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Diffusion of inner membrane proteins is a prerequisite for correct functionality of mitochondria. The complicated structure of tubular, vesicular or flat cristae and their small connections to the inner boundary membrane impose constraints on the mobility of proteins making their diffusion a very complicated process. Therefore we investigate the molecular transport along the main mitochondrial axis using highly accurate computational methods. Diffusion is modeled on a curvilinear surface reproducing the shape of mitochondrial inner membrane (IM). Monte Carlo simulations are carried out for topologies resembling both tubular and lamellar cristae, for a range of physiologically viable crista sizes and densities. Geometrical confinement induces up to several-fold reduction in apparent mobility. IM surface curvature per se generates transient anomalous diffusion (TAD), while finite and stable values of projected diffusion coefficients are recovered in a quasi-normal regime for short- and long-time limits. In both these cases, a simple area-scaling law is found sufficient to explain limiting diffusion coefficients for permeable cristae junctions, while asymmetric reduction of the junction permeability leads to strong but predictable variations in molecular motion rate. A geometry-based model is given as an illustration for the time-dependence of diffusivity when IM has tubular topology. Implications for experimental observations of diffusion along mitochondria using methods of optical microscopy are drawn out: a non-homogenous power law is proposed as a suitable approach to TAD. The data demonstrate that if not taken into account appropriately, geometrical effects lead to significant misinterpretation of molecular mobility measurements in cellular curvilinear membranes.
Spectroscopic responses of the potentiometric probe 2-(4-(dimethylamino)styryl)-1-methylpyridinium iodide (DASPMI) were investigated in living cells by means of a time- and space-correlated single photon counting technique. Spatially resolved fluorescence decays from single mitochondria or only a very few organelles of XTH2 cells exhibited three-exponential decay kinetics. Based on DASPMI photophysics in a variety of solvents, these lifetimes were attributed to the fluorescence from the locally excited state, intramolecular charge transfer state, and twisted intramolecular charge transfer state. A considerable variation in lifetimes among mitochondria of different morphologies and within single cells was evident, corresponding to high physiological variations within single cells. Considerable shortening of the short lifetime component ({tau}1) under a high-membrane-potential condition, such as in the presence of ATP and/or substrate, was similar to quenching and a dramatic decrease of lifetime in polar solvents. Under these conditions {tau}2 and {tau}3 increased with decreasing contribution. Inhibiting respiration by cyanide resulted in a notable increase in the mean lifetime and a decrease in mitochondrial fluorescence. Increased DASPMI fluorescence under conditions that elevate the mitochondrial membrane potential has been attributed to uptake according to Nernst distributions, delocalization of {pi}-electrons, quenching processes of the methyl pyridinium moiety, and restricted torsional dynamics at the mitochondrial inner membrane. Accordingly, determination of anisotropy in DASPMI-stained mitochondria in living cells revealed a dependence of anisotropy on the membrane potential. The direct influence of the local electric field on the transition dipole moment of the probe and its torsional dynamics monitor changes in mitochondrial energy status within living cells.
Was passiert auf molekularer Ebene, wenn der Körper altert? Eine Antwort darauf lautet: Es häufen sich irreparable Schäden an Zellen, an Zellbestandteilen wie den Organellen, der DNA oder Eiweißen und anderen Molekülen. DassFehler passieren, ist unvermeidlich, denn jeder Stoffwechselvorgang birgt eine gewisse Störanfälligkeit in sich. Ein junger Organismus ist dank ausgefeilter Reparatursysteme in der Lage, Fehler zu korrigieren. Nimmt diese Fähigkeit mit dem Altern ab, so treten zwei Arten von Problemen mit besonders weitreichenden Folgen auf: Fehler bei der Replikation (dem Kopieren) der DNA und molekulare Schäden, die freie Radikale anrichten. So können Defekte der DNA einerseits die Entstehung von Tumoren verursachen, andererseits aber auch Alterungsprozesse beschleunigen.
Jetzt, nach Beendigung vieler Jahre der Lehre und Forschung an der Goethe-Universität, kann ich diese Zeit mit einem Abstand überdenken. Der Freiraum für solch nicht zweckgerichtetes Verhalten ist während der praktischen Tätigkeit an der Universität äußerst gering und muss hart erkämpft werden, wie jedes Stück Freiheit. Rückblickend sehe ich, dass der Wunsch, über das Detailwissen hinaus ganzheitliche Zusammenhänge zu betrachten und über die eigene Fachgrenze hinauszugehen, meinen Weg geprägt hat.
Durchblicke im Rückblick : Prof. Jürgen Bereiter-Hahn über 40 Jahre Erfahrungen mit Lichtmikroskopie
(2017)
Ich bin Biologe. Das ist eine Wissenschaft, die sich mit Strukturen beschäftigt und diese sind besonders gut in Bildern darstellbar. Ich achte auch auf den ästhetischen Wert von Bildern, er trägt oft wesentlich zur Verständlichkeit der Aussage bei, besonders in Publikationen. Aber ich bin auch Wort-affin. Es ist mir sehr wichtig, gut zu formulieren. Ich habe auch Philosophie studiert und jetzt arbeite ich mehr in dieser Richtung. Derzeit beschäftige ich mich mit dem Verhältnis von Biologie und Normen. ...
Die Bedeutung des Films als Meßmethode entspricht der Relevanz von Bewegungsvorgängen im Rahmen der wissenschaftlichen Problemstellungen, Die bisherigen Auswertverfahren lassen einen großen Teil der im Film gespeicherten Information unausgenutzt und sind zudem sehr zeitaufwendig, weshalb die Analyse moist unterbleibt. Eino Automatisierung des Auswertvorganges setzt, eine Anpassung von Aufnahmebedingungen und Problemstellung an die spezifischen Eigenschaften des Analyseverfahrens voraus. Verschiedene Stufen der Komplexität von Bewegungsphänomenen werden erläutert im Hinblick auf eine veränderte Betrachtungsweise, wie sie für die Aufbereitung von Problemen zur Bearbeitung durch Bildanalysegeräte erfolgen muß.
High tumor interstitial fluid pressure (TIFP) is a characteristic of most solid tumors. TIFP may hamper adequate uptake of macromolecular therapeutics in tumor tissue. In addition, TIFP generates mechanical forces affecting the tumor cortex, which might influence the growth parameters of tumor cells. This seems likely as, in other tissues (namely, blood vessels or the skin), mechanical stretch is known to trigger proliferation. Therefore, we hypothesize that TIFP-induced stretch modulates proliferation-associated parameters. Solid epithelial tumors (A431 and A549) were grown in Naval Medical Research Institute nude mice, generating a TIFP of about 10 mm Hg (A431) or 5 mm Hg (A549). Tumor drainage of the central cystic area led to a rapid decline of TIFP, together with visible relaxation of the tumor cortex. It was found by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis and Western blot analysis that TIFP lowering yields a decreased phosphorylation of proliferation-associated p44/42 mitogen-activated protein kinase and tumor relaxation. In confirmation, immunohistochemical staining showed a decrease of tumor-associated proliferation marker Ki-67 after TIFP lowering. These data suggest that the mechanical stretch induced by TIFP is a positive modulator of tumor proliferation.
Meeting Abstract Es wurde eine zellbasierte Wundauflage mit Keratinozyten und Fibroblasten auf Basis einer kommerziellen Wundauflage (Matriderm, Collagen/Elastin-Matrix) generiert, um damit großflächige Verbrennungswunden behandeln zu können. Zunächst wurde die Expansion der Keratinozyten optimiert und die Zeit für die Anzüchtung minimiert. Ausgangsmaterial waren 1–2 cm2 Spalthaut vom Patienten. Epidermis und Dermis wurden nach einer enzymatischen Behandlung mit Thermolysin voneinander getrennt. Aus den beiden Hautkompartimenten wurden durch Trypsin- und Kollagenase I-Behandlung Keratinozyten und Fibroblasten isoliert, welche in Kollagen I-beschichteten Zellkulturflaschen expandiert wurden. Nach 10 Tagen wurden die Fibroblasten auf 100 cm2 Matriderm aufgebracht. Nach einwöchiger submerser Kultivierung wurden die Keratinozyten ausgesät. Eine Woche später wurde die Matrix an die Luft-Flüssigkeitsgrenze angehoben, um die epidermale Differenzierung einzuleiten. Nach 16 Tagen wurde das Hautäquivalent fixiert und immunhistologisch sowie elektronen-mikroskopisch begutachtet. Die Histologie zeigte eine regelgerechte Stratifizierung des epidermalen Anteils. Immunhistologisch ließ sich eine Basalmembran mit Collagen IV und Laminin 5 nachweisen. Proliferative Zellen, nachgewiesen mit KI-67 befanden sich lediglich in der basalen Region der Epidermis. Desmoglein, sowie die Differenzierungsmarker Involucrin und CK 10 wurden suprabasal nachgewiesen. Elektronenmikroskopisch waren die Basalmembran sowie die Zell-Zell-Verbindungen in Form von Desmosmen zu erkennen. Späte Differenzierungsmerkmale, wie granuläre Strukturen und verdickte Zellmembranen, fanden sich im Str. granulosum und Str. corneum. Die Studie zeigt, dass man aus Matriderm eine zellbasierte Wundauflage herstellen kann, die verglichen mit dem Ausgangsmaterial um den Faktor 50–100 vergrößert ist und deren Aufbau normaler Haut weitgehend entspricht.
Elevated tumor interstitial fluid pressure (TIFP) is a characteristic of most solid tumors. Clinically, TIFP may hamper the uptake of chemotherapeutic drugs into the tumor tissue reducing their therapeutic efficacy. In this study, a means of modulating TIFP to increase the flux of macromolecules into tumor tissue is presented, which is based on the rationale that elevated plasma colloid osmotic pressure (COP) pulls water from tumor interstitium lowering the TIFP. Concentrated human serum albumin: (20% HSA), used as an agent to enhance COP, reduced the TIFP time-dependently from 8 to 2 mm Hg in human tumor xenograft models bearing A431 epidermoid vulva carcinomas. To evaluate whether this reduction facilitates the uptake of macromolecules, the intratumoral distribution of fluorescently conjugated dextrans (2.5 mg/ml) and cetuximab (2.0 mg/ml) was probed using novel time domain nearinfrared fluorescence imaging. This method permitted discrimination and semiquantification of tumor-accumulated conjugate from background and unspecific probe fluorescence. The coadministration of 20% HSA together with either dextrans or cetuximab was found to lower the TIFP significantly and increase the concentration of the substances within the tumor tissue in comparison to control tumors. Furthermore, combined administration of 20%HSA plus cetuximab reduced the tumor growth significantly in comparison to standard cetuximab treatment. These data demonstrate that increased COP lowers the TIFP within hours and increases the uptake of therapeutic macromolecules into the tumor interstitium leading to reduced tumor growth. This model represents a novel approach to facilitate the delivery of therapeutics into tumor tissue, particularly monoclonal antibodies.
Elevated tumor interstitial fluid pressure (TIFP) is a prominent feature of solid tumors and hampers the transmigration of therapeutic macromolecules, for example, large monoclonal antibodies, from tumor-supplying vessels into the tumor interstitium. TIFP values of up to 40 mm Hg have been measured in experimental solid tumors using two conventional invasive techniques: the wick-in-needle and the micropuncture technique. We propose a novel noninvasive method of determining TIFP via ultrasonic investigation with scanning acoustic microscopy at 30-MHz frequency. In our experimental setup, we observed for the impedance fluctuations in the outer tumor hull of A431-vulva carcinoma–derived tumor xenograft mice. The gain dependence of signal strength was quantified, and the relaxation of tissue was calibrated with simultaneous hydrostatic pressure measurements. Signal patterns from the acoustical images were translated into TIFP curves, and a putative saturation effect was found for tumor pressures larger than 3 mm Hg. This is the first noninvasive approach to determine TIFP values in tumors. This technique can provide a potentially promising noninvasive assessment of TIFP and, therefore, can be used to determine the TIFP before treatment approach as well to measure therapeutic efficacy highlighted by lowered TFP values.
