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We investigate the utility of modern kernel-based machine learning methods for ligand-based virtual screening. In particular, we introduce a new graph kernel based on iterative graph similarity and optimal assignments, apply kernel principle component analysis to projection error-based novelty detection, and discover a new selective agonist of the peroxisome proliferator-activated receptor gamma using Gaussian process regression. Virtual screening, the computational ranking of compounds with respect to a predicted property, is a cheminformatics problem relevant to the hit generation phase of drug development. Its ligand-based variant relies on the similarity principle, which states that (structurally) similar compounds tend to have similar properties. We describe the kernel-based machine learning approach to ligand-based virtual screening; in this, we stress the role of molecular representations, including the (dis)similarity measures defined on them, investigate effects in high-dimensional chemical descriptor spaces and their consequences for similarity-based approaches, review literature recommendations on retrospective virtual screening, and present an example workflow. Graph kernels are formal similarity measures that are defined directly on graphs, such as the annotated molecular structure graph, and correspond to inner products. We review graph kernels, in particular those based on random walks, subgraphs, and optimal vertex assignments. Combining the latter with an iterative graph similarity scheme, we develop the iterative similarity optimal assignment graph kernel, give an iterative algorithm for its computation, prove convergence of the algorithm and the uniqueness of the solution, and provide an upper bound on the number of iterations necessary to achieve a desired precision. In a retrospective virtual screening study, our kernel consistently improved performance over chemical descriptors as well as other optimal assignment graph kernels. Chemical data sets often lie on manifolds of lower dimensionality than the embedding chemical descriptor space. Dimensionality reduction methods try to identify these manifolds, effectively providing descriptive models of the data. For spectral methods based on kernel principle component analysis, the projection error is a quantitative measure of how well new samples are described by such models. This can be used for the identification of compounds structurally dissimilar to the training samples, leading to projection error-based novelty detection for virtual screening using only positive samples. We provide proof of principle by using principle component analysis to learn the concept of fatty acids. The peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) is a nuclear transcription factor that regulates lipid and glucose metabolism, playing a crucial role in the development of type 2 diabetes and dyslipidemia. We establish a Gaussian process regression model for PPAR gamma agonists using a combination of chemical descriptors and the iterative similarity optimal assignment kernel via multiple kernel learning. Screening of a vendor library and subsequent testing of 15 selected compounds in a cell-based transactivation assay resulted in 4 active compounds. One compound, a natural product with cyclobutane scaffold, is a full selective PPAR gamma agonist (EC50 = 10 +/- 0.2 muM, inactive on PPAR alpha and PPAR beta/delta at 10 muM). The study delivered a novel PPAR gamma agonist, de-orphanized a natural bioactive product, and, hints at the natural product origins of pharmacophore patterns in synthetic ligands.
Das Nierenzellkarzinom (NZK) ist der häufigste maligne Tumor der Niere. In vielen Fällen sind bereits bei der Erstdiagnose Metastasen vorhanden oder entstehen im Verlauf der Therapie. Die Behandlungsmöglichkeiten für diese NZK-Patienten sind äußerst limitiert. Nahezu 2/3 der Betroffenen versterben an ihrer Erkrankung. Die Etablierung neuer Therapieansätze zur Behandlung des NZK ist dringend gefordert. Es wird postuliert, dass ein Therapiekonzept basierend auf dem Histondeacetylase (HDAC)-Inhibitor Valproat (VPA) kombiniert mit niedrig dosiertem Interferon (IFN)-alpha eine innovative und effiziente Behandlungsoption für austherapierte NZK-Patienten eröffnen könnte. In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss einer VPA-Mono- versus VPA/IFN-alpha-Kombinationstherapie auf die malignen Eigenschaften verschiedener NZK-Zelllinien evaluiert. Mittels funktioneller Untersuchungen wurden Proliferations- und Adhäsionsphänomene unter den entsprechenden Therapien näher betrachtet. Fluorimetrische und molekularbiologische Studien dienten der detaillierten Aufklärung der den Veränderungen zugrunde liegenden Wirkmechanismen. Zur translationalen Gestaltung wurden zusätzlich tierexperimentelle Untersuchungen durchgeführt. VPA induzierte eine signifikante Reduktion der Proliferation von NZK-Zellen, die durch die additive Gabe von IFN-alpha weiter verstärkt wurde. Die anti-proliferativen Effekte korrelierten mit einer Zunahme der Zellen in der G0/G1-Phase und einer damit einhergehenden verminderten Anzahl an Zellen in der S-Phase. Die Verschiebung der Zellzyklusphasen war mit einer deutlichen Modulation relevanter regulatorischer Zellzyklusproteine assoziiert. Des Weiteren resultierte VPA und die korrespondierende Kombination mit IFN-alpha in einer signifikanten Inhibition der Adhäsion an Endothel und die extrazellulären Matrixproteine. VPA und die VPA/IFN-alpha-Kombination übten ihren Einfluss dabei offensichtlich über eine Modulation von Adhäsionsrezeptoren, implizit Integrine und CD44-Varianten, aus. Die antiproliferative und –adhäsive Wirkung war in der Regel nach längerer Inkubationszeit von 5 Tagen deutlich stärker als nach 3 Tagen. In analog behandelten normalen Nierenzellen zeigten sich im Vergleich keine solchen Effekte. Die Behandlung mit VPA und IFN-alpha scheint somit spezifisch maligne Zellen zu beeinflussen. VPA induzierte in den NZK-Zellen ferner die Reduktion von Protoonkogenen und MAP-Kinasen sowie die Zunahme von Tumorsuppressoren. Die zusätzliche Gabe von IFN-alpha resultierte in einer weiteren Wirkungsverstärkung gegenüber VPA allein. VPA und die Kombination mit IFN-alpha inhibierten zudem signifikant die HDAC6-Aktivität und -Proteinexpression der NZK-Zellen. Diese Hemmung ging mit einer Hyperacetylierung der Histone einher. Die epigenetische Modulation führte zur veränderten Genregulation und Transkription. So nahmen VPA und die korrespondierende Kombination neben den genannten funktionellen und molekularbiologischen Veränderungen maßgeblich Einfluss auf das Genexpressionsprofil der Tumorzellen. Die Expression negativer Regulatoren der Proliferation, Migration und Adhäsion sowie von Genen involviert in Differenzierung und Immunantwort wurden erhöht, wohingegen die Anzahl der Transkripte von Genen mitverantwortlich für die Ausbildung von Resistenzen und die Nährstoffversorgung der Tumoren reduziert wurde. Translationale tierexperimentelle Studien bestätigten die klinische Relevanz der VPA- und VPA/IFN-alpha-Behandlung, die in einer signifikanten Hemmung des Tumorwachstums resultierten. Die Wachstums-Inhibition war mit einer starken Modulation regulatorischer Proteine des Zellzyklus, der Apoptose und des HDAC-Systems assoziiert. Die vorliegenden Ergebnisse demonstrieren das viel versprechende Wirkungspotential von VPA und der korrespondierenden Kombination mit niedrig dosiertem IFN-alpha. VPAs anti-proliferative und -adhäsive Effekte in vitro und in vivo eröffnen die Perspektive für eine innovative Strategie in der Behandlung des NZK. Aufgrund der präsentierten Daten lässt sich postulieren, dass VPA und IFN-alpha die Grundlage für ein neues, effizientes Therapiekonzept bei austherapierten NZK-Patienten darstellen könnte.
Die adoptive Immuntherapie mit hochaufgereinigten NK-Zellen bei pädiatrischen Patienten mit malignen Erkrankungen nach haploidenter SZT ist eine mögliche Therapieoption, um einen verstärkten GvL/GvT-Effekt zu bewirken und möglicherweise die Immunregeneration zu fördern. Als schwerwiegende Nebenwirkung ist bisher noch nicht eindeutig belegt, ob neben T-Zellen auch NK-Zellen in der Lage sind, eine GvHD auszulösen. In der Frankfurter Universitätskinderklinik wurden 7 Patienten (4xALL, 1xAML, 1xRMS IV und 1xM. Hodgkin) mit hochaufgereinigten unstimulierten NK-Zellen und 3 Patienten (3xNB IV) mit IL-2 stimulierten NK-Zellen nach haploidenter SZT behandelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde in vitro untersucht, ob NK-Zellen durch die Stimulierung mit IL-2 einen gesteigerten GvL/T-Effekt aufweisen. Es wurden NK-Zellen von 5 verschiedenen gesunden Spendern (2 im Rahmen von Validierungsläufen und 3 zur Behandlung der 3 Patienten mit NB) zunächst immunomagnetisch im klinischen Maßstab mittels CD3-Depletion und darauffolgender CD56-Selektion aufgereinigt. Danach erfolgte die Aktivierung mit IL-2 (Proleukin®S) über 14 Tage unter GMP. Während sich die NK-Zellen aller Spender nach Aufreinigung in eine kleine Population CD56+CD16- immunregulatorischer NK-Zellen (2,3 bis 7,1 %) und eine große Population zytotoxischer CD56+CD16+ NK-Zellen (92,9 bis 97,7 %) unterteilen ließen, zeigte sich nach IL-2 Stimulierung ein heterogenes Bild von CD16+ zu CD16- NK-Zellen. Durch die 9-tägige IL-2 Stimulierung vergrößerte sich der Anteil KIRnegativer NK-Zellen. Es konnte auf den NK-Zellen aller Spender gezeigt werden, dass durch die IL-2 Stimulierung wichtige Rezeptoren (NKG2D, NCR), die für ein hohes zytotoxisches Potential stehen, verstärkt auf der NK-Zelloberfläche exprimiert wurden. Die gesteigerte Zytokinproduktion der IL-2 stimulierten NK-Zellen untermauerte die Funktionalität der ex vivo stimulierten NK-Zellen und dies konnte in funktionalen Assays, die die zytotoxische Aktivität von NK-Zellen belegen, bewiesen werden. Durch die IL-2 Stimulierung der NK-Zellen konnte die Killing Aktivität gleichmäßig auf über 90 % gesteigert werden. Interessanterweise wies Spender A bei den funktionellen und phänotypischen Analysen eine Sonderrolle auf. Die NK-Zellen dieses Spenders zeigten bereits vor IL-2 Stimulierung eine hohe Zytotoxizität gegenüber malignen Zellen, welches auf eine Voraktivierung, gemessen an der Expression von Aktivierungsmarker CD69, schließen lässt. Die in vivo Untersuchungen zeigten, dass bei einer verabreichten T-Zell-Dosis unter 50 x 103/KG, nur milde GvHDs (Grad I/II) auftraten. Bis zu 60 x 106 NK-Zellen/KG wurden gut toleriert. Nebenwirkungen wie Fieber und Schüttelfrost waren transient und gingen einher mit erhöhten Zytokinspiegeln von inflammatorischen Zytokinen (IL-6, IL-8, IFN-γ) im Serum der Patienten. Ein engmaschiges Monitoring nach der NK-Zell-Applikation der IL-2 stimulierten NK-Zellen zeigte, dass die NK-Zellen in 5/6 Applikationen aus der peripheren Blutbahn abwanderten, einhergehend mit der Migration von Antigen-präsentierenden Zellen. Bei der Untersuchung des langfristigen Einflusses von adoptiver NK-Zell-Immuntherapie auf die Immunrekonstitution bei Patienten nach haploidenter SZT wurde vorausgehend eine Normwertstudie zu verschiedenen Leukozytensubpopulationen von 100 gesunden Kinder und Erwachsenen vorgenommen. Nach der Entwicklung eines stufenlosen, nicht-linearen Regressionsmodells konnte der Einfluss auf die Immunrekonstitution der Patienten nach SZT altersgerecht beurteilt werden. Weiterhin wurden Patientengruppen, die ebenfalls haploident transplantiert wurden, den NK-Zell-Studienpatienten gegenübergestellt. Eine signifikante Verbesserung durch die Gabe von NK-Zellen konnte nicht beobachtet werden. Zusammenfassend kann man sagen, dass die NK-Zellzahl innerhalb des ersten Monats nach SZT Normwerte erreichte, gefolgt von den zytotoxischen CD3+CD8+ T-Zellen 5-6 Monate nach haploidenter SZT, den THelfer Zellen und den B-Zellen nach über einem Jahr nach haploidenter SZT. Die allogene additive NK-Zell-Immuntherapie ist eine vielversprechende Therapieoption bei Patienten mit malignen Erkrankungen wie bspw. dem NB. Die NK-Zell-Aktivierung mit IL-2 bewies den Erhalt der Immunkompetenz. Dies war erkennbar an der gesteigerten zytotoxischen Funktionalität, der Zytokinproduktion und der Hochregulierung von zytotoxisch aktiven Rezeptoren. Eine verbesserte Immunrekonstitution kann durch das neue altersgerechte Lymphozyten-Norm-Modell besser beurteilt werden. Allerdings ist die Patientenanzahl und die Beobachtungszeit bisher zu gering, um in vivo ein verbessertes Überleben mit additiver NK-Zell-Immuntherapie wirklich abschätzen zu können.
Solid state NMR is a emerging method for the study of membrane proteins, which has received much interest in recent years. Limiting the study of many pharmacologically relevant targets, are the often long measuring times, required to obtain especially higher dimensional solid state NMR spectra of good quality. To address this problem, multiple methods where developed in this work, which can be categorized into two groups. The first set of methods aims at the quality of certain spectra, by implementing a spectral filter, which increases the fidelity of the measured data. The second set of methods, addresses the problem of long measuring times directly, by increasing the sensitivity per unit time, as could be shown, for example, on homo- and heteronuclear singlequantum-singlequantum correlation experiments. The gains in measuring time for the latter group of methods are typically in the order of 2-3, but some experiments allow multiple methods to be employed simultaneously, which can lead to a decrease in measuring time of a factor of up to 8. It is important to mention, that none of the methods introduced in this work require any equipment in addition to the conventional setup present in most sold state NMR laboratories and no changes or addition to the samples under study are required. Therefore the gains reported in this work come at no extra cost and require only minimal implementation effort on the side of the user.
The peroxisome proliferator activated receptor gamma (PPARgamma) plays an eminent role during alternative activation of macrophages and resolution of inflammation. As an antiinflammatory signaling molecule, it seems likely that it is tightly regulated dependent on the state of the immune response. There is growing evidence that PPARgamma expression is reduced during inflammation, whereas molecular mechanisms are illdefined. Even though, its role in immunosuppression is getting more definite. Apoptotic cells (AC) provoke an active repression of pro-inflammatory responses inter alia by the inhibition of pro-inflammatory cytokine expression or attenuated generation of reactive oxygen species (ROS). The reduced formation of ROS was attributed to PPARgamma activation, while mechanisms behind the reduced cytokine expression remained unclear. Therefore, my Ph.D. thesis addressed the role of PPARgamma during inhibited cytokine synthesis in response to AC and the regulation of PPARgamma expression during an inflammatory response, which was initiated by lipopolysaccharide (LPS) exposure. In the first part of the thesis, I investigated the role of PPARgamma in coordinating the attenuation of pro-inflammatory cytokine expression in response to AC. Exposing murine RAW264.7 macrophages to AC prior to LPS-stimulation, reduced NFKB transactivation and lowered target gene expression of e.g. TNFalpha and IL-6 compared to controls. In macrophages over-expressing a dominant negative (d/n) mutant of PPARgamma, NFKB transactivation in response to LPS was restored, while using macrophages from myeloid lineage-specific conditional PPARgamma knock-out mice proved that PPARgamma transmitted the anti-inflammatory response delivered by AC. Domain analysis revealed that amino acids 32-250 are essential for inhibition of NFKB. Mutation of a SUMOylation (SUMO: small-ubiquitin related modifier) site in this region (K77R) and interfering SUMOylation by silencing the SUMO E3 ligase PIAS1 (protein inhibitor of activated Stat1) eliminated AC-provoked NFKB inhibition and concomitant TNFalpha expression. Chromatin-immunoprecipitation assays demonstrated that AC prevented the LPS-induced removal of nuclear receptor co-repressor (NCoR) from the KB response element within the TNFalpha promoter. I concluded that AC induce PPARgamma SUMOylation to attenuate the removal of NCoR, thereby blocking transactivation of NFKB. This contributes to an anti-inflammatory phenotype shift in macrophages in response to AC, by lowering pro-inflammatory cytokine production. The second part addressed molecular mechanisms responsible for reduced PPARgamma expression upon LPS exposure. PPARgamma gained considerable interest as a therapeutic target during chronic inflammatory diseases. Remarkably, the pathogenesis of diseases such as multiple sclerosis or Alzheimer’s disease is associated with impaired PPARgamma expression. Initiation of an inflammatory response by exposing primary human macrophages to LPS revealed a rapid decline of PPARgamma1 expression. PPARgamma1 mRNA decrease was prevented by inhibition of NFKB and also after pre-treatment with the PPARgamma agonist rosiglitazone, suggesting a NFKB-dependent pathway, because activated PPARgamma is known to inhibit NFKB transactivation. Since promoter activities were not affected by LPS, I focused on mRNA stability and noticed a decreased PPARgamma1 mRNA half-life. RNA stability is often regulated via 3’ untranslated regions (UTRs). Therefore, I analyzed the impact of the PPARgamma-3’UTR by luciferase assays. LPS significantly reduced luciferase activity of pGL3-PPARgamma-3’UTR, suggesting that PPARgamma1 mRNA is destabilized. Deletion of a potential miR-27a/b binding site within the 3’UTR completely restored luciferase activity. Moreover, inhibition of miR-27b, which was induced upon LPS-exposure, partially reversed PPARgamma1 mRNA decay, whereas the mature miR-27 mimicked the effect of LPS. MiR-27b was at least partially induced by NFKB, thus correlating with NFKB-dependent PPARgamma1 mRNA decrease. Since deletion of the miR-27 site also containing an AU-rich element (ARE) completely abrogated LPS-induced reduction but inhibition of miR-27b only partially restored PPARgamma1 mRNA expression, I suggested an additional implication of an ARE-binding protein. I provide evidence that LPS induces miR-27b, which in turn destabilizes PPARgamma1 mRNA. Understanding the molecular mechanism of PPARgamma mRNA destabilization, might help to rationalize inflammatory diseases associated with impaired PPARgamma expression. Even though, further experiments are needed to clarify the potential involvement of ARE-binding proteins.
It has been shown that stem and progenitor cells are therapeutically effective after i.v application. Yet, many aspects regarding intracellular signaling pathways which are involved in the homing and local action of these cells still have to be elucidated. In this work, it was aimed to investigate the role of the small GTPase Rap1 in adhesion activation in Hematopoietic Stem and Progenitor Cells (HSC/HPC) and in Mesenchymal Stem Cells (MSC). The potential role of Rap1 was assessed in, mice which were homozygote negative for the expression of the Rap1a gene. Peripheral blood lymphocyte counts as well as numbers of HPCs in the blood were decreased in Rap1a-/- mice compared to wild-type controls. Additionally the adhesion capability of HPCs from Rap1a-/- to the endothelial ligand, Vascular Cell Adhesion Molecule – 1 under shear stress was decreased. The hematopoietic repopulation potential of Rap1a-/- HPC was however not decreased in a competitive bone marrow transplantation model, indicating that deficiency of Rap1a in HSC/HPC does not negatively affect their ability to interact with the bone marrow microenvironment. In contrast, the isolation of MSC was not possible from Rap1a-/- bone marrow, indicating an altered situation in the bone marrow niche through changed stromal cell behaviour. Instead, Rap1a+/- MSC could be isolated and showed an adhesion deficit under shear stress. In contrast, no differences were noted in their differentiation potential. In a mouse homing model, the overall ability of the Rap1a+/- MSC to home to different tissues was found preserved. Finally, in a murine subcutaneous carcinoma model, cells with an HPC phenotype were observed to be present in the tumor microenvironment, and it was shown that they home directly to tumors. Since HPC isolated from bone marrow were able to differentiate into cells with a pro-angiogenic phenotype in vitro, HPC may be of relevance for neovascularization, as tumor-infiltrating progenitor cells. The results of the study should contribute to the understanding of the regulation of progenitor cell homing behaviour in situations simulating cell therapy approaches in preclinical situations.
In the production of integrated circuits (ICs), photolithography plays a key role in wafer structuring. The basic principle of photolithography is the selective processing of areas (etching, implantation, metallisation etc.) while the others are covered and therefore protected by the resist. After each process step the resist, now modified, has to be removed. In the history of semiconductor manufacturing this has been accomplished with a mixture of H2SO4 and H2O2, H2SO4 and O3 or a plasma etch. As the structure sizes decreased they reached a stage where they had to be exposed to light of shorter wavelengths for the photolithography, going from i-line (365 nm) to DUV (248 nm and 193 nm). This change in wavelength now requires new resists and therewith new stripping methods. Beside the changes in the resist the finer structures are also more sensitive to damages caused by the resist strip. Along with this the demand for cost reduction and environment-friendliness poses a big challenge for modern resist stripping. In this study ozone in deionised water (DI/O3) was the basic chemistry investigated as it is cost efficient in production and disposal as well as environment friendly. Furthermore it is a chemistry known to cause no damage to the wafers. DI/O3 has been successfully applied to strip i-line resists. The challenge now is to find ways and means to make DI/O3 strip even highly implanted DUV resists which currently can only be removed by a plasma etch. To achieve this a detailed understanding of the behaviour of ozone in DI water and the influence of factors both chemical and physical on the stripping efficiency at the different stages in the process is necessary. Along with this, methods which enable the elucidation of resist structures and the changes they undergo during the process of photolithography as well as during the ozone strip have to be developed. This will enable us to understand the mechanisms involved and hence, ideally, develop ozone-based stripping solutions customized for each resist and process step. For this purpose the ozone decomposition in DI water with and without additives was studied via UV-Vis spectroscopy. Radicals generated within the ozone decomposition were trapped and quantified, the resists were studied directly on the wafer with IR and Raman spectroscopy and stripped with DI/O3-mixtures and different setups to find optimum conditions for a complete and damage free resist strip. UV-Vis spectroscopy at 260 nm was used to study ozone decomposition and the factors, both chemical and physical, which influence it. These factors are pH, different additives at the same pH, temperature and mixing of the solution. For the radical determination trapping reactions with MeOH and DMSO both forming CH2O which is further converted to DDL as the detectable species were compared with a variation of the classical iodometric titration acting as an absolute method without the need of calibration. IR spectroscopy proved to be a suitable method for the structural characterisation of the resists and the tracking of the changes undergone during the various processing steps as well as the ozone based stripping. For the stripping with DI/O3 IR spectroscopy delivered well-defined spectra. These displayed significant peak changes which support the assumption of classical ozonolysis as the decomposition mechanism for the unimplanted resist. For the study of the resist crust originating from ion implantation IR was fundamentally unsuitable and was replaced by Raman spectroscopy and microscopy. Raman spectra showed the crust to be of a highly carbon containing structure. Regrettably, the peak assignable to the crust was too broad for the exact composition of the crust to be determined. The wavelength region of the peak corresponds to that of peaks of glassy carbon and highly ordered and conventional graphite. Such a broad peak suggests that the structure of the crust is not uniform but contains more than one carbon modification. As the purpose of all these studies is to enable or improve DI/O3 based resist stripping on unimplanted as well as high-dose implanted resists the removal efficiency of DI/O3 spiked with different additives that alter the pH was studied. For these unimplanted resists the maximum efficiency could be achieved at pH = 5 – 7. Lowering or increasing the pH beyond this range gave poor results. The stripping of highly implanted resists could be achieved only at harsh conditions with a high pH-level of 12 - 13 with a narrow process window showing no stripping at lower pHs and severe damages at higher levels. The principle application of DI/O3 stripping chemistry could be proved but the currently required process time unfortunatelly is too long for commercial application and needs further optimisation.
Das kolorektale Karzinom gehört weltweit zu den häufigsten Krebserkrankungen. Die Leber ist der am häufigsten betroffene Ort für extralymphatische Metastasen. 35-60% der Patienten entwickeln Metastasen in der Leber (4). In 17% bis 25% der Fälle werden bereits bei der Diagnose des Primärtumors synchrone Lebermetastasen festgestellt (5). Etwa 80-85% der Lebermetastasen befinden sich in einem primär irresektablen Zustand (7). Somit ist bei einem großen Teil der Patienten der Goldstandard, dass heißt die Resektion, schon zum Zeitpunkt der Diagnose nicht mehr anwendbar. Da Lebermetastasen die Haupttodesursache beim kolorektalen Karzinom darstellen, versucht man, neben der systemischen Chemotherapie neue Verfahren für deren gezielte Behandlung zu entwickeln. In der hier vorliegenden monozentrischen Phase I-II Studie wurde die Sicherheit und Wirksamkeit Irinotecan beladener DC Beads Microspheres bei der Behandlung von inoperablen Lebermetastasen des kolorektalen Karzinoms mittels transarterieller Chemoembolisation (TACE) untersucht. Bei den DC Beads (Firma Biocompatibles UK Limited) handelt es sich um Hydrogel-Mikrosphären aus einem mit Sulfonatgruppen modifizierten Polyvinylalkohol. Sie können Irinotecan über einen Ionen-Austauschmechanismus aufnehmen und wieder abgeben. Es wurden 10 Patienten mit insgesamt 38 Chemoembolisationen behandelt und dabei Einzeldosen zwischen 21 mg und 143 mg Irinotecan appliziert. Hierbei traten ausschließlich Nebenwirkungen auf, die im Rahmen einer Chemoembolisation zu erwarten waren. Es wurden keine für Irinotecan typischen Nebenwirkungen wie Diarrhoe und Neutropenie beobachtet. Im Vergleich zu ähnlichen Studien, waren die Nebenwirkungen durchschnittlich seltener und schwächer. Das Tumoransprechen wurde gemäß der RECIST-Kriterien ausgwertet. Zum Studienende (objective response rate) hatten 2 Patienten einen Partial Response, 2 Patienten Stable disease und 6 Patienten Progressive Disease. Betrachtet man das beste in der Studie aufgetretene Ansprechen (best overall response), so gab es 2 Patienten mit Partial Response und 8 Patienten mit Stable Disease. Es wurde somit ein Ansprechen von 20% erreicht. Zwischen den CEA-Werten und dem endgültigen Studienausgang (objective response rate) nach RECIST gab es eine weitgehende Übereinstimmung. Bei vier Patienten konnte durch die Studienbehandlung ein Downstaging erreicht werden, wodurch eine laserinduzierte Thermotherapie (LITT) mit besserer Prognose möglich wurde. Die pharmakokinetische Untersuchung zeigte nach der Chemoembolisation mit Irinotecan beladenen DC Beads im Vergleich zur intravenösen Gabe von Irinotecan eine niedrigere Plasmakonzentration an Irinotecan aber eine höhere für den aktiven Metaboliten SN-38. Auch bei der Bewertung der Durchführbarkeit der Chemoembolisation traten im Umgang mit den DC Beads keine Komplikationen auf. Es konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass Chemoembolisationen mit Irinotecan beladenen DC Beads technisch problemfrei, sicher und mit guter Wirksamkeit durchführbar sind. Auf Grund der guten Ergebnisse sollte die Studienbehandlung in weiteren Untersuchungen mit einem größeren Patientenkollektiv überprüft werden, um so statistisch signifikantere Daten zu erhalten.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Lungenfunktion, insbesondere der MEF75/25, die unspezifische bronchiale Provokation mit Methacholin und die allergenspezifische bronchiale Provokation bei einem unselektionierten Patientengut von 100 Graspollenallergikern untersucht. Die 96 Patienten wurden anhand ihrer Anamnese mit einem modifizierten Fragebogen nach ISAAC in 5 klinische Gruppen eingeteilt: • 20 Probanden ohne Graspollenallergie » Gruppe 0 • 29 Patienten mit alleiniger allergischer Rhinitis » Gruppe 1 • 19 Patienten mit allergischer Rhinitis und bronchialer Hyperreagibilität » Gruppe 2 • 25 Patienten mit allergischem Asthma ohne Medikamentenbedarf » Gruppe 3 • 23 Patienten mit allergischem Asthma und Medikamentenbedarf » Gruppe 4 Wir fanden signifikante Unterschiede im Basis-FEV1 zwischen der Kontrollgruppe und den Asthmatikern mit Medikamentenbedarf. Ebenfalls war der MEF75/25 zwischen den Asthmatikern mit Medikamentenbedarf und der Kontrollgruppe (p=0,002) wie auch zur Gruppe der allergischen Rhinitiker (p=0,014) signifikant schlechter. Anhand der Anamnese (ISAAC-Fragebogen) konnten wir nachweisen, dass 67 von 96 Patienten (69,8 %) eine bronchiale Hyperreagibilität angaben und 48 Patienten (50 %) ein Asthma bronchiale aufwiesen. Diese enorme Prävalenz von bronchialer Hyperreagibilität und Asthma bronchiale wurde experimentell durch eine bronchiale Allergenprovokation und Messung der bronchialen Hyperreagibilität verifiziert. In guter Übereinstimmung mit dem ISAAC-Fragebogen fand sich bei 69 von 96 Patienten (71,9%) ein positiver Methacholintest. Legt man die kumulative Methacholindosis bei 1,2 mg fest, dann zeigen immer noch 58,3% (56 von 96 Patienten) eine bronchiale Hyperreagibilität. Im Gegensatz zur Literatur war der Parameter Δ FEV1/MEF75/52 nicht hilfreich eine positive Reaktion im Methacholintest sowie im allergenspezifischen bronchialen Provokationstest vorherzusagen. In der Allergenprovokation (FEV1-Abfall > 20%) waren 51 % der Graspollenallergiker positiv. Zwischen der Patientengruppe der allergischen Rhinitiker und den Asthmatikern fand sich kein signifikanter Unterschied (Gruppe 1 48,3 %, Gruppe 3 48 % und Gruppe 4 43,5 %). Dies zeigt, dass die Überlappung beider Entitäten mittlerweile höher ist als in der Literatur angenommen. Unsere klinischen und experimentellen Ergebnisse zeigen, dass in einem unselektionierten Patientengut mit allergischer Rhinitis 70 % der Patienten eine bronchiale Hyperreagibilität und 50 % ein allergisches Asthma aufweisen und die bislang in der Literatur gefundenen Werte mit 50 % für BHR und 30 % für Asthma nicht mehr auf die aktuelle epidemiologische Situation zu treffen.
Plant parasitic species of Asterinaceae and Microthyriaceae (Dothideomycetes, Ascomycota, Fungi) are inconspicuous foliicolous fungi with a mainly tropical distribution. They form black colonies on the surface of living leaves. Members of Asterinaceae and Microthyriaceae are characterized by shield-shaped, flat ascomata (thyriothecia) which grow completely superficially on the leaf cuticle. Microthyriaceae, Asterinaceae and other families of thyriothecia-forming ascomycetes belong to the class Dothideomycetes due to the presence of bitunicate asci. However, until today no consistent taxonomic concept nor molecular phylogenetic studies exist for the families of thyriothecioid ascomycetes. In the present thesis, 42 species belonging to 13 different anamorphic and teleomorphic genera of Asterinaceae, Microthyriaceae and ‘Pycnothyriales’ recently collected in Western Panama, are identified, described in detail and illustrated with drawings, transmission and scanning electron microscopical photographs. Among the 42 species, 37 species belong to the Asterinaceae, four species to the Microthyriaceae and one species to the from group ‘Pycnothyriales’. Two species of Asterinaceae are new to sience: Asterina gaiadendricola with an Asterostomella anamorph and Asterina schlegeliae with a Mahanteshamyces anamorph. Among the remaining species of Asterinaceae, 28 species represent new records for Panama: Asterina cestricola, A. ciferriana, A. consobrina, A. corallopoda, A. davillae with anamorph, A. diplocarpa, A. diplopoda, A. ekmanii, A. fuchsiae, A. manihotis, A. phenacis, A. radiofissilis with anamorph, A. siphocampyli, A. sponiae, A. stipitipodia with anamorph, A. styracina, A. tonduzii with anamorph, A. weinmanniae, A. zanthoxyli, Asterostomella dilleniicola, Asterolibertia licaniicola, Asterolibertia nodulosa, Cirsosia splendida with its Homalopeltis chrysobalani anamorph and Prillieuxina winteriana with its Leprieurina winteriana anamorph. The remaining 11 species of Asterinaceae probably respresent new species: Asterina spp. 1-8, Asterolibertia sp., Halbanina sp. and Mahanteshamyces sp. The four species of Microthyriaceae are new records for Panama: Maublanica uleana, Platypeltella irregularis, Platypeltella smilacis and Xenostomella tovarensis. The species Hemisphaeropsis magnoliae in the form group ‘Pycnothyriales’ is a new record for Panama. During this study, voucher material of 44 additional species of plant parasitic thyriothecioid ascomycetes was examined. Thereby, the number of species of Asterinaceae known for Panama since 2006 raises from four to 30, for Microthyriaceae respectively from zero to four and for ‘Pycnothyriales’ from zero to one. 21 of the presented species are new records for Central America and two species are new records for the American Continent. The presented 42 species parasitize 47 host plant species in 39 genera belonging to 28 plant families. For 23 fungal species, new host plant species are discovered. From those, seven belong to host plant genera not reported before to be parasitized by a member of Asterinaceae and Microthyriaceae: Burmeistera (Campanulaceae), Curatella and Davilla (Dilleniaceae), Greigia (Bromeliaceae), Hirtella (Chrysobalanaceae), Oxandra and Xylopia (Annonaceae). In this study, the first molecular phylogenetic approach in Asterinaceae is provided. For the first time, DNA was isolated from fresh material of Asterina spp. and their respective anamorphic stages on leaves in Panama. The hypothesis derived from SSU and LSU rDNA neighbour-joining analysis supports the monophyly of the Asterinaceae and suggests a close relationship to Venturiaceae within the class Dothideomycetes. The data obtained from the ppMP project (plant parasitic microfungi of Panama) indicate a constant but low abundance of plant parasitic thyriothecioid ascomycetes in natural plant communities in Panama, with Asterinaceae as the most species-rich and diverse family. Further collection activities in tropical regions worldwide will certainly increase our knowledge about species diversity and ecology of tropical plant parasitic thyriothecioid ascomycetes.
Sepsis is caused by infection and often followed by an overwhelming inflammatory response. This can lead to shock, organ failure and even death. Each year approximately 60,000 people die in Germany due to sepsis. There is good evidence that sepsis is associated with failure of the hypothalamic-pituitary-adrenal-axis. In patients with sepsis, glucocorticoids (e.g. corticosterone, cortisol) released from adrenal glands play an essential role in preventing an excessive pro-inflammatory response. Adrenal insufficiency occurs in a large number of patients with septic shock and is associated with an increased mortality. In the innate immune system, Toll-like receptors (TLRs) play a crucial role in its onset by recognizing pathogenassociated molecules. It is well known that there are interactions between the immune and endocrine stress systems; glucocorticoids and TLRs regulate each other in a bi-directional way. Therefore, a coordinated response of the adrenal and immune system is of vital importance for survival during severe inflammation. This experimental study focuses on the role of TLR-2, TLR-4 and TLR-9 during adrenal stress. The results show that in mice, the absence of TLR-2 and TLR-4, but not TLR-9 leads to altered adrenal morphology, relating to size and cellular structure. However, this alteration does not appear to compromise the phenotype of TLR knock-out mice. Mice deficient of TLR-2, 4 and 9 are not able to respond adequately to inflammatory stress induced by their potential ligands lipopolysaccharide (LPS), lipoteichoic acid (LTA) or cytidine phosphate guanosine-oligodeoxynucleotides (CpG-ODN). This impaired adrenal stress response appears to be associated with a decrease in systemic and intra-adrenal cytokine expressions. Taken together, these results suggest that TLR-2, 4 and 9 are key players in the immuno-endocrine response during inflammation and SIRS. In conclusion, TLRs play a crucial role in the immune-adrenal crosstalk. This close functional relationship needs to be considered in the treatment of inflammatory diseases where an intact adrenal stress response is required. Furthermore, TLR polymorphisms could contribute to the underlying mechanisms of impaired adrenal stress response in patients with bacterial sepsis
Die schwere Malariaanämie stellt in endemischen Ländern bei Kindern bis 5 Jahren mit P. falciparum-Infektionen eine der Hauptkomplikationen mit hoher Mortalitätsrate dar. Ein besseres Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen, mit denen P. falciparum die schwere Malariaanämie auslöst, ist eine unausweichliche Vorbedingung zur Ergreifung geeigneter Gegenmaßen. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Genexpression der mononukleären Knochenmarkzellen von Kindern im Alter von 1 bis 6 Jahren mit schwerer Malariaanämie infolge einer P. falciparum-Infektion und ihren altersgleichen Kontrollgruppen. Dabei sollte die Regulation von Genen der Erythropoese in der Akutphase der Erkrankung und der Rekonvaleszenz verglichen werden. Darüber hinaus sollten Malariapatienten mit schwerer Anämie jenen ohne Anämie gegenüber gestellt werden. Dazu wurden genomweite Expressionsanalysen mittels Oligonukleotidarrays im Knochenmark der Studienpatienten durchgeführt. Eine Auswahl von differentiell exprimierten, Erythropoese-relevanten Genen wurde anschließend mittels Real Time PCR des gesamten Probenkollektivs validiert und quantifiziert. Die Auswertung der klinischen und laborchemischen Daten zeigte ein homogenes Bild der drei Patientengruppen, die sich nur hinsichtlich der zur Gruppenbildung herangezogenen Anämieparameter, des Laktatwertes, MODS-Score und der Milzgröße unterschieden. Der einheitliche Parasitämieverlauf belegte eindrucksvoll, dass die unterschiedlichen Anämiegrade der drei Gruppen nicht auf verschieden hohen Parasitämien beruhen. Die Daten suggerierten das Vorliegen einer Störung der Erythropoese unter Krankheitseinwirkung, die nach der Parasitenelimination einen zeitlich verzögerten, kompensatorischen Anstieg der Retikulozyten und CD71-positiven Zellen mit darauf folgendem Hämoglobinanstieg nach sich zieht. Mithilfe der Ingenuity Pathway Analyse der Mikroarraydaten und einschlägigen Literatur wurden 14 Erythropoese-relevante Kandidatengene ausgewählt, wovon 11 bei der Validierung mittels Real Time PCR ein eindeutig höheres Expressionsniveau in der Gruppe A der schwer anämischen Patienten zeigten. Im Rahmen der untersuchten Genauswahl ließ sich somit keine Störung der Erythropoese auf Transkriptionsebene feststellen. Ob andere Gene eine pathophysiologisch bedeutsame Rolle spielen, müssen weitergehende Untersuchungen zeigen.
Der Gestationsdiabetes steht in Zusammenhang mit einer erhöhten Morbidität für Mutter und Kind. Die maternale Hyperglykämie führt zur Erhöhung der kindlichen Blutglukose mit der Konsequenz eines fetalen Hyperinsulinismus. Die Folgen des erhöhten fetalen Insulinspiegels sind das Auftreten von prä- und postnatalen Komplikationen, wie z.B. Makrosomie, postpartalen Hypoglykämien sowie Atemstörungen. Angesichts dieser Tatsache liegt es nahe, diagnostische und therapeutische Strategien zu entwickeln, die es ermöglichen diese Stoffwechselstörung in ihrer Entstehung zu erkennen und überwachen zu können. Im Zentrum dieser Studie steht die pränatale Beurteilung der Dopplerindizes. Der Resistance-Index (RI-Wert) wird als möglicher prädiktiver Parameter für die maternale Stoffwechsellage und der Entwicklung des Kindes untersucht. In dieser Studie wurde nachgewiesen, dass bei den diätetisch eingestellten Gestationsdiabetikerinnen ein signifikant reduzierter RI-Wert, verglichen mit den Gesunden, bzw. Insulin-behandelten Gestationsdiabetikerinnen, zu verzeichnen ist. Die erhobenen Daten beziehen sich auf die letzten vorgeburtlich gemessenen RI-Werte. Bei den diätetisch eingestellten Gestationsdiabetikerinnen sinkt der RI Wert und zeigt eine statistische Signifikanz von p=0,002 zum gesunden Kollektiv. Die Indizes der mit Insulin behandelten Schwangeren unterscheiden sich hingegen nicht signifikant von denen der gesunden Frauen. Dies könnte auf bislang nicht untersuchte Insulinwirkung oder auf ein noch nicht näher charakterisiertes Kollektiv mit pathologischer Gen-Stoffwechselstörung zurückzuführen sein. Der Abfall des RI-Wertes zeigt in dieser Arbeit eine signifikante Korrelation mit der maternalen Stoffwechselsituation. Während sich ein gut eingestellter Gestationsdiabetes in der Doppler-Untersuchung nicht wesentlich von einer gesunden Schwangerschaft unterscheidet, können erniedrigte RI-Werte in Anbetracht der Ergebnisse dieser Studie als Hinweis auf eine Stoffwechselstörung gewertet werden. Die Änderung des Dopplerparameters (hier des RI-Wertes) kann im Sinne einer Prädiktion für eine Therapieeinleitung bzw. –änderung genutzt werden oder eine überwachende Funktion in der pränatalen Betreuung einnehmen. Dabei ist die Darstellung der fetalen Hämodynamik mit Hilfe der Indizes ein Bild für die Gefäßsituation des Kindes und seine Reaktion auf den mütterlichen Blutzuckerspiegel. In unserer Studie waren die Parameter der sonographischen Biometrie bei den stoffwechselerkrankten Müttern hinsichtlich der makrosomalen Tendenz deutlich verändert. Sowohl bei den diätetisch eingestellten, als auch den Insulin therapierten Schwangeren wurde eine Erhöhung des abdominalen Umfangs verzeichnet. Das postpartale Gewicht der Kinder bei diätetisch eingestellten Frauen lag signifikant höher (p=0,001) als bei den Neugeborenen der gesunden Mütter. Das Insulin-therapierte Kollektiv hingegen unterschied sich im Gewicht nicht von der Kontrollgruppe. Eine Korrelation zwischen dem RI-Wert und dem Geburtsmodus stellten wir nur bei dem Kontrollkollektiv (p=0,024) unterhalb der 40. SSW fest. Hier fanden wir eine signifikante Erhöhung der primären Sectiorate bei erhöhten RI-Werten. Die postpartale Blutzuckerkontrolle der Neugeboren brachten keine signifikanten Unterschiede zu Tage, ebenso wenig die Auswertung der 5 Minuten APGAR Werte. In dieser Studie konnten wir die Diagnostik und das Management des Gestationsdiabetes um einen möglicherweise prädiktiven Wert (RI-Index) erweitern. Desweiteren bestätigen unsere Daten bereits vorliegende Erkenntnisse wie z.B. die Tendenz zur Makrosomie. Ein neuer Aspekt dieser Arbeit ist die Korrelation des RI-Wertes mit der mütterlichen Stoffwechsellage sowie die positive Wirkung des Insulins auf das fetale Outcome. Mit den erarbeiteten Ergebnissen aus dieser Arbeit wird vorgeschlagen, dass die signifikante Senkung des RI-Wertes mit einer möglichen Störung der mütterlichen Stoffwechsellage in Zusammenhang gebracht werden kann.
In den Neurowissenschaften führt die Erforschung des vegetativen Nervensystem (VNS) immer noch ein Schattendasein. Einer der wichtigsten Teile des VNS, der Hirnstamm, ist dabei besonders schlecht erforscht, obwohl er die Steuerzentren für Herzschlag, Blutdruckregulation, Atmung, Verdauung, und viele weitere lebenswichtige Funktionen beherbergt. Ein wichtiger Grund für diesen Umstand ist, dass die funktionelle Kernspintomographie (fMRT) sich in ihrer bisherigen Form nur bedingt für Messungen im Hirnstamm eignet. Ziel dieser Arbeit war es daher, neue Ansätze zur fMRT-Messung vegetativer Zentren im menschlichen Hirnstamm zu entwickeln. Nach einer Einführung in die Neuroanatomie sowie die physikalischen und physiologischen Grundlagen der strukturellen und funktionellen MRT werden im mittleren Teil der Arbeit die Entwicklung sowie der Test neuer Ansätze zur Hirnstamm-fMRT beschrieben. Dabei untersucht der Autor zunächst, welche grundlegenden Probleme einer konventionellen fMRT-Messung im Hirnstamm entgegenstehen. Es stellt sich heraus, dass alle hirnstamm-spezifischen Störquellen direkt oder indirekt auf den Herzschlag zurückzuführen sind. Aus den vorhandenen Ansätzen zur Korrektur solcher Störungen wird die Herzschlag-Taktung ausgewählt. Bei diesem Verfahren erfolgt die Aufnahme der fMRT-Bilder zeitlich gekoppelt an dem Herzschlag des Probanden, um sämtliche kardiogenen Rauschquellen zu unterdrücken. Anstelle des häufig verwendeten, aber statistisch problematischen Guimaraes-Verfahrens zur Korrektur der durch die Herzfrequenzvariabilität bedingten Schwankungen des MR-Signals wird in der vorliegenden Arbeit der die sog. Dual-Echo-Bildgebung verwendet. Dabei wird die konventionelle EPI-Sequenz (echo-planar imaging) dahingehend erweitert, dass pro Bild anstelle eines Echos zwei aufgenommen werden. Durch Quotientenbildung der beiden Bilder kann so der fluktuierende Teil des Signals entfernt werden. Beim Vergleich verschiedener Varianten der Quotientenbildung stellt sich ein neu entwickelter, exponentieller Ansatz als überlegen heraus. Danach werden die Auswirkungen verschiedener Methoden der Bewegungskorrektur und Schichtorientierung verglichen, um das Optimum für Messungen im Hirnstamm zu ermitteln. Nach Tests des neuen Verfahrens an verschiedenen fMRT-Datensätzen werden Empfehlungen für die Kombination der verschiedenen Parameter gegeben. Es zeigt sich, dass die Standardabweichung der fMRT-Bilder mit der neuen Methode im unteren Hirnstamm um 13% - 33% reduziert werden kann. Ein Sensitivitätstest an motorischen Hirnstammkernen, welche durch ein motorisches Paradigma aktiviert werden, zeigt, dass die jeweiligen Kerne in 85% - 95% der Fälle eindeutig identifiziert werden können. Im dritten Teil der Arbeit erfolgt die Anwendung der neuen Methode auf die Messung von Aktivierungen vegetativer Zentren. Hier wird als unkonventionellen Stimulus des vegetativen Nervensystems die Akupunktur verwendet. Dies geschieht u.a. mit der Zielsetzung, zur Aufdeckung des noch immer unbekannten Wirkmechanismus dieser Therapieform beizutragen. Als Akupunkturpunkt wird Pc6 am Handgelenk gewählt, da die Studienlage eindeutig dessen Effektivität bei der Behandlung von Übelkeit und Erbrechen sowie eine Beeinflussung der Magen-Peristaltik zeigt und die neuralen Zentren hierfür größtenteils im Hirnstamm lokalisiert sind. Der Autor stellt daher die Hypothese auf, dass die Akupunkturwirkung in diesem Fall über den Vagusnerv und dessen Hirnstammkern, den Nucleus dorsalis nervi vagi, vermittelt wird. Vor der Überprüfung dieser Hypothese erfolgt zunächst eine Methodenkritik der bisherigen Akupunktur-fMRT-Forschung. Anhand einer Gruppe von Studien, welche über Aktivierungen der Sehrinde bei Akupunktur visuell relevanter Punkte berichten, weist der Autor eine Reihe methodischer Probleme nach. Anhand einer eigenen Studie kann er mittels Independent Component Analysis (ICA) zeigen, dass die von den bisherigen Studien berichteten, visuellen Aktivierungen höchstwahrscheinlich nicht auf die Wirkung der Akupunktur zurückzuführen sind. Um einige der Probleme dieser Studien zu umgehen, entwickelt der Autor ein neues psychophysikalisches Verfahren, bei dem die Probanden während der Akupunktur kontinuierlich die Stärke der Nadelempfindung („DeQi“) auf einer visuellen Analogskala bewerten. Mit Hilfe dieses Verfahrens gelingt schließlich der Nachweis einer Hirnstamm-Aktivierung unter Akupunktur-Stimulation, deren Lokalisation mit der des Nucleus dorsalis nervi vagi vereinbar ist. Dies bestätigt die ursprüngliche Hypothese und zeigt gleichzeitig die Eignung des neuen Verfahrens für die Bildgebung vegetativer Hirnstammzentren.
Macrophages show a remarkable functional plasticity, which enables them to change their phenotype in response to environmental signals. They are key players during infection by initiating inflammation through the release of proinflammatory mediators. Furthermore, macrophages contribute to the resolution of inflammation by phagocytosis of apoptotic granulocytes. Phagocytosis of apoptotic cells (AC) induces an anti-inflammatory phenotype in macrophages and protects them against apoptosis. However, mechanistic details provoking these phenotype alterations are incompletely understood. Therefore, the aim of my Ph.D. thesis was to investigate the molecular basis of anti-inflammatory macrophage polarization. In the first part of my studies, I investigated the expression of heme oxygenase (HO)-1 in macrophages following treatment with supernatants from AC. HO-1 catalyzes the first and rate-limiting step of heme degradation and potentially bears anti-inflammatory as well as anti-apoptotic potential. I was able to show biphasic upregulation of HO-1 by AC supernatants. The first phase of HO-1 induction at 6 h required activation of p38 MAPK and was accomplished by the bioactive lipid sphingosine-1-phosphate (S1P) engaging S1P receptor 1 (S1P1). However, the second wave of HO-1 induction at 24 h was attributed to autocrine signaling of vascular endothelial growth factor (VEGF) A, whose expression was facilitated by S1P. The release of VEGFA from macrophages was STAT1-dependent, whereas VEGFA itself acted on the macrophage HO-1 promoter via STAT1/STAT3 heterodimer binding. Knockdown of HO-1 revealed its relevance in promoting enhanced expression of the anti-apoptotic proteins B cell leukemia/lymphoma-2 (Bcl-2) and B cell leukaemia/lymphoma-x long (Bcl-XL), as well as the anti-inflammatory adenosine receptor A2A. MHC II and indoleamine 2,3-dioxygenase expression were also affected by ACsupernanatants, but were not HO-1 dependent. Unexpectedly, S1P1 was also upregulated following treatment with AC supernatants. Thus, I considered whether S1P1 induction could specifically be mediated by alternative macrophage activating factors. The expression of S1P1 was enhanced in the presence of the alternative activation stimuli IL-4 as well as IL-10, whereas it was unchanged following incubations with LPS, interferon-g or S1P. My next aim was to investigate the expression of the different S1P receptor isoforms in macrophages following treatment with supernatants form AC. While the expressions of S1P1 as well as S1P3 were induced by exposure to supernatants from AC, S1P2 expression was unaffected. As S1P1/3 and S1P2 are conflictively involved in the regulation of cell migration, I asked for a correlation between increased S1P receptor expression and enhanced migration rate. Indeed, macrophages showed enhanced motility following treatment with supernatants form AC, which was inhibited in S1P1 knockout macrophages. In summary, my findings indicate that HO-1, which is induced by AC-derived S1P, is critically involved in macrophage polarization towards an alternatively activated macrophage phenotype. S1P1 seems to represent a central checkpoint during macrophage activation. On the one hand, S1P1 is induced by supernatants form AC and promotes migration of macrophages. On the other hand, it mediates the induction of HO-1, which is accompanied by antiinflammatory as well as anti-apoptotic signaling. Furthermore, my studies provide evidence that upregulation of HO-1 and S1P1 in macrophages may contribute to the resolution of inflammation by establishing an anti-inflammatory macrophage phenotype and provoking macrophage migration along the vascular S1P gradient out of an inflammatory environment into the lymph.
Ein bekanntes Beispiel für regulatorische RNA-Protein-Wechselwirkung stellt der Komplex der TAR-RNA von HIV-1 und dem viralen Protein Tat dar. Dieser Komplex ist wichtig für die effiziente Transkription des viralen Genoms. Essentiell für die Erkennung der Stem-Loop Struktur ist die Wechselwirkung des Tat-Proteins mit dem aus drei Nukleotiden bestehenden Bulge der TAR-RNA. Das Wissen über die Prinzipien der Erkennung von Tat zu TAR-RNA sollte es möglich machen, spezifische Liganden zu designen, die als antivirale Tat Antagonisten angreifen können. Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese von RNA Liganden für die Festphasenpeptidsynthese (FPPS) basierend auf heteroaromatischen Bausteinen. Als Strategie wurde gewählt, die heteroaromatischen Reste über Amid-Bindungen an ein Fmoc geschütztes (2-Aminoethyl)glycin-Rückgrat einzufügen. Die peptidomimetischen Bausteine X konnten in der FPPS zur Synthese von Tripeptiden mit der allgemeinen Struktur Arg-X-Arg und Modifikationen mit Lysin eingesetzt werden. Die Bindungsaffinitäten der Tripeptide und kleinen Moleküle zur TAR-RNA von HIV-1 wurden über einen fluoreszenzbasierten Assay bestimmt. Der Assay verwendet ein doppelt endmarkiertes Tat-Peptid mit Fluorescein und Rhodamin als Farbstoff. Durch Verdrängung des Tat-Peptides durch einen konkurrierenden Liganden kommt es zur Konformationsänderung des Peptides, die zur Löschung der Lichtemmission führt. Dabei zeigen die Tripeptide H2N-(D)Arg-Lactam-(D)Arg-CONH2 (154) und H2N-(D)Arg-Amidin-(D)Arg-CONH2 (158) IC50-Werte von 2-3 mikroM, die auch durch Fluoreszenz Korrelations Spektroskopie (FCS) bestätigt wurden. In massenspektrometrischen Untersuchungen von 158 bzw. Tat-Protein mit TAR-RNA konnten bei beiden Peptiden 1:1 und 1:2-Komplexe beobachtet werden. 158 zeigt antivirale Eigenschaften (IC50 = 10-50 mikroM) in HeLa P4-Zellassays. Durch NMR-Untersuchungen und molekulardynamische Berechnungen war es möglich, eine Konformationsänderung der TAR-RNA durch eine Wechselwirkung mit Guanidinium-Gruppen festzustellen. Ein weiteres Ziel der Arbeit war daher ausgehend von den gewonnenen Daten die Untersuchung des Bindungskonzeptes von Diaminopyrazolen und Indazolen. Diaminopyrazole mit kleinen Resten und Triaminopyrazol übertreffen im protonierten Zustand den dikationischen Liganden Argininamid. In Übereinstimmung mit dem Bindungsmodell verhalten sich protonierte Aminopyrazole wie „Super-Guanidine“ hinsichtlich der TAR-RNA. Das Einfügen des Triaminopyrazols in ein Phenazin-Grundgerüst führt zu Verbindungen, die im protonierten und reduzierten Zustand zusätzliche Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können und nicht planar, aber lipophil sind. Der Austausch von Stickstoff zu Sauerstoff im Phenazinring sollte den reduzierten Zustand stabilisieren. Die resultierende Struktur ist jedoch zersetzlich, so dass auf weitere Untersuchungen verzichtet wurde.
Einführung: Den Hauptgrund für das mittel- und langfristige Versagen von Kunststoff-Prothesenshunts stellt die zunehmende Stenosierung im Bereich der venösen Anastomose dar. Das Problem besteht in der Anpassung der Vene an die unphysiologische Dauerbelastung durch die Arterialisierung mit der Folge einer erhöhten transmuralen Spannung, einem erhöhten endothelialen "shear stress" und daraus resultierender Intimahyperplasie. Zielsetzung: Vergleich der kumulativen Offenheitsraten von carbonisierten ePTFE (expended polytetrafluoroethylene) Gefäßprothesen MIT versus OHNE Cuff-Anastomose als Hämodialyseshunt bei terminal niereninsuffizienten Dialysepatienten. Die Modelle unterscheiden sich lediglich durch den, ursprünglich von Scholz H handgefertigten, Patch an der Venaflo™-Prothese am Übergang vom Shunt zur venösen Anastomose. (Hersteller: Fa. BARD PERIPHERAL VASCULAR). Die Cuff-Anastomose soll die Hämodynamik im Bereich des venösen Abflusses günstig beeinflussen, so dass es zu einer Reduktion der Stenoserate kommt. Material und Methodik: Die DIVA-Studie war prospektiv, randomisiert und multizentrisch nicht doppelblind angelegt; hierfür wurden 418 Patienten (m:139, w:228) im Alter von 64,5 + 13,26 Jahre, über einen 24 monatigen Zeitraum hinsichtlich der Primären und Sekundären Offenheitsrate beobachtet. Die Studie wurde regelrecht durchgeführt, d.h. nur studiengerechte Prothesen wurden verwandt, die Ein- und Ausschlusskriterien wurden strikt eingehalten, die „lost to follow-up-Rate“ war nicht höher als zuvor erwartet (25% pro Jahr). Die von den Prüfzentren übermittelten Daten wurden durch den Monitor auf deren Plausibilität geprüft. Nach ITT (intention-to-treat) – Analyse verblieben von 359 Patienten (Standard:173, Venaflo™: 186) validen Ergebnisse, verteilt auf 19 Studienzentren. Die Rekrutierung erfolgte randomisiert. Um ein möglichst homogenes Kollektiv zu erhalten, müssen verschiedene Ein- und Ausschlusskriterien, wie eine terminale dialysepflichtige Niereninsuffizienz, der Durchmesser der drainierenden Vene und zuführenden Arterie, eine dauerhafte Hyper- bzw. Hypotonie, Antikoagulantientherapie und weitere, beachtet werden. Zwischen den Behandlungsgruppen besteht kein wesentlicher Unterschied in Hinsicht auf die demographischen Daten, die vorausgegangenen Nierenerkrankung oder die nachfolgenden Dialysebehandlungen. Als Endpunkte unterscheidet man Primäre und Sekundäre Offenheitsraten, die sich im jeweiligen Wiederherstellungseingriff wie Thrombektomie, Korrektur der venösen Anastomose oder gar vollständiger Shuntneuanlage unterscheiden. Zulässige Formen der Shuntanlage sind der Unterarm-Loopshunt, Oberarm(OA)-Loopshunt, OA-Straight und OA-Curvedshunt. Es stehen 6- und 7mm-Modelle zur Verfügung. Ergebnisse: Ungeachtet der Shuntform, des Implantationsorts und des Durchmessers, zeigt die Venaflo™-Gefäßprothese stets bessere Offenheitsraten. Primäre Offenheit (ITT) nach zwei Jahren - Venaflo™: 54,1% , Standard: 48,9% (p=0,348), Sekundäre Offenheit - Venaflo™: 70,7%, Standard: 63,1% (p=0,112). Zudem haben der Durchmesser von 7mm, sowie die Straightshunts einen positiven Effekt gezeigt. Die intra- und perioperative Komplikationsrate ist nahezu gleichverteilt. So gab es beispielsweise 4 Sofortverschlüsse in der Standard-Gruppe und 5 in der Venaflo™-Gruppe. Beträchtlich hingegen ist der Unterschied bei Studienende. Die Venaflo™-Gruppe hat deutlich mehr reguläre Studienabschlüsse (Standard:58, Venaflo™:75), weniger Shuntneuanlagen (Standard:16, Venaflo™: 14) und weniger Prothesenverlängerungen (Standard: 27, Venaflo: 13) zu verzeichnen. Schlussfolgerung: Die Venaflo™-Cuff-Prothese belegt im klinischen Einsatz den positiven Einfluss der bulbusförmig konfigurierten venösen Anastomose. Die durchschnittliche Funktionsdauer kann durch den Einsatz einer ePTFE-Prothese MIT Patch deutlich verlängert werden. Für den betroffenen Patienten bedeutet dies ein Zugewinn an Lebensqualität durch eine Verlängerung des interventionsfreien Zeitraums um mehrere Monate.
Die gezielte Modifikation von Proteinen für die Erforschung des Proteoms stellt eine entscheidende Herausforderung dar. Sie wird meistens dann zwingend notwendig, wenn das intrinsische Signal zum Auslesen ungeeignet ist. So ist es z.B. für die größte Anzahl von fluoreszenzbasierenden Methoden unerlässlich, das zu untersuchende Protein spezifisch und einheitlich mit einem Fluorophor zu markieren. Eine weitere Schwierigkeit ist die gerichtete Immobilisierung von Proteinen für deren Charakterisierung an Oberflächen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die spezifische Markierung, Manipulation und strukturierte Immobilisierung von rekombinanten Proteinen analysiert. Dafür wurde mit dem hauptsächlich aus der Proteinreinigung bekannten NTA/Oligohistidin-System gearbeitet. Verwendet wurden multivalte NTA-Chelatorköpfen mit zwei (bisNTA), drei (trisNTA) oder vier (tetrakisNTA) NTA-Gruppen pro Molekül. Durch die Multivalenz können hervoragende Bindungsaffinitäten im nanomolaren Bereich erzielt werden, die die stabile, stöchiometrische, nicht kovalente und damit reversible Modifikation His-getaggter Proteine in Lösung und an Grenzflächen erlaubt. Fluoreszente trisNTAs wurden vielfach erfolgreich für die Markierung His-getaggter Proteine eingesetzt. Dabei wurde die Beobachtung gemacht, dass die Ni2+-Ionen im trisNTA die Emission des benachbarten Fluorophors stark quenchen und dadurch die Einsatzmöglichkeiten der Verbindung reduzieren. Durch die räumliche Trennung der beiden Gruppen mit starren, biokompatiblen Polyprolin-Helices konnte erstmals systematisch demonstriert werden, dass das Ausmaß der Fluoreszenzlöschung abstandsabhängig ist. Bei der Verwendung von 12 Prolinen (3.6 nm lange Helix) wurde mit einem ATTO565-Derivat eine Intensitätserhöhung um etwa 70%, und bei einem OregonGreen488-Derivat um etwa 40% erreicht. Bei den Verbindungen können der Abstand der beiden Gruppen voneinander und der Fluorophor nahezu frei gewählt werden, so dass eine Optimierung in Hinblick auf die jeweilige Fragestellung ohne Probleme möglich ist. In Kooperationen untersucht wurden z.B. die ATP-Hydrolyse von MDL1 und die ATP-Bindung von TAP. Die deutlich verbesserte Quantenausbeute, die stabile Bindung an einen His-Tag und die geringe Größe machen die Verbindungen zu idealen Reportersonden für die Einzelmolekül-Fluoreszenz-Analyse. Die gezielte Manipulation eines makromolekularen Proteinkomplexes mit einem kleinen Molekül wurde in einem weiteren Projekt untersucht. Das tetrakisNTA wurde verwendet, um die His-getaggten Eingänge des alphaN-His6 Proteasoms von Thermoplasma acidophilum gezielt zu blockieren. Durch den Abbau von Fluoreszein-markiertem Casein konnte die Aktivität der Proteasomkomplexe in Echtzeit verfolgt werden. Unter Zugabe von tetrakisNTA fand kein Abbau statt, während dieser ohne oder nach Entfernen der tetrakisNTAs von den Eingängen im gleichen Maße detektierbar war. Die Aktivität der Peptidase-Schnittstellen im blockierten Zustand konnte durch die Überschichtung eines nativen Gels mit einem Peptidsubstrat demonstriert werden. Die Ergebnisse belegen, dass die His-Tags an den Eingängen des Proteasomkomplexes so umstrukturiert werden, dass der Eintritt von Proteinen reversibel blockiert wird. Neben der gezielten Manipulation des Proteasoms wurde außerdem erstmals die spezifische Fluoreszenzmarkierung His-getaggter Proteine in kompletten E. coli Zelllysaten mittels nativer PAGE nachgewiesen. Um neue Anwendungsgebiete für das trisNTA zu erschließen, sollte dieses mit einem 1.4 nm großen Goldcluster modifiziert werden. Damit könnte die Position von His-Tags in Proteinkomplexen mittels Elektronenmikroskopie visualisiert werden. Mittels Gelfiltration mit MBP-H6 wurde nachgewiesen, dass die entwickelten Goldcluster teilweise mehr als eine trisNTA-Gruppe auf der Oberfläche hatten, wobei eine Trennung der Partikel nach der Anzahl der NTA-Gruppen nicht möglich war. Die Partikel wurden erfolgreich für die spezifische Markierung des alphaN-His6 Proteasoms verwendet. In der Einzelpartikelanalyse deutlich erkennbar waren der markierte Proteasomkomplex und die Lage des trisNTA-Goldclusters. Die Verwendung solcher Goldpartikel in der EM bringt entscheidende Vorteile im Hinblick auf die Strukturaufklärung von Proteinen mit sich. Orthogonale NTA/His-Tag Bindungspaare, bei denen ein bestimmtes, multivalentes NTA-Molekül einen definierten His-Tag bindet, würden einen großen Nutzen für die spezifische Markierung oder Immobilisierung verschiedener His-getaggter Proteine bringen. Durch die Verwendung teilweise rigider His-Tags und möglichst starrer bisNTAs sollten solche Bindungspaare realisiert werden. Die Synthese rigider bisNTAs mit unterschiedlichen Abständen zwischen den NTA-Gruppen konnte erfolgreich etabliert werden. Allerdings zeigten Fluoreszenztitrationen mit verschieden Fluoreszeinmarkierten His-Peptiden nicht die erhofften Unterschiede in den Affinitäten. Im letzten Teil der Arbeit wurden durch intramolekulare His-Tags inaktive trisNTAs synthetisiert. Diese können durch Licht gespalten und damit aktiviert werden (photoaktivierbare trisNTAs, PAtrisNTAs). Die Verbindungen mit unterschiedlicher Anzahl an Histidinen im intramolekularen Tag wurden systematisch in Lösung und an Oberflächen charakterisiert. Dazu wurden HPLC-Studien, Gelfiltrationen und SPR-Experimente durchgeführt. Die strukturierte Organisation von Proteinen auf solchen lichtaktivierbaren Oberflächen wurde mittels Fluoreszenzmikroskopie demonstriert. Außerdem konnten durch die Laserlithographie gezielt verschiedene His-getaggte Proteine in situ in definierten Bereichen immobilisiert werden. Die Biokompatibilität der Oberflächen wurde erfolgreich durch die strukturierte Organisation aktiver, Virusbindender Rezeptor-Partikel gezeigt. Im Prinzip sollte das Konzept die lichtinduzierte Aufkonzentrierung von His-getaggten Rezeptoren in lebenden Zellen ermöglichen. Durch das Clustern ausgelöste Vorgänge könnten so gezielt herbeigeführt und analysiert werden.
Misregulated receptor tyrosine kinases (RTKs), i.e. the epidermal growth factor receptor EGFR or the insulin-like growth factor receptor 1 (IGF-1R), can be involved in the development of cancer. Monoclonal antibodies specifically inhibit the RTKs in cancer therapy. The scope of this thesis is to investigate the molecular basis of the inhibition through the therapeutic antibodies matuzumab (EMD72000) against EGFR and EMD1159476 against IGF-1R. The 3D crystal structure of matuzumab in complex with the EGFR domain III shows an eptiope connected with a novel inhibition mechanism: a non-competitive, sterical inhibition of receptor acitivation. The anti-IGF-1R targeted monoclonal antibody EMD1159476 shows a reduced binding capacity to the receptor in the presence of ligand indicating a competitive inhibition mechanism. The epitope of EMD1159476 is within domain II of the receptor. The results of these molecular interaction studies are important for the clinical therapies with these monoclonal antibodies. The matuzumab-EGFR complex crystal structure shows that a simultaneous binding of matuzumab and cetuximab (Erbitux) is possible. The latter antibody is already in clinical use. A combination of several therapeutic antibodies in cancer treatment might show synergistic effects and benefits for the patients.