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Until today, more than 17% of the population in Mecklenburg Western-Pomerania suffer from chronic kidney disease (CKD) which was revealed by the SHIP study (Study of Health in Pomerania). 20% of CKD cases can be traced back to glomerulopathies. One common characteristic of glomerulopathies is the morphologic change of the glomerular filtration barrier which consists of endothelial cells, the glomerular basement membrane and podocytes. Under healthy conditions, the foot processes of the podocytes interdigitate with the foot processes of the neighboring podocytes with a filtration slit in between. Apart from the slit membrane protein nephrin, typical adherens junction proteins like occludin or JAM-A are also expressed at this cell-cell junction. This junction is therefore considered to be a specialized type of adherens junction, necessary to maintain the size-selectivity of the filtration barrier. During podocyte injury, podocyte foot processes lose their characteristic morphology and the typical meandering filtration slit becomes linearized, a process which is described as foot process effacement.
Since morphological change is directly linked to change or loss of function, ultrastructural analysis of the foot processes is necessary for diagnostics and research. By using 3D-structured illumination microscopy (3D-SIM), we quantified these morphological changes as well as studied a possible biomarker, the tight junction protein claudin 5 (CLDN5). Our study showed a spatially restricted up-regulation of CLDN5 in effaced filtration slit areas in biopsies of patients suffering from minimal change disease (MCD), focal and segmental glomerulosclerosis (FSGS) as well as in mice after NTS injection and in the uninephrectomy DOCA-salt mouse model. CLDN5/nephrin ratios of biopsies from patients with glomerulopathies and of tissue received from NTS-treated mice were significantly higher compared to controls. We found that in patients the CLDN5/nephrin ratios were negatively correlated with the filtration slit density. Since CLDN5 up-regulation was observed in several areas of high filtration slit density, we hypothesized that CDLN5 upregulation preceded visible foot process effacement. Taken together, we suggest that CLDN5 could be a helpful biomarker to identify an early change of the foot process morphology in addition to filtration slit density measurement. Additionally, correlation analysis of foot process effacement with patient data showed a significant negative correlation of the filtration slit density with proteinuria in MCD patients.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden zur Beantwortung der Forschungsfrage 1 Lagerungsversuche durchgeführt. Diese zeigten, dass bei einem Lagerungszeitraum von bis zu sieben Tagen die Intensität aller gefärbten Strukturen mit der Zeit abnahm. Die Abnahme der Intensität war bei den meisten angefärbten Strukturen bereits ab dem ersten Lagerungstag zu beobachten. Zudem zeigte sich, dass Thrombospondin nur mit EDTA-antikoaguliertem Blut darstellbar war. Mit Hilfe dieser Arbeit konnte aber nicht nur die Abnahme der Intensität über den Lagerungszeitraum nachgewiesen werden, sondern auch, dass es innerhalb des Lagerungszeitraum zu Veränderungen der Strukturverteilung der angefärbten Strukturen kam. Filamin A und NMMIIA lagen an Tag 0 fixiert und gefärbt noch diffus verteilt im Thrombozyten vor und stellten sich im Anschluss ab dem ersten Lagerungstag vermehrt als eine Ringstruktur dar. Veränderungen der Struktur über den Lagerungszeitraum fand sich ebenso bei ß1-Tubulin. Alle weiteren Strukturen blieben über den gelagerten Zeitraum unverändert.
Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Arbeit Blutausstriche nach ihrer Intensität und Struktur beurteilt, die an Tag 0 fixiert wurden und im Anschluss fixiert bis Tag 7 gelagert wurden. Erst nach der fixierten Lagerung bis zu dem entsprechenden Lagerungstag wurden die Blutausstriche gefärbt. Bei dieser Methode, der an Tag 0 fixierten Blutausstriche, zeigte sich eine stärkere Intensität der angefärbten Strukturen, als wenn sie unfixiert gelagert wurden.
Zur Beantwortung der Forschungsfrage 2 wurde im zweiten Teil dieser Arbeit die Visualisierung der Signalkaskade mit Hilfe von phosphorylierten Kinasen und der Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Durch die Anfärbung der phosphorylierten Kinasen in der Fluoreszenzmikroskopie konnte keine ausreichende Sensitivität und Spezifität erreicht werden und wurde aus diesem Grund nicht weiterverfolgt. Der parallele Ansatz mit der Durchflusszytometrie zeigte hingegen erfolgreiche Ergebnisse. Mit Hilfe von Zeitreihen konnte der optimale Zeitpunkt der Inkubation mit den Induktoren vor der duchflusszytometrischen Untersuchung bestimmt werden. Dieser lag bei drei Minuten. Durch die Verwendung verschiedener Induktoren konnte eine Phosphorylierung der SRC-, SYK- und AKT1/2/3-Kinasen gezeigt werden. Bei der SRC-Kinase eigneten sich besonders TRAP-6, U46619 und Kollagen als potente Induktoren. Bei der SYK-Kinase waren es U46619, TRAP-6, Convulxin und ADP. Zusätzlich zeigte die SYK-Kinase in der Negativkontrolle die geringste Hintergrund-Phosphorylierung. Zur niedrigsten nachweisbaren Phosphorylierung kam es bei der AKT1/2/3-Kinase. Eine Induktion mit TRAP-6 zeigte dabei die für AKT1/2/3 stärkste Phosphorylierung. Durchflusszytometrisch war somit eine gute Darstellung der Phosphorylierung der verwendeten drei Kinasen durch kleinsten Blutmengen möglich.
Für die gezielten Inhibitionsversuche dieser Arbeit wurde unter anderem die Medikamentenfamilie der Sartane zur GPVI-Rezeptorinhibition verwendet. Es zeigte sich, dass besonders bei der Induktion mit U46619 und Verwendung eines Vertreters der Familie der Sartane bei allen drei Kinasen die Phosphorylierung der Kinase deutlich gesenkt werden konnte. Die Phosphorylierung lag durch die Inkubation (1 min) mit einem Sartan auf dem Niveau der Negativkontrolle. Bei Induktion mit Convulxin und Verwendung von Losartan steigerte sich hingegen die Phosphorylierung bei allen drei Kinasen. Bei durchflusszytometrischer Untersuchung von Patientenblut, bei in vivo-Einnahme von Telmisartan, konnte im Vergleich mit drei gesunden Spendern gezeigt werden, dass die Phosphorylierung der SRC-Kinase bei Convulxin und Kollagen deutlich reduziert ist. In der Aggregometrie nach Born konnte bei allen verwendeten Sartanen eine Reduktion der Thrombozytenaggregation nachgewiesen werden.
Die weiteren Versuche mit dem PAR4-Rezeptorblocker Vorapaxar, zeigte im Durchflusszytometer bei der AKT1/2/3-Kinase keine Reduktion. Stattdessen konnte hier in der höchsten verwendeten Konzentration, sogar eine Zunahme der Phosphorylierung beobachtet werden. In der parallel durchgeführten Aggregometrie nach Born zeigte sich hingegen eine komplette Hemmung der Thrombozytenaggregation.
Um festzustellen, ob Proben für die Untersuchungen mit dem Durchflusszytometer versendet werden können, wurden in einem letzten Schritt erneut Lagerungsversuche durchgeführt. Durch die verwendeten Lagerungszeiträume sollte die Dauer, die durch den Transport bei einer Zentralisierung zustande kommt, imitiert werden. In dem durchgeführten Untersuchungsansatz war eine Lagerung über den Tag 0 nicht möglich. Zu einem späteren Zeitpunkt waren nur noch wenige bis keine Thrombozyten nachweisbar.
The respiratory epithelium acts as both, a barrier of the respiratory tract to Nipah virus (NiV) entry and at the same time as a significant determinant of virus shedding. Both, for humans and pigs, replication in the respiratory tract epithelia is considered a major factor in transmission to other hosts. To understand why the virus constitutes a high-risk pathogen for livestock and humans, knowledge about
viral replication and host responses in relevant cells and tissues is crucial. Most in vitro studies, however, have been performed in conventional cell lines or non-differentiated lung cells. Only a few examples exist where Henipavirus infections have been investigated in fully-differentiated lung
epithelial cell models.
Thus, one aim of this thesis was to investigate infection, replication, spread and host protein dynamics of NiV in primary bronchial epithelial cells (BEC) cultivated at the air-liquid-interphase (ALI). By
immunofluorescence imaging, the NiV infection dynamics in BEC-ALI cultures were monitored over a 12 day time course, in order to provide detailed information about the infection process in the
respiratory epithelium of pigs and ferrets. Compared to undifferentiated primary BEC, the specific infectivity of NiV in BEC-ALI cultures was low. Infections remained focal and complete infection of the
cultures was not observed, even at 12 dpi. Analysis of viral titers and viral mRNA indicated a limited
virion release from the infected ALI-cultures while most of the newly synthesized NiV-RNA remained
cell associated. Immunofluorescence analysis of cross sections from infected ALI-cultures revealed
large infected areas that exhibited a strong cytopathic effect (CPE). Disruption of the epithelium
resulted in apical release of virus antigen-positive cell detritus while ciliated areas and basal cells were
less affected. From these data it was concluded, that NiV transmission could be supported by
exhalation of cell debris associated NiV and thus may contribute to rapid spread of infection in swine
populations.
A second aim was to explore the dynamics of host responses to NiV infection in differentiated BEC-ALI
culture and to assess whether this differs to conventional cell line data available from literature. Even
though strong CPE appeared in later phases of NiV infection, at least the porcine PBEC-ALI cultures
remained robust enough to allow protein sampling over 12 days infection course. Subsequent MS-based proteomics enabled unprecedent insight in complex cell culture response upon NiV infection.
Previous reports indicated a lack of efficient interferon type I induction in non-differentiated pig or
human BEC which were considered a prerequisite for efficient replication in the respiratory epithelium
and virusspread. In contrast to non-differentiated pig BEC (PBEC), in PBEC-ALI cultures multiple factors
involved in interferon responses were upregulated upon NiV infection. Thereby it was demonstrated
that NiV infection induced a robust innate immune response upon infection with elevated components of antigen processing and presentation resulting in the conversion from the constitutive proteasome to the immunoproteasome. In contrast to previous reports about NiV-infected non-differentiated
PBEC or endothelial cells, incomplete immunoproteasome formation and limitations in interferon
response could be excluded. Thus, a model is proposed in which NiV infection and spread in differentiated PBECs is slowed by potent innate immune responses to the virus infection. Overall, the
findings highlight the important role of the respiratory epithelium not only as a physical barrier to virus
infections but also indicate itsrole as a primary site of adaptive immune induction through NiV induced
antigen processing and MHC I presentation.
Finally, to allow functional studies of Henipaviruses at the BSL-2 biosafety level a recombinant CedPV
was generated and rescued. An imaging based screening and quantitative analysis pipeline was established to investigate the role of cellular factors and to screen for potential virus and host gene
directed inhibitory factors. Accordingly, different host and viral genes were targeted with a siRNA-pool
either targeting virus or selected cellular mRNAs followed by the infection with the CedPV and the
quantification of infected cells. With proof of concept of the siRNA screening pipeline, the recombinant
CedPV clone was used as a backbone to insert variousfluorescence reporter genesin order to optimize
the analysis workflow by allowing direct virus quantification in live, unstained samples. Consequently,
this thesis provides a valuable proof for future approaches related to the function of virus proteins,
influence of host-factors and virusreplication and Henipavirus-inhibitorscreens at low biosafety levels.
Technological advances in light microscopy have always gone hand in hand with unprecedented biological insight. For microbiology, light microscopy even played a founding role in the conception of the entire discipline. The ability to observe pathogens that would otherwise evade human observation makes it a critical necessity and an indispensable tool to infectious disease research. Thus, the aim of this thesis was to optimize, extend, and functionally apply advanced light microscopy techniques to elucidate spatio-temporal and spatio-morphological components of bacterial and viral infection in vitro and in vivo.
Pathogens are in a constant arms race with the host’s immune system. By finding ways to circumvent host-mediated immune responses, they try to evade elimination and facilitate their own propagation. The first study (publication I) demonstrated that the obligate intracellular pathogen Coxiella burnetii is not just able to infect natural killer (NK) cells, but is actually capable of surviving the harsh degradative conditions in the cytotoxic lymphocyte’s granules. Using live-cell imaging of reporter-expressing Coxiella burnetii, the transient NK cell passage was closely monitored to provide detailed spatio-temporal information on this dynamic process in support of a range of static analyses. Bacterial release from NK cells was pinpointed to a time frame between 24 to 48 hours post-infection and the duration of release to about 15 minutes.
The second approach (publications II-V) aimed at shedding light on the greater spatio-morphological context of virus infection. Thus far, most studies investigating the distribution or tropism of viruses in vivo have used conventional immunohistochemistry in thin sections. Omitting the native spatial context of the infection site in vivo inherently bears the risk of incomplete description. While the microscopic tools and sample preparation protocols needed for volumetric 3D immunofluorescence imaging have recently been made available, they had not gained a foothold in virus research yet. An integral part of this thesis was concerned with the assessment and optimization of available tissue optical clearing protocols to develop an immunofluorescence-compatible 3D imaging pipeline for the investigation of virus infection inside its intact spatio-morphological environment (publication II). This formed the basis for all subsequent volumetric analyses of virus infection in vivo presented here. Consequently, this thesis provided a valuable proof of concept and blueprints for future virus research on the mesoscopic scale of host-pathogen interactions in vivo (publications II-V), using rabies virus (RABV; publications II-IV) and the newly-emerged severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2; publication V) as infection models for the nervous system and the respiratory tract, respectively.
Applying and further improving this volumetric 3D imaging workflow enabled unprecedented insights into the comprehensive in vivo cell tropism of RABV in the central (CNS) (publication III) and peripheral nervous system (PNS) (publication IV). Accordingly, differential infection of CNS-resident astrocytes by pathogenic and lab-attenuated RABV was demonstrated (publication III). While either virus variant showed equal capacity to infect neurons, as demonstrated by quantitative image analysis, only pathogenic field RABVs were able to establish non-abortive infection of astrocytes via the natural intramuscular inoculation route. A combined 3D LSFM-CLSM workflow further identified peripheral Schwann cells as a relevant target cell population of pathogenic RABV in the PNS (publication IV). This suggested that non-abortive infection of central and peripheral neuroglia by pathogenic RABV impairs their immunomodulatory function and thus represents a key step in RABV pathogenesis, which may contribute significantly to the establishment of lethal rabies disease.
Finally, utilizing the full volumetric acquisition power of LSFM, a further refined version of the established 3D imaging pipeline facilitated a detailed mesoscopic investigation of the distribution of SARS-CoV-2 in the respiratory tract of the ferret animal model (publication V). Particularly for this newly-emerged pathogen of global concern, in-depth knowledge of host-pathogen interactions is critical. By preserving the complete spatio-morphological context of virus infection in the ferret respiratory tract, this thesis provided the first specific 3D reconstruction of SARS-CoV-2 infection and the first report of 3D visualization of respiratory virus infection in nasal turbinates altogether. 3D object segmentation of SARS-CoV-2 infection in large tissue volumes identified and emphasized a distinct oligofocal infection pattern in the upper respiratory tract (URT) of ferrets. Furthermore, it corroborated a preferential replication of SARS-CoV-2 in the ferret URT, as only debris-associated virus antigen was detected in the lower respiratory tract of ferrets, thus providing crucial information on the spatial distribution of SARS-CoV-2.
Podozyten, die hochspezialisierten viszeralen Epithelzellen des Glomerulus, bedecken die Außenseite der glomerulären Kapillaren und sind für die Filtration des Blutes in der Niere essentiell. Eine Schädigung der Podozyten geht mit dem Verlust ihrer komplexen dreidimensionalen Struktur, dem sogenannten Fußfortsatz-Effacement einher. Effacement und Detachment, das Ablösen der Podozyten von der glomerulären Basalmembran, führen zur Ausscheidung von hochmolekularen Proteinen mit dem Urin und in vielen Fällen zu einer nicht heilbaren chronischen Nierenerkrankung (CKD). In der Vergangenheit wurde anhand von Zellkulturstudien und Versuchen an Ratten und Mäusen die These aufgestellt, dass Podozyten entlang der glomerulären Basalmembran wandern können. Da diese Experimente jedoch bisher nicht eindeutig belegen konnten, dass es sich bei den beobachteten Zellen tatsächlich um vollständig differenzierte Podozyten handelte und diese Fragestellung für das Verständnis der Pathogenese chronischer Nierenerkrankungen und damit für die Entwicklung neuer Therapieverfahren von wesentlicher Bedeutung ist, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren entwickelt, Fluoreszenz-markierte Podozyten in vivo in lebenden Zebrafischlarven zu beobachten. Dazu wurde zunächst durch Kreuzung ein transgener Zebrafischstamm generiert, dessen Larven vollständig transparent sind und das grün-fluoreszierende Protein unter Kontrolle des wt1a-Promoters in Podozyten exprimieren. Mit der 2-Photonenmikroskopie konnten nun in Langzeitaufnahmen einzelne Podozyten in fünf bis sechs Tage alten Zebrafischlarven beobachtet werden. Hierbei zeigte sich eindeutig, dass Podozyten über Zeiträume von bis zu 23 Stunden nicht wandern. Da mit dieser Technik auch einzelne Primärfortsätze der Podozyten beobachtet werden können, konnte erstmals gezeigt werden, dass sich auch diese nicht signifikant innerhalb eines Beobachtungszeitraums von bis zu 23 Stunden bewegten. Als Nachweis, dass mit dieser Beobachtungsmethode dynamische Podozyten nachgewiesen werden können, wurde die Bewegung einzelner Zellen während der Bildung des Glomerulus über einen Zeitraum von 3 Tagen verfolgt. Um ferner auszuschließen, dass Podozytenfortsätze sehr schnelle, oszillierende Bewegungen vollführen, wurden einzelne Podozyten in sehr kurzen Intervallen aufgenommen und das Bewegungsmuster analysiert. Auch hier zeigten sich keine dynamischen Eigenschaften der Podozyten im lebenden Organismus. Somit kann davon ausgegangen werden, dass Podozyten unter physiologischen Bedingungen in lebenden Zebrafischlarven kein dynamisches Verhalten zeigen, sondern als statische Zellen anzusehen sind.
Die Magnetresonanztomografie (MRT) gilt als etabliertes Verfahren zur Darstellung anatomischer Strukturen und Pathologien des Auges und der Orbita. Durch eine stetige Erhöhung der Feldstärke von zunächst 1 Tesla (T) auf 1,5T und 3T und die Verwendung kleiner Oberflächenspulen war es möglich die Untersuchungszeiten zu reduzieren und die räumliche Auflösung deutlich zu verbessern. Mit der Einführung von Ultra-Hochfeld-Geräten mit einer Feldstärke von 7T ergeben sich neue Möglichkeiten der Bildgebung, insbesondere kleiner Strukturen des menschlichen Körpers wie dem Auge. Die Darstellung im Submillimeterbereich wird auch als MR-Mikroskopie bezeichnet. Alle Untersuchungen sind an einem 7.1T Kleintier-MRT der Firma Bruker (Clinscan, Bruker Biospin GmbH, Ettlingen, Deutschland) unter Verwendung kleiner Oberflächenspulen durchgeführt worden. Um die MR-Mikroskopie für das Auge zu nutzen wurden zunächst ex vivo Untersuchungen an Schweineaugen durchgeführt um die einzelnen Sequenzparameter Echozeit (TE), Relaxationszeit (TR), Bandbreite (Bw) und Matrix systematisch zu optimieren. Als Ziel wurde ein möglichst hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) der einzelnen Strukturen des Bulbus verwendet. Es zeigte sich, dass eine optimale Untersuchungssequenz immer ein Kompromiss aus maximal zu erreichender Auflösung und Messzeit ist. Als optimale Parameter für eine T2-gewichtete Sequenz ergaben sich eine TE-Zeit von ca. 25 ms und eine TR-Zeit von 4500 ms, bei möglichst kleinem FOV und großer Matrix. Im Anschluss wurde die Methode zur Untersuchung verschiedener intraokularer Implantate wie eines Glaukomstents und verschiedener Linsenersatzverfahren im Rahmen der experimentellen ophthalmologischen Chirurgie zunächst ex vivo und dann in vivo im Kaninchenmodell etabliert. Es konnte gezeigt werden, dass eine Darstellung eines Glaukomstents sowohl ex als auch in vivo im Submillimeterbereich verzerrungsfrei möglich ist. Der Fluss über den Stent konnte indirekt nachgewiesen werden, eine Quantifizierung gelang nicht. Auch die Darstellung verschiedener Linsenersatzverfahren wie die Einbringung eines künstlichen Polymers in den Kapselsack oder die Implantation unterschiedlicher künstlicher Intraokularlinsen war möglich. Der ausgeprägte Chemical Shift Artefakt konnte durch eine Variation der Bandbreite verringert werden. Die verzerrungsfreie und hochauflösende Darstellung der Linse gelingt sowohl vor als auch nach chirurgischer Intervention und ermöglicht somit eine exakte OP-Planung sowie eine hervorragende Kontrolle des Ergebnisses. Es wurden verschiedene humane Augen ex vivo mit unterschiedlichen pathologischen Raumforderungen nach klinisch indizierter Enukleation im Ultra-Hochfeld untersucht. Die Raumforderungen konnten so hochauflösend dargestellt werden, dass eine Beurteilung der Binnenstruktur, der exakten Ausdehnung und auf Grund des unterschiedlichen Signalverhaltens auch die Infiltration der umgebenden Strukturen möglich war. Es zeigte sich eine hervorragende Korrelation mit den anschließend angefertigten histologischen Präparaten. Die gewonnen Ergebnisse konnten auf ein humanes in vivo-Modell übertragen werden. Erste Ergebnisse wurden bereits als Poster auf dem ISMRM 2013 veröffentlicht.