkinje neurons in the cerebellum are detectable. To assess the influence of inflammation on these recombination events, different lesions such as peripheral tumors or peritonitis are applied to the mice. Inflammatory stimuli strongly increase the numbers of recombined Purkinje neurons. These neurons remain mononuclear, indicating that fusion does not occur. Also in human cerebellar material, no evidence for inflammation induced cell fusion is detectable. To screen for Cre recombinase containing exosomes, exosome purification protocols such as differential ultracentrifugation and sucrose gradient fractioning, are applied. The exosomal content is analyzed with nested PCR and western blot. Hematopoietically expressed Cre mRNA is detectable in blood plasma and hematopoietic cell culture conditioned medium. Further analysis reveals that this Cre mRNA but no Cre protein is contained in exosomes. The exosomal ability to induce recombination is investigated by injections into Cre reporter mice. After direct cerebellar injection, exosomes are sufficient to induce recombination of Purkinje neurons. Brain tissue of mice that received an inflammation is analyzed further to reveal other recombined cell types. The main immune cells of the brain, microglia, are not recombined. Mainly neuronal cell types are recombined in different areas of the brain. The observations made in this study are consistent with the hypothesis that a previously unrecognized way to communicate RNA based signals between the immune system and the brain exists. Specifically neurons are target cells for the uptake of hematopoietic exosomes and seem able to translate exosomal mRNA into functional protein. Microglial cells are neither involved as target cells, nor do they release Cre containing exosomes. By using the Cre-LoxP system, in vivo tracing of exosomes could be achieved for the first time. With this knowledge, other exosomal routes can be uncovered in future. The discovery of the exosomal transfer between the blood and the brain enables further research about the relevance of this signaling pathway. It will be important to investigate its role especially in the context of neural malfunctions and further studies might help to find new therapeutical approaches.
Duale Thrombozytenaggregationshemmung (‚dual antiplatelet therapy‘: DAPT) erhöht das Risiko für eine hämorrhagische Transformation (HT) von ischämischen Schlaganfällen nach Thrombolyse mit gewebespezifischem Plasminogenaktivator (‚tissue plasminogen activator‘: tPA). Bisherige klinische Studien waren jedoch nicht vollends eindeutig, ob diese erhöhte Blutungswahrscheinlichkeit tatsächlich zu einer schlechteren Ausgangssituation für Patienten führt. Viele sehen die initiale klinische Verschlechterung im Rahmen einer potenziellen HT durch den Nutzen der wiederhergestellten Rekanalisation verschlossener Gefäße aufgewogen. Aus diesem Grunde sollte tPA auch in Patienten angewendet werden, die einen Schlaganfall unter DAPT erleiden. Bisher sind der Pathomechanismus und die beteiligten Mediatoren der HT unverstanden. Allerdings könnte die Reduktion der tPA-assoziierten HT zu einer sichereren Anwendung der Thrombolyse beitragen und ihren Nutzen insgesamt weiter steigern. Daher war es Ziel dieser Studie, ein Schlaganfallmodell mit tPA-assoziierter HT in Mäusen unter DAPT zu etablieren, um damit erste Bewertungen therapeutischer Ansätze zur Begrenzung der HT zu ermöglichen.
Ein entscheidender Aspekt vorab war die Bestimmung der Thrombozytenfunktion in den behandelten Mäusen, um damit die Wirksamkeit der DAPT zu messen. Dies war besonders vor dem Hintergrund wichtig, dass DAPT bei Patienten unterschiedlich wirksam ist. So gibt es einen gewissen Anteil Patienten, der resistent gegenüber Aspirin und/oder anderen Thrombozytenaggregationshemmern wie Clopidogrel zu sein scheint. Daher galt es, dieses Phänomen in unserem Modell zu kontrollieren und etwaige Non-Responder zu identifizieren und gegebenenfalls auszuschließen. Dies ist bei herkömmlichen Methoden der Aggregometrie (dem Standardverfahren zur Messung der Thrombozytenfunktion und Therapieüberwachung von Thrombozytenaggregationshemmern) eine Herausforderung, da im Handel erhältliche Aggregometer Blutvolumina erfordern, die für eine Maus tödlich wären. Auch Schwanzblutungstests (sog. „tail bleeding tests“) versagen häufig, wenn sie nach einer experimentellen Schlaganfalloperation durchgeführt werden. Wir haben daher einen Durchflusszytometrie-basierten Ansatz zur Messung der in vitro Thrombozytenfunktion modifiziert, der nur geringe Blutvolumina erfordert und von uns erstmals in einem experimentellen Schlaganfallprotokoll eingesetzt wurde. Dieser zeigte eine signifikant reduzierte Thrombozytenfunktion nach DAPT mit Aspirin und Clopidogrel (ASA+CPG) an. Die Methode korrelierte gut mit Ergebnissen von zusätzlich durchgeführten Schwanzblutungstests und wird künftige präklinische Studien zur DAPT in Mäusen erleichtern. Obwohl es eine gewisse Variabilität in der Thrombozytenfunktion der behandelten Mäuse gab, identifizierten wir letztendlich keine Non-Responder.
Als nächstes zeigten wir erfolgreich, dass DAPT mit ASA+CPG in Mäusen beim experimentellen Schlaganfall zu vermehrter HT beiträgt. Wurde die DAPT mit einer tPA-Thrombolyse verbunden, erhöhte sich die HT-Rate sogar signifikant im Vergleich zu unbehandelten Mäusen mit und ohne tPA-Thrombolyse. Unser Modell kann nun genutzt werden, um die Mechanismen der HT weiter zu untersuchen. Noch wichtiger ist, dass die Einrichtung eines solchen Modells es Forschern ermöglicht, mögliche Strategien zur Minderung des Blutungsrisikos bei Patienten mit DAPT zu testen.
Zur Verringerung der HT wählten wir zwei verschiedene pharmakologische Strategien. Zunächst untersuchten wir die Reduktion der tPA Dosis, welche allerdings nicht erfolgreich vor hämorrhagischen Komplikationen schützen konnte. Danach fokussierten wir uns auf die Rolle der 12/15-Lipoxygenase (12/15-LOX) in unserem Modell. Verschiedene Vorarbeiten hatten gezeigt, dass die 12/15-LOX zum Untergang von Endothelzellen im ischämischen Gehirn beiträgt und damit wahrscheinlich eine ursächliche oder zumindest unterstützende Rolle in der Entstehung der HT hat. So wiederholten wir unsere Versuche der tPA-assoziierten HT unter DAPT in LOX-knockout Mäusen und inhibierten die 12/15-LOX pharmakologisch mit ML351. Wir zeigten erfolgreich, dass die Hemmung von 12/15-LOX in Wildtyp-Mäusen die Blutungsrate signifikant reduzierte und identifizierten die 12/15-LOX damit als geeigneten Kandidaten für weiterführende Studien zur Eindämmung sekundärer Schäden nach ischämischen Schlaganfall. Zudem wäre neben der therapeutischen, auch die prophylaktische Gabe von 12/15-LOX Inhibitoren in Hochrisikopatienten additiv zur Thrombolyse denkbar. Eine solche Blutungsprophylaxe könnte zu einer Indikationserweiterung der Lysetherapie beitragen und das funktionelle Langzeit-Ergebnis der Patienten verbessern.
Glioblastoma multiforme accounts for more than 80% of all malignant gliomas in adults and a minor fraction of new annual cases occurs in children. In the last decades, research shed light onto the molecular patterns underlying human malignancies which resulted in a better understanding of the disease and finally an improved long term survival for cancer patients. However, malignancies of the central nervous system and especially glioblastomas are still related to poor outcomes with median survivals of less than 6 months despite extensive surgery, chemotherapy and radiation. Hence, a better understanding of the molecular mechanism driving and sustaining cancerous mutations in glioblastomas is crucial for the development of targeted therapies. Apoptosis, a form of programmed cell death, is an important feature of eukaryotic cells and crucial for the maintenance of multicellular homeostasis. Because apoptosis is a highly complex and tightly regulated signaling pathway, resisting apoptotic stimuli and avoiding cell death is a hallmark of the cancerous transformation of cells. Hence, targeting molecular structures to reestablish apoptotic signaling in tumor cells is a promising approach for the treatment of malignancies. Smac mimetics are a group of small molecular protein inhibitors that structurally derive from an intracellular protein termed Smac and selectively block Inhibitor of apoptosis (IAP) proteins, which are often aberrantly expressed in cancer. Several studies confirmed the antitumoral effects of Smac mimetics in different human malignancies, including glioblastoma, and give rationales for the development of potent Smac mimetics and Smac mimetic-based combination protocols. This study investigates the antitumoral activity of the bivalent Smac mimetic BV6 in combination with Interferon α. Latter is a well characterized cytokine with an essential role in immunity, cell differentiation and apoptosis. This study further aims to address the molecular mechanisms underlying the antitumoral activity of the combination treatment by using well established molecular cell death assays, flow cytometry, western blot analysis, genetic approaches and selective pharmacological inhibition. Since different Smac mimetics and Smac mimetic-based combination therapies are currently under clinical evaluations, findings of this study may have broad implications for the application of Smac mimetics as clinical cancer therapeutics.
Beim ischämischen Schlaganfall finden weitreichende systemische immunmodulatorische Anpassungsvorgänge statt. Da Sphingosin-1-Phosphat (S1P)-Signalwege für die Immunzellrekrutierung von hoher Relevanz sind, war angesichts der bekannten immunologischen Veränderungen nach zerebraler Ischämie das Ziel dieser Dissertation die genauen Veränderungen dieses Signalweges zu charakterisieren.
Für diese Charakterisierung wurde ein transientes Fadenokklusionsmodell der A. cerebri media an der Maus verwendet. Die Sphingolipidkonzentrationen wurden drei oder 24 Stunden nach Okklusion in der Milz, im Plasma sowie im Hirngewebe gemessen. Parallel hierzu wurde die Immunzellrekrutierung in die von der Ischämie betroffenen Hemisphäre analysiert.
Zunächst konnte diese Dissertation zeigen, dass in der Akutphase des Schlaganfalls ein S1P-Konzentrationsgradient vorherrscht. Die Milz zeigt hier die niedrigsten Konzentrationen, gefolgt von Plasma und Gehirn. Darüber hinaus besteht auch in der betroffenen Hemisphäre ein S1P-Gradient mit hohen Konzentrationen im Infarktkern, jedoch verminderten Konzentrationen im Periinfarktkortex (PIC).
Zweitens führt eine fokale zerebrale Ischämie zu einer Infiltration von T- und B-Lymphozyten in die ischämische Hemisphäre. Im Gegensatz hierzu kommt es zu einer Schlaganfall-induzierten Lymphopenie im Blut. Hierzu passend konnte ich eine signifikante Abnahme des Gewichts und der B- und T-Lymphozyten der Milz 24 Stunden nach Ischämie nachweisen. Weitere von Immunzellen produzierte Zytokine (IL-6) sowie deren Transkriptionsfaktoren (SPI1, STAT3, FoxP3) zeigten in der Akutphase nach Ischämie ebenfalls eine deutliche Reduktion und wiesen auf die Rekrutierung peripherer Immunzellen (pIZ) aus dem sekundären lymphatischen Organ hin. Folgerichtig waren Leukozyten im Plasma sowohl drei als auch 24 Stunden nach Ischämie signifikant vermehrt, welche insbesondere neutrophilen Granulozyten entsprachen.
Basierend auf der nachgewiesenen Reduktion von T-Helferzellen sowie regulatorischer T-Zellen sowohl in der Milz als auch in der Zirkulation, wurde drittens die Hypothese einer zerebralen Rekrutierung dieser T-Zellpopulationen gemäß dem vorliegenden S1P-Gradienten untersucht. Dabei gelang die Darstellung einer signifikanten Infiltration von CD45+-Zellen in beide Hemisphären, welche insbesondere von T-Helferzellen geprägt war.
Viertens nimmt die S1P-Rezeptor (S1PR)-Expression auf Leukozyten eine bedeutende Stellung in der pIZ-Rekrutierung ein. In diesem Sinne konnte ich zeigen, dass nach zerebraler Ischämie S1P1 signifikant in der Milz vermindert exprimiert wurde. Dieses Ergebnis deutete auf einen Austritt S1P1+ Immunzellen aus der Milz dem etablierten S1P-Gradienten folgend hin. In der ischämischen Hemisphäre hingegen ließ sich ebenfalls eine Herunterregulation der exprimierten mRNA für S1P1 nachweisen, wohingegen S1P2 und S1P3 vermehrt transkribiert wurden. Dieses Ergebnis könnte Folge der mikroglialen Aktivierung sein, die bekanntermaßen mit einer Hochregulation von S1P2 und S1P3 einhergeht.
Abschließend habe ich die Rolle von weiteren Sphingolipiden, u.a. von Ceramiden, untersucht, die einen signifikanten Anstieg in der Milz 24 Stunden nach Ischämie zeigten. Im Gegensatz dazu konnte ich im Gehirn keine Unterschiede der untersuchten Ceramidspezies abgrenzen, sodass in dem hier verwendeten Modell eine Beteiligung an lokalen pathophysiologischen Vorgängen eher unwahrscheinlich erscheint.
Zusammenfassend beschreiben die in dieser Dissertation dargestellten Ergebnisse lokale und systemische Veränderungen des S1P-Signalwegs nach zerebraler Ischämie. Konkordante Veränderungen des Immunsystems deuten auf eine relevante Rolle veränderter S1P-Konzentrationen hin. Weitergehende, funktionelle Untersuchungen der hier beobachteten Ergebnisse müssen die potentielle therapeutische Relevanz für Patienten mit zerebraler Ischämie aufklären.
Die Endothelzellmigration ist ein wesentlicher Prozess für die Angiogenese, Neovaskularisierung und Reendothelialisierung. Im ersten Teil der Arbeit wurde der Effekt von Schubspannung auf die Endothelzellmigration, die Beteiligung der Integrine und der Integrin-abhängigen Signaltransduktionswege mittels "scratched wound assay" untersucht. Die Schubspannungs-induzierte Endothelzellmigration war signifikant durch Integrin-blockierende RGD-Peptide oder neutralisierende Antikörper gegen die Integrin-Untereinheiten α5β1 reduziert, wohingegen Antikörper gegen αvβ3 oder α2β1 keinen Effekt hatten. Die Integrin-Expression von α5 und β1 war besonders in der migrierenden Zellfront der Wunde erhöht. Passend zu der wichtigen Rolle der Integrine in der Schubspannungs-induzierten Endothelzellmigration hemmte eine Blockade des Integrin-assoziierten Adapterproteins Shc durch eine dominant negative Mutante die Schubspannungs-induzierte Zellmigration. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die pharmakologische Hemmung der MAP Kinase ERK1/2 oder der PI3K die Schubspannungs-induzierte Endothelzellmigration verhinderte. Im Gegensatz dazu hatte die Hemmung der NO-Synthase keinen Effekt.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die VEGF-vermittelte Endothelzellmigration untersucht. Im Gegensatz zu den Befunden, dass laminare Schubspannung NO-unabhängig die Endothelzellmigration stimuliert, konnte die VEGF-vermittelte Endothelzellmigration durch NOS-Inhibitoren blockiert werden. Des weiteren wurde die Beteiligung der Akt-mediierten eNOS Phosphorylierung in der VEGF- induzierten Endothelzellmigration ebenfalls mittels "scratched wound assay" untersucht, da bekannt ist, dass Akt die eNOS über eine Phosphorylierung an Serin 1177 aktivieren kann. Die Überexpression einer dominant-negativen Akt-Mutante verhindert die VEGF-induzierte Zellmigration. Im Gegensatz dazu stimulierte die Überexpression einer konstitutiv-aktiven Akt-Mutante die Endothelzellmigration, auch in Abwesenheit von VEGF. Die Überexpression eines phosphomimetischen eNOS-Konstruktes (S1177D) führte ebenfalls zu einer verstärkten Zellmigration, wohingegen die nicht mehr phosphorylierbare und somit nicht mehr aktivierbare eNOS-Mutante (S1177A) die VEGF-induzierte Endothelzellmigration komplett hemmte.
Zusammengefasst zeigen diese Daten, dass die VEGF- und Schubspannungsinduzierte Endothelzellmigration wesentlich zu der beschleunigten Reendothelialisierung von verletztem Endothel beiträgt, wie es beispielsweise nach einer Ballondilatation der Fall ist. Es konnte gezeigt werden, dass laminarer Blutfluss über die Integrine α5β1 NO-unabhängig die Migration mediiert und dass der Wachstumsfaktor VEGF über die Protein Kinase Akt NO-abhängig die Endothelzellmigration stimuliert.
Charakterisierung prolylhydroxylase-vermittelter Effekte in der Physiologie von Glioblastomen
(2006)
Der Transkriptionsfaktor HIF übernimmt eine Schlüsselrolle in der Adaption an Hypoxie. In der Tumorgenese werden dem HIF-System in Abhängigkeit von HIF-Proteinmengen sowohl pro- als auch anti-tumorigene Effekte zugeschrieben. Die Regulation von HIF-Proteinmengen erfolgt maßgeblich über vier Mitglieder der Enzymfamilie der 2-Oxoglutarat-abhängigen Dioxygenasen, PHD1-4. Aufgabe dieser Arbeit war die Charakterisierung prolylhydroxylase-vermittelter Effekte in der Physiologie von Glioblastomen. Es konnte gezeigt werden, dass sich die vier PHD-Orthologe in ihrer zellulären Lokalisation in Glioblastomzellen unterscheiden. Während PHD1 nukleär sowie perinukleär und PHD2 eher homogen verteilt in Zytoplasma und Nukleus zu finden waren, zeigten PHD3 und PHD4 eine exklusiv perinukleäre Lokalisation. Kolokalisations-Studien der PHDs mit subzellulären Strukturen ergab vor allem ein hohes Maß an Kolokalisation der Orthologe PHD1, PHD3 und PHD4 mit den Mitochondrien. Weiterhin variierten die mRNA-Expressionshöhen der PHDs in verschiedenen Glioblastomzelllinien, wobei PHD1 und PHD2 die höchste Expression aufwiesen und PHD4 die niedrigste. Zudem induzierte Hypoxie die mRNA-Expression von PHD2 und PHD3, wobei die PHD3-Induktion bis zu zwei Log-Stufen umfasste. Auch auf Proteinebene bestätigte sich die Hypoxie-Induzierbarkeit von PHD2 und PHD3, während Proteinmengen der anderen beiden Orthologe davon nicht beeinflusst wurden. Überexpressions- sowie Knockdown-Studien identifizierten PHD2 als ein HIF-1alpha-Zielgen, während PHD3 durch HIF-1alpha und HIF-2alpha reguliert wurde. Trotz ihrer O2-Abhängigkeit behielten die PHDs, insbesondere PHD2 und PHD3, auch unter niedrigen pO2 ihre enzymatische Aktivität und reduzierten effektiv HIF-Proteinmengen sowie -Zielgenexpression. Des weiteren übernehmen die PHDs eine anti-apoptotische Rolle, da PHD-Inhibierung zu erhöhter, PHD-Überexpression dagegen zu reduzierter Apoptose-Induktion führte. Offenbar agieren die PHD-Orthologe in Glioblastomzellen als negatives Feedback-System, das über effektive und gleichzeitig variable Regulation von HIF-Leveln, bzw. -Aktivität das Gleichgewicht zwischen Zell-Überleben und Zelltod entscheidend beeinflusst.
Das Sturge-Weber Syndrom ist eine kongenitale neuroektodermale Erkrankung aus dem Formenkreis der Phakomatosen mit einer Inzidenz von eins auf 50.000 Neugeborene ohne familiäre Häufung und ohne bestimmte ethnische- und Geschlechtszugehörigkeit. Es ist gekennzeichnet durch leptomeningeale Angiomatose, Glaukome und Feuermale im Ausbreitungsgebiet des Trigeminusnervs. Klinisch manifestiert es sich durch Krampfleiden, neurologische Defizite, Glaukomanfälle, migräneartige Kopfschmerzen, schlaganfallartige Ereignisse und mentale Retardierung. Da die Erkrankung mit Vergrößerung der leptmeningealen Angiome progredient ist, wurde in dieser Arbeit der Frage nach angiogenen Prozessen in diesen Angiomen nachgegangen. Immuhistochemisch untersucht und semiquantitativ ausgewertet wurden die Proteine der angiogenen Faktoren VEGF, VEGFR-1 und-2, NP-1, Tie-2, Hif-1a und Hif-2a. Für alle Faktoren zeigten sich erhöhte Expressionslevel im Vergleich zu den Epilepsie- Negativkontrollen. Zudem zeigte sich eine erhöhte Proliferations- und Apoptoserate in den leptomeningealen Angiomen und den intraparenchymalen Gefäßen des darunterliegenden Cortex’. Die Ergebnisse sprechen für das Vorhandensein aktiver angiogener Prozesse in leptomeningealen Angiomen bei Sturge-Weber Syndrom Patienten. Als Arbeitsmodell wird vorgeschlagen, dass eine endothelzellintrinsische Hif Aktivierung (intrinsischer Signalweg) die Gefäße für eine erhöhte VEGF Stimulation (extrinsischer Signalweg) empfänglich macht und somit zu Erhalt und Progredienz der Angiome beiträgt. Eine therapeutische Option könnte eine antiangiogene Strategie zur Eindämmung oder Regression der Angiome darstellen.
Hypoxie entsteht, wenn das Sauerstoffangebot bzw. die Sauerstoffversorgung unter ein Niveau sinkt, das benötigt wird, um physiologische O2-Drücke des betreffenden Gewebes aufrecht zu erhalten. Sinkt der Sauerstoff-Partialdruck, so werden adaptive Mechanismen aktiviert. Neben der Anpassung durch das kardiovaskuläre System werden auch verschiedene Gene aktiviert. Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass Hypoxieinduzierte Genexpression insbesondere von zwei Transkriptionsfaktoren, HIF (hypoxia inducible factor) -1 und -2 , gesteuert wird. Man kennt über 70 Gene, die von HIF transaktiviert werden. Dabei handelt es sich um Modulatoren von Angiogenese und Vasodilatation, Erythropoese sowie der Umstellung des Stoffwechsels von oxidativer Phosphorylierung auf Glykolyse. Die Hypoxie-induzierbare Genexpression wird sowohl über eine Steigerung der Transaktivierungsaktivität als auch der Proteinmenge der HIF- -Untereinheiten reguliert. Die Regulation der HIF-Proteinmenge erfolgt über eine vom O2-Partialdruck abhängige Stabilisierung der -Untereinheit des Proteins. Unter normoxischen Bedingungen wird das Protein durch die Prolylhydroxylasen (PHD) O2-abhängig hydroxyliert, pVHL-vermittelt (VHL = von Hippel-Lindau), ubiquitiniert und proteosomal abgebaut. Unter hypoxischen Bedingungen dagegen wird das Protein stabilisiert, akkumuliert im Zellkern und bindet an eine spezifische Zielsequenz, das Hypoxia-responsive element oder HRE, imPromotor von Hypoxie-aktivierten Genen. Die PHDs gehören zu einer Familie von Eisen- und 2-Oxoglutarat-abhängigen Dioxygenasen. Neben diesen Faktoren wird eine Regulation von HIF durch Sauerstoffradikale (ROS, reactive oxygen species) in der Literatur sehr kontrovers diskutiert, da die Wirkung von ROS auf HIF sich unter Normoxie, Hypoxie oder dem Einfluss von Wachstumsfaktoren unterscheidet. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Frage, welche Rolle die PHDs bei der ROS-vermittelten HIF-Regulation spielen, beantwortet werden. Der zugrunde liegende Mechanismus wurde anhand von Glioblastom-Zelllinien untersucht. Die vorliegende Arbeit zeigt eine Stabilisierung von HIF nach Verringerung der ROS-Konzentration unter Normoxie. Eine Erhöhung der ROS-Konzentration führt dagegen zu einer dosisabhängigen Verminderung von HIF und der HIF-Targetgen-Expression. Es konnte eine direkte Abhängigkeit der Destabilisierung von VHL und den Prolylhydroxylasen gezeigt werden, da sowohl eine VHL-Defizienz als auch eine Mutation der Prolylreste oder eine Inhibition der PHDs zu einer Aufhebung des Effekts führen. Eine vergleichbare destabilisierende Wirkung auf HIF übt Ascorbat aus. Überraschenderweise führt sowohl die Zugabe von H2O2 mit seiner oxidativen Wirkung als auch die Zugabe des Reduktionsmittels Ascorbat zu einer Erhöhung des intrazellulären Fe2+-Gehaltes. Dieser Befund kann durch eine Aktivierung von Enzymen mit eisenreduzierenden Eigenschaften erklärt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Proteinfamilie der Ferrireduktasen (FR) identifiziert und fünf Enzyme, die eine Homologie zur cytb561-Domäne aufweisen, kloniert. Eine detaillierte Charakterisierung zeigte, dass die Enzyme tatsächlich eine eisenreduzierende Aktivität aufweisen, die durch die exogene Zugabe von ROS noch erhöht wird. Eine Überexpression der FR führt zu einem erhöhten Abbau von HIF. Ein knock down mittels siRNA führt dagegen zu einer Akkumulation von HIF und die destabilisierende Wirkung von ROS ist nach einemknock down der FR deutlich reduziert. Aufgrund der in dieser Doktorarbeit gezeigten Daten kann folgendes Modell aufgestellt werden: Die primäre oxidative Wirkung von ROS führt vermutlich zu einer Aktivierung der Ferrireduktasen, die in Abhängigkeit von Ascorbat dann vermehrt Eisen reduzieren, so dass dies den PHDs als Substrat zur Verfügung steht. Der regulierende Einfluss auf HIF wird somit vermutlich über eine erhöhte Aktivität der Prolylhydroxylasen durch eine Erhöhung des intrazellulären Fe2+-Gehaltes vermittelt. Die erhobenen Daten deuten an, dass die Familie der Ferrireduktasen ein zentrales Bindeglied im O2-Sensing darstellt, das in Abhängigkeit von Redox-Signalen homeostatische Antworten auf Hypoxie moduliert.