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Study of the effect of the podocyte-specific palladin knockout in mice with a 129 genetic background
(2023)
Worldwide, chronic kidney disease is one of the leading public health problems. Podocytes, highly specialized postmitotic cells in the filtration unit of the kidney glomerulus, are essential for the size selectivity of the filtration barrier. Loss of the complex 3D morphology of their interdigitating foot processes, effacement and detachment of the cells from the capillaries lead to proteinuria and often loss of kidney function.
Since the morphology of podocyte foot processes is highly dependent on an intact actin cytoskeleton and actin-binding proteins, we investigated the role of the actin-binding protein palladin in podocytes from mice with a 129 genetic background, that is more susceptible to kidney injury. PodoPalld129-/- mice were examined at 6 and 12 months of age using immunofluorescence staining, electron and 3D super-resolution microscopy as well as qRT-PCR.
Our analysis of PodoPalld129-/- mice at 6 and 12 months of age showed that podocyte- specific knockout of palladin results in dilation of the capillary tuft accompanied by loss of mesangial cells, indicating the influence of palladin on glomerular tuft formation. Besides, we observed morphological abnormalities such as an enlarged sub-podocyte space, cyst formations and an increased number of cell-cell contacts between podocytes and parietal epithelial cells in PodoPalld129-/- mice compared to controls. Moreover, palladin knockout resulted in downregulation of the slit diaphragm protein nephrin as well as an age-dependent significant increase in podocyte foot process effacement. Although there was a significant change in foot process morphology, we did not detect albuminuria in PodoPalld129-/- mice of both age groups. However, we found an increase of trefoil factor 1 (Tff1) in the urine of the mice, indicating an altered, more permeable filtration barrier.
Considering that palladin has several binding sites for important actin-binding and regulatory proteins, we studied the expression of Lasp-1, Pdlim2, VASP and Klotho in dependence on palladin. We found a remarkable reduction in, for example, phosphorylated Lasp-1 as well as Klotho, which could influence the morphology of podocyte foot processes.
Compared with PodoPalldBL/6-/- mice, PodoPalld129-/- mice showed stronger glomerular tuft dilation and developed podocytes with increased morphological abnormalities, underlining the importance of the genetic background.
In conclusion, these results demonstrate the essential role of palladin for podocyte morphology in mice with a 129 genetic background.
Für eine intakte Filtration des Blutes sind hochspezialisierte Epithelzellen in den Glomeruli der Nieren, die Podozyten, essentiell. Der Verlust oder die Schädigung dieser postmitotischen Epithelzellen bzw. morphologische Veränderungen der komplex geformten Fortsätze dieser Zellen sind die häufigsten Ursachen für den Verlust der Filtrationsfähigkeit der Nieren. Diese besondere 3D-Morphologie der Podozyten hängt entscheidend vom Aktinzytoskelett und von Aktin-bindenden Proteinen ab. Aus der Literatur weiß man, dass das Aktin-bindende Protein Palladin einen entscheidenden Einfluss auf die Nukleation bzw. Polymerisation von Aktinfilamenten ausübt und dass Palladin sowohl die Morphologie als auch die Dynamik von Zellen bestimmt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von Palladin hinsichtlich der Podozytenmorphologie und -funktion in vitro und in vivo erstmals untersucht.
Mittels in vitro Experimenten an kultivierten Podozyten der Maus konnte gezeigt werden, dass ein Knockdown von Palladin zu einer deutlichen Abnahme der Aktinfilamente und kleineren Fokalkontakte führt. Interessanterweise hatte dies aber keinen Einfluss auf die Adhäsionfähigkeit der Podozyten, sogar unter mechanischer Bean¬spruchung. Ferner konnte gezeigt werden, dass Palladin einen entscheidenden Einfluss auf die Expression anderer essentieller Aktin-assoziierter Proteine, wie Synaptopodin und α-Aktinin-4, aufweist.
Dass Palladin eine wichtige Rolle bei der Bildung und Stabilität von Aktinfilamenten spielt, konnte durch die Inkubation von kultivierten Palladin Knockdown-Podozyten mit verschiedenen Inhibitoren der Aktin-Polymerisation gezeigt werden. Die quantitative Auswertung mit Hilfe der Software F_Seg zeigte, dass Palladin Knockdown-Podozyten nach der Inkubation deutlich weniger Aktinfilamente und mehr Aktin-Cluster im Vergleich zu den Kontrollen aufweisen. Der Einsatz eines Migrations-Assays zeigte zudem, dass kultivierte Palladin Knockdown-Podozyten schneller migrieren und vermehrt dynamische Strukturen wie Lamellipodien und sogenannte Ring-Like-Structures (RiLiS) ausbilden.
Um den Einfluss von Palladin auf Podozyten in vivo zu untersuchen, wurden Mäuse generiert, bei denen Palladin spezifisch in den Podozyten ausgeknockt ist. Analysen der Glomeruli-Morphologie dieser Tiere mit Hilfe der Immunfluoreszenz-, Superresolution- und Elektronenmikroskopie (Raster- und Transmissionsmikros-kopie) zeigten eindeutig, dass die glomerulären Kapillaren stark erweitert waren und sich ein stark vergrößerter sub-podozytärer Raum ausgebildet hatte. Ferner waren die für die Filtration des Blutes maßgeblichen Fortsätze der Podozyten stark verbreitert und die Expression des essentiellen Schlitzmembranproteins Nephrin nach dem Knockout von Palladin signifikant reduziert.
Durch den Einsatz eines nephrotoxischen Serums wurde eine Glomerulonephritis induziert, die bei Podozyten-spezifischen Palladin-Knockout Mäusen zu einer stärkeren Schädigung der Glomeruli im Vergleich zu den Kontrolltieren führte. Dies deutet auf eine essentielle Rolle von Palladin für die Morphologie und Funktion der Filtrationsbarriere hin.
Des Weiteren konnte anhand von Nierenbiopsien nachgewiesen werden, dass die Palladin-Expression bei Patienten, die an einer fokal segmentalen Glomerulosklerose bzw. an der diabetischen Nephropathie erkrankt waren, im Vergleich zu den Kontrollnieren deutlich verringert ist.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass Palladin sowohl in vitro als auch in vivo einen entscheidenden Einfluss auf das Aktin-zytoskelett der Podozyten und somit auf die Funktion dieser hochspezialisierten Epithelzelle hat.
In der vorliegenden Studie wurde der Processus styloideus morphologisch und topographisch beschrieben und Zusammenhänge zwischen definierten Parametern dieses Schädelfortsatzes und ausgewählten Schädel- und Weichteilparametern geprüft. Für die Untersuchungen standen 122 DVT-Datensätze von erwachsenen männlichen und weiblichen Probanden zur Verfügung, welche mit Hilfe der NewTom 3G Software vermessen wurden. Mögliche alters- und geschlechtsspezifische Unterschiede wurden berücksichtigt. Die Morphologie des Processus styloideus stellte sich mit Längenmaßen von 8 mm bis 88 mm und anterioren Neigungswinkeln von 17 bis 103 Grad als sehr variationsreich dar. Männliche Probanden wiesen mit einem Mittelwert von 36 mm signifikant längere Processus styloidei auf als weibliche mit 30 mm. Eine Zunahme der Länge des Processus styloideus mit steigendem Alter der Probanden konnte nicht festgestellt werden. Die Ausrichtung des Processus styloideus erwies sich als unabhängig von Alter und Geschlecht. Beide Processus styloidei waren weitgehend bilateral symmetrisch angeordnet. Der Abstand des Proc. styloideus zu den meisten Messpunkten am Kopf stellte sich bei weiblichen Probanden als signifikant kürzer heraus als bei männlichen. Die Beziehungen zwischen den Längenmaßen, Winkelwerten und Abstandswerten des Processus styloideus wurden geprüft und konnten nicht bestätigt werden. Daraus ergibt sich eine von Schädel- und Weichteilparametern unabhängige Variation des Proc. styloideus.
Die vorliegende Studie befasst sich mit dem postnatalen Wachstum der Fossa pterygopalatina (FPP) von Pan troglodytes unter Berücksichtigung des Geschlechtsdimorphismus. Die Untersuchungen erfolgten an 27 Schimpansenschädeln beiderlei Geschlechts, die anhand ihres Dentitionsstatus in drei Altersgruppen eingeteilt wurden. Die Vermessung erfolgte an computertomographischen Schichtaufnahmen. Mit Hilfe der Software WinSurf© 4.0 wurde das Volumen der FPP berechnet und 3D-Rekonstruktionen angefertigt. Darüber hinaus wurden verschiedene lineare Maße der FPP und ihrer Verbindungen vermessen. Um eine Abhängigkeit des Volumens der FPP von der Schädelmorphologie zu untersuchen, wurden zusätzlich verschiedene Längen-, Höhen- und Breitenmaße sowie Winkel der Schädel bestimmt. Es zeigte sich, dass das Volumen der FPP postnatal sowohl bei den männlichen als auch bei den weiblichen Schimpansen zunimmt. Ein signifikanter Unterschied des Volumens wurde sowohl zwischen den infantilen und juvenilen als auch infantilen und adulten Individuen nachgewiesen. Da ein signifikanter Unterschied jedoch nicht zwischen den juvenilen und adulten Schädeln nachgewiesen werden konnte, ist anzunehmen, dass es vor allem innerhalb der Wachstumsphase zum juvenilen Schimpansen zu einer stärkeren Zunahme des Volumens der FPP kommt. Mittels Korrelationsanalysen konnten signifikante Zusammenhänge zwischen verschiedenen äußeren Schädelmaßen und dem Volumen der FPP nachgewiesen werden. Ein Zusammenhang zu den vermessenen Winkeln zeigte sich nicht. Auf der Grundlage des Ergebnisses der Korrelationsanalyse erfolgte die Beschreibung des postnatalen Wachstums des Volumens der FPP unter dem Aspekt des Geschlechtsdimorphismus. Erwartungsgemäß vergrößerte sich das Volumen der FPP im Beobachtungszeitraum, wobei die männlichen Schädel eine stärkere Zunahme zeigten. Bei im infantilen Alter gleich großen Flügelgaumengruben entwickelt sich so später in der Ontogenese ein signifikanter Volumenunterschied zu Gunsten der adulten männlichen Schimpansen. Im Vergleich zum Menschen wies die Fossa pterygopalatina des Pan troglodytes eine Reihe morphologischer Besonderheiten auf. Das Foramen sphenopalatinum lag bei infantilen und juvenilen Schimpansen auf Höhe des Corpus ossis sphenoidalis, wodurch die FPP in diesem Bereich relativ tief war. Im Laufe der Ontogenese verlagert sich das Foramen sphenopalatinum nach kaudal, so dass es bei adulten Schimpansen auf Höhe des Processus pterygoideus ossis sphenoidalis lag und die FPP in diesem Bereich deutlich flacher war als bei Jungtieren. Diese Besonderheit ist wahrscheinlich auf ein zunehmendes kraniokaudales Wachstum des Viszerokraniums zurückzuführen. Bei infantilen und juvenilen Schimpansen zeigten sich multiple Formvarianten des Foramen sphenopalatinum von hochoval, längsoval und rund, wobei bei adulten Schimpansen nur die, vom Menschen bekannte, hochovale Form nachweisbar war. Die am kranialen Pol der FPP liegenden Strukturen wie Foramen rotundum, Fissura orbitalis inferior sowie die Unterkante der Facies orbitalis der Ala major ossis sphenoidalis veränderten in den verschiedenen Altersgruppen ihre Lage zueinander. Bei infantilen Schimpansen lag die Fissura orbitalis inferior am weitesten kaudal. Bei juvenilen Tieren befanden sich alle oben genannten Strukturen auf derselben Höhe, wohingegen das Foramen rotundum bei adulten Schädeln deutlich weiter kranial lag. Diese variable Lage der Strukturen der FPP zueinander erschwerte die Definition einer einheitlichen kranialen Begrenzung der FPP. Die multiplen Öffnungen der FPP in diesem Bereich und die damit fehlende knöcherne Begrenzung erschwerte die Vermessung der FPP am kranialen Pol zusätzlich. Da die vorliegende Arbeit Möglichkeiten zeigt, die FPP unter standardisierten Bedingungen zu vermessen, trägt sie Modellcharakter. Sie gibt erstmals einen tieferen Einblick in die Morphologie und das postnatale Wachstum der FPP des Pan troglodytes unter Berücksichtigung des Geschlechtsdimorphismus. Somit leistet sie einen weiteren Beitrag zum Verständnis des komplexen kraniofazialen Wachstums des Schimpansen und liefert Daten für weitere Studien an der FPP des Menschen und anderer höherer Primaten.
Wie kaum eine andere Spezies weist der moderne Mensch eine außerordentlich große geographische Verbreitung auf. Die damit verbundene notwendige Anpassung an unterschiedlichste geographische Bedingungen führte unter anderem auch zu morphologischen Veränderungen am Schädel. Die Bedeutung geographischer Faktoren für bestimmte Schädelkomponenten wird jedoch sehr unterschiedlich diskutiert. Das trifft insbesondere auch auf die Größe und Form der Nasenhöhle zu. Da die Klärung solcher Zusammenhänge von Bedeutung für verschiedene Fachgebiete wie Anatomie, Physiologie, Forensische Medizin und Anthropologie ist, wurde in dieser Studie die Beziehung zwischen der Morphologie der Nasenhöhle zum Mittelgesicht unter Berücksichtigung klimatischer Faktoren untersucht. Die Untersuchungen der Nasenhöhlen erfolgte an 62 mazerierten adulten Schädeln von vier definierten menschlichen Populationen, die sich in ihrer geographischen Herkunft unterscheiden. Von allen Schädeln wurden zunächst koronare computertomographische Schichtaufnahmen angefertigt. Anschließend wurden an den CT-Schichtaufnahmen lineare Streckenmaße der Nasenhöhle erhoben. Des Weiteren erfolgte die Volumenbestimmung der Nasenhaupthöhle mit Hilfe der WinSurf-Software. Weiterhin erfolgte auch die Vermessung des äußeren Schädels mit linearen Maßen, um Beziehungen zwischen der Nasenhöhle und dem Gesichtsschädel zu untersuchen. Die externen Schädelmaße dienten außerdem der Berechnung des Gesichtsschädelvolumens. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten auf Populationsunterschiede bezüglich der absoluten und relativen Größe des Nasenhöhlenvolumens hin, während das Gesichtsschädelvolumen zwischen den Populationen keine signifikanten Unterschiede aufweist. Die hier beobachteten Populationsunterschiede deuten darauf hin, dass ein Einfluss klimatischer Faktoren auf die Größe der Nasenhöhle nicht ausgeschlossen werden kann. Der von uns verwendete Nasenhöhlen-Gesichtsschädel-Index, der das Verhältnis zwischen dem Volumen der Nasenhöhle und dem Gesichtsschädelvolumen beschreibt, weist zwischen der Population Kyoto und den drei anderen Populationen statistisch signifikante Unterschiede auf. Der Nasenhöhlen-Gesichtsschädel-Index für die Kyoto-Population ist signifikant kleiner als bei den anderen drei Populationen. Unsere Untersuchungen ergaben einen Zusammenhang zwischen dem Nasenhöhlen-Gesichtsschädel-Index und der geographischen Herkunft der Schädel. Im Populationenvergleich konnten wir Größenunterschiede der Nasenhöhle feststellen, während Formunterschiede in Bezug auf die Cavitas nasi zwischen den Populationen nicht zu beobachten sind. Bei der asiatischen Population war ein signifikant höherer unterer Nasengang nachweisbar. Hinsichtlich der Asymmetrie des unteren Nasenganges ließen sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den Populationen erkennen. Es handelt sich bei den von uns betrachteten Populationen um eine fluktuierende Asymmetrie des unteren Nasenganges. Die durchgeführten Korrelations- und Regressionsanalysen erfolgten separat für jede Population. Als besonders aussagekräftiger Parameter der Cavitas nasi ist die Höhe der Nasenhöhle im Bereich des zweiten Molaren im Oberkiefer zu nennen, da dieser Parameter bei allen Populationen viele Korrelationen zu externen Schädelmaßen und dem Gesichtsschädelvolumen aufweist. Das Nasenhöhlenvolumen lässt sich am ehesten aus der Breite der Nasenhöhle ableiten, da für drei der vier Populationen für dieses Merkmalspaar signifikante Korrelationen nachweisbar sind. Obgleich die vorliegende Studie Hinweise auf einen Einfluss des Klimas auf die Variabilität der Morphologie der Nasenhöhle zeigen, ist das Design dieser Studie nicht geeignet, einen direkten Einfluss klimatischer Faktoren zu belegen. Hierfür sind weiterführende Studien notwendig, die auch den komplexen Wechselbeziehungen zwischen den verschiedenen Strukturelementen der Nasenhöhle Rechnung tragen.
Zielsetzung dieser Arbeit war die Herausarbeitung der morphologischen Besonderheiten und wirksamer Faktoren bei der Entwicklung des Sinus maxillaris von Spaltträgern beiderlei Geschlechts im Vergleich zu einer Referenzgruppe von Nichtspaltträgern. Dafür wurde retrospektiv ein heterogenes Spaltkollektiv von 22 Fällen kombinierter Lippen-Kiefer-Gaumen-Defekte, einer Lippen-Kiefer-Spalte und einer isolierten Gaumenspalte untersucht. Durch Altersanpassung wurde das Durchschnittsalter der Spaltgruppe von 9,27 auf 12 Jahre angehoben und so an das der Referenzgruppe (14,44 Jahre) angeglichen. Es wurden 23 Variablen der Schädelbasis und des Gesichtsschädels an eingescannten Fernröntgenseitenbildern und dreidimensionalen Rekonstruktionen von Oberkiefergipsmodellen digital vermessen. Der Mittelwertwertbestimmung, Korrelations- und Regressionsanalyse vorausgehend wurde durch eine Faktorenanalyse auf Basis der Interkorrelationen eine Gruppierung in die topographischen Areale Gaumen und Epipharynx – Sinus maxillaris – Schädelbasisknickung und posteriorer Gesichtschädel erreicht, die unter Hinzunahme weiterer Variablen zu den jeweiligen Faktoren maximale Varianz aufklären konnte. Die signifikant niedrigen Mittelwerte nahezu aller Gaumenmaße am Gipsmodell und FRS geben dabei das Bild eines in anterioposteriorer Richtung verkürzten Schmalkiefers, der durch einen möglicherweise weiter posterioren Einbau den posterior angrenzenden, signifikant verkleinerten Epipharynx einengt. Die signifikant verkürzte Obergesichtshöhe macht das vertikale Entwicklungsdefizit der Spaltmaxilla erkennbar. Zahlreiche korrelative Beziehungen zu Schädelmaßen bei ähnlichem linearen Wachstumsmuster wie in der Referenzgruppe markieren die starke Einbindung des Spaltgaumens in den übrigen Schädel. Die gemessenen Flächen des Sinus maxillaris scheinen sich beim Spaltträger nur hinsichtlich der signifikant geringeren Größe, nicht aber in Bezug auf die Integration in den Schädel zu unterscheiden. Diese ist in beiden Gruppen auf den korrelativen Bezug zur verkleinerten vorderen Schädelbasislänge beschränkt. Auch in der linearen Regressionsanalyse ähnelt das Wachstumsmuster dem der Referenzgruppe. Die gesamte und vordere Schädelbasislänge der Spaltgruppe zeigte sich signifikant, die hintere Schädelbasislänge (Klivuslänge) nichtsignifikant kürzer als die der Referenzgruppe. Es lässt sich kein signifikanter Unterschied hinsichtlich der Abknickung der Schädelbasis Spalt- und Nichtspaltträgern bestätigen. Die im signifikant größeren Basionwinkel ausgedrückte clockwise rotation der Gaumenebene zur Klivusebene als Maß für eine verkürzte hintere Obergesichtshöhe ist möglicherweise bedeutsam für die Ausdehnung und das Wachstum des Sinus maxillaris. Insgesamt erscheint die Schädelbasis sagittal verkürzt, aber ohne Wachstumsdefizite. Die Relationen zu übrigen Schädelstrukturen wie dem Obergesicht, dem Sinus maxillaris und dem Gaumen sind grundsätzlich gegeben. Die mit der Faktorenanalyse gebildeten topographischen Domänen des Gesamtdatensatzes reduzierten sich im Gruppenvergleich auf den nasomaxillären Komplex und damit auf das primär von der Spaltbildung beeinflusste Gebiet. Im Ergebnis der abschließenden Diskriminanzanalyse stellten sich nach Altersanpassung die Schlüsselvariablen Gaumenlänge, Fläche des Sinus maxillaris und des Epipharynx am FRS sowie die zweidimensionale Gaumenbreite auf Höhe des 1. Prämolaren am Gipsmodell als so bedeutend für die Zuordnung Spaltträger/Nichtspaltträger dar, dass sich über sie anhand der Diskriminanzfunktion ein unbekannter Fall eindeutig zuordnen ließe. Zur Überprüfung der in den Falldaten enthaltenen Informationsqualität wurde die vorhergesagte mit der tatsächlichen Gruppenzugehörigkeit verglichen und dabei in der Spaltgruppe keine Abweichung sichtbar. Um zukünftig Aussagen über den Einfluss der einzelnen Spaltformen, Geschlechtsspezifitäten und verschiedener Behandlungskonzepte auf die Ausprägung und Morphologie des Sinus maxillaris in allen Dimensionen sowie den Einfluss der Körpergröße auf die beschriebenen Maße der Schädelbasis und des nasomaxillären Komplexes beim Spaltträger treffen zu können, sollten in longitudinalen Studien unter Verwendung dreidimensionaler bildgebender Verfahren möglichst große Spaltkollektive mit einer altersangepassten Referenzgruppe untersucht werden.