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Numerous signalling pathways orchestrate the development, the functions, and the survival of cells, mostly in response to external stimuli. An overwhelming amount of data supports the concept of specific, spatio-temporal redox signalling pathways that affect the redox state of protein cysteinyl side chains and thus the biological function of these proteins. Glutaredoxins (Grxs) and thioredoxins (Trxs) catalyse reversible thiol-disulphide exchange reactions. The cytosolic Grx2 isoform Grx2c is essential for brain development and axonal outgrowth. A reversible dithiol-disulphide switch of CRMP2 has been identified as one of the major targets regulated by Grx2c. This CRMP2 redox switch is toggled in neuronal differentiation. Reduction of CRMP2 thiols induces profound conformational changes, modifying interactions and downstream elements of this redox switch. In [article I] and [manuscript V], we identified the Cys504 of CRMP2 to be the redox regulated residue. We used various in vitro assays with recombinant protein and molecular dynamics simulations to characterise the conformational change. The changes involve the solvent accessible surface area of at least one known phosphorylation site at the C-terminus of the protein. In [article III], we analysed the function of Grx2 and Trx1 in a model for perinatal asphyxia. Trx family proteins exhibit a very complex, cell-type and tissue specific expression pattern following hypoxia/ischemia and reoxygenation, especially Trx1 and Grx2. The results imply the clinical relevance for both proteins in perinatal asphyxia as well as many other neurological disorders. In agreement with the results presented in [articleI], Grx2 may be required for the re-establishment of neuronal integrity and connectivity. Cell shape, all forms of intracellular transport, and cell movement depend on the cytoskeleton, particularly on the fine tuned complex regulation of the dynamic re-arrangement of actin filaments and microtubules. In [article IV], we discuss the redox regulation of this dynamic cytoskeletal remodelling. Taking recent discoveries into account, we focus on redox signalling mechanisms, e.g. reversible thiol and methionyl switches. These switches are specifically controlled by enzymes such as Trx1 and Grx2c, for instance, and not the result of random modification by unspecific oxidants. Methionyl sulphoxidation of actin can be reversed by methionyl sulphoxide reductase (MsrA), promoting actin polymerisation. Human cells express two different Msr enzymes (MsrA and MsrB), that can reduce S- and R-methionyl sulphoxide, respectively. In the gram-positive Streptococcus pneumoniae, on the other hand, both Msr genes and thus enzymes were fused during evolution. In [article II], we characterised the surface-exposed thioredoxin family lipoproteins Etrx1 and 2 and regulators of this Msr (SpMsrAB). A loss of function of both Etrx proteins or SpMsrAB dramatically reduced pneumococcal virulence, enhanced the bacterial uptake by macrophages, and accelerated pneumococcal killing by H2O2 or free methionine sulphoxide. Identification and characterisation of components of this redox regulated system may contribute to the design of new antimicrobials. In [manuscript VI], we investigated the effects of Grx2c expression on cell morphology, migration, and invasion behaviour of cancer cells. Grx2c expressing cancer cells developed dramatic changes in phenotype, including alterations in cytoskeletal dynamics and significantly increased motility and invasiveness. We used quantitative proteomics and phopshoproteomic approaches to characterise the underlying mechanisms. Proteins and pathways regulating cytoskeletal dynamics, cell adhesion, and receptor-mediated signal transduction were detected to be specifically altered. We started a clinical pilot study with patients suffering from clear cell renal cell carcinoma (ccRCC). Grx2c was expressed with significantly higher frequency in ccRCC compared to healthy kidney tissue, associated with a strong trend for locally more advanced tumour stages and a clear tendency for a decreased cancer-specific survival, compared to patients without detectable Grx2c. These results were supported by data from "The Cancer Genome Atlas". In synopsis, the results presented and discussed in these articles and manuscripts, support the concept of specific redox signalling in different models and model organisms. They also demonstrate the importance of the specific redox control of signalling pathways that, in the case of errors or misinterpretations, contribute to pathophysiological alterations. The regulation of the CRMP2 redox switch by Grx2c, for instance, is physiologically essential for brain development, but might lead to cancer progression, if "switched on" in adult tissue. Identification of further interaction partners as well as the development of compounds modulating this redox switch and CRMP2s conformations, will be part of our future research.
Die postoperative Sepsis als fatale Komplikation mit potentiell tödlichem Ausgang kam in der Vergangenheit in den USA bei 0,9% aller durchgeführten Operationen vor, mit steigender Tendenz. Die Mortalität der Sepsis oder schweren Sepsis lag in Deutschland bei ca. 50%. Die postoperative Immunsuppression als Risikofaktor für das Entwickeln einer Sepsis spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Da mit ansteigender Operationsdauer sowie Intensität einer Bauchoperation ein verschlechtertes Outcome in der Sepsis gezeigt werden konnte [88], wurde eine postoperative Immunsuppression postuliert. Um dieses Phänomen der Grundlagenforschung zugänglich zu machen, wurde ein Mausmodell entwickelt, dass nach Laparotomie eine Ileus-Dekompressionsoperation nachbildet.
Der Nervus Vagus als elementarer Bestandteil des Cholinergen Anti-inflammatorischen Signalwegs (CAP) wurde in der Vergangenheit ausführlich untersucht und sein Potential in diesem Zusammenhang aufgezeigt. Zur weiteren Charakterisierung der postoperativen Immunsuppression wurde die SID-Operation mit einer subdiaphragmalen Vagotomie kombiniert und erstmalig die hierdurch aufgetretenen Veränderungen auf Zellebene charakterisiert. So konnte gezeigt werden, dass die SID-Operation zu einem massiven Einstrom von Zellen des angeborenen Immunsystems in die Darmwand 24 Stunden nach Intervention führte, in vergleichbarem Ausmaß wie nach Induktion einer abdominellen Sepsis. Ebenfalls war eine Migration von B- und T-Lymphozyten in geringerem Ausmaß zu beobachten. In der späten Phase 5 Tage nach Intervention wurde eine erhöhte Zellzahl des adaptiven Immunsystems in der Darmwand nachgewiesen. Die SID-Operation führt somit zu einer prolongierten Immunantwort, welche sehr ausgeprägt die Zellen des angeborenen und adaptiven Immunsystems einbindet. Die subdiaphragmale Vagotomie konnte diesen Effekt an Tag 5 deutlich reduzieren bis aufheben. Im Serum ebenso wie in der Milz zeigte sich nach SID-Operation eine mehrheitlich signifikante Reduzierung der Zellen des adaptiven Immunsystems, insbesondere verstärkt an Tag 5 nach Intervention. Dieser Effekt wurde durch die subdiaphragmale Vagotomie ebenfalls abgeschwächt bzw. komplett aufgehoben. In der Antwort des angeborenen Immunsystems zeigte sich der Einfluss des N. vagus differenzierter mit Akkumulation von Neutrophilen Granulozyten im Blut 5 Tage nach SID-Operation mit intaktem N. vagus, bei vagotomierten Tieren zum gleichen Zeitpunkt signifikant erhöhten Zahlen von Neutrophilen Granulozyten in der Milz.
In dieser Arbeit konnte somit gezeigt werden, dass die Operation der Surgically Induced Immune Dysfunction eine über 5 Tage anhaltende Leukozytenmigration in die Darmwand nach sich zieht. Als Reservoir dieser Migration an den Ort des Traumas dienen möglicherweise Serum
und Milz, da hier äquivalent reduzierte Level vor allem der Lymphozyten nachgewiesen wurden.
Somit konnte durch das SID-Modell gezeigt werden, dass neben der Senkung der HLA-DR- Antigene auf Leukozyten der schiere Verbrauch von Immunzellen sowohl des angeborenen als auch des adaptiven Immunsystems ein weiterer Mechanismus der postoperativen Immunsuppression zu sein scheint.
Die langanhaltende Zellmigration zum Ort des Traumas zeigt sich zumindest zum Teil vermittelt durch den Nervus vagus, da die Lymphozyteninfiltration der Darmwand an Tag 5 nach Vagotomie fast vollständig aufgehoben ist. Die Verminderung der Zellzahlen in Serum und Milz scheint ebenfalls vagal beeinflusst zu werden. Somit zeigt sich der Nervus vagus als möglicher pharmakologischer Angriffspunkt, indem durch spezifische, bereits verfügbare, Hemmstoffe des Nervus vagus die zelluläre Immunantwort möglicherweise gebremst und somit das Ausmaß einer postoperativen Immunsuppression abgeschwächt werden könnte.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Reaktion primärer dermaler Fibroblasten, die für die Versuche aus SKH1-Mäusen isoliert wurden, auf eine Kaltplasma-Behandlung mittels des Argon-betriebenen Plasmajets „kINPen MED“ hinsichtlich ihrer Reaktion auf oxidativen Stress, ihrer interzellulären Kommunikation über Gap Junctions (GJ) und der Organisation ihres Aktin-Zytoskeletts untersucht werden. Die Plasmabehandlung erfolgte dabei stets indirekt, also durch die Behandlung von Zellkulturmedium, in dem die Zellen anschließend inkubiert wurden. Es ergab sich für die angewendeten Versuchsmodalitäten keine signifikante Induktion von Apoptose durch die indirekte Plasmabehandlung von 20 s bis 180 s, wohingegen die metabolische Aktivität der Zellen bei längeren Behandlungszeiten bis 72 h nach der Plasmabehandlung signifikant reduziert wurde. Dies zeigt die von der Behandlungszeit abhängige Beanspruchung der Fibroblasten durch die Plasmabehandlung und gleichzeitig ihre Kompensationsfähigkeit, die die Zellen auch bei 180 s Behandlungszeit vor dem vermehrten Auftreten von Apoptose schützen konnte.
Nach einer Plasmabehandlung konnte die Aktivierung des Nrf2-Signalwegs nachgewiesen werden, der als zellulärer Schutzmechanismus gegen oxidativen Stress fungiert. So wurde sowohl in den Fibroblasten als auch im Primärgewebe eine Translozierung des Nrf2 in den Zellkern gezeigt. Hierbei wurde auch die Aktivierung des Redox-Sensors Keap1 nachgewiesen, der unter physiologischen Bedingungen Nrf2 bindet und dessen Abbau im Proteasom vermittelt.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung der Zell-Zell-Kommunikation, die vor allem über funktionale GJ-Kanäle erfolgt. Dabei wurde in einem SLDT Assay die Zunahme funktionaler GJ-Kanäle in plasmabehandelten Fibroblasten festgestellt. Außerdem ergab sich eine Tendenz zum Anstieg der Gen- und Proteinexpression von Connexin 43, was unter physiologischen Bedingungen in dermalen Fibroblasten während der Frühphase der Wundheilung beschrieben wurde.
Die Plasmabehandlungen induzierten außerdem strukturelle Veränderungen am Aktin-Zytoskelett in den dermalen Fibroblasten. Solche dynamischen Veränderungen des Zytoskeletts sind während der Wundheilung ebenfalls von entscheidender Bedeutung, da sie die interzelluläre Adhäsion und damit die Migration von Fibroblasten ermöglichen.
Die hier beobachteten Veränderungen zeigten sich vor allem bei kürzeren Behandlungs- und Inkubationszeiten, während gleichzeitig keine signifikante Zunahme apoptotischer Zellen festgestellt wurde. Dies legt nahe, dass durch kurze Plasmabehandlungszeiten in primären Fibroblasten ein Hormesis-Effekt induziert wird, also dass die zeitlich begrenzte Aktivierung zellulärer Schutzmechanismen als Reaktion auf den Stress einer Plasmabehandlung (Radikalbildung, UV-Strahlung) günstige, die Wundheilung fördernde Effekte bewirkt.
Herzinsuffizienz ist eine der häufigsten Ursachen für Morbidität und Mortalität weltweit. Zum jetzigen Zeitpunkt ist die Herztransplantation im fortgeschrittenen Stadium der Erkrankung der einzige kurative Therapieansatz. Durch den Einsatz von Stammzellen als Therapieoption der Herzinsuffizienz konnten in den letzten Jahren im Rahmen von tierexperimentellen und klinischen Studien zahlreiche vielversprechende Daten gewonnen werden. Ziel der Stammzelltransplantationen ist es, das geschädigte Gewebe zu ersetzen, die Gefäßneubildung zu induzieren und somit die kardiale Funktion aufrechtzuerhalten. Kardialen Stammzellen wird durch die Fähigkeit der Selbsterneuerung, Proliferation und der Differenzierung in spezialisierte Zelltypen ein großes Regenerationspotential zugeschrieben. Weiterhin wurde ein positiver Einfluss von kardialen Stammzellen auf die Gefäßneubildung mittels parakriner Effekte beschrieben. Obwohl durch die Transplantation von kardialen Stammzellen eine Regeneration des geschädigten Gewebes, z.B. nach einem Myokardinfarkt, beobachtet wurde, ist noch wenig über die genauen Wirkungsweisen der eingesetzten Stammzellen bekannt. Zudem bleibt unklar, welchen Einfluss eine Schädigung des Herzens auf die Stammzellen und ihre Funktion hat und welche Faktoren dabei eine Rolle spielen. Die Existenz von residenten kardialen Stammzellen konnte sowohl im tierischen als auch im humanen Herzen nachgewiesen werden. Jedoch ist bis heute nicht geklärt, warum der Pool an residenten kardialen Progenitorzellen nicht merklich zur Regeneration nach einer Schädigung beitragen kann. Die vorliegende Arbeit befasste sich daher mit der Untersuchung der Funktion muriner residenter kardialer Progenitorzellen, die positiv für das Stammzellantigen-1 (Sca-1) sind, unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen. Hierfür wurde der Einfluss des Renin-Angiotensin-Aldosteron Systems (RAAS), welches entscheidend an der Entwicklung einer Herzinsuffizienz beteiligt ist, auf die Funktion Sca-1 positiver Zellen in vitro untersucht. Anschließend wurde der Einfluss pathophysiologischer Aldosteronkonzentrationen, wie sie im Rahmen einer Herzinsuffizienz nachweisbar sind, auf die sekretorische Aktivität der Sca-1 positiven Zellen bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass die Komponenten des RAAS die Migrationsrate Sca-1 positiver Zellen dosis- und zeitabhängig beeinflussen, wobei vor allem pathophysiologische Konzentrationen von Aldosteron eine signifikante Steigerung der Migrationsrate der Sca-1 positiven Zellen bewirkten. Des Weiteren konnte eine Mineralokortikoidrezeptor-vermittelte Wirkungsweise des Aldosterons auf die Funktion der Sca-1 positiven Zellen festgestellt werden, welche durch den Einsatz der Aldosteron-Antagonisten Spironolakton und Eplerenon inhibiert wurde. Anhand der an Sca-1 positiven Zellen durchgeführten Sekretomanalysen konnte gezeigt werden, dass sich die sekretorische Aktivität kardialer Progenitorzellen unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen unterscheidet. Pathophysiologische Stimuli führen zu einer erhöhten sekretorischen Aktivität kardialer Progenitorzellen. Die Analyse der sekretierten löslichen Faktoren deutet auf eine Beteiligung Sca-1 positiver Zellen an Reparatur- und Regenerationsprozessen mittels parakriner Mechanismen nach einer Schädigung hin. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass mit dem Mineralokortikoid Aldosteron ein Faktor identifiziert wurde, welcher zur Optimierung der Stammzelltherapie, z.B. im Rahmen einer Herzinsuffizienz, dienen kann. Weiterhin konnte in dieser Arbeit das Verhalten und die Funktion kardialer Progenitorzellen unter pathophysiologischen Bedingungen näher charakterisiert werden und mögliche Mechanismen aufgezeigt werden, über welche kardiale Stammzellen an Regenerationsprozessen beteiligt sein können.