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Molecular Mechanisms of Bortezomib Action: Novel Evidence for the miRNA−mRNA Interaction Involvement
(2020)
Bortezomib is an anti-tumor agent, which inhibits 26S proteasome degrading ubiquitinated
proteins. While apoptotic transcription-associated activation in response to bortezomib has been
suggested, mechanisms related to its influence on post-transcriptional gene silencing mediated
regulation by non-coding RNAs remain not fully elucidated. In the present study, we examined
changes in global gene and miRNA expression and analyzed the identified miRNA–mRNA interactions
after bortezomib exposure in human neuroblastoma cells to define pathways affected by this agent in
this type of cells. Cell viability assays were performed to assess cytotoxicity of bortezomib. Global gene
and miRNA expression profiles of neuroblastoma cells after 24-h incubation with bortezomib were
determined using genome-wide RNA and miRNA microarray technology. Obtained results were
then confirmed by qRT-PCR and Western blot. Further bioinformatical analysis was performed
to identify affected biological processes and pathways. In total, 719 genes and 28 miRNAs were
downregulated, and 319 genes and 61 miRNAs were upregulated in neuroblastoma cells treated with
bortezomib. Possible interactions between dysregulated miRNA/mRNA, which could be linked to
bortezomib-induced neurotoxicity, affect neurogenesis, cellular calcium transport, and neuron death.
Bortezomib might exert toxic effects on neuroblastoma cells and regulate miRNA–mRNA interactions
influencing vital cellular functions. Further studies on the role of specific miRNA–mRNA interactions
are needed to elucidate mechanisms of bortezomib action.
Ausgewählte Lyrik
(2022)
Microglia are the resident immune cells of the central nervous system (CNS) and play a major role in the regulation of brain homeostasis. To maintain their cellular protein homeostasis, microglia express standard proteasomes and immunoproteasomes (IP), a proteasome isoform that preserves protein homeostasis also in non-immune cells under challenging conditions. The impact of IP on microglia function in innate immunity of the CNS is however not well described. Here, we establish that IP impairment leads to proteotoxic stress and triggers the unfolded and integrated stress responses in mouse and human microglia models. Using proteomic analysis, we demonstrate that IP deficiency in microglia results in profound alterations of the ubiquitin-modified proteome among which proteins involved in the regulation of stress and immune responses. In line with this, molecular analysis revealed chronic activation of NF-κB signaling in IP-deficient microglia without further stimulus. In addition, we show that IP impairment alters microglial function based on markers for phagocytosis and motility. At the molecular level IP impairment activates interferon signaling promoted by the activation of the cytosolic stress response protein kinase R. The presented data highlight the importance of IP function for the proteostatic potential as well as for precision proteolysis to control stress and immune signaling in microglia function.
Impact of proteostasis and the ubiquitin proteasome system on myeloid cell function in the CNS
(2023)
Cellular protein homeostasis (proteostasis) maintains a functional proteome and thus proper cell function. Proteostasis is facilitated by the ubiquitin-proteasome system (UPS), an intracellular protein turnover machinery ensuring clearance of damaged, misfolded, old and/or unneeded regulatory proteins. This is particularly important in the central nervous system (CNS), where it is linked to neurodegeneration. Disruptions of the proteostasis systems cause the accumulation of misfolded proteins which are commonly seen in progressive neurodegenerative diseases also linked to neuroinflammation. Proper UPS function can protect cells from the accumulation of defective proteins, neurodegeneration and neuroinflammation. Furthermore, it has been found that loss of function mutations in the genes encoding UPS components are linked to systemic inflammation including neuroinflammation and/or neurodevelopmental disorders. Proteasome defects in patients suffering from these disorders cause decreased proteasome activity, accumulation of proteins, activation of proteotoxic stress responses and systemic inflammation. However, the molecular link between proteotoxic stress and the initiation of inflammatory signalling remained unclear. In Article 2, we summarized the importance of the UPS in immune cell proteostasis and function including activation of innate and adaptive immune responses. Although UPS function is notably important in innate immune signalling, the current understanding of the role of UPS in myeloid cell function in the CNS is limited. We also indicated the involvement of impaired UPS function in sterile systemic inflammation including neuroinflammation as well as tumour diseases and pathogen manipulation of immune cells.
To investigate the molecular link behind proteasome impairment and systemic inflammation in the brain, we focused on microglia cells as the only immune residents of the CNS. In Article 1, we used a pharmacological inhibitor called bortezomib which targets β5 and β5i/LMP7 subunit activities in standard proteasome (SP) and immunoproteasome (IP), respectively. We showed for the first time on the molecular level that inhibition of proteasome activity by bortezomib triggers the accumulation of ubiquitylated proteins, proteotoxic stress responses and innate immune signalling activation depending on the induced proteotoxic stress response called unfolded protein response (UPR) in murine microglia. In particular, activation of the inositol-requiring protein 1α arm of UPR upon bortezomib treatment leads to systemic inflammation as indicated by type I interferon (IFN) response.
IP enhance the proteolytic capacity of UPS by rapid clearance of proteins upon immune signalling activation. Microglia, like other immune cells, exhibit constitutive expression of IP as well as SP to maintain their cellular proteostasis. In Manuscript 3, we studied the particular impact of IP impairment on microglial cellular function. We showed accumulation of ubiquitin-modified proteins and activation of proteotoxic stress responses in IP-impaired mouse and human microglia models. Moreover, we identified possible IP substrates in microglia using β5i/LMP7 knockout mice as an IP deficiency model and, examined how IP deficiency affects microglia function. IP deficient microglia affected the ubiquitylation levels of proteins involved in multiple pathways such as immune responses, energy metabolism, cytoskeleton organisation, cell cycle and ribosome function. Based on the molecular analysis, we confirmed sterile activation of innate immune signalling mechanisms in IP impaired microglia. This is driven by the proteotoxic stress sensor protein kinase R (PKR). In addition, we were able to show that IP impairment altered levels of the microglial activation markers, which are also involved in motility, adhesion and phagocytosis of microglia.
In this thesis, we highlight that UPS function is necessary to maintain microglial proteostasis and, that impairment of proteasome activities triggers sterile inflammation in microglia via activation of proteotoxic stress responses. The described activation of innate immune signalling mechanisms in microglia upon proteasome impairment may be considered as new therapeutic targets for patients suffering from rare protesomapathies or other disorders linked to dysregulated immune signalling.
Der Replikationszyklus der Herpesviren ist sehr komplex und im Detail unzureichend verstanden. Die Funktionen und Eigenschaften einiger viraler Proteine sind bisher kaum charakterisiert. Folglich gibt es wenige Strukturmodelle dieser Proteine, wodurch beispielsweise eine rationale Medikamentenentwicklung kaum möglich war. Die Zielstellung dieser Arbeit war, neun dieser Proteine (pUL4, -7, -11, -16, -21, -26, -26.5, -32 und -33) aus dem pseudorabies virus (PrV) zu charakterisieren und nach Möglichkeit deren Struktur aufzuklären. Hierzu wurden die zur Verfügung gestellten Gensequenzen in geeignete bakterielle Expressionsvektoren umkloniert und in E. coli exprimiert. Lösliche Proteine wurden gereinigt und anschließend Kristallisationsexperimenten unterzogen, während unlösliche Proteine zum Teil auf ihre Renaturierbarkeit getestet wurden. Die Strukturen des kristallisierten N-terminalen Teils von pUL26 (Assemblin) wurden mittels Röntgenkristallographie aufgeklärt. Außerdem wurden alle Proteine in silico auf Signalsequenzen, Phosphorylierungen und Sequenzmuster untersucht. Von der N-terminalen Serinproteasedomäne (Assemblin) von pUL26 wurden drei Strukturen durch Röntgenkristallographie bestimmt: eine native dimere, eine inhibierte dimere, sowie eine native monomere Struktur. Letztere ist das erste bekannte Strukturmodell der monomeren Form eines Assemblins. In Verbindung mit den dimeren Strukturen konnte experimentell bestätigt werden, dass die Aktivierung der Assembline über die Verschiebung eines loop bei der Dimerisierung erfolgt. Die Umlagerung dieses loop basiert darauf, dass sich der in der monomeren Form teilweise flexible Dimerisierungsbereich durch die Dimerisierung etwas verändert und eine weitestgehend starre Konformation einnimmt. Die Helix α8 wird etwas verkürzt und die Helix α7 etwas verlängert und begradigt, wodurch sich der Oxyanionenloch-Loop vom Dimerisierungsbereich entfernt und ein ausgedehntes Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk aufbaut. In dieser Konformation stabilisiert der loop das Oxyanionenloch, wodurch die Protease aktiviert wird. Weiterhin wurde durch small-angle X-ray scattering bestätigt, dass der Dimerisierungsgrad von der Assemblin- und Mg²+;-Ionenkonzentration abhängig ist. Diese Informationen zur Dimerisierung des PrV-Assemblins können dazu beitragen, rationale Medikamentenentwicklung zu betreiben. Daraus resultierende Wirkstoffe können die Dimerisierung und somit die Aktivierung dieses Schlüsselproteins verhindern. Durch die hohe Ähnlichkeit der Assembline in anderen Herpesviren, kann die nun bekannte monomere Struktur des PrV-Assemblins als Modell für die monomere Struktur anderer, zum Teil humanpathogener Herpesviren genutzt werden. Demzufolge könnte dieses Modell auch die Entwicklung von Medikamenten beispielsweise gegen das Epstein-Barr virus oder das herpes simplex virus 1 ermöglichen. Es stellte sich zudem heraus, dass die bisher für das PrV-pUL26 bzw. -pUL26.5 vorhergesagte zweite Assemblinschnittstelle (M-site) vermutlich nicht korrekt ist. Es wurde eine andere M-site vorgeschlagen, welche ebenfalls infrage kommt. Eine Charakterisierung in vitro war bei fünf der neun zu untersuchenden Proteine möglich. Die anderen vier Proteine (pUL7, -16, -21 und -32) konnten aus verschiedenen Gründen nicht erfolgreich exprimiert werden. Die Proteine pUL4, pUL26.5 und pUL33 wurden unlöslich exprimiert, wobei pUL33 renaturiert werden konnte. Der Membrananker pUL11 und die N-terminale Serinproteasedomäne von pUL26 konnten löslich exprimiert werden. Untersuchungen in silico ergaben, dass der Membrananker pUL11 aus dem pseudorabies virus wahrscheinlich ein nukleäres Exportsignal trägt, was bisher nicht bekannt war. Es ist zudem wahrscheinlich, dass pUL11 selbst keine definierte Struktur hat, da es mit 63 Aminosäuren ein sehr kleines Protein ist und über Sequenzmuster mit anderen Proteinen interagiert.
Kunststoffe durchdringen nahezu jeden Bereich unseres alltäglichen Lebens. Zur Herstellung bestimmter Plastikmaterialien (Epoxidharze und Polycarbonate) werden Bisphenole als Grundbaustein benötigt, deren Grundstruktur sich aus zwei Phenolringen zusammensetzt, die über eine substituierte Kohlstoffbrücke miteinander verbunden sind. Die einzelnen Bisphenole unterscheiden sich jeweils durch verschiedene Substituenten an der Kohlenstoffbrücke oder an den aromatischen Ringsystemen. Dabei gehen die großmaßstäbliche Produktion der Bisphenole sowie unser permanenter Kontakt mit bisphenolhaltigen Materialien mit einer verstärkten Nachweisbarkeit dieser Chemikalien in Umweltproben bzw. in menschlichen Geweben und Körperflüssigkeiten einher. Gleichzeitig stehen Bisphenole im Verdacht, aufgrund ihrer Toxizität und hormonähnlichen Wirkung eine Vielzahl von Erkrankungen zu begünstigen. Vor allem die Interaktion mit dem Östrogenrezeptor alpha ist gut verstanden. Daher wurde in dieser Arbeit die bakterielle Transformation von acht verschiedenen Bisphenolen (Bisphenol A, AP, B, C, E, F, PH und Z) durch die Umweltisolate Cupriavidus basilensis SBUG 290 und Bacillus amyloliquefaciens SBUG 1837 untersucht und näher charakterisiert. Beide Bakterienstämme waren in der Lage, alle eingesetzten Bisphenole zu transformieren. Dabei war die Transformation auf die Phenolringe oder daran befindliche Substituenten beschränkt. Ein mikrobieller Angriff an der ringverbindenden Kohlenstoffbrücke wurde nicht nachgewiesen. Während B. amyloliquefaciens die Schadstoffe ungeachtet ihrer Struktur jeweils phosphorylierte, transformierte C. basilensis die Bisphenole in Abhängigkeit von ihrer Struktur zu hydroxylierten Derivaten, Ringspaltungsprodukten, Produkten mit Acetamidstruktur oder zu Dimeren. Neben der Strukturaufklärung der mikrobiell gebildeten Produkte wurden die einzelnen Transformationswege für beide Bakterienstämme näher charakterisiert. Hierfür wurden u.a. die Produkte als Transformationssubstrate eingesetzt, der Einfluss der Kultivierung und Inkubationsmedien auf die Biotransformation untersucht sowie Proteomanalysen durchgeführt. Die Bildung von hydrophileren Transformationsprodukten durch die Bakterienstämme führte zur Detoxifizierung und Reduktion der östrogenen Aktivität der hydrophoben Bisphenole.
Protamine (PRT) is a positively charged protein, which is widely used in medicine as an adjunct to certain preparations of insulin and as a rapidly-acting antidote for heparin, particularly to neutralize the effects of high heparin concentrations needed for anticoagulation during cardiac surgical procedures using cardiopulmonary bypass. It has been demonstrated that PRT and heparin form multimolecular complexes and that these complexes have high immunogenicity in a mouse model. Studies in this thesis provide new insights into the pathophysiology of anti-PRT/heparin antibodies. The results of study I showed that the administration of PRT combined with heparin is responsible for high immunoglobulin G (IgG) immunization after cardiac surgery. A subset of these antibodies was able to induce platelet activation in a way similar to that observed by heparin-induced thrombocytopenia (HIT). Using an animal model, we demonstrated that anti-PRT/heparin antibodies are capable of platelet destruction in the presence of PRT and heparin. Moreover, our data suggests that platelet-activating anti-PRT/heparin antibodies at surgery are potentially associated with postoperative thrombocytopenia and an increased risk for thromboembolic events. In study II, the immune response against PRT/heparin complexes was investigated. This study showed a relatively fast development of IgG with no general preceding IgM formation. In addition, patients undergoing liver transplantation developed anti-PRT/heparin antibodies without previous exposure to PRT. These results suggest that a previous contact with the antigen(s) itself or other antigens with molecular mimicry induced this immune response. In fact, we were able to identify Neutral Protamine Hagedorn (NPH) insulin and core histones (DNA-binding proteins) as potentially antigenic candidates for a previous immunization. Furthermore, the findings of study III demonstrate the ability of anti-PRT/heparin antibodies to activate platelets in the presence of NPH insulin in a heparin-dependent way suggesting that diabetic patients may have an enhanced risk for thromboembolic complications if treated with NPH insulin and possibly while receiving prophylactic heparin. These observations justify further clinical investigations to assess the impact of the interaction between anti-PRT/heparin antibodies and PRT-mimicking antigens, such as NPH insulin or histones.
Chemerin ist ein Adipokin, welches unter anderem vom Fettgewebe exprimiert wird und wichtige Funktionen im Rahmen des Fettstoffwechsels übernimmt. Verschiedene klinische Studien konnten Korrelationen zwischen der Chemerinkonzentration im Blut und diversen metabolischen, renalen sowie kardiovaskulären Phänotypen identifizieren. Aufgrund der Verwendung von sehr unterschiedlichen Patientenpopulationen mit häufig kleinen Kollektiven ist die derzeitige Befundlage insgesamt allerdings noch recht widersprüchlich. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, den Zusammenhang zwischen Chemerin und einem breiten Spektrum von inflammatorischen, metabolischen, renalen sowie kardiovaskulären Parametern in einer großen, gut charakterisierten, populationsbasierten Studie zu analysieren und dabei den Einfluss der Fettmasse und anderer Störfaktoren angemessen zu berücksichtigen.
Unter Zuhilfenahme von Methoden der multivariablen linearen und logistischen Regressionsanalyse wurden in dieser Arbeit Daten von 4420 Probanden der SHIP-TREND-Population ausgewertet. Die Analysen zeigten positive Assoziationen zwischen Chemerin und den Inflammationsparametern hsCRP und Fibrinogen. Darüber hinaus konnten positive Zusammenhänge mit dem HbA1c-Wert, dem Nüchterninsulinwert und dem HOMA-IR identifiziert werden. Für den Glukosespiegel ließ sich dagegen kein Zusammenhang mit Chemerin nachweisen. Die Ergebnisse zeigten weiterhin, dass ein hoher Chemerinspiegel mit einem unvorteilhaften Lipid-Profil assoziiert ist. Während eine glockenförmige Assoziation zwischen Chemerin und dem diastolischen Blutdruck vorlag, wurde kein Zusammenhang mit dem systolischen Blutdruck beobachtet. Alle beschriebenen Zusammenhänge waren unabhängig von Unterschieden der Probanden in der individuellen Fettmasse sichtbar. Die Analysen zeigten darüber hinaus, dass ein hoher Chemerinspiegel signifikant mit einer schlechteren Nierenfunktion einhergeht und dass sich dieser Effekt mit zunehmender Fettmasse noch verstärkt. Bezüglich der verschiedenen subklinischen Parameter der Atherosklerose konnte nach vollständiger Modelladjustierung eine inverse Assoziation von Chemerin mit dem ABI sowie eine positive Assoziation mit dem Vorliegen einer Karotisstenose beobachtet werden.
Zusammenfassend zeigen die dargestellten Ergebnisse, dass Chemerin unabhängig von individuellen Unterschieden in der Fettmasse mit einer ganzen Reihe von verschiedenen inflammatorischen, metabolischen, renalen und kardiovaskulären Parametern assoziiert ist. Dementsprechend kann vermutet werden, dass Chemerin auch abseits seiner Funktionen im Fettgewebe wichtige pathophysiologische Prozesse im Körper steuert. Existierende experimentelle Arbeiten liefern erste Hinweise auf die zugrundeliegenden Mechanismen. Das gesamte Funktionsspektrum von Chemerin ist zum jetzigen Zeitpunkt allerdings nicht vollständig geklärt. Die vorliegende Arbeit liefert einen umfassenden Überblick über die epidemiologischen Zusammenhänge der genannten Parameter in einer allgemeinen Bevölkerung und stellt damit eine wichtige Grundlage für weitere Forschungsarbeiten dar. Langfristig ist denkbar, dass Chemerin als diagnostischer Biomarker oder Therapeutikum im klinischen Alltag eingesetzt wird.
Hintergrund International findet die Bedeutung psychischer Störungen seit vielen Jahren zunehmendpolitische und wissenschaftliche Aufmerksamkeit. Depressionen führen nicht nur zu einer Belastung des psychosozialen Befindens, sondern haben auch große Einschränkungen in der Lebensqualität und Arbeitsproduktivität zur Folge [7]. Eine Identifikation von Prädiktoren für die Remission depressiver Symptomatik erscheint aus diesem Grunde besonders wichtig. Material und Methoden Remittierte und Nicht-Remittierte Patienten wurden anhand des in der Literatur verwendeten Cut-off-Wertes 7 in der Hamilton-Depressionsskala in verschiedenen soziodemographischen, klinischen und weiteren Variablen gegenübergestellt. Insgesamt handelt es sich um eine Stichprobe mit 388 Patienten, von denen 205 an der Katamneseuntersuchung teilnahmen. Eingeschlossen wurden Patienten, die die Diagnose einer einzelnen oder rezidivierenden depressiven Episode (F32.x / F33.x / F38.x) oder einer Dysthymie (F34.1) nach ICD-10 erhalten haben. Ausgeschlossen wurden jene, die als komorbide Diagnosen eine Schizophrenie (F2x.x), eine organisch bedingte Störung (F0x.x) oder eine Intelligenzminderung (F7x.x) nach ICD-10 aufwiesen. Es wurden folgende Skalen verwendet: Beck-Depressions-Inventar (BDI), ein Fragebogen zur gesundheitlichen Lebensqualität(WHOQOL-BREF), die Hamilton-Depressionsskala (HAM-D), die globale Erfassung des Funktionsniveaus (GAF) sowie die Clinical Global Scale (CGI). Ein eigens kreierter Fragebogen fand zur Erfassung anamnestischer und weiterer Daten ebenfalls Anwendung. Ergebnisse und Diskussion Insgesamt remittierte die depressive Symptomatik bei 93 (= 45 %) Patienten. Die nicht-remittierte Gruppe war durchschnittlich 49.82 Jahre alt und damit jünger als die remittierten Patienten (55.17 Jahre alt). Fast doppelt so viel remittierte Patienten hatten einen Abschluss am Gymnasium. Dieses spiegelte sich auch in der derzeitigen beruflichen Situation wider: 75.5% der Arbeitslosen oder erwerbs- bzw. berufsunfähigen Patienten waren nicht-remittiert (p= .00, d= 2.578). Es erhielten signifikant (p≤ .0001) häufiger nicht-remittierte Patienten die Diagnose einer rezidivierenden Depression in Verbindung mit einer Komorbidität. Im Vergleich der Medikamentenverordnung wurden signifikant mehr trizyklische Antidepressiva in der nicht-remittierten Gruppe verschrieben. Dies deutet darauf hin, dass diese ältere Generation der Antidepressiva besonders bei einer therapieresistenten Depression als Mittel 2. Wahl zum Einsatz kommt. Hinsichtlich der Psychotherapie kam es zu einem überraschenden Ergebnis, da signifikant (p≤ .0001) häufiger die nicht-remittierten Patienten diese abgeschlossen hatten oder sich noch in einer laufenden Therapie befanden. Einerseits könnte es auf eine selektive Zuweisung in Psychotherapien hindeuten, wenn sich eine auf Medikamente nur unzulänglich ansprechende Symptomatik zeigt. Andererseits könnte man auch von einer Selbstselektion von Patienten ausgehen, welche sich subjektiv besser fühlten und deshalb eine Psychotherapie nicht beanspruchen wollten. Der hohe Stellenwert sozialer Beziehungen wurde anhand der Variablen Freizeitverhalten, sportliche Aktivitäten, Kontakt mit Freunden und Verwandten, Art der Kontakte sowie dem Vorhandensein eines Ansprechpartners bei Problemen deutlich. In der zusammenfassenden binären logistischen Regressionsanalyse wurden die bedeutsamsten Prädiktorvariablen extrahiert. Eine Nicht-Remission demzufolge erhöht die Chance auf die Zuführung in eine Psychotherapie um den Faktor 2.72, was vermuten lässt, dass gerade schwer behandelbare Patienten, wie es auch die Leitlinie [10] empfiehlt, neben der medikamentösen Therapie eine zusätzliche Psychotherapie benötigen. Des Weiteren erhöht eine Nicht-Remission die Chance auf eine höhere Anzahl an stationären Aufenthalten wegen einer Depression um den Faktor 1.34. Es konnten keine Studien gefunden werden, die die Anzahl an stationären Aufenthalten wegen einer Depression als negativen Prädiktor ansah. Es ist jedoch zu vermuten, dass Patienten zwar nicht schwerer erkrankt sind im Sinne der Symptomschwere, aber vielleicht spezifische Bewältigungsmuster zeigen, die immer wieder zu einer Dekompensation und anschließenden Rehospitalisierung führen. Eine stabile berufliche Situation geht mit einer erhöhten Chance auf eine Remission um 4.19 einher und beeinflusst die Remissionswahrscheinlichkeit positiv. Beides erbringt ein gesichertes Einkommen und damit wahrscheinlich auch eine bessere bzw. leichtere soziale Integration. Dass diese Integration eine wichtige Rolle spielt, zeichnete sich auch im Prädiktor „Vorhandensein eines Ansprechpartners bei Problemen“ ab. Die Chance zu remittieren erhöhte sich um 3.58, wenn man bei Problemen einen Ansprechpartner hatte.
Georg Wetzel Werk für die Entwicklungsmechanik geboren: 29.12.1871 in Wittenberge, gestorben: 13.09.1951 in Halle; Konfession: evangelisch; Vater: praktischer Arzt Dr. Edmund Wetzel; Wetzel war Schüler von A. Kossel und K. Hürtle in der Psychologie und W. Roux in der Anatomie und Entwicklungsmechanik; Wilhelm Roux gilt als der Begründer der Entwicklungsmechanik; Wetzl war 1918 - 1924 Professor und Abteilungsvorsteher am Anatomischen Institut zu Halle unter W. Roux und H. Stieve; 1924 - 1930 am Anatomischen Institut in Greifswald unter K. Peter; 1930 - 1936 Direktor des für ihn neu gegründeten Instituts für Entwicklungsmechanik in Greifswald; Schriftenverzeichnis ca. 80 Werke; (Lehrbuch der Anatomie für Zahnärzte und Studierende der Zahnheilkunde, Handbuch der Anatomie des Kindes) intensive Zusammenarbeit mit Zahn-, Mund- und Kiefernheilkunde.
Oral mucositis is the most common and severe non-hematological complication associated with cancer radiotherapy, chemotherapy, or their combination. Treatment of oral mucositis focuses on pain management and the use of natural anti-inflammatory, sometimes weakly antiseptic mouth rinses in combination with optimal oral cavity hygiene. To prevent negative effects of rinsing, accurate testing of oral care products is necessary. Due to their ability to mimic realistic in-vivo conditions, 3D models may be an appropriate option in compatibility testing of anti-inflammatory and antiseptically effective mouth rinses. We present a 3D model of oral mucosa based on the cell line TR-146 with a physical barrier, characterized by high transepithelial electrical resistance (TEER) and confirmed cell integrity. Histological characterization of the 3D mucosa model showed a stratified, non-keratinized multilayer of epithelial cells similar to that of human oral mucosa. By means of immuno-staining, tissue-specific expression of cytokeratin 13 and 14 was shown. Incubation of the 3D mucosa model with the rinses had no effects on cell viability, but TEER decreased 24h after incubation in all solutions except ProntOral®. Analogous to skin models, the established 3D model meets the quality control criteria of OECD guidelines and may therefore be suitable for comparing the cytocompatibility of oral rinses.
Aim
Periprosthetic joint infections are a devastating complication after arthroplasty, leading to rejection of the prosthesis. The prevention of septic loosening may be possible by an antimicrobial coating of the implant surface. Poly (hexamethylene) biguanide hydrochloride [PHMB] seems to be a suitable antiseptic agent for this purpose since previous studies revealed a low cytotoxicity and a long-lasting microbicidal effect of Ti6Al4V alloy coated with PHMB. To preclude an excessive activation of the immune system, possible inflammatory effects on macrophages upon contact with PHMB-coated surfaces alone and after killing of S. epidermidis and P. aeruginosa are analyzed.
Methods
THP-1 monocytes were differentiated to M0 macrophages by phorbol 12-myristate 13-acetate and seeded onto Ti6Al4V surfaces coated with various amounts of PHMB. Next to microscopic immunofluorescence analysis of labeled macrophages after adhesion on the coated surface, measurement of intracellular reactive oxygen species and analysis of cytokine secretion at different time points without and with previous bacterial contamination were conducted.
Results
No influence on morphology of macrophages and only slight increases in iROS generation were detected. The cytokine secretion pattern depends on the surface treatment procedure and the amount of adsorbed PHMB. The PHMB coating resulted in a high reduction of viable bacteria, resulting in no significant differences in cytokine secretion as reaction to coated surfaces with and without bacterial burden.
Conclusion
Ti6Al4V specimens after alkaline treatment followed by coating with 5–7 μg PHMB and specimens treated with H2O2 before PHMB-coating (4 μg) had the smallest influence on the macrophage phienotype and thus are considered as the surface with the best cytocompatibility to macrophages tested in the present study.
Unlike the native surface of the implant material (Ti6Al4V), oxidation with H2O2 leads to increased binding of the effective antimicrobial agent poly(hexamethylene) biguanide [PHMB]. However, treating with NaOH instead results in an even higher PHMB mass coverage. After oxidation with H2O2, strong differences in the PHMB adsorption capability between polished and corundum-blasted surfaces appear, indicating a roughness dependence. After NaOH treatment, no such effect was observed. The wetting properties of specimens treated with either H2O2 or NaOH prior to PHMB exposure clearly varied. To unravel the nature of this interaction, widespread in silico and in vitro experiments were performed. Methods: By X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, water contact angle measurements and MD simulations, we characterized the interplay between the polycationic antimicrobial agent and the implant surface. A theoretical model for PHMB micelles is tested for its wetting properties and compared to carbon contaminated TiO2. In addition, quantitation of anionic functional group equivalents, the binding properties of PHMB with blocked amino end-group, and the ability to bind chlorhexidine digluconate (CHG) were investigated. Ultimately, the capability of osteoblasts to build calcium apatite, and the activity of alkaline phosphatase on PHMB coated specimens, were determined. Results: Simulated water contact angles on carbon contaminated TiO2 surfaces and PHMB micelle models reveal little influence of PHMB on the wetting properties and point out the major influence of remaining and recovering contamination from ambient air. Testing PHMB adsorption beyond the critical micelle concentration and subsequent staining reveals an island-like pattern with H2O2 as compared to an evenly modified surface with NaOH. Both CHG and PHMB, with blocked amino end groups, were adsorbed on the treated surfaces, thus negating the significant influence of PHMB’s terminal groups. The ability of osteoblasts to produce calcium apatite and alkaline phosphatase is not negatively impaired for PHMB mass coverages up to 8 μg/specimen. Conclusion: Differences in PHMB adsorption are triggered by the number of anionic groups and carbon contaminants, both of which depend on the specimen pre-treatment. With more PHMB covering, the implant surface is protected against the capture of new contamination from the ambient air, thus building a robust antimicrobial and biocompatible surface coating.
Objectives
Oral mucositis caused by intensive cancer chemotherapy or radiotherapy frequently results in pronounced damage of the oral mucosa leading to painful oral hygiene. To support oral care, antimicrobial effective mouth rinses may be used. Thus, the efficacy of a hypochlorite-based mouth rinse (Granudacyn®), assumed to be highly biocompatible because of the compounds being part of the natural pathogen defense, as possible antiseptic agent in case of oral mucositis was compared to that of an octenidine based antiseptic mouth rinse (Octenidol® md).
Materials and methods
The study was conducted as monocentric, controlled, randomized, blind cross over comparative study on 20 volunteers. As a proof of principle, we performed the study on orally healthy subjects and not cancer patients. The efficacy was determined as reduction of colony forming units (cfu) on buccal mucosa as well as in saliva. After mouth rinsing for 30 s, samples were taken after 1 min, 15 min, 30 and 60 min. The lg-reduction was calculated as difference between lg-values of cfu pre- and post-treatment.
Results
Both antiseptic mouth rinses induced a significant reduction of cfu on buccal mucosa and in saliva 1 min after mouth rinsing. The effect persisted up to 60 min. The octenidine based rinse was significantly superior to the hypochlorite-based rinse up to the last sample 60 min after rinsing. However, the known cytotoxicity of octenidine argues against its application.
Conclusion
Within the limits of this study, due to its antiseptic efficacy, the hypochlorite-based rinse Granudacyn® can be regarded appropriate to support the oral hygiene in patients with a sensitive oral mucosa during an aggressive cancer chemotherapy and radiation treatment in case of oral mucositis.
Proteom- und Transkriptom-Analysen zur Bestimmung der Immuntoxizität ausgewählter Naturstoffe
(2017)
Der Einsatz von Tierversuchen in Forschung und Entwicklung nimmt trotz fortschreitender Optimierung von Testmethoden und –verfahren weiter zu. Zeitgleich werden fortwährend neue Substanzen isoliert oder synthetisiert, deren Wirkungen auf den humanen Organismus und speziell das Immunsystem nicht bekannt sind. In vitro Methoden stellen deshalb sowohl eine günstige und schnelle als auch eine ethisch unbedenkliche Alternative zu Tierversuchen dar. In der vorliegenden Arbeit sollten proteom- und transkriptombasierte Methoden dazu dienen, immuntoxische Eigenschaften von Naturstoffen zu identifizieren und diese Verfahren als Alternative zu Tierversuchen zu etablieren. Dazu wurden zwei humane Immunzelllinien mit Naturstoffen behandelt und das intrazelluläre Proteom sowie das Transkriptom spezifischer Biomarker-Gene analysiert. Zusätzlich dienten weitere Methoden wie Metaboliten-, Zellzyklus- und Apoptoseanalysen sowie die Identifizierung intrazellulärer reaktiver Sauerstoffspezies dazu, Ergebnisse zu verifizieren oder zusätzliche Informationen zu erhalten. Wie zu erwarten war, zeigten die Proteomanalysen, dass sowohl immuntoxische als auch nicht-immuntoxische Substanzen eine breite Wirkung auf das intrazelluläre Proteom haben. Vor allem Proteine, die in den allgemeinen Metabolismus, zelluläre Prozesse und Prozesse der Informationsverarbeitung involviert sind, wurden durch die Behandlung mit den Substanzen in ihrer relativen Menge auf den 2D-Gelen verändert. Allein durch die Zuordnung von Proteinen zu Stoffwechselwegen war eine Abgrenzung immuntoxischer und nicht immuntoxischer Substanzen nicht möglich. Dennoch gibt die Methode einen Einblick in die Wirkungsweise der Substanzen, wodurch Wirkmechanismen entschlüsselt und Reaktionen auf das Immunsystem abgeleitet werden können. Dies wird vor allem nach der Behandlung der Zellen mit Tulipalin A und Helenalin deutlich, da auch allgemeine Stoffwechselwege wie die Purinsynthese und die anaerobe Glykolyse einen Einfluss auf das Immunsystem haben. Zusätzlich zu den allgemeinen Stoffwechselwegen wurden einzelne Proteine in ihrer Abundanz verändert, die in Reaktionen des Immunsystems wie der Zytokinbildung oder der Bildung von MHC-Molekülen involviert sind. Außerdem konnten Biomarker für Immuntoxizität auf Proteomebene entwickelt werden. Mit Hilfe dieser Daten war eine Klassifizierung der Substanzen nach ihrer Immuntoxizität möglich. Anhand dieser Analysen wurden die Testsubstanzen Tulipalin A, Helenalin, Vincristin und Cannabidiol als immuntoxisch klassifiziert. Die Klassifizierung der Substanzen als immuntoxisch aufgrund der Biomarker-Proteine und Stoffwechselwege konnte durch die Anwendung von Transkriptom-Biomarkern bestätigt werden. Neben den über 2D-Gelelektrophorese-basierten Proteomanalysen getesteten Substanzen wurden auch Bisphenol A und Ergosterolperoxid aufgrund der Transkriptombiomarker als immuntoxisch klassifiziert. Agaritin und p-Tolylhydrazin sowie der Bisphenol A bis(2,3-dihydroxypropyl) ether haben keine immuntoxische Wirkung. Neben den Proteom-basierten Methoden dient der entwickelte Entscheidungsbaum basierend auf verschiedenen Methoden als Grundlage für die Immuntoxiztätsklassifizierung. Mit dem erstellten Entscheidungsbaum konnten beispielsweise Cyclosporin A, Helenalin und Tulipalin A durch die Anwendung gezielter Tests als immuntoxisch eingestuft werden, während Mannitol als nicht-immuntoxisch bestätigt wurde. Zusammenfassend war es mittels in vitro Methoden möglich, die Immuntoxizität verschiedener Naturstoffe zu identifizieren. Neben Proteom-basierten Methoden wurden auch Transkriptom- sowie funktionelle und Metabolomanalysen genutzt. Eine Validierung der Ergebnisse mit weiteren bekannten immuntoxischen und nicht-immuntoxischen Substanzen würde eine Anwendung als Alternative zu Tierversuchen für eine erstes Screening Testung neuer Substanzen ermöglichen und so sowohl Zeit und Kosten sparen als auch ethische Bedenken minimieren.
Diese Arbeit beschäftigte sich mit den Arthrosen der drei großen Gelenke, der Schulter-, Hüft- und Kniegelenke bei Akromegalie-Patienten. Außerdem wurde die Knochendichte sowohl an der Hüfte als auch an der Wirbelsäule gemessen. Ziel dieser Studie war es, herauszufinden, ob akromegale Patienten vermehrt unter Arthrosen in diesen drei Gelenken leiden und ob eine Häufung von Osteoporose nachgewiesen werden kann. Im Rahmen der Studie wurden bei insgesamt 32 Patienten, die unter Akromegalie leiden, die Bewegungsausmaße beider Schulter-, Hüft- und Kniegelenke nach der Neutral-Null-Methode gemessen, sowie konservative Röntgenaufnahmen dieser Gelenke angefertigt. Des Weiteren wurden mit Hilfe des Lunar Prodigy Advance von GE Healthcare DXA-osteodensitometrische Messungen an der Wirbelsäule (L1 – L4) und beiden Femuren der akromegalen Patienten durchgeführt. Zusammengefasst konnte bei 34,5% der untersuchten Schultergelenke, 72,4% der untersuchten Hüftgelenke und 22,4% der untersuchten Kniegelenke eine Arthrose sowohl im Rahmen der klinischen Untersuchung als auch auf Grund des Röntgenbefunds diagnostiziert werden. Diese Werte liegen besonders für das Schulter- und das Hüftgelenk deutlich über den Werten für die Normalbevölkerung (3-31,3%; 2,1-50%; 10-48,4%). Die Ergebnisse zeigten außerdem deutlich, dass akromegale Patienten im Vergleich zur Normalbevölkerung zu einem früheren Zeitpunkt vor allem von Arthrosen der Hüft- und Kniegelenke betroffen sind. Die Prävalenzrate der Knochensalzminderungen in der untersuchten Gruppe akromegaler Patienten betrug 40,7%, was ebenfalls über den Werten für die Normalbevölkerung liegt (2,7-40%).
Abstract
Background
Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a progressive muscle‐wasting disease caused by mutations in the dystrophin gene, which leads to structural instability of the dystrophin–glycoprotein‐complex with subsequent muscle degeneration. In addition, muscle inflammation has been implicated in disease progression and therapeutically addressed with glucocorticosteroids. These have numerous adverse effects. Treatment with human immunoglobulin G (IgG) improved clinical and para‐clinical parameters in the early disease phase in the well‐established mdx mouse model. The aim of the present study was to confirm the efficacy of IgG in a long‐term pre‐clinical study in mdx mice.
Methods
IgG (2 g/kg body weight) or NaCl solution as control was administered monthly over 18 months by intraperitoneal injection in mdx mice beginning at 3 weeks of age. Several clinical outcome measures including endurance, muscle strength, and echocardiography were assessed. After 18 months, the animals were sacrificed, blood was collected for analysis, and muscle samples were obtained for ex vivo muscle contraction tests, quantitative PCR, and histology.
Results
IgG significantly improved the daily voluntary running performance (1.9 m more total daily running distance, P < 0.0001) and slowed the decrease in grip strength by 0.1 mN, (P = 0.018). IgG reduced fatigability of the diaphragm (improved ratio to maximum force by 0.09 ± 0.04, P = 0.044), but specific tetanic force remained unchanged in the ex vivo muscle contraction test. Cardiac function was significantly better after IgG, especially fractional area shortening (P = 0.012). These results were accompanied by a reduction in cardiac fibrosis and the infiltration of T cells (P = 0.0002) and macrophages (P = 0.0027). In addition, treatment with IgG resulted in a significant reduction of the infiltration of T cells (P ≤ 0.036) in the diaphragm, gastrocnemius, quadriceps, and a similar trend in tibialis anterior and macrophages (P ≤ 0.045) in gastrocnemius, quadriceps, tibialis anterior, and a similar trend in the diaphragm, as well as a decrease in myopathic changes as reflected by a reduced central nuclear index in the diaphragm, tibialis anterior, and quadriceps (P ≤ 0.002 in all).
Conclusions
The present study underscores the importance of an inflammatory contribution to the disease progression of DMD. The data demonstrate the long‐term efficacy of IgG in the mdx mouse. IgG is well tolerated by humans and could preferentially complement gene therapy in DMD. The data call for a clinical trial with IgG in DMD.
Die auf der Kola-Halbinsel gelegene Oblast‘ Murmansk war weltweit die erste Territorialeinheit mit polarem Klima, die ab den 1920-er Jahren im Rahmen der sowjetischen Industrialisierung mit Strukturen zur Rohstoffgewinnung ausgestattet wurde. Aufgrund der hohen Bedeutung der hier gefundenen Elemente (Apatit, Buntmetalle, Eisen, Glimmer, Seltene Erden) wurden zahlreiche Städte und Siedlungen in dieser klimatisch sehr schwierigen Region errichtet und bis zum Ende der Sowjetunion weiter ausgebaut. Die Einwohnerzahl wuchs in dieser Zeit um das 50-fache auf rd. 1,2 Mio. an. Zu den Förderindustrien kommen die Funktionen als Verkehrsknotenpunkt für den russischen Außenhandel und die Versorgung nordsibirischer Rohstoffstandorte sowie als Standort der russischen Nordmeerflotte. Obwohl Wirtschaftsprofil und Bedeutung für das Mutterland nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion erhalten werden konnten, bestehen schwerwiegende sozioökonomische Probleme, deren deutlichster Ausdruck ein im russischen Vergleich weit überdurchschnittlicher Einwohnerverlust ist. Mit dem Ziel einer Bewertung von Zukunftschancen und -risiken schildert das vorliegende Buch die gegenwärtigen Strukturmerkmale der Region, ihre sozioökonomische Verflechtung sowie ihre Einordnung in administrative, fiskalische und ökonomische Hierarchien Russlands. Die dargelegten Strukturen, Prozesse und darauf fußende Schlussfolgerungen sind beispielhaft für beinahe alle anderen Regionen des russischen „Hohen Nordens“.
Oils and fats from natural origin are sustainable sources for a broad range of economically relevant products in food, feed, fuel, oleochemical, and cosmetic industries. Thereby, a huge variety of lipids or lipid-derived products exist which distinguish themselves by their unique physical properties making them suitable for their individual applications. To obtain such functional lipids in an environmentally friendly manner, enzymes can be employed. In that context, lipases have been proven to be valuable biocatalysts in lipid modification, which are broadly applied in industry. Even though they have been implemented successfully in the dairy, baking, and detergent industries, there is an increasing demand for the expansion of their utilization. New technologies like protein engineering and the implementation of process development are employed in solving this task. Within the enzymes in lipid modification, lipases are the most applied catalysts and in this thesis their utilization was expanded successfully to the implementation of novel separation processes and the production of improved drug delivery matrices.