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The removal of apoptotic cells (AC) can be regarded as an integral component of the program to terminate inflammation. Clearance of AC by professional phagocytes such as macrophages induces an anti-inflammatory phenotype in the latter ones. Anti-inflammatory or M2 polarization is also observed in macrophages infiltrating certain human tumors. These tumor-associated macrophages (TAM) contribute actively to tumor progression by promoting immune evasion, angiogenesis and tumor cell survival. The aim of my Ph.D. thesis was to approach the mechanisms as well as the characteristics of macrophage phenotype alterations induced by AC, and to elucidate a possible connection between tumor cell apoptosis and TAM generation. In the first part of my studies, I investigated the impact of AC on macrophage viability. I could show that macrophage survival against pro-apoptotic agents increased after the interaction with AC. Protection of macrophages against cell death required activation of phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K), extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) and Ca2+ signaling, and correlated with Bcl-XL and Bcl-2 up-regulation as well as Ser136-Bad phosphorylation. Unexpectedly, neither phagocytosis nor binding of apoptotic debris to the phagocyte was necessary to induce protection. AC released the bioactive lipid sphingosine-1-phosphate (S1P), dependent on sphingosine kinase (SphK) 2, as a survival messenger. These data indicated an active role of AC in preventing cell destruction in their neighborhood. My next aim was to elucidate the mechanism of S1P production by AC. During cell death, SphK 2 was cleaved at its N-terminus by caspase-1. Thereupon, the truncated but enzymatically active fragment of SphK 2 was released from cells. This release was coupled to phosphatidylserine exposure, a hallmark of apoptosis and a crucial signal for the phagocyte/apoptotic cell interaction. Thus, I observed a link between common signaling events during apoptosis and the extracellular production of S1P, which is known to affect immune cell attraction and polarization as well as angiogenesis in cancer. In the next part of my studies, I asked for a correlation between tumor cell apoptosis and TAM polarization. During co-culture of human macrophages with human breast cancer carcinoma cells (MCF-7), the latter ones were killed, while macrophages acquired an alternatively activated phenotype. This was characterized by decreased tumor necrosis factor (TNF)-α; and interleukin (IL)-12-p70 production, but increased formation of IL-8 and IL-10. Alternative macrophage activation required tumor cell death, because a co-culture with apoptosis-resistant colon carcinoma cells (RKO) or Bcl-2-overexpressing MCF-7 cells failed to induce phenotype alterations. These phenotype alterations were also achieved with conditioned media from apoptotic tumor cells, which again argued for a soluble factor being involved. Knock-down of SphK2, but not SphK1, to attenuate S1P formation in MCF-7 cells, repressed the otherwise observed alternative macrophage polarization during co-culture. Furthermore, macrophage polarization achieved by tumor cell apoptosis or substitution of authentic S1P was characterized by suppression of pro-inflammatory nuclear factor (NF)-κB DNA binding. These findings suggested that tumor cell apoptosis-derived S1P contributes to the macrophage polarization present in human tumors. To validate these in vitro data, I used an in vivo tumor model to clarify the relevance of SphK2 and S1P in tumor development. The growth of, as well as blood vessel infiltration into SphK2 knock-down MCF-7 (MCF-7-siSphK2) xenografts in nude mice was markedly decreased in comparison to control MCF-7 xenografts. In contrast, macrophage infiltration was similar or even more pronounced. These data provided a first hint for an in vivo role of SphK2-derived S1P in macrophage polarization associated with tumor promotion. In summary, these data indicate a new mechanism how AC themselves shape macrophage polarization, which results in the termination of inflammatory responses and macrophage survival. Furthermore, my studies present evidence that human tumors may utilize this mechanism to foster growth via increased angiogenesis.
Ziel dieser Arbeit war die Evaluation eines 13C-Atemtests zur Beurteilung der hepatischen mitochondrialen Beta-Oxidation, der z.B. in Diagnostik und Therapiekontrolle der NASH zum Einsatz kommen könnte. Octanoat ist eine mittelkettige Fettsäure (8C), die im Dünndarm schnell resorbiert wird und über den portalvenösen Kreislauf in die Leber gelangt. Bisher wird Octanoat vor allem zur Beurteilung der Magenentleerung fester Speisen eingesetzt. Für diesen Atemtest wird die Fettsäure in Verbindung mit einer standardisierten Testmahlzeit verabreicht. Wir führten den Atemtest in vereinfachter Form mit 100mg 13C-Natrium-Octanoat, gelöst in 200ml Wasser, durch. So wurde die Magenentleerungszeit vernachlässigbar kurz und die Beta-Oxidation des Octanoats zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt des Tests. Zunächst analysierten wir retrospektiv die cPDR von 69 Patienten, die den Magenentleerungsatemtest erhalten hatten. Die Analyse zeigte bei 27/69 Patienten (p = 0,055) mit verlängerter Magenentleerungshalbwertszeit sowie in der Gesamtgruppe aller 69 Patienten (p = 0,054) eine leicht erhöhte cPDR bei Frauen im Vergleich zu Männern. Dies gab uns erste Hinweise auf geschlechtsspezifische Unterschiede im Octanoatmetabolismus. Anschließend führten wir den vereinfachten Octanoatatemtest bei 39 erwachsenen Kontrollen (20m, 19w), 10 Kindern (5m, 5w), 26 NAFLD bzw. NASH-Patienten (15m, 11w) und 12 Leberzirrhosepatienten (8m, 4w) durch. Die Atemproben wurden mittels nichtdispersiver Infrarotspektrometrie hinsichtlich PDR und cPDR analysiert. Bei 40 von 77 Kontrollen/Patienten erfolgten zusätzliche eine BIA und eine indirekte Kalorimetrie. Es zeigten sich zu keinem Zeitpunkt signifikante Differenzen zwischen PDR bzw. cPDR der einzelnen Gruppen. Die PDR erreichte in allen Gruppen ihren Höhepunkt nach durchschnittlich 30 Minuten. Im Vergleich der geschlechtsspezifischen Subgruppen erreichten Frauen signifikant höhere cPDR-Werte nach 180 Minuten sowohl in der Kontrollgruppe (38,7 ± 2,8 vs. 29,2 ± 5,7%; p < 0,0001), in der Kindergruppe (32,5 ± 5,2 vs. 26,1 ± 2,2%; p = 0,008) als auch in der NAFLD/NASH-Gruppe (37,0 ± 6,0 vs. 32,1 ± 5,2%; p = 0,046). In der Leberzirrhosegruppe erzielten die Männer höhere cPDR-Werte als die Frauen (33,1 ± 9,7 vs. 38,2 ± 6,2%, p = 0,28) und damit die signifikant höchste cPDR aller Männer. Beim Vergleich der Ergebnisse von BIA und indirekter Kalorimetrie ergaben sich keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf Körperzusammensetzung und Ruheenergieumsatz der verschiedenen Gruppen. Der Höhepunkt der PDR nach durchschnittlich 30 Minuten in allen Gruppen zeigte, dass die Oxidation des Octanoats den geschwindigkeitsbestimmenden Faktor des Atemtests darstellt und er somit zuverlässig die mitochondriale Beta-Oxidation auf Gesamtkörperniveau misst. Die Analyse der cPDR bestätigte eine deutliche Geschlechtsspezifität im Octanoatmetabolismus. Der Nachweis einer höheren cPDR auch bei Mädchen vor der Gonadarche im Vergleich zu Jungen gleichen Alters deutet auf eine frühe Determinierung der geschlechtsspezifischen Unterschiede hin. Die Geschlechtsabhängigkeit des MCFA-Metabolismus sollte in Zukunft sowohl in Studien mit MCFA als auch bei deren pharmakologischer und diätetischer Anwendung Beachtung finden. Die gesteigerte Beta-Oxidation, die in der Pathogenese der NASH eine entscheidende Rolle spielt, nahm keinen Einfluss auf den Octanoatmetabolismus. Der bei männlichen Leberzirrhosepatienten gesteigerte Octanoatstoffwechsel wies daraufhin, dass das Octanoat über portosystemische Shunts schneller zu den Hauptorten seiner Metabolisierung gelangt. Die Resultate von fünf zusätzlich untersuchten TIPS-Patienten, die cPDR-Werte bis zu 51,3% erreichten, unterstützten diese Annahme. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass Octanoat nach oraler Applikation hauptsächlich extrahepatisch und kaum in der Leber oxidiert wird. Daher ist der Octanoatatemtest nicht zum Einsatz in der Leberfunktionsdiagnostik geeignet.
Nierentransplantierte Patienten haben im Vergleich zu einer altersgleichen Bevölkerung ein 10-fach erhöhtes Risiko an kardiovaskulären Erkrankungen zu versterben. Graff et al fanden in einer dieser Arbeit vorangegangenen Untersuchung heraus, dass Thrombozyten nierentransplantierter Patienten unter immunsuppressiver Monotherapie voraktiviert sind, verglichen zu einer aus Hypertonikern bestehenden Kontrollgruppe. Des weiteren scheinen „neuere“ Immunsuppressiva wie Tacrolimus (TAC) Thrombozytenaktivierungsmarker weniger stark zu beeinflussen als „ältere“ wie Cyclosporin (CsA). Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss einer antithrombozytären Therapie mit Clopidogrel bei nicht antiaggregatorisch vorbehandelten nierentransplantierten Patienten – Gruppe 1 (TAC, n=17) und Gruppe 2 (CsA, n=17) und nierentransplantierten Patienten mit ASS-Dauermedikation – Gruppe 3 (TAC, n=15) und Gruppe 4 (CsA, n=18), welche im Rahmen der Studie auf Clopidogrel umgestellt worden sind, herauszufinden. Alle Patienten wurden vor (V1) und nach einer vierwöchigen Clopidogrel – Therapie (V2) untersucht. Hierzu wurden Parameter, die eine Thrombozytenaktivierung widerspiegeln wie der Degranulationsmarker CD62, der aktivierte GPIIb/IIIa-Rezeptor (PAC1) sowie die Bildung von Plättchen-Leukozyten Aggregaten (CD41) untersucht. Plättchen-Leukozyten Aggregate (PLAs) akkumulieren an Orten mit Gefäßverletzungen und tragen so zu Entzündungsreaktionen und Thrombosen bei. Die Thrombozytenfunktion (CD62, PAC1) und die Formation von PLAs (CD41, CD11b) wurden vor Beginn der Clopidogrel – Therapie (V1, Gruppe 3 und 4 unter ASS – Therapie) sowie nach vierwöchiger Clopidogrel – Behandlung (V2) durchflusszytometrisch und aggregometrisch untersucht. Bei V1 wiesen CsA behandelte Patienten (Gruppe 2) signifikant (p<0,05) höhere Thrombozytenaktivierungsmarker auf als mit TAC behandelte Patienten: CD62 (185 [112-223] vs. 110 [84-173], median [1Q-3Q]), PAC1 (27 [26-38] vs. 15 [12-35]) und PLA (430 [342-769] vs. 237 [177-510]). Nach vierwöchiger Clopidogrel – Therapie (V2) kam es zu einer signifikanten Reduktion der untersuchten Parametern: CD62 (95 [82-123] Gruppe 2, 71 [56-94] Gruppe 1), PAC1 (15 [8-22] Gruppe 2, 12 [3-15] group 1), PLA (269 [225-472] Gruppe 2, 194 [159-275] Gruppe 1). Bei nierentransplantierten Patienten mit vorheriger ASS – Comedikation (Gruppe 3 und 4) konnte hinsichtlich der Thrombozytenaktivierung zwischen CsA und TAC bei V1 kein signifikanter Unterschied festgestellt werden. Es ließ sich allerdings ein Trend zugunsten TAC ablesen: CD62 (165 [96-289] vs. 111 [73-156]), PAC1 (19 [12-39] vs. 14 [8-32]), und PLA (437 [232-852] vs. 282 [164-471]). Die Umstellung von ASS auf Clopidogrel führte bei CsA behandelten Patienten (Gruppe 4) zu einer signifikanten Reduktion von CD62, PAC1 und der Formation von PLAs bei V2. TAC behandelten Patienten zeigten dagegen nur eine signifikante Abnahme des PAC1-Markers; für CD62 und PLAs wurden zwar bei V2 niedrigere Werte als bei V1 gemessen, allerdings erreichten die Unterschiede keine statistische Signifikanz: CD62 (90 [45-139] Gruppe 4, 67 [51-116] Gruppe 3), PAC1 (11 [7-19] Gruppe 4, 10 [5-20] Gruppe 3), PLA (285 [186-470] Gruppe 4, 250 [143-298] Gruppe 3). Zusammenfassend lässt sich ableiten, dass CsA die Thrombozytenaktivierung sowie die Formation von PLAs stärker negativ beeinflusst als TAC. Clopidogrel scheint diesen Vorgang effektiver als Aspirin zu hemmen.