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Cancer-induced pain occurs frequently in patients when tumors or their metastases grow in the proximity of nerves. Although this cancer-induced pain states poses an important therapeutical problem, the underlying pathomechanisms are not understood. Here, we implanted adenocarcinoma, fibrosarcoma and melanoma tumor cells in proximity of the sciatic nerve. All three tumor types caused mechanical hypersensitivity, thermal hyposensitivity and neuronal damage. Surprisingly the onset of the hypersensitivity was independent of physical contact of the nerve with the tumors and did not depend on infiltration of cancer cells in the sciatic nerve. However, macrophages and dendritic cells appeared on the outside of the sciatic nerves with the onset of the hypersensitivity. At the same time point downregulation of perineural tight junction proteins was observed, which was later followed by the appearance of microlesions. Fitting to the changes in the epi-/perineurium, a dramatic decrease of triglycerides and acylcarnitines in the sciatic nerves as well as an altered localization and appearance of epineural adipocytes was seen. In summary, the data show an inflammation at the sciatic nerves as well as an increased perineural and epineural permeability. Thus, interventions aiming to suppress inflammatory processes at the sciatic nerve or preserving peri- and epineural integrity may present new approaches for the treatment of tumor-induced pain.
Identifying co-expression of lipid species is challenging, but indispensable to identify novel therapeutic targets for breast cancer treatment. Lipid metabolism is often dysregulated in cancer cells, and changes in lipid metabolism affect cellular processes such as proliferation, autophagy, and tumor development. In addition to mRNA analysis of sphingolipid metabolizing enzymes, we performed liquid chromatography time-of-flight mass spectrometry analysis in three breast cancer cell lines. These breast cancer cell lines differ in estrogen receptor and G-protein coupled estrogen receptor 1 status. Our data show that sphingolipids and non-sphingolipids are strongly increased in SKBr3 cells. SKBr3 cells are estrogen receptor negative and G-protein coupled estrogen receptor 1 positive. Treatment with G15, a G-protein coupled estrogen receptor 1 antagonist, abolishes the effect of increased sphingolipid and non-sphingolipid levels in SKBr3 cells. In particular, ether lipids are expressed at much higher levels in cancer compared to normal cells and are strongly increased in SKBr3 cells. Our analysis reveals that this is accompanied by increased sphingolipid levels such as ceramide, sphingadiene-ceramide and sphingomyelin. This shows the importance of focusing on more than one lipid class when investigating molecular mechanisms in breast cancer cells. Our analysis allows unbiased screening for different lipid classes leading to identification of co-expression patterns of lipids in the context of breast cancer. Co-expression of different lipid classes could influence tumorigenic potential of breast cancer cells. Identification of co-regulated lipid species is important to achieve improved breast cancer treatment outcome.
Die Aufdeckung krankheitsbedingter Unterschiede und die Identifizierung neuer Biomarker sind essenziell für Diagnose und Behandlung verschiedener Erkrankungen. Unterschiede zwischen Erkrankungen können u.a. durch Analyse des Lipidprofils aufgedeckt werden, da dieses eng mit dem Phänotyp verknüpft ist. Ein unvoreingenommenes Screening gewährt einen umfassenderen Einblick in den metabolischen Zustand als eine gezielte Untersuchung weniger Analyten und kann neue Hypothesen generieren. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Screening-Methode zur untargeted Untersuchung des Lipidoms in biologischen Proben entwickelt. Durch die Kombination aus Umkehrphasenchromatographie und hochauflösender Massenspektrometrie mit datenabhängiger Aufnahme von MS/MS-Spektren konnten in Humanplasma 440 Lipide aus mehr als 15 Lipidklassen identifiziert werden. Die mehrstufige Identifizierung der Analyten, basierend auf der exakten Masse ±5 ppm, der Isotopenverteilung, der MS/MS-Fragmentierungsmuster in beiden Ionisationsmodi sowie der chromatographischen Auftrennung von Isomeren und Isobaren, erfolgte mit hoher Selektivität. Mit der vorgestellten Methode können sowohl Lipidklassen als auch einzelne Lipide relativ zu den internen Standards quantifiziert werden.
Der Probendurchsatz wurde erhöht, um den Einsatz der Methode im Rahmen größerer klinischer Studien zu ermöglichen und vorhandene Ressourcen effizient einzusetzen. Dabei wurden die Inkubationszeiten während der Flüssig-Flüssig-Extraktion mit MTBE:Methanol deutlich reduziert und die Handhabung vereinfacht bei gleichbleibend hoher Wiederfindung. Der hohe Probendurchsatz wird weiter unterstützt durch die kurze chromatographische Laufzeit von 17 min pro Ionisationsmodus. Die Auswertung der Ergebnisse ist der heikelste und zeitintensivste Schritt bei der Entwicklung und Anwendung von Screening-Methoden, deshalb wurde der Arbeitsablauf zur univariaten Analyse durch Entwicklung von R Skripten vereinfacht und beschleunigt.
Die Qualität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sind essenziell. Aus diesem Grund wurde die Qualität der entwickelten Methode, angelehnt an den strikten Vorgaben der FDA und EMA zur Validierung von quantitativen Methoden, sichergestellt, obwohl eine Methodenüberprüfung im Bereich von untargeted Methoden nicht verbreitet ist. Die Reproduzierbarkeit der relativen Lipidkonzentrationen konnte z.B. durch die Messung von Kontrollplasmaproben über einen Zeitraum von 10 Monaten gezeigt werden. Außerdem wurde die Linearität der Verdünnung von Plasmaproben bestätigt und eine Verschleppung in darauffolgende Proben ausgeschlossen. Die Stabilität der Proben muss in jeder Messphase inklusive der Präanalytik durch geeignete Untersuchungen und Maßnahmen sichergestellt werden. Anhand einer Studie zur präanalytischen Stabilität humaner Blutproben konnte ein Protokoll zur Probennahme und -vorbereitung für weitere klinische Studien erarbeitet werden. Die Stabilität des Lipidoms in Vollblut und Plasma konnte durch den Einsatz von Natriumfluorid/Citrat als Antikoagulans verbessert werden. Auch die Stabilität der Proben während der Lipidextraktion und Messung konnte gezeigt werden. Es wurden 16 verschiedene Probenarten analysiert, darunter Plasmaproben, verschiedene Mausgewebe und Zellpellets.
Mit der entwickelten Methode wurden die Unterschiede im Lipidprofil im Plasma und Gewebe von Mäusen mit einer akuten Entzündung durch LPS bzw. Zymosan-Injektion aufgedeckt. Dabei wurden die Ether-Phosphatidylcholine als potenzielle Entzündungsmarker identifiziert. Die entwickelte Methode wurde außerdem erfolgreich im Rahmen anderer Arbeiten für die Untersuchung verschiedener Erkrankungen angewendet.
In der vorliegenden Arbeit wird demnach eine schnelle, reproduzierbare und vor allem selektive LC-MS-Screening-Methode vorgestellt, die Veränderungen des Lipidstoffwechsels aufdecken und potenzielle Biomarker identifizieren kann.
Post-exercise hypotension (PEH) is the phenomenon of lowered blood pressure after a single bout of exercise. Only a fraction of people develops PEH but its occurrence correlates well with long-term effects of sports on blood pressure. Therefore, PEH has been suggested as a suitable predictor for the effectivity of exercise as therapy in hypertension. Local vascular bioactive lipids might play a potential role in this context. We performed a cross-over clinical pilot study with 18 healthy volunteers to investigate the occurrence of PEH after a single short-term endurance exercise. Furthermore, we investigated the plasma lipid profile with focus on arachidonic acid (AA)-derived metabolites as potential biomarkers of PEH. A single bout of ergometer cycling induced a significant PEH in healthy volunteers with the expected high inter-individual variability. Targeted lipid spectrum analysis revealed significant upregulation of several lipids in the direct post-exercise phase. Among these changes, only 15- hydroxyeicosatetranoic acid (HETE) correlated significantly with the extent of PEH but in an AA-independent manner, suggesting that 15-HETE might act as specific PEH-marker. Our data indicate that specific lipid modulation might facilitate the identification of patients who will benefit from exercise activity in hypertension therapy. However, larger trials including hypertonic patients are necessary to verify the clinical value of this hypothesis.
High glucosylceramides and low anandamide contribute to sensory loss and pain in Parkinson's disease
(2020)
Background: Parkinson's disease (PD) causes chronic pain in two‐thirds of patients, in part originating from sensory neuropathies. The aim of the present study was to describe the phenotype of PD‐associated sensory neuropathy and to evaluate its associations with lipid allostasis, the latter motivated by recent genetic studies associating mutations of glucocerebrosidase with PD onset and severity. Glucocerebrosidase catalyzes the metabolism of glucosylceramides.
Methods: We used quantitative sensory tests, pain ratings, and questionnaires and analyzed plasma levels of multiple bioactive lipid species using targeted lipidomic analyses. The study comprised 2 sets of patients and healthy controls: the first 128 Israeli PD patients and 224 young German healthy controls for exploration, the second 50/50 German PD patients and matched healthy controls for deeper analyses.
Results: The data showed a 70% prevalence of PD pain and sensory neuropathies with a predominant phenotype of thermal sensory loss plus mechanical hypersensitivity. Multivariate analyses of lipids revealed major differences between PD patients and healthy controls, mainly originating from glucosylceramides and endocannabinoids. Glucosylceramides were increased, whereas anandamide and lysophosphatidic acid 20:4 were reduced, stronger in patients with ongoing pain and with a linear relationship with pain intensity and sensory losses, particularly for glucosylceramide 18:1 and glucosylceramide 24:1.
Conclusions: Our data suggest that PD‐associated sensory neuropathies and PD pain are in part caused by accumulations of glucosylceramides, raising the intriguing possibility of reducing PD pain and sensory loss by glucocerebrosidase substituting or refolding approaches. © 2020 The Authors. Movement Disorders published by Wiley Periodicals LLC on behalf of International Parkinson and Movement Disorder Society.