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Adhesion of human pathogenic bacteria to endothelial cells is facilitated by fibronectin interaction
(2023)
Human pathogenic bacteria circulating in the bloodstream need to find a way to interact with endothelial cells (ECs) lining the blood vessels to infect and colonise the host. The extracellular matrix (ECM) of ECs might represent an attractive initial target for bacterial interaction, as many bacterial adhesins have reported affinities to ECM proteins, in particular to fibronectin (Fn). Here, we analysed the general role of EC-expressed Fn for bacterial adhesion. For this, we evaluated the expression levels of ECM coding genes in different ECs, revealing that Fn is the highest expressed gene and thereby, it is highly abundant in the ECM environment of ECs. The role of Fn as a mediator in bacterial cell-host adhesion was evaluated in adhesion assays of Acinetobacter baumannii, Bartonella henselae, Borrelia burgdorferi, and Staphylococcus aureus to ECs. The assays demonstrated that bacteria colocalised with Fn fibres, as observed by confocal laser scanning microscopy. Fn removal from the ECM environment (FN1 knockout ECs) diminished bacterial adherence to ECs in both static and dynamic adhesion assays to varying extents, as evaluated via absolute quantification using qPCR. Interactions between adhesins and Fn might represent the crucial step for the adhesion of human-pathogenic Gram-negative and Gram-positive bacteria targeting the ECs as a niche of infection.
During CNS development and adult neurogenesis, immature neurons travel from the germinal zones towards their final destination using cellular substrates for their migration. Classically, radial glia and neuronal axons have been shown to act as physical scaffolds to support neuroblast locomotion in processes known as gliophilic and neurophilic migration, respectively (Hatten, 1999; Marin and Rubenstein, 2003; Rakic, 2003). In adulthood, long distance neuronal migration occurs in a glial-independent manner since radial glia cells differentiate into astrocytes after birth. A series of studies highlight a novel mode of neuronal migration that uses blood vessels as scaffolds, the so-called vasophilic migration. This migration mode allows neuroblast navigation in physiological and also pathological conditions, such as neuronal precursor migration after ischemic stroke or cerebral invasion of glioma tumor cells. Here we review the current knowledge about how vessels pave the path for migrating neurons and how trophic factors derived by glio-vascular structures guide neuronal migration both during physiological as well as pathological processes
Endothelium-dependent vasodilation is thought to be mediated primarily by the NO/cGMP signaling pathway whereas cAMP-elevating vasodilators are considered to act independent of the endothelial cell layer. However, recent functional data suggest that cAMP-elevating vasodilators such as β-receptor agonists, adenosine or forskolin may also be endothelium-dependent. Here we used functional and biochemical assays to analyze endothelium-dependent, cGMP- and cAMP-mediated signaling in rat aorta. Acetylcholine and sodium nitroprusside (SNP) induced a concentration-dependent relaxation of phenylephrine-precontracted aorta. This response was reflected by the phosphorylation of the vasodilator-stimulated phosphoprotein (VASP), a validated substrate of cGMP- and cAMP-dependent protein kinases (cGK, cAK), on Ser157 and Ser239. As expected, the effects of acetylcholine were endothelium-dependent. However, relaxation induced by the β-receptor agonist isoproterenol was also almost completely impaired after endothelial denudation. At the biochemical level, acetylcholine- and isoproterenol-evoked cGK and cAK activation, respectively, as measured by VASP Ser239 and Ser157 phosphorylation, was strongly diminished. Furthermore, the effects of isoproterenol were repressed by eNOS inhibition when endothelium was present. We also observed that the relaxing and biochemical effects of forskolin were at least partially endothelium-dependent. We conclude that cAMP-elevating vasodilators, i.e. isoproterenol and to a lesser extent also forskolin, induce vasodilation and concomitant cyclic nucleotide protein kinase activation in the vessel wall in an endothelium-dependent way.
In der vorliegenden Arbeit konnte eine neue virus-freie Transfektionsmethode für den vaskulären Gentransfer an einem ex vivo Modell an Koronararterien etabliert werden. Es wird gezeigt, daß durch ultraschall-induzierte Destruktion von Microbubble-Vektoren (UIMD) ein lokaler Transfer von Plasmid-DNA in die Gefäßwand mit hoher Effizienz und Sicherheit erzielt werden kann. Die Praktikabilität dieser Methode wird durch einen erfolgreichen eNOS-Gentransfer in die Gefäßwand unter Beweis gestellt. Dabei führen schon niedrige Plasmid-DNA-Konzentrationen zur Expression eines funktionell aktiven, rekombinanten eNOSmt-Proteins mit basal erhöhter NO-Produktion. Dies läßt sich bei der endothelialen Funktionstestung durch eine signifikante und nachweislich NO-vermittelte Reduktion der durch Prostaglandin F2α -induzierten Vasokonstriktion nachweisen. Zunächst konnte in dieser Arbeit erfolgreich gezeigt werden, daß es möglich ist, durch Zusatz von Plasmid-DNA bei der elektromechanischen Sonifikation von Humanalbumin Microbubble-Vektoren herzustellen, in deren Albuminschale die Plasmid-DNA inkorporiert ist. In einem nächsten Schritt konnte gezeigt werden, daß an dem in dieser Arbeit entwickelten ex vivo-Perfusions-Modell an Koronararterien durch ultraschallinduzierte Destruktion intravasal verabreichter Microbubble-Vektoren vor allem die Endothelzellschicht effizient mit Reporterplasmiden (LacZ) transfiziert werden kann. Dabei wurde zunächst ein Standardverfahren etabliert, bei dem die Koronararterien mit Microbubble-Vektoren bei einer Geschwindigkeit von 2 ml/min perfundiert und in einem definierten Ultraschallsektor für 5s im harmonic imaging-Modus gescannt wurden. Die Transfektionseffizienz korreliert dabei positiv mit der Konzentration an Microbubble-Vektoren im Perfusat. Experimente zum Einfluß der Perfusion auf die UIMD-Transfektion zeigten, daß die Perfusion mit 2ml/min verglichen mit statischen Versuchsbedingungen einen positiven Einfluß auf die Transfektionseffizienz nimmt. Eine Steigerung der Flußrate um den Faktor 5 geht jedoch mit einer signifikanten Abnahme der Expression rekombinanter ß-Galaktosidase mit verminderter Enzymaktivität in der Gefäßwand einher. Unter gleichen experimentellen Bedingungen konnte durch längere Ultraschallexpositionszeiten die Transgenexpression wiederum gesteigert werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Arbeit war es nachzuweisen, daß die UIMD-Transfektionsmethode an Leitarterien wie den Koronargefäßen ein sicheres Verfahren zum endothelialen Gentransfer darstellt und keine morphologischen oder funktionellen Endothelschäden hervorruft. Dies konnte histologisch und durch endothel-abhängige Funktionsmessungen an Gefäßringen von transfizierten Koronargefäßen erfolgreich gezeigt werden. Zudem ergaben Messungen der LDH-Enzymaktivität bei transfizierten Gefäßen kein Hinweis auf einen zytotoxischen Effekt der UIMD-Transfektionsmethode. In einem letzten Schritt konnte gezeigt werden, daß sich die UIMD-Transfektionsmethode exzellent für einen vaskulären eNOS-Gentransfer eignet. Erfolgreiche Transfektion gesunder Koronararterien mit dem phosphomimetischen eNOS-Konstrukt geht mit einem verminderten Gefäßtonus einher und führt zu einer etwa 60%igen NO-vermittelten Reduktion der durch Prostaglandingabe provozierten Gefäßkontraktion. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die ultraschall-unterstützte Transfektion mit Plasmid-DNA-beladenen Microbubbles ein sehr effizientes und nichttoxisches Verfahren zum non-viralen Gentransfer in die Gefäßwand von größeren Leitarterien darstellt. Die Herausforderung an die Zukunft wird sein, an verschiedenen in vivo Modellen die Praktikabilität dieser Methode sicherzustellen und zu zeigen, daß die hohe Transfektionseffizienz und Sicherheit auch in vivo gewährleistet ist. Dann könnten durch intravasale Injektion über katheter-basierte Verfahren oder sogar durch intravenöse Gabe gezielt vaskularisierte Organbereiche nicht-/ minimalinvasiv therapeutisch angegangen werden. So wäre nicht nur eine gentherapeutische Anwendung der UIMD-Methode bei kardiovaskulären Erkrankungen denkbar, sondern auch in der Onkologie als optionale Therapiemöglichkeit bei malignem Tumorleiden. Zum Beispiel könnte durch Transfektion mit anti-Tumoroder anti-Angiogenese- Genen lokal das Tumorwachstum gehemmt werden.
Die Atherosklerose stellt eine der Haupttodesursachen der westlichen Zivilisation dar. Die Karotisbifurkation ist eine der Lokalisationsorte für die Formierung einer atherosklerotischen Läsion, die sich nach Lumeneinengung schliesslich in neurologischen Symptomen bemerkbar machen kann. In einer fortgeschrittenen, symptomatisch gewordenen Karotisplaque kann als charakteristisches Merkmal oftmals ein in der Literatur unter dem Begriff der „Ruptur“ bekannte Oberflächendefekt ausgemacht werden. Es gibt allerdings gehäuft Hinweise über eine Thrombusausbildung auf einer intakten Plaqueoberfläche. Es wird vermutet, dass hier apoptotische Endothelzellen eine entscheidende Rolle bei Veränderungen der Gefässwand spielen, die letzlich für die Thrombusbildung verantwortlich ist. Aus diesen Überlegungen heraus untersuchten wir in der vorliegenden Studie das Ausmaß von Endothelzellapoptosen innerhalb eines Karotisplaque bei symptomatischen und asymptomatischen Patientengruppen. Insgesamt wurden 38 stationäre Patienten mit einer ≥70%-igen ACI-Stenose in die Studie eingeschlossen. Als symptomatisch galten die Patienten, die im Sinne von retinalen oder zerebralen TIA’s oder durch sog. „minor strokes“ in einem Zeitraum von 60 Tagen vor dem Operationstag auffällig geworden waren. Das asymptomatische Patientengut bestand aus den Patienten, bei denen die Karotisstenose als „Zufallsbefund“ aus Routineuntersuchungen in Klinik oder bei niedergelassenen Kollegen entdeckt wurde. Die Plaques wurden “en bloc” exzidiert. In den überwiesenden 33 Fällen wurde die Eversionstechnik durch den Operateur angewendet, bei der das Restlumen unbeschädigt bleibt. Nach Entfernung wurden die Präparate umgehend in 4%-iges Formalin fixiert. Nach Dekalzifizierung erfolgte die transversale Sektionierung in 2mm Scheiben. Jeder 2mm Block wurde in Paraffin eingebettet. Insgesamt wurde dann die Gesamtheit aller 279 Blöcke weiter in 3μm dicke Sektionen geschnitten. Das Vorliegen einer rupturierten Gefässwand wurde als ein intimaler Defekt grösser als 1000μm Breite definiert und für jedes Präparat dokumentiert. Die vitalen Zellen der Endothelschicht wurden durch ein standardisiertes Färbeprotokoll (CD31 Immunhistochemie) sichtbar gemacht. Apoptotische Endothelzellen konnten nach Anwendung der TUNEL-Technik visualisiert werden. Die Färbemethoden wurden jeweils zur Orientierung an angrenzenden Sektionen des Plaques durchgeführt. Die Bilder wurden digitalisiert und bei 40-facher Vergrösserung ausgezählt. Eine Endothelzelle wurde als apoptotisch gewertet, wenn sie jeweils eine positive CD31-Markierung sowie eine positive TUNEL-Färbung in angrenzenden Gewebsschnitten auf sich vereinte. Um das Ausmass der Apoptosen in den Reihen des Endothels zu quantifizieren wurde zunächst die Prozentzahl apoptotischer Endothelzellen pro Plaque Sektion ermittelt und anschliessend durch Berechnung des Medians aller konsekutiven Sektionen die mittlere Prozentzahl apoptotischer Zellen erhoben. Insgesamt war das Auftreten von Apoptose innerhalb des Endothel rar; trotzdem zeigte die symptomatischen Patientengruppe eine signifikant höhere mittlere Prozentsatz apoptotischer Endothelzellen im Vergleich zu dem asymptomatischen Kollektiv. Zwischen den rupturierten und unrupturierten Plaques konnte kein signifikantes Ergebnis erzielt werden, beide Gruppen unterschieden sich kaum. Trotz des möglichen Stellenwerts apoptotischer Endothelzellen bei der fortgeschrittenen Atherosklerose existieren bis heute keine Studien, die das Ausmass derselben in Beziehung zu klinischen Symptomen gebracht haben. Bislang konnte der Nachweis dieser Zellreihe in atherosklerotischen Karotisplaques besonders im poststenotischen Bereich erbracht werden. Veränderungen lokaler Hämodynamik scheinen hier eine Rolle bei der Induktion von Apoptose zu spielen. Da in der hier vorliegenden Arbeit sich der Grad der Stenose kaum unterscheidet müssen alternative Wege bestehen, die Apoptose in atheromatösen Plaques fördert. Apoptotische Endothelien fördern ihrerseits prokoagulatorische Eigenschaften durch vermehrte Expression von thrombogenen Faktoren der Gerinnungskaskade. Das klassische Dogma der Plaqueruptur mit konsekutiver Freilegung des nekrotischen Kerns und Thrombusbildung muss daher erweitert werden, da nicht alle Plaques der vorliegenden Studie diese Oberflächendefekte aufwiesen. Durch das leichte Übergewicht des symptomatischen Kollektivs lassen sich diese Theorien der Apoptose als kritischer Faktor in der Progression atherosklerotischer Herde weiter untermauern, benötigen aber weitere Studien um unter Umständen völlig andere Mechanismen aufzudecken.
Aims: Long non-coding RNAs (lncRNAs) have been shown to regulate numerous processes in the human genome, but the function of these transcripts in vascular aging is largely unknown. We aim to characterize the expression of lncRNAs in endothelial aging and analyse the function of the highly conserved lncRNA H19.
Methods and results: H19 was downregulated in endothelium of aged mice. In human, atherosclerotic plaques H19 was mainly expressed by endothelial cells and H19 was significantly reduced in comparison to healthy carotid artery biopsies. Loss of H19 led to an upregulation of p16 and p21, reduced proliferation and increased senescence in vitro. Depletion of H19 in aortic rings of young mice inhibited sprouting capacity. We generated endothelial-specific inducible H19 deficient mice (H19iEC-KO), resulting in increased systolic blood pressure compared with control littermates (Ctrl). These H19iEC-KO and Ctrl mice were subjected to hindlimb ischaemia, which showed reduced capillary density in H19iEC-KO mice. Mechanistically, exon array analysis revealed an involvement of H19 in IL-6 signalling. Accordingly, intercellular adhesion molecule 1 and vascular cell adhesion molecule 1 were upregulated upon H19 depletion. A luciferase reporter screen for differential transcription factor activity revealed STAT3 as being induced upon H19 depletion and repressed after H19 overexpression. Furthermore, depletion of H19 increased the phosphorylation of STAT3 at TYR705 and pharmacological inhibition of STAT3 activation abolished the effects of H19 silencing on p21 and vascular cell adhesion molecule 1 expression as well as proliferation.
Conclusion: These data reveal a pivotal role for the lncRNA H19 in controlling endothelial cell aging.