610 Medizin und Gesundheit
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Institute
- Medizinische Klinik und Poliklinik I (550)
- Medizinische Klinik und Poliklinik II (482)
- Neurologische Klinik und Poliklinik (444)
- Klinik und Poliklinik für Allgemein-, Viszeral-, Gefäß- und Kinderchirurgie (Chirurgische Klinik I) (412)
- Klinik und Poliklinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie (383)
- Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften (320)
- Klinik und Poliklinik für Anästhesiologie (ab 2004) (306)
- Graduate School of Life Sciences (301)
- Institut für Pharmakologie und Toxikologie (294)
- Institut für Virologie und Immunbiologie (293)
Schriftenreihe
Sonstige beteiligte Institutionen
- Johns Hopkins School of Medicine (18)
- IZKF Nachwuchsgruppe Geweberegeneration für muskuloskelettale Erkrankungen (7)
- Clinical Trial Center (CTC) / Zentrale für Klinische Studien Würzburg (ZKSW) (5)
- Johns Hopkins University School of Medicine (5)
- Bernhard-Heine-Centrum für Bewegungsforschung (4)
- Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, MD, U.S. (4)
- Klinikum Fulda (3)
- Zentraleinheit Klinische Massenspektrometrie (3)
- CHC Würzburg (Comprehensive Hearing Center) (2)
- Center for Interdisciplinary Clinical Research, Würzburg University, Würzburg, Germany (2)
ResearcherID
- D-1221-2009 (1)
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine selektiv durchlässige Barriere dar, die den Austausch von Stoffen zwischen Blut und ZNS kontrolliert und so neuroprotektiv wirkt. Sie verhindert allerdings nicht nur die Passage toxischer Metaboliten, sondern verwehrt auch vielen therapeutischen Wirkstoffen den Zugang zum Gehirn. Die Forschung an Methoden zum Erreichen höherer Arzneimittelkonzentrationen im Gehirn ist deshalb essenziell für die Behandlung zerebraler Erkrankungen wie dem zerebral metastasierten Mammakarzinom. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, Wirkstoffe zu identifizieren, die die Permeabilität der BHS erhöhen.
Die Substanzdatenbank LO1208 von Sigma-Aldrich wurde im Rahmen eines HTS auf ihre permeabilitätsbeeinflussenden Eigenschaften untersucht. Hierbei konnten
31 Substanzen identifiziert werden, welche die Permeabilität von BLECs um mindestens 50 % erhöhen. Aus diesen wurden 4-Amino-1,8-naphthalimid (PARP-Inhibitor) und GW2974 (TKI) für eine genauere Analyse ausgewählt. Als dritter Wirkstoff wurde Ibuilast (Inhibitor der PDE4, des MIF sowie des Toll-like-Rezeptor-4) untersucht, wobei dieser keine signifikante Veränderung der Permeabilität bewirkt. Die Messung des TEERs und der Permeabilität für Fluorescein bestätigten die Ergebnisse aus dem HTS, welches demnach zukünftig für Permeabilitätstests eingesetzt werden kann. Die Zellviabilität wird durch 4 Amino-1,8-naphthalmid nicht beeinflusst. GW2974 und Ibudilast zeigen bei
500 µM einen toxischen Einfluss auf MCF-7-Zellen. BLECs werden durch 100 µM GW2974 gehemmt. Es konnte gezeigt werden, dass die erhöhte Permeabilität mit einer Veränderung der TJ-Proteinexpression einhergeht. 4-Amino-1,8-naphthalimid senkt die Expression von Occludin auf mRNA- und Proteinebene. GW2974 vermindert zusätzlich die Expression von VE-Cadherin, Claudin-5 und ZO-1. Darüber hinaus wurde die Wirkung auf Effluxpumpen untersucht. Die Ergebnisse der mRNA- und Protein-expression weichen voneinander ab, weshalb eine genauere Untersuchung der Translationsvorgänge sinnvoll erscheint. Glut-1 wird in GW2974 behandelten Zellen überexprimiert, was auf eine erhöhte Aktivität der BLECs hinweist.
GW2974 und 4-Amino-1,8-naphthalimid könnten durch ihre permeabilitätssteigernde Wirkung die Ansprechrate einer systemischen Behandlung von PatientInnen mit einem zerebral metastasierten Mammakarzinom erhöhen und somit ihre Prognose verbessern. Detaillierte Studien zu Kombinationstherapien, den notwendigen Wirkstoff-konzentrationen und eventuellen negativen neurologischen Wirkungen sollten erwogen werden.
Der primäre Hyperaldosteronismus (PA) stellt aktuell den häufigsten Grund für das Vorliegen einer sekundären Hypertonie dar. Der in der Bestätigungsdiagnostik verwendete Kochsalzbelastungstest basiert dabei auf einem fehlenden Absinken der Aldosteronkonzentration im Testverlauf bei Patient:innen mit PA im Vergleich zu Patient:innen mit essentieller Hypertonie (EH). Die Konzentrationsbestimmung erfolgte bisher mittels Immunoassay. Mit der LC-MS/MS steht jedoch mittlerweile eine weitere wichtige analytische Methode in der quantitativen Bestimmung von Steroidhormonen zur Verfügung, welche in dieser Arbeit im Hinblick auf den Kochsalzbelastungstest untersucht wurde. Hohe Bedeutung kommt außerdem der Subtypdifferenzierung des PA zu, da die Ätiologie der Erkrankung wegweisend für die Art der Therapie ist.
Das Ziel dieser Studie war einerseits die Ermittlung eines LC-MS/MS-spezifischen Aldosteron-Cut-off-Wertes im Kochsalzbelastungstest und die Evaluation des Nutzens der Bestimmung von Steroidprofilen in der Diagnostik des PA.
Zum anderen wurde der diagnostische Nutzen des Orthostasetests zur Unterscheidung von unilateraler und bilateraler Genese bei vorliegendem PA untersucht. Im Rahmen dieser Studien wurden 187 bzw. 158 Patient:innen analysiert, die zwischen 2009 und 2019 bei Verdacht auf oder Vorliegen eines PA im Universitätsklinikum Würzburg vorstellig wurden. Die Diagnose wurde gemäß der aktuellen Leitlinie anhand der Ergebnisse des Kochsalzbelastungstests, NNVKs, Bildgebung und postoperativen Outcomes gestellt. Mithilfe der LC-MS/MS wurden erneut die Aldosteronkonzentrationen der aufbewahrten Serumproben des Kochsalzbelastungstests, sowie ein erweitertes Steroidpanel bestimmt. Unter Verwendung einer ROC-Analyse wurden die jeweils bestehenden Cut-off-Werte optimiert bzw. neu ermittelt. Die mittels Immunoassay bestimmten Aldosteronkonzentrationen lagen um 28 ng/L höher als die mittels LC-MS/MS bestimmten Konzentrationen. Trotzdem lag der neu ermittelte LC-MS/MS-spezifische Aldosteron-Cut-off-Wert für den
Kochsalzbelastungstest bei 69 ng/L und damit höher als der für den Immunoassay geltende, optimierte Aldosteron-Cut-off von 54 ng/L. Unter Verwendung des LC-MS/MS- spezifischen Cut-off-Werts erreichte der Kochsalzbelastungstest eine Sensitivität von 78,6% bei einer Spezifität von 89,3%. Die Sensitivität des Immunoassay-spezifischen Cut-off-Werts betrug 95,2% bei einer Spezifität von 86,9%.
Das Bestimmen des gesamten Steroidprofils führte zu keiner zusätzlichen diagnostischen Information bei Durchführung des Kochsalzbelastungstests.
Bei Betrachtung der gesamten Patient:innenkohorte erreichte der Orthostasetest, basierend auf einem Absinken der Plasmaaldosteronkonzentration nach 4h in Orthostase um ≥ 28% eine Sensitivität von 36,7% bei einer Spezifität von 100%. Wurde das Vorliegen eines gültigen Tests (Cortisolabfall nach 4h ≥ 10%) oder das Vorliegen einer unilateralen Raumforderung in der Bildgebung vorausgesetzt, stieg die Sensitivität des Orthostasetests auf 51,4% bzw. 51,6% bei gleichbleibend hoher Spezifität von 100% an. Abschließend lässt sich sagen, dass der Orthostasetest keine Alternative zum NNVK darstellt, jedoch als einfache, nicht invasive Methode der zusätzlichen Orientierung zur Untersuchung der Ätiologie des PAs dienen kann. Eine prospektive Evaluation der jeweils neu ermittelten Cut-off-Werte wird notwendig sein, um deren Anwendbarkeit im klinischen Alltag zu überprüfen. Außerdem könnte die Bestimmung der Hybridsteroide 18-Oxocortisol und 18-Hydroxycortisol wegweisend für die Genese des PA sein.
FKBP5 stellt im Stresssystem der HPA-Achse ein zentrales Gen bei der Regulation der Sensitivität des Glukokortikoidrezeptors und somit der Reaktion auf Stress dar. Zur Adaptation an Umwelteinflüsse ist es selbst in ein komplexes System von Regulationsmechanismen eingebettet, die unter anderem epigenetische Modifikationen in Form von DNA-Methylierung umfassen. Bisherige Studien legen eine starke Assoziation von FKBP5 zu stressinduzierten psychischen Erkrankungen nahe und weisen auf eine Dysregulation der HPA-Achse als möglichen Pathomechanismus hin. Für die enge klinische Interaktion von Depression und Herzinsuffizienz sowie eine ebenfalls vermutete Rolle der HPA-Achse in der Pathogenese letzterer, könnte FKBP5 daher ein entscheidendes Bindeglied darstellen. Gleichzeitig bietet die Identifikation einer über FKBP5 ausgedrückten Dysregulation der HPA-Achse einen biologischen Befund, der als Marker für das Ansprechen einer antidepressiven Therapie herangezogen werden könnte. Ziel dieser Arbeit war daher die Untersuchung eines möglichen Einflusses regulatorischer Parameter von FKBP5 auf die Herzinsuffizienz sowie eine Prüfung dieser als mögliche Biomarker für einen Erfolg der antidepressiven Therapie.
Dazu wurden Blutproben von ProbandInnen der GEParD- bzw. DaCFail-Studie mit Depression, Herzinsuffizienz sowie gesunde Kontrollen untersucht. Durch Pyrosequenzierung bisulfitkonvertierter DNA erfolgte die Bestimmung der Methylierung regulatorischer CpGs. Die Messung der relativen mRNA-Expression erfolgte durch den Einsatz einer qPCR.
In der Auswertung fand sich keine differentielle mRNA-Expression oder Methylierung zwischen den vier Untersuchungsgruppen. Allerdings reagierten depressive PatientInnen verglichen mit der Kontrollgruppe mit einer geringeren Zunahme der mRNA-Expression als Reaktion auf den mDST. Das Therapieansprechen in der Depressionsgruppe wiederum war mit einer niedrigeren Methylierung auf CpG7 sowie einer höheren mRNA-Expression zu Therapiebeginn assoziiert. Im Behandlungsverlauf führte eine Abnahme der mRNA-Expression bei den Respondern zu einer Annäherung beider Gruppen.
Diese Arbeit konnte keine Hinweise für eine Rolle von FKBP5 in der Pathogenese der Herzinsuffizienz finden. Allerdings zeigten die Befunde zur Regulation des Gens bei Glukokortikoidstimulation eine hohe Konstanz zu vorherigen Ergebnissen. In diesen Kontext reihen sich auch die Ergebnisse für das Therapieansprechen ein, die aufgrund einer Herabregulation der HPA-Achse im Therapieverlauf die Idee einer ursächlichen HPA-Dysregulation in der Gruppe der Responder bekräftigen. Für sich allein genommen lassen sich mRNA-Expression und Methylierung aufgrund mangelnder Sensitivität und Spezifität nicht als Biomarker für das Therapieansprechen einsetzen. Die bisherigen Befunde bestärken aber eine mögliche Rolle in einer Batterie unterschiedlicher Biomarker auf verschiedenen Ebenen, wie Klinik, Psychometrie und Physiologie.
Die 2009 erstmals entdeckte Spezies C. auris erlangte binnen kürzester Zeit zunehmend weltweite Aufmerksamkeit. Vor allem die Tendenz der Multiresistenzentwicklung und das rasche Auslösen von nosokomialen Infektionen erschweren den Umgang und die Therapie von C. auris Infektionen im Vergleich zu anderen Candida Spezien. Diese Dissertationsarbeit umfasst eine systematische Resistenzanalyse der im NRZMyk vorhandenen Stammsammlung aus C. auris und C. parapsilosis Isolaten, um Aufschluss über den Wirkmechanismus von Amphotericin B in Hefepilzen zu erlangen. Anhand der zunächst durchgeführten Amphotericin B-Resistenztestungen kristallisierten sich CAU37 und CAU43 mit MHK-Werten bis zu 12 µg/ml als stark Amphotericin B-resistente Isolate heraus. Die Analyse der Sequenzierungsergebnisse zeigte bei beiden Stämmen eine Mutation im ERG4 Gen an Position 576, welche nicht eindeutig als alleinige Ursache für die verminderte Amphotericin B-Empfindlichkeit festgelegt werden konnte. Dennoch wurde im Rahmen eines Survival Assays bei beiden Amphotericin B-resistenten Isolaten anfänglich eine konzentrationsabhängige Aktivität gegenüber Amphotericin B festgestellt, bevor ein Nachwachsen der Kulturen beobachtet wurde. Somit wurde die Vermutung aufgestellt, dass lediglich ein Teil der aufgebrachten Candida-Zellen abgetötet wird und dies in einer Vermehrung der überlebenden Zellen resultiert. Des Weiteren konnte im Rahmen von Resistenztestungen mit dem Sphingolipidinhibitor Myriocin nachgewiesen werden, dass vor allem in Amphotericin B-resistenten Isolaten eine deutliche Wirkungsverstärkung des Polyens hervorgerufen wird. Diese Sensitivitätssteigerung ist allgemein bei allen C. auris Isolaten zu beobachten, fällt bei resistenten Stämmen jedoch deutlich stärker aus. Hierdurch kam die Annahme auf, dass Amphotericin B-Resistenzen auch in möglichen Veränderungen des Sphingolipid-Haushaltes begründet sein könnten. Darüber hinaus scheint Myriocin keinen Einfluss auf Fluconazol-resistente oder FKS-mutierte Echinocandin-resistente C. auris Stämme zu haben. Das ebenfalls untersuchte und von Myriocin abgeleitete Medikament Fingolimod hatte jedoch ebenfalls keinen wirkungsverstärkenden Effekt. Allerdings reagierte ein Großteil der C. auris Isolate (57,6 %) sensitiv gegenüber dem neusten medizinisch bekannten Triazol Isavuconazol und es konnte erstmalig ein ECV-Wert von 0,03125 µg/ml festgelegt werden. Ein valider Vergleich von C. auris zu C. parapsilosis war aufgrund der mangelnden Anzahl an C. parapsilosis Isolaten jedoch nicht möglich
In diese monozentrische retrospektive Studie eingeschlossen wurden insgesamt 132 Patienten mit Schock, darunter 75 Patienten mit kardiogenem- und 57 Patienten mit septischem Schock. Um potentielle Prädiktoren für die Krankenhaussterblichkeit zu finden, wurden folgende Paramater untersucht: Alter, Geschlecht, BMI, kardiovaskuläre Risikofaktoren und Vorerkrankungen, Vitalparameter bei Aufnahme inkl. Schockindex, laborchemische Parameter inkl. BGA, maximaler Laktatanstieg im Verlauf, Interventionen inklusive Reanimation, Beatmung, Akutrevaskularisation und Anlage von mechanischen Kreislaufunterstützungssystemen, Katecholamintherapie und hämodynamisches Monitoring mit dem PiCCO-Verfahren. Hauptergebnis unserer Studie ist eine erhebliche Krankenhaussterblichkeit von 50% bei einem mittleren Aufenthalt von 14 Tagen ohne signifikanten Unterschied zwischen kardiogenem- (45%) und septischem Schock (55%), obgleich Patienten mit kardiogenem Schock signifikant älter und häufiger kardiovaskulär vorerkrankt waren. Prädiktoren für die Krankenhaussterblichkeit waren bei Patienten mit kardiogenem Schock die Höhe des maximalen Laktatanstiegs, das Auftreten eines akuten Nierenversagens, die Höhe der Transaminasen als Marker einer Schockleber, die fehlende Möglichkeit einer Akutrevaskularisation und die Höhe des Troponins als Marker für das Ausmaß des Myokardschadens. Prädiktoren für die Krankenhaussterblichkeit im septischen Schock waren ebenfalls die Höhe des maximalen Laktatanstiegs, die Notwendigkeit einer Reanimation, sowie Höhe des ELWI. Die übrigen klinischen, laborchemischen und hämodynamischen Parameter waren weder beim kardiogenen- noch beim septischen Schock prädiktiv für die Mortalität. Die beste Strategie zur Senkung der hohen Mortalität beider Schockformen besteht in der Prophylaxe des jeweiligen Schockgeschehens. Bei bereits in Gang gesetzten Circulus vitiosus, müssen zukünftige Studien klären, welches hämodynamische Monitoring zusammen mit klinischen Befunden und ggf. Bildgebung ein optimiertes Volumen- und Katecholamin-Management erlaubt. Bei Patienten mit kardiogenem Schock bleibt zu klären, ob die in unserer Studie gefundene erhebliche Krankenhaussterblichkeit von 45% durch den gezielten Einsatz moderner, perkutan implantierbarer Kreislaufunterstützungssysteme gebessert werden kann. Bei Patienten mit septischem Schock ist insbesondere bei pneumogener Sepsis das rechtzeitige Erkennen und die Therapie eines ARDS eine bleibende Herausforderung. Zukünftige Studien an größeren Patientenkollektiven müssen klären, ob die Bestimmung des ELWI mit dem PiCCO-Verfahren hilfreich ist, die Entstehung eines ARDS frühzeitig erkennen und behandeln zu können.
Das Verständnis der Beziehung zwischen Arzt und Patient befindet sich im Wandel. Die Patientenorientiertheit gewinnt an Relevanz, wobei insbesondere die Arzt-Patienten-Kommunikation in den Fokus rückt. Es ist belegt, dass eine effektive Kommunikation einen positiven Einfluss auf den emotionalen und den physiologischen Zustand des Patienten hat. Folglich wurde in den letzten Jahren auch hierzulande der Bereich Kommunikation in der universitären Ausbildung von Ärzten zunehmend thematisiert - seit der Änderung der Approbationsordnung 2012 ist die Gesprächsführung offiziell Gegenstand der ärztlichen Ausbildung. Das Studium ist jedoch nach wie vor stark vom technisch-naturwissenschaftlichen Paradigma der Medizin geprägt.
Die Fähigkeit, sich selbst hinsichtlich seiner kommunikativen Fähigkeiten einzuschätzen, stellt ein wichtiges Merkmal angehender Ärzte dar. Bestehende Studien zeigen auf, dass bei Medizinstudenten Diskrepanzen zwischen der Selbst- und der Fremdeinschätzung in unterschiedlichen Kompetenzfeldern bestehen. Um aus Fehlern lernen zu können, benötigt es zum einen die Fähigkeit zur Eigenreflexion. Ergänzend wird ein regelmäßiger Abgleich der Selbsteinschätzung mit einer Fremdeinschätzung im Sinne einer „Realitätskonfrontation“ benötigt. Durch das Feedback können individuelle Differenzen hinsichtlich der kommunikativen Fähigkeiten aufgezeigt, um dadurch dem Studenten den Anreiz zu geben, eine fortwährende Weiterbildung der eigenen kommunikativen Fähigkeiten bereits im Studium zu etablieren.
In der vorliegenden Studie wurde daher untersucht, inwieweit die Selbsteinschätzung von einem Studenten nach einem Anamnesegespräch mit der Fremdeinschätzung übereinstimmt. Hierfür wurde ein Anamnesegespräch mit einem Schauspielpatienten durch den Studenten, einen Experten sowie den betroffenen Schauspielpatienten bewertet. Mittels Cohens Kappa wurde die Übereinstimmung zwischen den Raterpaaren Student und Experte, Student und Schauspielpatient sowie der Fremdeinschätzung zwischen Schauspielpatient und Experte berechnet. Ergänzend wurde der Einfluss der Variablen Selbstwirksamkeit (allgemein und spezifisch hinsichtlich der Anamneseerhebung), Empathie, Geschlecht, Alter und berufliche Vorerfahrung auf die Übereinstimmung von Selbst- und Fremdeinschätzung untersucht. Es konnte eine geringe Übereinstimmung zwischen allen drei Raterpaaren (Student & Experte, Student & Schauspielpatient sowie Schauspielpatient & Experte) nachgewiesen werden. Die geringste Übereinstimmung zeigte sich zwischen der Selbst- und Fremdeinschätzung von Student und Experte, die größte Übereinstimmung in der Fremdeinschätzung zwischen Schauspielpatient und Experte. Die Hypothese bezüglich der Überschätzung der Studenten im Vergleich zur Fremdeinschätzung wurde nicht bestätigt. Weiter konnte eine höhere Übereinstimmung zwischen Selbst- und Fremdeinschätzung des Schauspielpatienten bei Studenten mit einem höheren Maß an Empathie gezeigt werden. Bezüglich des Geschlechterunterschiedes konnte nachgewiesen werden, dass weibliche Studenten eine höhere Übereinstimmung zwischen Selbst- und Fremdeinschätzung mit Schauspielpatienten aufweisen. Auch in der Fremdeinschätzung durch Schauspielpatienten und Experten ist bei weiblichen Studenten eine höhere Übereinstimmung zu finden. Die Variablen Selbstwirksamkeit, Alter, berufliche Vorerfahrung sowie Selbstwirksamkeit hinsichtlich der Anamneseerhebung zeigen keine statistisch signifikanten Zusammenhänge mit der Übereinstimmung zwischen Selbst- und Fremdeinschätzung. Der Vergleich zwischen der Gruppe, die ein Anamnesegespräch führte, und derjenigen, die kein Anamnesegespräch führte, zeigte, dass Studenten mit einer höheren Selbstwirksamkeit eher ein Gespräch führten.
Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass angehende Ärzte Rückmeldung bezüglich ihrer kommunikativen Kompetenz benötigen, um durch die Fremdeinschätzung das Selbstbild ihrer Kompetenz erweitern zu können. Über etwaige Diskrepanzen zwischen Fremdeinschätzung und Selbsteinschätzung erhalten sie konkretes Feedback, so dass das Kommunikationstraining an ihre individuellen Lernbedarfe angepasst werden kann. Hierfür ist der Vergleich der Selbsteinschätzung eines Schauspielpatientengespräches mit der Fremdeinschätzung eine gut in der Ausbildungspraxis einzusetzende Methode.
Das MM ist eine maligne Erkrankung, die von biologischer und klinischer Heterogenität geprägt ist. Sie ist durch die monoklonale Vermehrung von Plasmazellen charakterisiert. In vorangegangenen Studien wurde eine Häufung von Mutationen in RTK nachgewiesen. Diese gingen mit einem negativen Einfluss auf das Überleben von MM Patientinnen und Patienten einher.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss des IGF1R an HMZL mittels siRNA-vermitteltem IGF1R-Knockdown untersucht und dessen Effekt auf das Signalnetzwerk mittels Western Blot Analysen ermittelt. Um die Heterogenität des MM besser abzubilden, wurden sechs verschiedenen HMZL ausgewählt.
Der IGF1R-Knockdown war in allen HMZL sowohl anhand der Reduktion der IGF1R-Expression als auch der IGF1R-Aktivierung deutlich nachweisbar. Stellvertretend für den PI3K/AKT Signalweg wurde die AKT-Aktivierung untersucht, welche nach IGF1R-Knockdown in allen Linien abnahm. Im Ras/Raf/MEK/ERK Signalweg fiel eine deutliche Reduktion der ERK1/2- und MEK-Aktivierung in den von PCL stammenden HMZL L-363 und MM.1S, sowie in JJN-3 mit der Hochrisikotranslokation t(14;16) auf. Entsprechend der Beobachtungen für die AKT-Aktivierung, nahm die PYK2-Aktivierung in allen HMZL nach IGF1R-Knockdown ab, was auf ein Zusammenspiel von IGF1R, PYK2 und AKT in allen HMZL hindeutet.
Zukünftige Untersuchungen werden zeigen, ob IGF1R Inhibitoren alleine oder in Kombination mit z.B. AKT, PYK2 oder Proteasomen-Inhibitoren in bestimmten molekularen MM Subgruppen ein effektives therapeutisches Ziel sind.
During the last few years, several new drugs have been introduced for treatment of patients with multiple myeloma, which have significantly improved the treatment outcome. All of these novel substances differ at least in part in their mode of action from similar drugs of the same drug class, or are representatives of new drug classes, and as such present with very specific side effect profiles. In this review, we summarize these adverse events, provide information on their prevention, and give practical guidance for monitoring of patients and for management of adverse events.
Clinical relevance of systematic phenotyping and exome sequencing in patients with short stature
(2018)
Purpose
Short stature is a common condition of great concern to patients and their families. Mostly genetic in origin, the underlying cause often remains elusive due to clinical and genetic heterogeneity.
Methods
We systematically phenotyped 565 patients where common nongenetic causes of short stature were excluded, selected 200 representative patients for whole-exome sequencing, and analyzed the identified variants for pathogenicity and the affected genes regarding their functional relevance for growth.
Results
By standard targeted diagnostic and phenotype assessment, we identified a known disease cause in only 13.6% of the 565 patients. Whole-exome sequencing in 200 patients identified additional mutations in known short-stature genes in 16.5% of these patients who manifested only part of the symptomatology. In 15.5% of the 200 patients our findings were of significant clinical relevance. Heterozygous carriers of recessive skeletal dysplasia alleles represented 3.5% of the cases.
Conclusion
A combined approach of systematic phenotyping, targeted genetic testing, and whole-exome sequencing allows the identification of the underlying cause of short stature in at least 33% of cases, enabling physicians to improve diagnosis, treatment, and genetic counseling. Exome sequencing significantly increases the diagnostic yield and consequently care in patients with short stature.
The clustering of different types of B-cell malignancies in families raises the possibility of shared aetiology. To examine this, we performed cross-trait linkage disequilibrium (LD)-score regression of multiple myeloma (MM) and chronic lymphocytic leukaemia (CLL) genome-wide association study (GWAS) data sets, totalling 11,734 cases and 29,468 controls. A significant genetic correlation between these two B-cell malignancies was shown (Rg = 0.4, P = 0.0046). Furthermore, four of the 45 known CLL risk loci were shown to associate with MM risk and five of the 23 known MM risk loci associate with CLL risk. By integrating eQTL, Hi-C and ChIP-seq data, we show that these pleiotropic risk loci are enriched for B-cell regulatory elements and implicate B-cell developmental genes. These data identify shared biological pathways influencing the development of CLL and, MM and further our understanding of the aetiological basis of these B-cell malignancies.
A shear-dependent NO-cGMP-cGKI cascade in platelets acts as an auto-regulatory brake of thrombosis
(2018)
Mechanisms that limit thrombosis are poorly defined. One of the few known endogenous platelet inhibitors is nitric oxide (NO). NO activates NO sensitive guanylyl cyclase (NO-GC) in platelets, resulting in an increase of cyclic guanosine monophosphate (cGMP). Here we show, using cGMP sensor mice to study spatiotemporal dynamics of platelet cGMP, that NO-induced cGMP production in pre-activated platelets is strongly shear-dependent. We delineate a new mode of platelet-inhibitory mechanotransduction via shear-activated NO-GC followed by cGMP synthesis, activation of cGMP-dependent protein kinase I (cGKI), and suppression of Ca2+ signaling. Correlative profiling of cGMP dynamics and thrombus formation in vivo indicates that high cGMP concentrations in shear-exposed platelets at the thrombus periphery limit thrombosis, primarily through facilitation of thrombus dissolution. We propose that an increase in shear stress during thrombus growth activates the NO-cGMP-cGKI pathway, which acts as an auto-regulatory brake to prevent vessel occlusion, while preserving wound closure under low shear.
CD8 T cells protect the liver against viral infection, but can also cause severe liver damage that may even lead to organ failure. Given the lack of mechanistic insights and specific treatment options in patients with acute fulminant hepatitis, we develop a mouse model reflecting a severe acute virus-induced CD8 T cell-mediated hepatitis. Here we show that antigen-specific CD8 T cells induce liver damage in a perforin-dependent manner, yet liver failure is not caused by effector responses targeting virus-infected hepatocytes alone. Additionally, CD8 T cell mediated elimination of cross-presenting liver sinusoidal endothelial cells causes endothelial damage that leads to a dramatically impaired sinusoidal perfusion and indirectly to hepatocyte death. With the identification of perforin-mediated killing as a critical pathophysiologic mechanism of liver failure and the protective function of a new class of perforin inhibitor, our study opens new potential therapeutic angles for fulminant viral hepatitis.
Soft tissue tumors of infancy encompass an overlapping spectrum of diseases that pose unique diagnostic and clinical challenges. We studied genomes and transcriptomes of cryptogenic congenital mesoblastic nephroma (CMN), and extended our findings to five anatomically or histologically related soft tissue tumors: infantile fibrosarcoma (IFS), nephroblastomatosis, Wilms tumor, malignant rhabdoid tumor, and clear cell sarcoma of the kidney. A key finding is recurrent mutation of EGFR in CMN by internal tandem duplication of the kinase domain, thus delineating CMN from other childhood renal tumors. Furthermore, we identify BRAF intragenic rearrangements in CMN and IFS. Collectively these findings reveal novel diagnostic markers and therapeutic strategies and highlight a prominent role of isolated intragenic rearrangements as drivers of infant tumors.
Patients with newly diagnosed multiple myeloma (NDMM) with high-risk disease are in need of new treatment strategies to improve the outcomes. Multiple clinical, cytogenetic, or gene expression features have been used to identify high-risk patients, each of which has significant weaknesses. Inclusion of molecular features into risk stratification could resolve the current challenges. In a genome-wide analysis of the largest set of molecular and clinical data established to date from NDMM, as part of the Myeloma Genome Project, we have defined DNA drivers of aggressive clinical behavior. Whole-genome and exome data from 1273 NDMM patients identified genetic factors that contribute significantly to progression free survival (PFS) and overall survival (OS) (cumulative R2 = 18.4% and 25.2%, respectively). Integrating DNA drivers and clinical data into a Cox model using 784 patients with ISS, age, PFS, OS, and genomic data, the model has a cumlative R2 of 34.3% for PFS and 46.5% for OS. A high-risk subgroup was defined by recursive partitioning using either a) bi-allelic TP53 inactivation or b) amplification (≥4 copies) of CKS1B (1q21) on the background of International Staging System III, comprising 6.1% of the population (median PFS = 15.4 months; OS = 20.7 months) that was validated in an independent dataset. Double-Hit patients have a dire prognosis despite modern therapies and should be considered for novel therapeutic approaches.
T regulatory (Treg) cells maintain immunological tolerance and organ homeostasis. Activated Treg cells differentiate into effector Treg subsets that acquire tissue-specific functions. Ca2+ influx via Ca2+ release-activated Ca2+ (CRAC) channels formed by STIM and ORAI proteins is required for the thymic development of Treg cells, but its function in mature Treg cells remains unclear. Here we show that deletion of Stim1 and Stim2 genes in mature Treg cells abolishes Ca2+ signaling and prevents their differentiation into follicular Treg and tissue-resident Treg cells. Transcriptional profiling of STIM1/STIM2-deficient Treg cells reveals that Ca2+ signaling regulates transcription factors and signaling pathways that control the identity and effector differentiation of Treg cells. In the absence of STIM1/STIM2 in Treg cells, mice develop a broad spectrum of autoantibodies and fatal multiorgan inflammation. Our findings establish a critical role of CRAC channels in controlling lineage identity and effector functions of Treg cells.
Obsessive-compulsive disorder (OCD) is a common neuropsychiatric disease affecting about 2% of the general population. It is characterized by persistent intrusive thoughts and repetitive ritualized behaviors. While gene variations, malfunction of cortico-striato-thalamo-cortical (CSTC) circuits, and dysregulated synaptic transmission have been implicated in the pathogenesis of OCD, the underlying mechanisms remain largely unknown. Here we show that OCD-like behavior in mice is caused by deficiency of SPRED2, a protein expressed in various brain regions and a potent inhibitor of Ras/ERK-MAPK signaling. Excessive self-grooming, reflecting OCD-like behavior in rodents, resulted in facial skin lesions in SPRED2 knockout (KO) mice. This was alleviated by treatment with the selective serotonin reuptake inhibitor fluoxetine. In addition to the previously suggested involvement of cortico-striatal circuits, electrophysiological measurements revealed altered transmission at thalamo-amygdala synapses and morphological differences in lateral amygdala neurons of SPRED2 KO mice. Changes in synaptic function were accompanied by dysregulated expression of various pre- and postsynaptic proteins in the amygdala. This was a result of altered gene transcription and triggered upstream by upregulated tropomyosin receptor kinase B (TrkB)/ERK-MAPK signaling in the amygdala of SPRED2 KO mice. Pathway overactivation was mediated by increased activity of TrkB, Ras, and ERK as a specific result of SPRED2 deficiency and not elicited by elevated brain-derived neurotrophic factor levels. Using the MEK inhibitor selumetinib, we suppressed TrkB/ERK-MAPK pathway activity in vivo and reduced OCD-like grooming in SPRED2 KO mice. Altogether, this study identifies SPRED2 as a promising new regulator, TrkB/ERK-MAPK signaling as a novel mediating mechanism, and thalamo-amygdala synapses as critical circuitry involved in the pathogenesis of OCD.
In vitro co-cultures of different primary human cell types are pivotal for the testing and evaluation of biomaterials under conditions that are closer to the human in vivo situation. Especially co-cultures of macrophages and mesenchymal stem cells (MSCs) are of interest, as they are both present and involved in tissue regeneration and inflammatory reactions and play crucial roles in the immediate inflammatory reactions and the onset of regenerative processes, thus reflecting the decisive early phase of biomaterial contact with the host. A co-culture system of these cell types might thus allow for the assessment of the biocompatibility of biomaterials. The establishment of such a co-culture is challenging due to the different in vitro cell culture conditions. For human macrophages, medium is usually supplemented with human serum (hS), whereas hMSC culture is mostly performed using fetal calf serum (FCS), and these conditions are disadvantageous for the respective other cell type. We demonstrate that human platelet lysate (hPL) can replace hS in macrophage cultivation and appears to be the best option for co-cultivation of human macrophages with hMSCs. In contrast to FCS and hS, hPL maintained the phenotype of both cell types, comparable to that of their respective standard culture serum, as well as the percentage of each cell population. Moreover, the expression profile and phagocytosis activity of macrophages was similar to hS.
Knowledge on trauma survival time prior to death following a lethal traumatic brain injury (TBI) may be essential for legal purposes. Immunohistochemistry studies might allow to narrow down this survival interval. The biomarkers interleukin-6 (IL-6) and glial fibrillary acidic protein (GFAP) are well known in the clinical setting for their usability in TBI prediction. Here, both proteins were chosen in forensics to determine whether neuronal or glial expression in various brain regions may be associated with the cause of death and the survival time prior to death following TBI. IL-6 positive neurons, glial cells and GFAP positive astrocytes all concordantly increase with longer trauma survival time, with statistically significant changes being evident from three days post-TBI (p < 0.05) in the pericontusional zone, irrespective of its definite cortical localization. IL-6 staining in neurons increases significantly in the cerebellum after trauma, whereas increasing GFAP positivity is also detected in the cortex contralateral to the focal lesion. These systematic chronological changes in biomarkers of pericontusional neurons and glial cells allow for an estimation of trauma survival time. Higher numbers of IL-6 and GFAP-stained cells above threshold values in the pericontusional zone substantiate the existence of fatal traumatic changes in the brain with reasonable certainty.
The diagnosis of Parkinson’s disease (PD) occurs after pathogenesis is advanced and many substantia nigra (SN) dopamine neurons have already died. Now that therapies to block this neuronal loss are under development, it is imperative that the disease be diagnosed at earlier stages and that the response to therapies is monitored. Recent studies suggest this can be accomplished by magnetic resonance imaging (MRI) detection of neuromelanin (NM), the characteristic pigment of SN dopaminergic, and locus coeruleus (LC) noradrenergic neurons. NM is an autophagic product synthesized via oxidation of catecholamines and subsequent reactions, and in the SN and LC it increases linearly during normal aging. In PD, however, the pigment is lost when SN and LC neurons die. As shown nearly 25 years ago by Zecca and colleagues, NM’s avid binding of iron provides a paramagnetic source to enable electron and nuclear magnetic resonance detection, and thus a means for safe and noninvasive measure in living human brain. Recent technical improvements now provide a means for MRI to differentiate between PD patients and age-matched healthy controls, and should be able to identify changes in SN NM with age in individuals. We discuss how MRI detects NM and how this approach might be improved. We suggest that MRI of NM can be used to confirm PD diagnosis and monitor disease progression. We recommend that for subjects at risk for PD, and perhaps generally for older people, that MRI sequences performed at regular intervals can provide a pre-clinical means to detect presymptomatic PD.
Bacterial coinfection restrains antiviral CD8 T-cell response via LPS-induced inhibitory NK cells
(2018)
Infection of specific pathogen-free mice with lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) is a widely used model to study antiviral T-cell immunity. Infections in the real world, however, are often accompanied by coinfections with unrelated pathogens. Here we show that in mice, systemic coinfection with E. coli suppresses the LCMV-specific cytotoxic T-lymphocyte (CTL) response and virus elimination in a NK cell- and TLR2/4-dependent manner. Soluble TLR4 ligand LPS also induces NK cell-mediated negative CTL regulation during LCMV infection. NK cells in LPS-treated mice suppress clonal expansion of LCMV-specific CTLs by a NKG2D- or NCR1-independent but perforin-dependent mechanism. These results suggest a TLR4-mediated immunoregulatory role of NK cells during viral-bacterial coinfections.
Sensory processing and attention allocation are shaped by threat, but the role of trait-anxiety in sensory processing as a function of threat predictability remains incompletely understood. Therefore, we measured steady-state visual evoked potentials (ssVEPs) as an index of sensory processing of predictable and unpredictable threat cues in 29 low (LA) and 29 high (HA) trait-anxious participants during a modified NPU-paradigm followed by an extinction phase. Three different contextual cues indicated safety (N), predictable (P) or unpredictable threat (U), while foreground cues signalled shocks in the P-condition only. All participants allocated increased attentional resources to the central P-threat cue, replicating previous findings. Importantly, LA individuals exhibited larger ssVEP amplitudes to contextual threat (U and P) than to contextual safety cues, while HA individuals did not differentiate among contextual cues in general. Further, HA exhibited higher aversive ratings of all contexts compared to LA. These results suggest that high trait-anxious individuals might be worse at discriminating contextual threat stimuli and accordingly overestimate the probability and aversiveness of unpredictable threat. These findings support the notion of aberrant sensory processing of unpredictable threat in anxiety disorders, as this processing pattern is already evident in individuals at risk of these disorders.
Cell adhesion in the multiple myeloma (MM) microenvironment has been recognized as a major mechanism of MM cell survival and the development of drug resistance. Here we addressed the hypothesis that the protein junctional adhesion molecule-A (JAM-A) may represent a novel target and a clinical biomarker in MM. We evaluated JAM-A expression in MM cell lines and in 147 MM patient bone marrow aspirates and biopsies at different disease stages. Elevated JAM-A levels in patient-derived plasma cells were correlated with poor prognosis. Moreover, circulating soluble JAM-A (sJAM-A) levels were significantly increased in MM patients as compared with controls. Notably, in vitro JAM-A inhibition impaired MM migration, colony formation, chemotaxis, proliferation and viability. In vivo treatment with an anti-JAM-A monoclonal antibody (αJAM-A moAb) impaired tumor progression in a murine xenograft MM model. These results demonstrate that therapeutic targeting of JAM-A has the potential to prevent MM progression, and lead us to propose JAM-A as a biomarker in MM, and sJAM-A as a serum-based marker for clinical stratification.
The metabolic rewiring that occurs during cell transformation is a hallmark of cancer. It is diverse in different cancers as it reflects different combinations of oncogenic drivers, tumor suppressors, and the microenvironment. Metabolic rewiring is essential to cancer as it enables uncontrolled proliferation and adaptation to the fluctuating availability of nutrients and oxygen caused by poor access to the vasculature due to tumor growth and a foreign microenvironment encountered during metastasis. Increasing evidence now indicates that the metabolic state in cancer cells also plays a causal role in tumor growth and metastasis, for example through the action of oncometabolites, which modulate cell signaling and epigenetic pathways to promote malignancy. In addition to altering the metabolic state in cancer cells, some multifunctional enzymes possess non-metabolic functions that also contribute to cell transformation. Some multifunctional enzymes that are highly expressed in cancer, such as pyruvate kinase M2 (PKM2), have non-canonical functions that are co-opted by oncogenic signaling to drive proliferation and inhibit apoptosis. Other multifunctional enzymes that are frequently downregulated in cancer, such as fructose-bisphosphatase 1 (FBP1), are tumor suppressors, directly opposing mitogenic signaling via their non-canonical functions. In some cases, the enzymatic and non-canonical roles of these enzymes are functionally linked, making the modulation of non-metabolic cellular processes dependent on the metabolic state of the cell.
Attempts to exploit the cytotoxic activity of death receptors (DR) for treating cancer have thus far been disappointing. DR activation in most malignant cells fails to trigger cell death and may even promote tumor growth by activating cell death-independent DR-associated signaling pathways. Overcoming apoptosis resistance is consequently a prerequisite for successful clinical exploitation of DR stimulation. Here we show that hyperosmotic stress in the tumor microenvironment unleashes the deadly potential of DRs by enforcing BCL-2 addiction of cancer cells. Hypertonicity robustly enhanced cytotoxicity of tumor necrosis factor (TNF)-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) and other DR ligands in various cancer entities. Initial events in TRAIL DR signaling remained unaffected, but hypertonic conditions unlocked activation of the mitochondrial death pathway and thus amplified the apoptotic signal. Mechanistically, we demonstrate that hyperosmotic stress imposed a BCL-2-addiction on cancer cells to safeguard the integrity of the outer mitochondrial membrane (OMM), essentially exhausting the protective capacity of BCL-2-like pro-survival proteins. Deprivation of these mitochondrial safeguards licensed DR-generated truncated BH3-interacting domain death agonist (tBID) to activate BCL-2-associated X protein (BAX) and initiated mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP). Our work highlights that hyperosmotic stress in the tumor environment primes mitochondria for death and lowers the threshold for DR-induced apoptosis. Beyond TRAIL-based therapies, our findings could help to strengthen the efficacy of other apoptosis-inducing cancer treatment regimens.
TNF is not only a major effector molecule of PAMP/DAMP-activated macrophages, but also regulates macrophage function and viability. We recently demonstrated that TNFR2 triggers necroptosis in macrophages with compromised caspase activity by two cooperating mechanisms: induction of endogenous TNF with subsequent stimulation of TNFR1 and depletion of cytosolic TRAF2-cIAP complexes. Here we show that TNFR2 activation in caspase-inhibited macrophages results in the production of endogenous TNF and TNFR1 stimulation followed by upregulation of A20, TRAF1, IL-6, and IL-1β. Surprisingly, TNFR1-mediated induction of IL-6 and IL-1β was clearly evident in response to TNFR2 stimulation but occurred not or only weakly in macrophages selectively and directly stimulated via TNFR1. Moreover, TNFR2-induced TNFR1-mediated gene induction was largely inhibited by necrostatin-1, whereas upregulation of A20 and TRAF1 by direct and exclusive stimulation of TNFR1 remained unaffected by this compound. Thus, treatment with TNFR2/ZVAD enables TNFR1 in macrophages to stimulate gene induction via a pathway requiring RIPK1 kinase activity. TNFR2/ZVAD-induced production of IL-6 and IL-1β was largely blocked in necroptosis-resistant MLKL- and RIPK3-deficient macrophages, whereas induction of A20 and TRAF1 remained unaffected. In sum, our results show that in caspase-inhibited macrophages TNFR2 not only triggers TNF/TNFR1-mediated necroptosis but also TNF/TNFR1-mediated RIPK3/MLKL-dependent and -independent gene induction.
Background
Conjunctival melanoma is a potentially deadly eye tumour. Despite effective local therapies, tumour recurrence and metastasis remain frequent. The genetics of conjunctival melanomas remain incompletely understood.
Methods
A large cohort of 63 conjunctival melanomas was screened for gene mutations known to be important in other melanoma subtypes by targeted next-generation sequencing. Mutation status was correlated with patient prognosis.
Results
Frequent mutations in genes activating the MAP kinase pathway were identified. NF1 mutations were most frequent (n = 21, 33%). Recurrent activating mutations were also identified in BRAF (n = 16, 25%) and RAS genes (n = 12, 19%; 11 NRAS and 1 KRAS).
Conclusions
Similar to cutaneous melanomas, conjunctival melanomas can be grouped genetically into four groups: BRAF-mutated, RAS-mutated, NF1-mutated and triple wild-type melanomas. This genetic classification may be useful for assessment of therapeutic options for patients with metastatic conjunctival melanoma
Motor aspects of Parkinson’s disease, such as fluctuations and dyskinesia, can be reliably evaluated using a variety of “wearable” technologies, but practical guidance on objective measurement (OM) and the optimum use of these devices is lacking. Therefore, as a first step, a panel of movement disorder specialists met to provide guidance on how OM could be assessed and incorporated into clinical guidelines. A key aspect of the incorporation of OM into the management of Parkinson’s disease (PD) is defining cutoff values that separate “controlled” from “uncontrolled” symptoms that can be modified by therapy and that relate to an outcome that is relevant to the person with PD (such as quality of life). Defining cutoffs by consensus, which can be subsequently tested and refined, is the first step to optimizing OM in the management of PD. OM should be used by all clinicians that treat people with PD but the least experienced may find the most value, but this requires guidance from experts to allow non-experts to apply guidelines. While evidence is gained for devices that produce OM, expert opinion is needed to supplement the evidence base.
Immunotherapy with chimeric antigen receptor-engineered T-cells (CAR-T) is under investigation in multiple myeloma. There are reports of myeloma remission after CD19 CAR-T therapy, although CD19 is hardly detectable on myeloma cells by flow cytometry (FC). We apply single molecule-sensitive direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM), and demonstrate CD19 expression on a fraction of myeloma cells (10.3–80%) in 10 out of 14 patients (density: 13–5,000 molecules per cell). In contrast, FC detects CD19 in only 2 of these 10 patients, on a smaller fraction of cells. Treatment with CD19 CAR-T in vitro results in elimination of CD19-positive myeloma cells, including those with <100 CD19 molecules per cell. Similar data are obtained by dSTORM analyses of CD20 expression on myeloma cells and CD20 CAR-T. These data establish a sensitivity threshold for CAR-T and illustrate how super-resolution microscopy can guide patient selection in immunotherapy to exploit ultra-low density antigens.
Evidence for a shared genetic basis of association between coronary artery disease (CAD) and periodontitis (PD) exists. To explore the joint genetic basis, we performed a GWAS meta-analysis. In the discovery stage, we used a German aggressive periodontitis sample (AgP-Ger; 680 cases vs 3,973 controls) and the CARDIoGRAMplusC4D CAD meta-analysis dataset (60,801 cases vs 123,504 controls). Two SNPs at the known CAD risk loci ADAMTS7 (rs11634042) and VAMP8 (rs1561198) passed the pre-assigned selection criteria (PAgP-Ger < 0.05; PCAD < 5 × 10−8; concordant effect direction) and were replicated in an independent GWAS meta-analysis dataset of PD (4,415 cases vs 5,935 controls). SNP rs1561198 showed significant association (PD[Replication]: P = 0.008 OR = 1.09, 95% CI = [1.02–1.16]; PD [Discovery + Replication]: P = 0.0002, OR = 1.11, 95% CI = [1.05–1.17]). For the associated haplotype block, allele specific cis-effects on VAMP8 expression were reported. Our data adds to the shared genetic basis of CAD and PD and indicate that the observed association of the two disease conditions cannot be solely explained by shared environmental risk factors. We conclude that the molecular pathway shared by CAD and PD involves VAMP8 function, which has a role in membrane vesicular trafficking, and is manipulated by pathogens to corrupt host immune defense.
Many evolutionarily distant pathogenic organisms have evolved similar survival strategies to evade the immune responses of their hosts. These include antigenic variation, through which an infecting organism prevents clearance by periodically altering the identity of proteins that are visible to the immune system of the host1. Antigenic variation requires large reservoirs of immunologically diverse antigen genes, which are often generated through homologous recombination, as well as mechanisms to ensure the expression of one or very few antigens at any given time. Both homologous recombination and gene expression are affected by three-dimensional genome architecture and local DNA accessibility2,3. Factors that link three-dimensional genome architecture, local chromatin conformation and antigenic variation have, to our knowledge, not yet been identified in any organism. One of the major obstacles to studying the role of genome architecture in antigenic variation has been the highly repetitive nature and heterozygosity of antigen-gene arrays, which has precluded complete genome assembly in many pathogens. Here we report the de novo haplotype-specific assembly and scaffolding of the long antigen-gene arrays of the model protozoan parasite Trypanosoma brucei, using long-read sequencing technology and conserved features of chromosome folding4. Genome-wide chromosome conformation capture (Hi-C) reveals a distinct partitioning of the genome, with antigen-encoding subtelomeric regions that are folded into distinct, highly compact compartments. In addition, we performed a range of analyses—Hi-C, fluorescence in situ hybridization, assays for transposase-accessible chromatin using sequencing and single-cell RNA sequencing—that showed that deletion of the histone variants H3.V and H4.V increases antigen-gene clustering, DNA accessibility across sites of antigen expression and switching of the expressed antigen isoform, via homologous recombination. Our analyses identify histone variants as a molecular link between global genome architecture, local chromatin conformation and antigenic variation.
Panic disorder (PD) is characterized by recurrent and unexpected panic attacks, subsequent anticipatory anxiety, and phobic avoidance. Recent epidemiological and genetic studies have revealed that genetic factors contribute to the pathogenesis of PD. We performed whole-exome sequencing on one Japanese family, including multiple patients with panic disorder, which identified seven rare protein-altering variants. We then screened these genes in a Japanese PD case–control group (384 sporadic PD patients and 571 controls), resulting in the detection of three novel single nucleotide variants as potential candidates for PD (chr15: 42631993, T>C in GANC; chr15: 42342861, G>T in PLA2G4E; chr20: 3641457, G>C in GFRA4). Statistical analyses of these three genes showed that PLA2G4E yielded the lowest p value in gene-based rare variant association tests by Efficient and Parallelizable Association Container Toolbox algorithms; however, the p value did not reach the significance threshold in the Japanese. Likewise, in a German case–control study (96 sporadic PD patients and 96 controls), PLA2G4E showed the lowest p value but again did not reach the significance threshold. In conclusion, we failed to find any significant variants or genes responsible for the development of PD. Nonetheless, our results still leave open the possibility that rare protein-altering variants in PLA2G4E contribute to the risk of PD, considering the function of this gene.
Various experimental and computational techniques have been employed over the past decade to provide structural and thermodynamic insights into G Protein-Coupled Receptor (GPCR) dimerization. Here, we use multiple microsecond-long, coarse-grained, biased and unbiased molecular dynamics simulations (a total of ~4 milliseconds) combined with multi-ensemble Markov state models to elucidate the kinetics of homodimerization of a prototypic GPCR, the µ-opioid receptor (MOR), embedded in a 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC)/cholesterol lipid bilayer. Analysis of these computations identifies kinetically distinct macrostates comprising several different short-lived dimeric configurations of either inactive or activated MOR. Calculated kinetic rates and fractions of dimers at different MOR concentrations suggest a negligible population of MOR homodimers at physiological concentrations, which is supported by acceptor photobleaching fluorescence resonance energy transfer (FRET) experiments. This study provides a rigorous, quantitative explanation for some conflicting experimental data on GPCR oligomerization.
Antibodies specific for TNFRSF receptors that bind soluble ligands without getting properly activated generally act as strong agonists upon FcγR binding. Systematic analyses revealed that the FcγR dependency of such antibodies to act as potent agonists is largely independent from isotype, FcγR type, and of the epitope recognized. This suggests that the sole cellular attachment, achieved by Fc domain-FcγR interaction, dominantly determines the agonistic activity of antibodies recognizing TNFRSF receptors poorly responsive to soluble ligands. In accordance with this hypothesis, we demonstrated that antibody fusion proteins harboring domains allowing FcγR-independent cell surface anchoring also act as strong agonist provided they have access to their target. This finding defines a general possibility to generate anti-TNFRSF receptor antibodies with FcγR-independent agonism. Moreover, anti-TNFRSF receptor antibody fusion proteins with an anchoring domain promise superior applicability to conventional systemically active agonists when an anchoring target with localized disease associated expression can be addressed.
Cell culture and protein target-based compound screening strategies, though broadly utilized in selecting candidate compounds, often fail to eliminate candidate compounds with non-target effects and/or safety concerns until late in the drug developmental process. Phenotype screening using intact research animals is attractive because it can help identify small molecule candidate compounds that have a high probability of proceeding to clinical use. Most FDA approved, first-in-class small molecules were identified from phenotypic screening. However, phenotypic screening using rodent models is labor intensive, low-throughput, and very expensive. As a novel alternative for small molecule screening, we have been developing gene expression disease profiles, termed the Transcriptional Disease Signature (TDS), as readout of small molecule screens for therapeutic molecules. In this concept, compounds that can reverse, or otherwise affect known disease-associated gene expression patterns in whole animals may be rapidly identified for more detailed downstream direct testing of their efficacy and mode of action. To establish proof of concept for this screening strategy, we employed a transgenic strain of a small aquarium fish, medaka (Oryzias latipes), that overexpresses the malignant melanoma driver gene xmrk, a mutant egfr gene, that is driven by a pigment cell-specific mitf promoter. In this model, melanoma develops with 100% penetrance. Using the transgenic medaka malignant melanoma model, we established a screening system that employs the NanoString nCounter platform to quantify gene expression within custom sets of TDS gene targets that we had previously shown to exhibit differential transcription among xmrk-transgenic and wild-type medaka. Compound-modulated gene expression was identified using an internet-accessible custom-built data processing pipeline. The effect of a given drug on the entire TDS profile was estimated by comparing compound-modulated genes in the TDS using an activation Z-score and Kolmogorov-Smirnov statistics. TDS gene probes were designed that target common signaling pathways that include proliferation, development, toxicity, immune function, metabolism and detoxification. These pathways may be utilized to evaluate candidate compounds for potential favorable, or unfavorable, effects on melanoma-associated gene expression. Here we present the logistics of using medaka to screen compounds, as well as, the development of a user-friendly NanoString data analysis pipeline to support feasibility of this novel TDS drug-screening strategy.
Burkitt lymphoma (BL) is the most common B-cell lymphoma in children. Within the International Cancer Genome Consortium (ICGC), we performed whole genome and transcriptome sequencing of 39 sporadic BL. Here, we unravel interaction of structural, mutational, and transcriptional changes, which contribute to MYC oncogene dysregulation together with the pathognomonic IG-MYC translocation. Moreover, by mapping IGH translocation breakpoints, we provide evidence that the precursor of at least a subset of BL is a B-cell poised to express IGHA. We describe the landscape of mutations, structural variants, and mutational processes, and identified a series of driver genes in the pathogenesis of BL, which can be targeted by various mechanisms, including IG-non MYC translocations, germline and somatic mutations, fusion transcripts, and alternative splicing.
CRISPR-Cas systems inherently multiplex through CRISPR arrays—whether to defend against different invaders or mediate multi-target editing, regulation, imaging, or sensing. However, arrays remain difficult to generate due to their reoccurring repeat sequences. Here, we report a modular, one-pot scheme called CRATES to construct CRISPR arrays and array libraries. CRATES allows assembly of repeat-spacer subunits using defined assembly junctions within the trimmed portion of spacers. Using CRATES, we construct arrays for the single-effector nucleases Cas9, Cas12a, and Cas13a that mediated multiplexed DNA/RNA cleavage and gene regulation in cell-free systems, bacteria, and yeast. CRATES further allows the one-pot construction of array libraries and composite arrays utilized by multiple Cas nucleases. Finally, array characterization reveals processing of extraneous CRISPR RNAs from Cas12a terminal repeats and sequence- and context-dependent loss of RNA-directed nuclease activity via global RNA structure formation. CRATES thus can facilitate diverse multiplexing applications and help identify factors impacting crRNA biogenesis.
Selective serotonin reuptake inhibitors are among the most prescribed antidepressants. Fluoxetine is the lead molecule which exerts its therapeutic effects, at least in part, by promoting neuroplasticity through increased brain-derived neurotrophic factor (BDNF)/tropomyosin-related receptor kinase B (TrkB) signalling. It is unclear however, to which extent the neuroplastic effects of fluoxetine are solely mediated by the inhibition of the serotonin transporter (5-HTT). To answer this question, the effects of fluoxetine on neuroplasticity were analysed in both wild type (WT) and 5-Htt knock-out (KO) mice. Using Western blotting and RT-qPCR approaches, we showed that fluoxetine 10 µM activated BDNF/TrkB signalling pathways in both CD1 and C57BL/6J mouse primary cortical neurons. Interestingly, effects on BDNF signalling were observed in primary cortical neurons from both 5-Htt WT and KO mice. In addition, a 3-week in vivo fluoxetine treatment (15 mg/kg/d; i.p.) increased the expression of plasticity genes in brains of both 5-Htt WT and KO mice, and tended to equally enhance hippocampal cell proliferation in both genotypes, without reaching significance. Our results further suggest that fluoxetine-induced neuroplasticity does not solely depend on 5-HTT blockade, but might rely, at least in part, on 5-HTT-independent direct activation of TrkB.
Network medicine utilizes common genetic origins, markers and co-morbidities to uncover mechanistic links between diseases. These links can be summarized in the diseasome, a comprehensive network of disease–disease relationships and clusters. The diseasome has been influential during the past decade, although most of its links are not followed up experimentally. Here, we investigate a high prevalence unmet medical need cluster of disease phenotypes linked to cyclic GMP. Hitherto, the central cGMP-forming enzyme, soluble guanylate cyclase (sGC), has been targeted pharmacologically exclusively for smooth muscle modulation in cardiology and pulmonology. Here, we examine the disease associations of sGC in a non-hypothesis based manner in order to identify possibly previously unrecognized clinical indications. Surprisingly, we find that sGC, is closest linked to neurological disorders, an application that has so far not been explored clinically. Indeed, when investigating the neurological indication of this cluster with the highest unmet medical need, ischemic stroke, pre-clinically we find that sGC activity is virtually absent post-stroke. Conversely, a heme-free form of sGC, apo-sGC, was now the predominant isoform suggesting it may be a mechanism-based target in stroke. Indeed, this repurposing hypothesis could be validated experimentally in vivo as specific activators of apo-sGC were directly neuroprotective, reduced infarct size and increased survival. Thus, common mechanism clusters of the diseasome allow direct drug repurposing across previously unrelated disease phenotypes redefining them in a mechanism-based manner. Specifically, our example of repurposing apo-sGC activators for ischemic stroke should be urgently validated clinically as a possible first-in-class neuroprotective therapy.
We previously identified peptides that are actively transported across the intact tympanic membrane (TM) of rats with infected middle ears. To assess the possibility that this transport would also occur across the human TM, we first developed and validated an assay to evaluate transport in vitro using fragments of the TM. Using this assay, we demonstrated the ability of phage bearing a TM-transiting peptide to cross freshly dissected TM fragments from infected rats or from uninfected rats, guinea pigs and rabbits. We then evaluated transport across fragments of the human TM that were discarded during otologic surgery. Human trans-TM transport was similar to that seen in the animal species. Finally, we found that free peptide, unconnected to phage, was transported across the TM at a rate comparable to that seen for peptide-bearing phage. These studies provide evidence supporting the concept of peptide-mediated drug delivery across the intact TM and into the middle ears of patients.
Das mR-Paradigma beschreibt die Fähigkeit Objekte gedanklich zu drehen und erfordert dabei komplexe neuronale Prozesse. Bisherige Studien konnten nicht klären, ob es ein spezifisches Muster der Beeinträchtigung im mR-Test bei fokalen Dystonien gibt. Die übergeordnete Fragestellung der vorliegenden Arbeit war, ob eine verlangsamte Reaktion bei der mR von körperlichen Abbildungen einen stabilen Endophänotyp fokaler Dystonien darstellt. Die Zielsetzung war die Überprüfung der Hypothesen, 1) dass bisherige Ergebnisse, die eine verlängerte Reaktionszeit von CD-Patienten bei der mR von körperlichen Abbildungen aufzeigten, reproduzierbar sind und 2) dass eine erhöhte Reaktionszeit bei der mR von körperlichen Abbildungen auch bei Patienten mit BSP vorliegt. Um dabei die mR möglichst spezifisch zu untersuchen, wurden folgende sekundäre Hypothesen formuliert: a) die kognitive Leistungsfähigkeit und b) das allgemeine Reaktionsvermögen der Teilnehmer stellen potenzielle Störfaktoren für die Reaktionszeit bei der mR-Aufgabe dar. Diese wurden neben der Händigkeit und der allgemeinen Geschicklichkeit systematisch erhoben.
23 CD-Patienten und 23 gesunde Kontrollpersonen sowie 21 BSP- und 19 HFS-Patienten wurden hinsichtlich Geschlechterverteilung, Alter und Bildungsstand verglichen. Zudem wurden Händigkeit, Fingergeschicklichkeit, allgemeine Reaktionszeit und kognitiver Status jedes Teilnehmers erhoben. Im mR-Test wurden Fotos von Körperteilen (Hand, Fuß oder Kopf) und einem nicht-körperlichen Objekt (Auto) gezeigt, die in sechs verschiedene Winkelgrade um die eigene Achse in der Bildebene rotiert waren. Die Teilnehmer wurden gebeten, die Lateralität des dargestellten Bildes per Tastendruck anzugeben. Bewertet wurden sowohl Geschwindigkeit als auch Richtigkeit der Antworten.
Im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen schnitten CD- und HFS-Patienten bei der mR der Hände schlechter ab, während die BSP-Patienten vergleichbare Leistungen zeigten. Es bestand ein signifikanter Zusammenhang zwischen einer verlängerten mR-Reaktionszeit und reduzierten MoCA-Scores sowie einer erhöhten mR-Reaktionszeit und verlängerter allgemeiner Reaktionszeit. Nach Ausschluss der Patienten mit MCI zeigten CD-Patienten, nicht jedoch HFS-Patienten, im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe weiterhin verlangsamte Reaktionszeiten der Hände.
Die vorliegende Studie konnte die Frage, ob eine verlangsamte Reaktion bei der mR von körperlichen Abbildungen einen stabilen Endophänotyp fokaler Dystonien darstellt, nicht sicher beantworten. Es stellte sich jedoch heraus, dass Kognition und allgemeine Reaktionszeit starke Einflussfaktoren bei der mR-Aufgabe sind. Dies wurde in den früheren Arbeiten nicht berücksichtigt und stellt daher ein neues und wichtiges Ergebnis dar. Die verlangsamte Reaktion bei der mR der Hände bei CD-Patienten auch nach Ausschluss von Patienten mit MCI lässt ein spezifisches Defizit der Fähigkeit der mR vermuten. Das Vorliegen einer tiefergreifenden zugrundeliegenden Netzwerkstörung, die sich auf die Leistung im mR-Test auswirkt, wäre dabei denkbar.
Charcot-Marie-Tooth (CMT) Neuropathien stellen als häufigste erblich bedingte neurologische Erkrankungen eine Gruppe genetisch heterogener, chronisch progredienter peripherer Polyneuropathien dar. Die Lebensqualität der Patienten ist bei fehlender kurativer Therapieoption vor allem durch motorische und sensorische Defizite deutlich eingeschränkt. In verschiedenen Studien konnte die pathophysiologische Relevanz einer sekundären Entzündungsreaktion, insbesondere durch Makrophagen und Lymphozyten vermittelt, in Mausmodellen dreier CMT1 Subtypen (CMT1A, CMT1B, CMT1X) aufgezeigt werden. Auch in Folge einer Läsion peripherer Nerven ist eine akute Entzündungsreaktion von entscheidender Bedeutung, wobei sich bereits Gemeinsamkeiten zwischen der postläsionalen Waller´schen Degeneration (WD) und CMT1 Neuropathien identifizieren ließen. Während die aktive Beteiligung der Autophagie Schwann´scher Zellen (hier kurz SZ Autophagie genannt) an der Myelindegradation im Falle einer WD jedoch vielfach beschrieben wurde, ist Ähnliches in CMT1 Neuropathien bisher nur unzureichend untersucht. Da in einer Studie in Cx32def Mausmodellen der CMT1X Erkrankung auch nach Reduktion endoneuraler Makrophagen anhaltende Demyelinisierung beobachtet werden konnte, sollte das Vorkommen von SZ Autophagie sowie deren mögliche Beeinflussung durch Makrophagen in diesen Myelinmutanten untersucht werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl Wildtyp (Wt) Mäuse in ex vivo und in vivo Modellen einer WD als auch Cx32def Myelinmutanten zweier Altersstufen (4 und 12 Monate) mit einem niedermolekularen CSF1-Rezeptor-Inhibitor (CSF1RI) zur Reduktion endoneuraler Makrophagen behandelt, wobei sich vergleichende histochemische bzw. immunhistochemische Analysen peripherer Nerven behandelter und unbehandelter Tiere anschlossen.
Im Rahmen der Etablierung immunhistochemischer Methodik zeigte sich hierbei unter den kontrollierten Bedingungen einer ex vivo Ischiasnervenkultur eine vermehrte Aktivierung der SZ Autophagie in behandelten Wt Mäusen. Auch 4 Monate alte behandelte Cx32def Tiere wiesen, verglichen mit unbehandelten Myelinmutanten bzw. Wt Mäusen derselben Altersstufe, eine vermehrte autophagische Aktivität in SZ auf. Diese scheint sich jedoch im weiteren Verlauf der Erkrankung zu reduzieren, da im Falle der 12 Monate alten Cx32def Modelltiere weniger autophagisch aktive SZ Profile bzw. kaum Unterschiede zwischen behandelten und unbehandelten Tieren beobachtet werden konnten.
Die Ergebnisse lassen somit eine mögliche aktive Beteiligung von SZ Autophagie insbesondere in der Pathophysiologie der frühen Phase einer CMT1X Erkrankung sowie deren Beeinflussung durch endoneurale Makrophagen vermuten. Dies sollte vornehmlich in der Entwicklung von Therapiestrategien der CMT1X bedacht werden, da sich eine frühe Reduktion pathophysiologisch relevanter endoneuraler Makrophagen somit auch nachteilig auf die Myelinintegrität auswirken könnte.
Bei Großschadensereignissen oder Katastrophen arbeiten die Einsatzkräfte verschiedener Organisationen und Krankenhäuser zusammen, um die Schadenslage zu bewältigen. Für die Koordinierung dieser Einsätze benötigen die Führungskräfte ein möglichst genaues Bild der aktuellen Lage. Auch im Rahmen der SARS-CoV-2- Pandemie war eine Übersicht über die Versorgungslage der Krankenhäuser erforderlich, um mögliche lokale Ressourcenengpässe frühzeitig zu erkennen und durch geeignete Maßnahmen zu beheben. Zu diesem Zweck wurde in Bayern im November 2021 das Windmühlen-Modell eingeführt. Basierend auf einer Online-Plattform meldeten die zuständigen Bezirkskoordinierenden der bayerischen Regierungsbezirke täglich die Versorgungslage ihrer Kliniken anhand der Komponenten Personal, Material und Raum. Außerdem gab es die Möglichkeit zur Dokumentation von Patientenverlegungen. Die über die Windmühlen-Onlineplattform gesammelten Lagemeldungen und dokumentierten Verlegungen des Zeitraums von 21. November 2021 bis 20. Februar 2022 wurden in der vorliegenden Arbeit detailliert aufbereitet. Zusätzlich wurden die erfassten Daten statistisch ausgewertet und mit den örtlichen 7-Tage-Inzidenzwerten des SARS-CoV-2-Virus verglichen. Durch das Windmühlen-Modell konnten Unterschiede in der Versorgungslage zwischen den Regierungsbezirken sehr effektiv sichtbar gemacht werden. Insgesamt waren Intensivstationen deutlich stärker belastet als Normalstationen. Die Versorgungsqualität war in Covid-Bereichen stärker beeinträchtigt als auf Stationen ohne Covid-Patienten. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Windmühlen-Lagemeldungen nicht allein die regionalen Inzidenzwerte, sondern die tatsächliche Versorgungssituation vor Ort abbilden. Die dokumentierten Interhospitaltransfers erfolgten von Regionen mit hohen Inzidenzwerten und schlechter Ressourcenverfügbarkeit in Bezirke mit weniger kritischer Versorgungslage. Damit konnten aus den Windmühlen-Lagemeldungen auch konkrete Handlungskonsequenzen, wie strategische Patientenverlegungen, abgeleitet werden. Lagemeldungen sind wichtig für die abgestimmte Zusammenarbeit verschiedener Stellen bei der Bewältigung einer Krise. Die etablierten Systeme zur Lageerfassung sind meist quantitativ ausgelegt und nur wenig skalierbar. Die Anwendung in einem neuen Kontext erfordert oft zeitaufwändige Anpassungen. Im Gegensatz dazu bietet das Windmühlen-Modell eine skalierbare, eher qualitativ ausgerichtete Lagedarstellung und ist aufgrund seines unkomplizierten Aufbaus innerhalb kürzester Zeit für eine Nutzung in verschiedensten Schadenslagen adaptierbar.
Die alveoläre Echinokokkose (AE), die durch den Fuchsbandwurm Echinococcus multilocularis verursacht wird, ist eine seltene jedoch schwere und oft tödlich verlaufende Erkrankung. Aufgrund der späten Diagnosestellung sind kurative Behandlungsmethoden häufig nicht durchführbar und als einzige Behandlungsmöglichkeit bleibt eine lebenslange und nebenwirkungsreiche Therapie mit Benzimidazolen. Verbesserte Therapieoptionen durch die Entwicklung neuer Medikamente sind dringend notwendig. Hierfür kann es hilfreich sein die Biologie des Fuchsbandwurmes und die Kommunikationswege zwischen Parasit und Wirt zu verstehen. Bereits in vorherigen Arbeiten als auch in dieser Arbeit erwiesen sich evolutionsgeschichtlich konservierte Signalwege als Kommunikationsweg zwischen dem Fuchsbandwurm und seinem Wirt von zentraler Rolle.
Die Entschlüsselung des Echinococcus-Genoms gab Hinweise darauf, dass ein Mitglied der Tumornekrosefaktor-Rezeptor-Superfamilie, jedoch kein endogener TNF α ähnlicher Ligand im Genom kodiert wird. Ein Mitglied der TNFR-Superfamilie des Fuchsbandwurmes (EmTNFR) wurde in dieser Arbeit als membranständiger Rezeptor mit einer intrazellulären Todesdomäne (DD) und hoher Ähnlichkeit zum humanen Typ 16 der TNF-Rezeptor-Superfamilie, auch 〖p75〗^NTR genannt, charakterisiert. Sowohl in bioinformatischen als auch in Sequenzanalysen wurden drei alternative Splicing-Formen von emtnfr (emtnfr, emtnfr-v2 und emtnfr-v3) nachgewiesen. emtnfr-v2 entsteht durch Alternatives Splicing und kodiert ein Protein, das keine intrazelluläre Todesdomäne besitzt. emtnfr-v3 verwendet einen alternativen Transkriptionstart und wird von den letzten 3 Exons von emtnfr kodiert. emtnfr-v3, kodiert ein Protein ohne extrazelluläre Region, aber mit intrazellulärer Todesdomäne. Ein löslicher TNF-Rezeptor konnte auf Proteinebene nicht nachgewiesen werden. Aufgrund von phylogenetischen Analysen und der Rezeptor-Struktur ist zu vermuten, dass EmTNFR ein p75NTR Homolog ist und damit der ursprünglichen Form der TNF-Rezeptoren entspricht. Mitglieder eines intrazellulären TNF-Signalweges wurden in bioinformatischen Analysen beim Fuchsbandwurm E. multilocularis identifiziert.
Expressionsuntersuchungen zeigten sowohl in Trankriptomdaten als auch auf Proteinebene eine starke Expression von EmTNFR in Primärzellen und im Metazestoden (MZ), dem pathogenen Stadium für den Zwischenwirt. Echinococcus-Stammzellkulturen zeigten nach RNA-Interferenz-basiertem Knockdown des EmTNFR-kodierenden Gens deutliche Entwicklungsdefekte. Des Weiteren zeigten Echinococcus-Stammzellkulturen nach einer Behandlung mit TNF-α, einem potentiellen Liganden des TNF-Rezeptors und einem zentralen Zytokin in der Immunabwehr des Zwischenwirtes, Entwicklungsfortschritte, wie eine verbesserte Bildung von MZ aus Stammzellen. Zusätzlich wurde in whole-mount in situ Hybridisierungs-Versuchen eine ubiquitäre Expression von emtnfr in der Germinalschicht des MZ sowie eine Spezifität von emtnfr für den MZ, welcher ursächlich für die AE ist, nachgewiesen. Somit scheinen sowohl EmTNFR als auch TNF-α eine wichtige Funktion bei der Entwicklung und Etablierung des Fuchsbandwurmes während der frühen Phase der Infektion des Zwischenwirtes zu haben. TNF-α könnte ein weiterer Faktor für den ausgeprägten Organtropismus des Parasiten zur Leber sein, denn dort bestehen durch Kupfferzellen produzierte hohe lokale Konzentration von TNF-α.
Zusammenfassend deuten die hier erarbeiteten Daten darauf hin, dass EmTNFR über die Bindung von Wirts-TNF-α bei der frühen Entwicklung des Echincoccus-Metazestoden eine Rolle spielt.
Laut Statistischem Bundesamt (Destatis) starben allein im Jahr 2020 zirka 985.500 Menschen. Die häufigsten Todesursachen waren Herz-Kreislauf- und Krebs-Erkrankungen (vgl. Destatis 2020). Die meisten Menschen haben den Wunsch zuhause zu sterben, doch die Mehrheit stirbt in Krankenhäusern, Alten- und Pflegeheimen (vgl. DHPV 2017; Dasch et al. 2015). Der Tod eines nahestehenden Menschen kann bei Hinterbliebenen zu großen Belastungen, gesundheitlichen Problemen sowie einer gesteigerten Mortalität führen (vgl. Stroebe et al. 2007). Ziel dieser Arbeit war es, mit Hilfe von halbstandardisierten Interviews mit 30 Trauernden Faktoren herauszuarbeiten, die sich förderlich oder hinderlich auf den Trauerprozess auswirken können. Die Interviews wurden mit der Transkriptionssoftware f4transkript verschriftlicht und mittels qualitativer Inhaltsanalyse nach Mayring ausgewertet. Es entstand ein Kategoriensystem mit je vier Oberkategorien innerhalb der zwei Hauptkategorien, Förderliche und Hinderliche Faktoren. Folgende Faktoren konnten identifiziert werden: Förderliche Faktoren in der Oberkategorie Betreuung der erkrankten und trauernden Person sind eine gute Symptomkontrolle sowie der verständnisvolle Umgang mit den Nahestehenden, während mangelhafte Kommunikation wiederum hinderlich für eine positive Trauerbewältigung ist. In der Oberkategorie Intrapersonale Faktoren sind die Antizipation des Todes sowie die Auseinandersetzung mit der Trauer förderlich, während negative Gefühle (z.B. Schuldgefühle, Hilfslosigkeit) sich in besagter Hinsicht hinderlich auswirken. In der Oberkategorie Beziehung zur verstorbenen Person können die optimale Nutzung der verbliebenen Zeit sowie der offene Umgang mit der Erkrankung förderliche Faktoren darstellen, während ein “schwieriger“ Abschied sowie ungeklärte Konflikte oder offene Fragen Hindernisse für den Trauerprozess sein können. In der Oberkategorie Soziales Umfeld sind die unaufgeforderte Unterstützung, die emotionale Begleitung sowie ein flexibler Arbeitgeber förderlich. Streitigkeiten innerhalb der Familie und Unverständnis der Mitmenschen dagegen sind hinderlich. Eine gute und würdevolle Sterbebegleitung, wie sie in der Palliativmedizin in der Regel gewährleistet ist, ist von großer Bedeutung für einen gelingenden Trauerprozess. Daher sollte eine palliative Haltung disziplinübergreifend vorangebracht und ausgebaut werden. In der Gesellschaft sollte Trauernden mehr Toleranz und Verständnis entgegengebracht und offen mit dem Thema Tod und Sterben umgegangen werden.
A highly regulated microenvironment is essential in maintaining normal functioning of the central nervous system (CNS). The existence of a biological barrier, termed as the blood-brain barrier (BBB), at the blood to brain interface effectively allows for selective passage of substances and pathogens into the brain (Kadry, Noorani et al. 2020). The BBB chiefly serves in protecting the brain from extrinsic toxin entry and pathogen invasions. The BBB is formed mainly by brain capillary endothelial cells (BCECs) which are responsible for excluding ∼ 100% of large-molecule neurotherapeutics and more than 98% of all small-molecule drugs from entry into the brain. Minimal BBB transport of major potential CNS drugs allows for attenuated effective treatments for majority of CNS disorders (Appelt-Menzel, Oerter et al. 2020). Animals are generally used as model systems to study neurotherapeutic delivery into the brain, however due to species based disparity, experimental animal models lead to several false positive or false negative drug efficacy predictions thereby being unable to fully predict effects in humans (Ruck, Bittner et al. 2015). An example being that over the last two decades, much of the studies involving animals lead to high failure rates in drug development with ~ 97% failure in cancers and ~ 99% failure for Alzheimer´s disease (Pound 2020). Widespead failures in clinical trials associated with neurological disorders have resulted in questions on whether existing preclinical animal models are genuinely reflective of the human condition (Bhalerao, Sivandzade et al. 2020). Apart from high failure rates in humans, the costs for animal testings is extremely high. According to the Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD), responsible for determining animal testing guidelines and methodology for government, industry, and independent laboratories the average cost of a single two-generation reproductive animal toxicity study worldwide is 318,295 € and for Europe alone is ~ 285,842 € (Van Norman 2019). Due to these reasons two separate movements exist within the scientific world, one being to improve animal research and the other to promote new approach methodologies with the European government setting 2025 - 2035 as a deadline for gradually disposing the use of animals in pharmaceutical testing (Pound 2020).
The discovery of human induced pluripotent stem cell (hiPSC) technology in 2006 (Takahashi and Yamanaka 2006, Takahashi, Tanabe et al. 2007) revolutionized the field of drug discovery in-vitro. HiPSCs can be differentiated into various tissue types that mimic disease phenotypes, thereby offering the possibility to deliver humanized in-vitro test systems. With respect to the BBB, several strategies to differentiate hiPSCs to BCECs (iBCECs) are reported over the years (Appelt-Menzel, Oerter et al. 2020). However, iBCECs are said to possess an epithelial or undifferentiated phenotype causing incongruity in BBB lineage specifications (Lippmann,
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Azarin et al. 2020). Therefore, in order to identify a reliable differentiation strategy in deriving iBCECs possessing hallmark BBB characteristics, which can be used for downstream applications, the work in this thesis compared two methods, namely the co-differentiation (CD) and the directed differentiation (DD). Briefly, CD mimics a brain like niche environment for iBCEC specification (Lippmann, Al-Ahmad et al. 2014), while DD focuses on induction of the mesoderm followed by iBCEC specification (Qian, Maguire et al. 2017). The results obtained verified that while iBCECs derived via CD, in comparison to human BCEC cell line hCMEC/D3 showed the presence of epithelial transcripts such as E-Cadherin (CDH1), and gene level downregulation of endothelial specific platelet endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM-1) and VE-cadherin (CDH5) but demonstrated higher barrier integrity. The CD strategy essentially presented iBCECs with a mean trans-endothelial electrical resistance (TEER) of ~ 2000 – 2500 Ω*cm2 and low permeability coefficients (PC) of < 0.50 μm/min for small molecule transport of sodium fluorescein (NaF) and characteristic BCEC tight junction (TJ) protein expression of claudin-5 and occludin. Additionally, iBCECs derived via CD did not form tubes in response to angiogenic stimuli. DD on the other hand resulted in iBCECs with similar down regulations in PECAM-1 and CDH5 gene expression. They were additionally characterized by lower barrier integrity, measured by mean TEER of only ~ 250 – 450 Ω*cm2 and high PC of > 5 μm/min in small molecule transport of NaF. Although iBCECs derived via DD formed tubes in response to angiogenic stimuli, they did not show positive protein expression of characteristic BCEC TJs such as claudin-5 and occludin. These results led to the hypothesis that maturity and lineage specification of iBCECs could be improved by incorporating in-vivo like characteristics in-vitro, such as direct co-culture with neurovascular unit (NVU) cell types via spheroid formation and by induction of shear stress and fluid flow. In comparison to standard iBCEC transwell mono-cultures, BBB spheroids showed enhanced transcript expression of PECAM-1 and reduced expression of epithelial markers such as CDH1 and claudin-6 (CLDN6). BBB spheroids showed classical BCEC-like ultrastructure that was identified by TJ particles on the protoplasmic face (P-face) and exoplasmic face (E-face) of the plasma membrane. TJ strands were organized as particles and particle-free grooves on the E-face, while on the P-face, partly beaded particles and partly continuous strands were identified. BBB spheroids also showed positive protein expression of claudin-5, VE-cadherin, PECAM-1, glucose transporter-1 (GLUT-1), P-glycoprotein (P-gp) and transferrin receptor-1 (Tfr-1). BBB spheroids demonstrated higher relative impedance percentages in comparison to spheroids without an iBCEC barrier. Barrier integrity assessments additionally corresponded with lower permeability to small molecule tracer NaF, with spheroids containing iBCECs showing higher relative fluorescence unit percentages (RFU%) of ~ 90% in apical compartments, compared to ~ 80% in spheroids without iBCECs. In summary, direct cellular contacts in the complex spheroid model resulted in enhanced maturation of iBCECs.
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A bioreactor system was used to further assess the effect of shear stress. This system enabled inclusion of fluidic flow and shear stress conditions in addition to non-invasive barrier integrity measurements (Choi, Mathew et al. 2022). iBCECs were cultured for a total of seven days post differentiation (d17) within the bioreactor and barrier integrity was non-invasively monitored. Until d17 of long-term culture, TEER values of iBCECs steadily dropped from ~ 1800 Ω*cm2 ~ 400 Ω*cm2 under static conditions and from ~ 2500 Ω*cm2 to ~ 250 Ω*cm2 under dynamic conditions. Transcriptomic analyses, morphometric analyses and protein marker expression showed enhanced maturation of iBECs under long-term culture and dynamic flow. Importantly, on d10 claudin-5 was expressed mostly in the cytoplasm with only ~ 5% iBCECs showing continuous staining at the cell borders. With increase in culture duration, iBCECs at d17 of static culture showed ~ 18% of cells having continuous cell border expression, while dynamic conditions showed upto ~ 30% of cells with continuous cell-cell border expression patterns. Similarly, ~ 33% of cells showed cell-cell border expression of occludin on d10 with increases to ~ 55% under d17 static and up to ~ 65% under d17 dynamic conditions, thereby indicating iBCEC maturation.
In conclusion, the data presented within this thesis demonstrates the maturation of iBCECs in BBB spheroids, obtained via direct cellular contacts and by the application of flow and shear stress. Both established novel models need to be further validated for pharmaceutical drug applications together with in-vitro-in-vivo correlations in order to exploit their full potential.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss sozialer Stresserfahrung sowie des 5-Htt-Genotyps auf die neuronale Morphologie bestimmter Hirnregionen anhand eines Mausmodells untersucht. Es wurde in mit Golgi-Cox gefärbten Gehirnen der 5-HTT-KO-Linie in der lateralen Amygdala (LA) die Apikal- und Basaldendriten pyramidenzellähnlicher Neurone und die Apikaldendriten der Pyramidenzellen der Cornu ammonis (CA)3-Region des Hippocampus mithilfe des Neurolucidasystems rekonstruiert und die so gewonnenen Daten anschließend statistisch ausgewertet.
Die erzielten Ergebnisse belegen, dass vor allem die Erfahrung von sozialem Verteidigungsstress aber auch der 5-Htt-Genotyp (WT, HET, KO) im Mausmodell signifikanten Einfluss auf die Morphologie der Neurone der LA und der CA3-Region besitzen. Um die in dieser Arbeit mit allen drei 5-Htt-Genotypen erzielten Ergebnisse der LA-Neurone besser mit den Ergebnissen von Nietzer und Bonn (nur WT, KO) vergleichen zu können (Nietzer et al., 2011), wurden die von mir erhobenen Daten nicht nur in einem 3er-Vergleich, sondern auch einem 2er-Vergleich (WT vs. KO) statistisch analysiert. Untersuchungen der LA-Neurone aller drei 5-Htt-Genotypen zeigen, dass sozialer Stress zu einer Zunahme der Komplexität der Dendritenbäume durch längere und auch stärker verzweigte Dendriten vor allem in der Gruppe der WT-Mäuse führt. HET- und KO-Mäuse zeigten keinen entsprechenden Stress-Effekt. Darüber hinaus zeigten sich deutliche Genotypeffekte. Unabhängig vom Stresserleben besitzen HET-Mäuse längere Dendriten als WT-Mäuse sowie eine höhere Spinedichte als WT- und KO-Mäuse. Die Hypothese, die in der Arbeit von Nietzer et al. aufgestellt wurde, dass eine vollständige 5-HTT-Defizienz zu mehr Spines führt, ließ sich hier weder durch den 3er- noch durch den 2er-Vergleich replizieren. Die Pyramidenzellen der CA3-Region, die in dieser Studie zum ersten Mal analysiert wurden, zeigen in Bezug auf die durch den Stress ausgelösten Veränderungen ein im Vergleich zu den LA-Neuronen entgegengesetzten Effekt. Der soziale Stress führt hier zu einer Dendritenatrophie in der WT-Gruppe mit kürzeren und weniger komplexen Dendriten. Außerdem führte er zu einer geringeren Spinedichte bei den HET-Mäusen. Es zeigten sich klare Genotypeffekte, unabhängig von der Stresserfahrung, mit einer reduzierten Spinedichte der KO-Mäuse gegenüber den WT-Mäusen und einer nur in den Kontrollen detektierten, reduzierten Spinedichte der KO-Mäuse im Vergleich zu den WT- und HET-Mäusen. Sowohl in der LA als auch in der CA3-Region lassen sich Kompensationsmechanismen des 5-HTT-Defizits der HET-Tiere vermuten, über die die KO-Tiere nicht verfügen.
Die in LA und CA3 gezeigten gegensätzlichen Auswirkungen des sozialen Stresses weisen auf die unterschiedlichen Funktionen dieser beiden Regionen im Furchtkreislauf und/oder bei der Verarbeitung von Stress hin. Darüber hinaus deutet diese Arbeit darauf hin, dass Arbeiten mit ähnlichen Untersuchungsmethoden und sogar gleichem Untersuchungsmaterial unterschiedliche Ergebnisse liefern können.
Introduction: The German PID-NET registry was founded in 2009, serving as the first national registry of patients with primary immunodeficiencies (PID) in Germany. It is part of the European Society for Immunodeficiencies (ESID) registry. The primary purpose of the registry is to gather data on the epidemiology, diagnostic delay, diagnosis, and treatment of PIDs.
Methods: Clinical and laboratory data was collected from 2,453 patients from 36 German PID centres in an online registry. Data was analysed with the software Stata® and Excel.
Results: The minimum prevalence of PID in Germany is 2.72 per 100,000 inhabitants. Among patients aged 1-25, there was a clear predominance of males. The median age of living patients ranged between 7 and 40 years, depending on the respective PID. Predominantly antibody disorders were the most prevalent group with 57% of all 2,453 PID patients (including 728 CVID patients). A gene defect was identified in 36% of patients. Familial cases were observed in 21% of patients. The age of onset for presenting symptoms ranged from birth to late adulthood (range 0-88 years). Presenting symptoms comprised infections (74%) and immune dysregulation (22%). Ninety-three patients were diagnosed without prior clinical symptoms. Regarding the general and clinical diagnostic delay, no PID had undergone a slight decrease within the last decade. However, both, SCID and hyper IgE-syndrome showed a substantial improvement in shortening the time between onset of symptoms and genetic diagnosis. Regarding treatment, 49% of all patients received immunoglobulin G (IgG) substitution (70%-subcutaneous; 29%-intravenous; 1%-unknown). Three-hundred patients underwent at least one hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). Five patients had gene therapy.
Conclusion: The German PID-NET registry is a precious tool for physicians, researchers, the pharmaceutical industry, politicians, and ultimately the patients, for whom the outcomes will eventually lead to a more timely diagnosis and better treatment.
Heterozygous mutations in the glucocerebrosidase gene (GBA1) represent the most common genetic risk factor for Parkinson's disease (PD) and are histopathologically associated with a widespread load of alpha-synuclein in the brain. Therefore, PD patients with GBA1 mutations are a cohort of high interest for clinical trials on disease-modifying therapies targeting alpha-synuclein. There is evidence that detection of phospho-alpha-synuclein (p-syn) in dermal nerve fibers might be a biomarker for the histopathological identification of PD patients even at premotor or very early stages of disease. It is so far unknown whether dermal p-syn deposition can also be found in PD patients with GBA1 mutations and may serve as a biomarker for PD in these patients. Skin biopsies of 10 PD patients with different GBA1 mutations (six N3705, three E326K, one L444P) were analyzed by double-immunofluorescence labeling with anti-p-syn and anti-protein gene product 9.5 (PGP9.5, axonal marker) to detect intraaxonal p-syn deposition. Four biopsy sites (distal, proximal leg, paravertebral Th10, and C7) per patient were studied. P-syn was found in six patients (three N370S, three E326K). P-syn deposition was mainly detected in autonomic nerve fibers, but also in somatosensory fibers and was not restricted to a certain GBA1 mutation. In summary, dermal p-syn in PD patients with GBA1 mutations seems to offer a similar distribution and frequency as observed in patients without a known mutation. Skin biopsy may be suitable to study p-syn deposition in these patients or even to identify premotor patients with GBA1 mutations.
In young (n = 36, mean +/- SD: 24.8 +/- 4.5 years) and older (n = 34, mean +/- SD: 65.1 +/- 6.5 years) healthy participants, we employed a modified version of the Serial Reaction Time task to measure procedural learning (PL) and consolidation while providing monetary and social reward. Using voxel-based morphometry (VBM), we additionally determined the structural correlates of reward-related motor performance (RMP) and PL. Monetary reward had a beneficial effect on PL in the older subjects only. In contrast, social reward significantly enhanced PL in the older and consolidation in the young participants. VBM analyses revealed that motor performance related to monetary reward was associated with larger grey matter volume (GMV) of the left striatum in the young, and motor performance related to social reward with larger GMV of the medial orbitofrontal cortex in the older group. The differential effects of social reward in young (improved consolidation) and both social and monetary rewards in older (enhanced PL) healthy subjects point to the potential of rewards for interventions targeting aging-associated motor decline or stroke-induced motor deficits.
In the recent two decades, LIM and SH3 protein 1 (LASP1) has been developed from a simple actin-binding structural protein to a tumor biomarker and subsequently to a complex, nuclear transcriptional regulator. Starting with a brief historical perspective, this review will mainly compare and contrast LASP1 and LASP2 from the angle of the newest data and importantly, examine their role in transcriptional regulation. We will summarize the current knowledge through pictorial models and tables including the roles of different microRNAs in the differential regulation of LASP1 levels and patient outcome rather than specify in detail all tumor entities. Finally, the novel functional roles of LASP1 in secretion of vesicles, expression of matrix metalloproteinases and transcriptional regulation as well as the activation of survival and proliferation pathways in different cancer types are described.