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Patienten mit Sepsis haben eine schlechte Mikrozirkulation sowie kardiovaskuläre Depression. Zur Therapie müssen unbedingt und schnellstmöglich Antibiotika gegeben werden, die oft kombiniert wird mit Antikoagulantien-Therapie. Nun stellt sich die Frage, welchen direkten Effekt Antibiotika und Antikoagulantien auf den Gefäßtonus beim septischen Patienten haben. Als ersten Schritt dieser Forschung wurden an gesunden Ratten-Aortenringen Antibiotika und Antikoagulantien durch Messung der isometrischen Kontraktion in vitro getestet. Alle Medikamente wurden hinsichtlich ihrer Relaxationsfähigkeit bei Vorkontraktion mit 20/40 mM KCl oder Phenylephrin (5x10-7M oder 5x10-8M) getestet, sowie die Phenylephrin Dosis-Wirkungs-Kurve nach 30 Minuten bzw. 20 Stunden Inkubation (bei 37°C) konstruiert. Zudem wurde die Wirkung des Medikaments in hohen Konzentrationen auf den Ruhezustand der Ringe erprobt. Bei den Antibiotika konnte festgestellt werden, dass Linezolid möglicherweise ein K+-Kanal Aktivator ist, da es bei einer Präkontraktion von 40mM KCl und darauffolgender kumulativer Gabe von Linezolid signifikant weniger stark relaxiert, als bei 20mM KCl Vorkontraktion (P=0,02). Weiterhin könnten sowohl Linezolid als auch Daptomycin intrazelluläre Mechanismen beeinflussen, da sie bei der Inkubation von 30 Minuten (pEC50: 7.47±0.06(Lin)/7.45±0.08(Dap) vs 6.96±0.05(Kon)) und 20 Stunden (pEC50: 7.2±0.04 (Lin)/ 7.45±0.04 (Dap) vs 6.89±0.05(Kon)) und folgender Phenylephrin-Dosis-Wirkungs-Kurve beide eine Linksverschiebung der Kurve im Vergleich zur Kontrolle bewirken (P<0,05). Zudem ist ihre erreichte Maximalspannung in beiden Versuchsreihen signifikant höher als die der Kontrolle. Bei den Antikoagulantien wurde ermittelt, dass bei Enoxaparin (P=0,00002), Tinzaparin (P=0,0002) und Danaparoid (P=0,005) möglicherweise eine K+-Kanal Aktivierung vorliegen könnte, da sie alle bei 20mM KCl Vorkontraktion stärker relaxieren als bei 40mM KCl Präkontraktion. Zudem konnte bei Tinzaparin (P=0,002) und Enoxaparin (P=0,01) nach Vorkontraktion mit Phenylephrin eine signifikante Relaxation im Vergleich zur Kontrolle festgestellt werden, was eventuell hinweist auf eine α-adrenerge Stimulation. Nach 30 Minuten Inkubation fanden wir heraus, dass Argatroban und Danaparoid eine Linksverschiebung der Phenylephrin-Dosis-Wirkungs-Kurve gegenüber der Kontrolle bewirken (pEC50: 7.17±0.08(Arg)/7.12±0.05(Dan) vs 6.96±0.05(Kon)), während Enoxaparin (pEC50: 6.77±0.03) eine Rechtsverschiebung zeigte (bei allen P<0,05). Bei der 20-stündigen Inkubation hingegen zeigten alle Antikoagulantien im Vergleich zur Kontrolle eine erhöhte Sensitivität gegenüber Phenylephrin (pEC50: 7.37±0.05(Arg)/7.13±0.04(Dan)/7.1±0.05(Eno)/ 7.06±0.04(Tin) vs 6.89±0.05(Kon)). Möglicherweise beeinflussen sie also intrazelluläre Mechanismen. Die Maximalspannung war, im Vergleich zur Kontrolle, bei Enoxaparin und Argatroban erhöht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige der getesteten Substanzen möglicherweise eine K+-Kanal Aktivierung, eine α-adrenerge Stimulation oder eine intrazelluläre Modulation bewirken. Ob diese Ergebnisse eine Bedeutung für den Menschen haben und ob sie bedeutsam bei Sepsis sind, muss noch untersucht werden.
This thesis contains results from transcriptome studies on different aspects of host-pathogen interactions. First, liver gene expression profiles from a murine chronic stress model served to elucidate aspects of the influence of stress on metabolism and immune response state. Chronic stress in female BALB/c mice was shown to lead to a hypermetabolic syndrome including induction of gluconeogenesis, hypercholesteremia, and loss of essential amino acids, to the induction of the acute phase response, but also of immune suppressive pathways and to the repression of hepatic antigen presentation. Increased leukocyte trafficking, increased oxidative stress together with counter-regulatory gene expression changes, and an induction of apoptosis were detected. The influence of intra-venous infection on the host kidney gene expression was analyzed in another murine model using the wild type strain Staphylococcus aureus RN1HG and its isogenic sigB mutant. Gene expression profiling indicated a highly reproducible host kidney response to infection. The comparison of infected with non-infected samples revealed a strong inflammatory reaction of kidney tissue, e. g. Toll-like receptor signaling, complement system, antigen presentation, interferon and IL-6 signaling. However, the results of this study did not provide any hints for differences in the pathomechanism of the S. aureus strains RN1HG and ΔsigB, since the host response did not differ between infections with the two strains analyzed. Effects of SigB might be transient, only apparent at earlier time points, or might also be compensated for in the in vivo infection by the interlaced pattern of other regulators. SigB might possess only to a lesser extent characteristics attributed to virulence factors and might act in vivo more like a virulence modulator and fine tune bacterial reactions. In addition to the analysis of tissue samples, different in vitro models were furthermore studied. The third part of this thesis focuses on bone-marrow derived macrophages (BMM) of the two mouse strains BALB/c and C57BL/6, which are described in literature to exhibit genetically determined differences in their reaction to infection. Expression profiling was performed on control and IFN-γ treated samples from a serum-free cultivation system and revealed mainly induction of gene expression after treatment of BMM with IFN-γ. Gene expression changes confirmed known IFN-γ effects like induction of immunoproteasome, antigen presentation, interferon signaling related genes, GTPase/GBPs, and inducible NO synthase. IFN-γ dependent gene expression changes were highly similar in BALB/c and C57BL/6 BMM. Considering gene expression differences between BMM of both strains, a similar expression trend was visible on the level of untreated controls as well as after IFN-γ treatment. Differentially expressed genes between BMM of both strains included immune-relevant genes as well as genes linked to cell death, but the coverage of functional groups was limited. The bronchial epithelial cell line S9 was used as an in vitro model system for the infection with S. aureus RN1HG. The fourth chapter in this thesis includes S9 cell gene expression signatures 2.5 h and 6.5 h after start of infection. At the early time point, only 40 genes were differentially expressed, which nevertheless indicated a beginning pro-inflammatory response, e. g. induction of cytokines (IL-6, IFN-β, LIF) or prostaglandin-endoperoxide synthase 2 (PTGS2), but also counter-regulatory processes, e. g. induction of CD274. The host cell response was dramatically aggravated at the later 6.5 h time point. Differential expression was detected for 1196 genes. These included induced cytokines, pattern recognition receptor signaling, antigen presentation, and genes involved in immune defense (e. g. GBPs, MX, APOL). Negative effects on growth and proliferation were even more enhanced in comparison to the early time point, and signs for apoptotic processes were revealed. Finally, the last chapter addresses amongst others the pathogen’s expression profile in the S9 cell in vitro infection model at the two time points 2.5 h and 6.5 h after start of infection by tiling array gene expression analysis. The pathogen expression profiling revealed the activity of the SaeRS two-component system in internalized staphylococci. Partly dependent on SaeRS, the induction of adhesins (e. g. fnbAB, clfAB), toxins (hlgBC, lukDE, hla), and immune evasion genes (e. g. chp, eap) was observed. Furthermore, expression changes of metabolic genes were recorded (gene induction of amino acid biosynthesis, TCA cycle, gluconeogenesis; gene repression of glycolysis, purine biosynthesis, tRNA synthetases). Expression analysis recorded a distinct bacterial expression program, which supported literature results of a specific, bacterial strain and host cell line dependent transcriptional adaptation of the pathogen.
Ziel: Ziel der vorliegenden In-vitro-Studie war es, den Substanzabtrag von neu entwickelten Ultraschallspitzen* zu quantifizieren. Methode: Es wurden 14 Ultraschallspitzentypen (fünf 3-D-Spitzen- und neun 2-D-Spitzentypen, darunter zehn Prototypen) eines piezoelektrischen dentalen Ultraschallsystems* in verschiedenen Winkeleinstellungen untersucht und in Bezug auf Abtragstiefe und -volumen miteinander verglichen. Die Untersuchungen wurden in 5 zeitlich getrennten Abschnitten (2005-2008) durchgeführt. Das Abtragsverhalten der Spitzentypen wurde durch die Variation bei der Haltung der Handstücke (0°, 45°, 90°) und die Adaptation der Spitzen zur behandelnden Oberfläche (15°, 30°) analysiert. Die Probekörper (35 Aluminiumblöcke und 18 Zähne) wurden mit 0,5 N, bei 100% Leistungseinstellung und maximaler Wasserkühlung bearbeitet. Anschließend wurden diese nach dem Replikationsverfahren mit Gips dupliziert in einem 3D-Laser-Scaner eingelesen, gemessen und die Daten statistisch ausgewertet. Ergebnisse: Den geringsten Abtrag verzeichneten der Spitzentyp 5 (Tiefe: 41,2 µm ±10,3 µm) (Siroperio 1*) bei den 2D-Spitzen und der Spitzentyp 4 (T: 70,5 µm ±12,2 µm) (Siroperio 2*) bei den 3D-Spitzen in der Untersuchung von 2005. Die runden dicken Spitzentypen 10 (T: =144,4 µm ±12,2 µm) und 11 (T: =141 µm ±17,2 µm) trugen in der Handstückeinstellung 0° am meisten Substanz ab; bei der Handstückeinstellung 45° verzeichnete der Spitzentyp 7 (T: =232,7 µm ±13,9 µm) den größten Substanzverlust. Die Winkeleinstellung 90°/15° ergab keinen Spitzentyp, der signifikant am meisten Substanz abtrug. Der Spitzentyp 12 (3L*) verzeichnete bei allen Untersuchungen (2006 bis 2008) in den Handstückwinkeleinstellungen 0° und 45° mehr Substanzabtrag als der Spitzentyp 5. Der Spitzentyp 13 (4L*) stellte sich als teilweise inkonstant und wenig verlässlich heraus. Der Spitzentyp 14 (Siroperio 4 PS*) liegt im Vergleich zu den Referenzspitzentypen 5 und 12 bei einer mittleren Abtragstiefe von unter 100 µm für beide in 2008 untersuchten Winkel. Auf Wurzeloberflächen trugen die untersuchten Spitzentypen 5, 12 und 13 bei fast allen Einstellungen mehr Substanz ab als auf Aluminium. Es kann von einer Vergleichbarkeit von Aluminium mit Zähnen ausgegangen werden. Winkeleinstellung: Der Anstellwinkel 15° hatte einen geringeren Abtrag als der Winkel 30° zur Folge, sodass für ein schonendes Arbeiten eine möglichst parallele Adaptation der Spitze zur bearbeitenden Oberfläche notwendig ist. Die Handstückeinstellung 45° verursachte einen größeren Abtrag als die Einstellungen 0° und 90°, so dass diese mit Vorsicht zu benutzen ist. Schlussfolgerungen: 3D-Spitzen: Je spitzer der Hauptkrümmungswinkel in Handstückeinstellung 0° ist, umso größer ist der Substanzabtrag. Bei der Handstückeinstellung 45° hat die Form des Spitzenarbeitsendes mehr Auswirkung auf den Abtrag: Grazilität spricht für eine geringere Abtragsleistung als Breite, wie sie bei konventionellen Spitzen anzutreffen ist. 2D-Spitzen: Ein stumpferer Hauptkrümmungswinkel hat in den Handstückeinstellungen 0° und 90° weniger Abtrag zur Folge. Ausnahme ist der Spitzentyp 5. Die Spitzentypen 5 und 4 können aufgrund der geringen Abtragsleistung ohne größere Bedenken in der Erhaltungstherapie im subgingivalen eingesetzt werden. Diese filigranen und elastischen Spitzen sollten mit besonderer Sorgfalt benutzt und häufiger gewechselt werden. Beim Spitzentyp 4 sollte klinisch die Anwendung auf den approximalen Bereich der Seitenzähne, d.h. mesial bzw. distal, beschränkt werden, um Schädigungen an der Zahnoberfläche weitestgehend zu vermeiden. Die Spitzentypen 12 und besonders 13 sollten vorwiegend in supragingivalen und gut einsehbaren Bereichen benutzt werden, da die Gefahr der Zahnhartsubstanzschädigung durch Überinstrumentierung gegeben ist. Die Untersuchung 2006 kann, betrachtet man nur die Spitzentypen 5 und 12, durch die Untersuchung 2007 als reproduzierbar eingeordnet werden. Zur Überprüfung der klinischen Relevanz der Untersuchungsdaten sollten noch weitere Untersuchungen folgen. * (Firma Sirona Dental Systems, Bensheim, Deutschland)
Vor ca. 20 Jahren hielt das synthetische Katecholamin Dopexamindihydrochlorid (Dopexamin) als Therapeutikum für das Kreislaufversagen unterschiedlicher Genese auf zahlreichen Intensivstationen Einzug. Man erhoffte sich im Vergleich zu anderen Katecholaminen zusätzlich eine besonders günstige Auswirkung auf die Protektion der physiologischen Funktion des Magen-Darm-Traktes und der Nieren während der Schockphase. In dieser Arbeit wurde die Wirkung von Dopexamin an Koronargefässen untersucht. Es wurde mit der Methode der in-vitro-Myographie die isometrische Spannungsänderung der ringförmigen vitalen Präparate der glatten Gefäßmuskulatur des RIVA vom Schweinerherzen sowohl mit als auch ohne Zusatz verschiedener vasoaktiver Substanzen und bei veränderter Kalziumhomöostase gemessen. Ein vergleichendes Experiment mit Dopamin erfolgte. Ebenfalls eine mögliche Endothelabhängigkeit der Wirkung wurde überprüft. Wir gingen von der Hypothese aus, durch Zugabe von Dopexamin eine Änderung der Kontraktilität hervorzurufen. Dabei vermuteten wir, eine Gefäßerweiterung auszulösen. Diese Vermutung stützte sich auf die in der Studienliteratur vielfach nachgewiesene Wirkung von Dopexamin an beta2- und Dopamin (DA1)- Rezeptoren. Unsere Untersuchungen erbrachten das unerwartete Resultat, dass Dopexamin an Koronararterienpräparaten des RIVA des Schweineherzens eine Vasokonstriktion hervorruft. Dopamin dagegen führt zu einer Vasodilatation. Weder eine dopaminerge noch eine beta-adrenerge Reaktion von Dopexamin am RIVA des Schweineherzens konnte nachgewiesen werden. Die dopexamininduzierte Kontraktion verläuft zum Teil unabhängig vom extrazellulären Kalziumspiegel und wird durch Kalziumantagonisten signifikant abgeschwächt aber nicht verhindert. Wahrscheinlich wird die Kontraktion partiell durch eine Freisetzung von Kalzium aus den intrazellulären Kalziumspeichern getriggert. Eine geringe aber signifikante Endothelabhängigkeit der kontraktilen Wirkung von Dopexamin war nachzuweisen.
Die Implantation von Arzneistoff-freisetzenden (drug-eluting) Stents in durch Ballonangioplastie revaskularisierte Koronararterien stellt heutzutage eine der wichtigsten Methoden zur Prävention von Restenosen der betroffenen Gefäßabschnitte dar. Die Erzielung wirksamer Konzentrationen der hochpotenten Wirkstoffe in der Gefäßwand unter Vermeidung von unerwünschten systemischen Arzneimittelwirkungen soll durch die kontrollierte Arzneistofffreisetzung im stenosierten Gefäßabschnitt gewährleistet werden. Aufgrund der Unzugänglichkeit des Wirkortes für direkte Konzentrationsbestimmungen liegen bis dato jedoch nur wenige Daten bezüglich der Wirkstofffreisetzung und -verteilung aus Humanstudien vor. Da die zur Verfügung stehenden offizinellen und nicht offizinellen Methoden zur Untersuchung des In vitro-Verhaltens von Arzneiformen lediglich ein Akzeptorkompartiment aufweisen, sind sie ebenfalls nur bedingt zur Vorhersage der Freisetzung aus einem Stent am Implantationsort geeignet. Verteilungprozesse können mit diesen Methoden nicht beschrieben werden. Aus diesem Grund war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, einen an die In vivo-Bedingungen am Implantationsort adaptierten In vitro-Freisetzungstest für Arzneistoff-freisetzende Stents basierend auf den Methoden des Europäischen oder US-Amerikanischen Arzneibuchs zu entwickeln. Der Freisetzungstest sollte dazu geeignet sein, sowohl die Wirkstofffreisetzung und -verteilung zwischen verschiedenen Kompartimenten als auch räumliche Verteilungsmuster innerhalb eines Gefäßwand-simulierenden Kompartiments zu untersuchen. Als Basis für die Modellentwicklung wurde aufgrund der am Implantationsort in vivo vorliegenden Bedingungen die Durchflusszellen-Apparatur ausgewählt, die die einzige offizinelle Methode darstellt, bei der ein gerichteter Fluss erzeugt wird. Zur Simulation der Gefäßwand sollte ein zusätzliches Akzeptorkompartiment in die Durchflusszelle eingebracht werden. Da das Kompartiment einerseits formstabil sein sollte und andererseits die Aufnahme und den Transport des Arzneistoffs durch Diffusion ermöglichen sollte, wurden verschiedene Hydrogele hinsichtlich ihrer Eignung zur Integration in die Durchflusszelle untersucht. Calciumalginat wurde als geeignetes Hydrogel für das zusätzliche Akzeptorkompartiment identifiziert und durch Veränderungen an der Durchflusszellen-Apparatur erfolgreich in den Freisetzungstest integriert. Es wurde eine zentrale Aussparung im Hydrogel geschaffen, die im Modell das Gefäßlumen simuliert und in die ein Stent mittels Ballonkatheter implantiert werden kann. Nach der Implantation des Stents kann die Öffnung im Hydrogel mit dem Freisetzungsmedium mit einer Flussrate von 35 ml/min, die dem Blutfluss in Koronarien entspricht, perfundiert werden. Durch Einsatz geeigneter Medienvolumina kann die Einhaltung von Sinkbedingungen, die als das größte Problem der häufig eingesetzten nicht offizinellen Testsysteme gilt, sichergestellt werden. Nach erfolgter Entwicklung wurde die Eignung des Modells durch die Testung verschiedener Stentmodelle geprüft werden. Neben der Bestimmung der Freisetzung der Modellsubstanzen ins Durchflussmedium während der Perfusion und der am Versuchsendpunkt in der Stentbeschichtung verbliebenen Modellsubstanz-Anteile wurden verschiedene Methoden zur Untersuchung des Hydrogels nach Beendigung der Perfusion entwickelt. Zur direkten Quantifizierung der ins Hydrogel diffundierten Modellsubstanz wurde eine geeignete Methode zur Verflüssigung des Gels identifiziert. Zur Untersuchung der räumlichen Verteilung innerhalb des Hydrogels wurden zwei Methoden zur Präparation des Hydrogels entwickelt, die die Untersuchung im Fluoreszenzmikroskop ermöglichten. Einerseits wurde anhand von Mikrotomschnitten die Diffusionstiefe im Querschnitt untersucht. Unter Verwendung von Alginatfilmen war andererseits die Untersuchung der Innenseite des simulierten Gefäßlumens parallel zur Flussrichtung möglich. Unter Verwendung einer Finite-Elemente-Methode konnten zudem ausgewählte Freisetzungsversuche mathematisch modelliert werden. Für die Berechnungen wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentell bestimmte Diffusionskoeffizienten zu Grunde gelegt. Die Ergebnisse der Freisetzung mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Testsystem wiesen im Vergleich zur Testung mit offizinellen Methoden eine Verlangsamung der Entleerung der Stentbeschichtung bei allen Modellsubstanzen durch die an die In vivo-Situation adaptierten Einbettungs- und Flussbedingungen auf. Diese Beeinflussung der Freisetzungsgeschwindigkeit durch die Freisetzungsbedingungen unterstreicht die Notwendigkeit, für die In vitro-Evaluation von Arzneistoff-freisetzenden Stents spezialisierte, an die In vivo-Bedingungen adaptierte Testsysteme einzusetzen. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Freisetzungsmodell steht erstmals ein solches Testsystem zur Verfügung.
Bakterien, die in einem Biofilm organisiert sind, weisen eine um ein Vielfaches höhere Resistenz gegenüber antimikrobiellen Substanzen auf als planktonisch gelöste Zellen. Der häufigste beim Menschen vorkommende Biofilm ist die dentale Plaque. Als Keim zur Herstellung eines Biofilms wurde Streptococcus sanguis benutzt. Dieser bildete nach 48 h aerober Bebrütung bei 37 °C einen sichtbaren Biofilm auf Hydroxylapatit-Plättchen, die zur Imitation der Zahnoberfläche in einer Wachstumskammer mit kontinuierlicher Flusskultur-Technik aufgehängt waren. Zur Überprüfung der Funktionalität des Modells wurde die Wirksamkeit von drei Antiseptika getestet. Die HA-Plättchen wurden aseptisch aus der Wachstumskammer entnommen und jeweils in verschiedene Reagenzröhrchen mit Chlorhexidin (0,1% oder 1,0%), PVP-Iod (1,5% oder 7,5%) sowie Octenidindihydrochlorid (0,05% oder 0,1%) gegeben. Die Einwirkzeit jeder Konzentration betrug 5 min oder 30 min. Proben aus der Bakteriensuspension der Wachstumskammer wurden entsprechend behandelt. Ein zugefügtes spezifisches Neutralisationsmittel beendete die Wirkung der Antiseptika. Es lag eine signifikante Differenz zwischen der antimikrobiellen Aktivität gegen Bakterien in gelöster Form und solchen in Biofilmen vor. Beste Reduktionsfaktoren konnten mit Chlorhexidin (1,0%, 30 min), sowohl in Bezug auf Biofilme (3,97 log) als auch auf planktonische Zellen (= 5,58 log), ermittelt werden. Bei jeder der getesteten Substanzen zeigte sich eine klare Dosis-Zeit-Wirkungs-Beziehung. Es wurde daher geschlussfolgert, dass das entwickelte Modell in der Lage ist, schnell und kosteneffektiv die Aktivität antimikrobieller Substanzen gegen als Biofilm gewachsene Bakterien darzustellen.