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Despite medical achievements, the number of patients with end-stage kidney disease keeps steadily raising, thereby entailing a high number of surgical and interventional procedures to establish and maintain arteriovenous vascular access for hemodialysis. Due to vascular disease, aneurysms or infection, the preferred access—an autogenous arteriovenous fistula—is not always available and appropriate. Moreover, when replacing small diameter blood vessels, synthetic vascular grafts possess well-known disadvantages. A continuous multilayered gradient electrospinning was used to produce vascular grafts made of collagen type I nanofibers on luminal and adventitial graft side, and poly-ɛ-caprolactone as medial layer. Therefore, a custom-made electrospinner with robust environmental control was developed. The morphology of electrospun grafts was characterized by scanning electron microscopy and measurement of mechanical properties. Human microvascular endothelial cells were cultured in the graft under static culture conditions and compared to cultures obtained from dynamic continuous flow bioreactors. Immunofluorescent analysis showed that endothelial cells form a continuous luminal layer and functional characteristics were confirmed by uptake of acetylated low-density-lipoprotein. Incorporation of vancomycin and gentamicin to the medial graft layer allowed antimicrobial inhibition without exhibiting an adverse impact on cell viability. Most striking a physiological hemocompatibility was achieved for the multilayered grafts.
Zerebrovaskuläre kavernöse Malformationen (CCM) sind Blutgefäßfehlbildungen, welche hauptsächlich im Gehirn vorkommen. Sie sind gekennzeichnet durch stark dilatierte kapillarähnliche Gefäße mit niedriger Flussrate („slow-flow lesions“). Intervenierendes Gehirnparenchym fehlt ebenso wie Perizyten oder glatte Gefäßmuskelzellen. Die klinischen Symptome reichen von starken Kopfschmerzen über Epilepsie bis hin zum Schlaganfall. Dennoch bleiben viele Kavernomträger aufgrund unvollständiger Penetranz ihr Leben lang asymptomatisch. Die Prävalenz beträgt ca. 0,5% in der Gesamtbevölkerung. Es gibt sowohl sporadische als auch dominant vererbte Krankheitsformen. In den letzten Jahren konnten 3 Gene ursächlich mit der Krankheit in Verbindung gebracht werden. Mutationen in CCM1, CCM2 oder CCM3 führen zu einem nicht unterscheidbaren klinischen Phänotyp. Alle drei Proteine bilden einen ternären Komplex in vitro, was eine Beteiligung an einem gemeinsamen molekularen Signalweg bekräftigt. Während die Proteine CCM1 und CCM2 in den letzten Jahren umfangreich erforscht wurden, ist über das CCM3-Protein bis heute wenig bekannt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass CCM3 eine wichtige Rolle in der Angiogenese spielt und diese bei Überexpression in humanen Endothelzellen stark negativ reguliert: die Migration, die Proliferation und die Fähigkeit, kapillarähnliche Strukturen in Matrix-Gelen zu bilden kommt nahezu zum Erliegen. Ein gegenläufiger Effekt nach siRNA induziertem Knock-down von CCM3 war weniger stark ausgeprägt. Einzig die Fähigkeit, gefäßähnliche Strukturen in Matrigelen zu bilden, war erhöht. Um weiterhin Klarheit über die intrazellulären, von CCM3 beeinflussten Signalwege zu schaffen, wurden Tyrosin Kinase Arrays durchgeführt, bei welchen CCM3-überexprimierende HUVEC Lysate mit Kontrolllysaten verglichen wurden. Dabei stellte sich heraus, dass 5 Substrate signifikant erhöht phosphoryliert wurden: der Discoidin Domänen Rezeptor 1 (discoidin domain receptor; DDR1), die duale spezifitätstyrosinphosphorylierungsregulierte Kinase 1A (dual specificity tyrosine-phosphorylation-regulated kinase 1A; DYR1A), die Protoonkogen Tyrosin- Protein Kinase FER (proto-oncogene tyrosine-protein kinase FER; FER), die fynbezogene Kinase (Fyn-related kinase; FRK) und die phosphoinositolabhängige Kinase 1 (Phosphoinositide-dependent kinase 1, PDPK-1). Im Folgenden bestätigten Western Blot, dass die Überexpression von CCM3 in Endothelzellen die phosphoinositolabhängige Kinase 1 und die nachgeschaltete Serin-Threonin Kinase Akt/PBK aktiviert, welche ein bedeutsames Überlebenssignal der Zelle darstellt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass CCM3 nicht nur antiangiogen, sondern auch antiapoptotisch wirkt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit legen nahe, dass CCM3 für die Integrität des ruhenden, adulten Endothelbettes wichtig ist.
The volatile anesthetic desflurane (DES) effectively reduces cardiac infarct size following experimental ischemia/reperfusion injury in the mouse heart. We hypothesized that endogenous estrogens play a role as mediators of desflurane-induced preconditioning against myocardial infarction. In this study, we tested the hypothesis that desflurane effects local estrogen synthesis by modulating enzyme aromatase expression and activity in the mouse heart. Aromatase metabolizes testosterone to 17b- estradiol (E2) and thereby significantly contributes to local estrogen synthesis. We tested aromatase effects in acute myocardial infarction model in male mice. The animals were randomized and subjected to four groups which were pre-treated with the selective aromatase inhibitor anastrozole (A group) and DES alone (DES group) or in combination (A+DES group) for 15 minutes prior to surgical intervention whereas the control group received 0.9% NaCl (CON group). All animals were subjected to 45 minutes ischemia following 180 minutes reperfusion. Anastrozole blocked DES induced preconditioning and increased infarct size compared to DES alone (37.94615.5% vs. 17.163.62%) without affecting area at risk and systemic hemodynamic parameters following ischemia/reperfusion. Protein localization studies revealed that aromatase was abundant in the murine cardiovascular system with the highest expression levels in endothelial and smooth muscle cells. Desflurane application at pharmacological concentrations efficiently upregulated aromatase expression in vivo and in vitro. We conclude that desflurane efficiently regulates aromatase expression and activity which might lead to increased local estrogen synthesis and thus preserve cellular integrity and reduce cardiac damage in an acute myocardial infarction model.
Der Blutkreislauf ist als wichtigstes Transportsystem im menschlichen Körper essentiell für die Versorgung der Gewebe und Organe mit Sauerstoff, Nährstoffen, Hormonen etc. Zwei Zelltypen, die eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung eines funktionell intakten Blutgefäßsystems spielen, sind Thrombozyten, die zentralen Mediatoren der Blutgerinnung, und Endothelzellen, welche die luminale Seite der Gefäßwände auskleiden. Diese beiden Zellen sind aber auch wesentlich an der Pathologie der Atherosklerose und kardiovaskulärer Erkrankungen beteiligt. Durch direkte und indirekte Interaktionen beeinflussen sich diese beiden Zelltypen gegenseitig und regulieren ihre Aktivität. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Analysenmethode entwickelt, welche den Funktionszustand der Thrombozyten quantitativ erfaßt. Sowohl die Aktivierung als auch die Hemmung humaner Thrombozyten wird durch die Phosphorylierung spezifischer Signalproteine reguliert. Basierend auf der Verwendung phosphorylierungsspezifischer Antikörper und der Durchflußzytometrie wurde eine Methode etabliert, welche die Proteinphosphorylierung auf Einzelzellebene erfaßt, schnell quantifizierbare Ergebnisse liefert und für die Analyse im Vollblut geeignet ist. Da die Sekretion von Endothelfaktoren den Phosphorylierungszustand dieser Proteine in den Thrombozyten beeinflußt, kann die Methode auch dazu verwendet werden, indirekt Rückschlüsse auf den Funktionszustand der Endothelzellen zu gewinnen. In einer ersten klinischen Anwendung wurde die Methode eingesetzt, um den Therapieverlauf der antithrombotischen Medikamente Ticlopidin und Clopidogrel, welche gezielt die ADP-induzierte Thrombozytenaktivierung hemmen, zu verfolgen und das Antwortverhalten von Patienten auf diese Medikamente zu messen. Mehrere Personen, bei denen Ticlopidin und Clopidogrel keine Wirkung zeigten, wurden gefunden, ein Hinweis darauf, daß eine Resistenz gegen Thienopyridine vorkommt. Es ist bekannt, daß Endothelfaktoren bestimmte Aspekte der Thrombozytenaktivierung hemmen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, daß die Phosphorylierung der p38 und p42 Mitogen-aktivierten Proteinkinasen, die im Verlauf der Thrombozytenaktivierung von zahlreichen Agonisten induziert wird, ebenfalls durch die endothelialen Vasodilatatoren NO (Stickstoffmonoxid) und Prostaglandin gehemmt wurde. Außerdem hemmten diese Substanzen die Translokation der inflammatorischen Moleküle P-Selektin und CD40 Ligand (CD40L) aus intrazellulären Speicherorganellen auf die Thrombozytenoberfläche. P-Selektin und CD40L werden auf aktivierten Thrombozyten exprimiert und sind direkt an der Interaktion von Thrombozyten mit Leukozyten und Endothelzellen beteiligt. Um die Auswirkung von CD40L, P-Selektin und weiteren Faktoren aktivierter Thrombozyten auf humane Endothelzellen zu untersuchen, wurde mit Hilfe von cDNA-Arrays die differentielle Genexpression in Endothelzellen nach Koinkubation mit aktivierten Thrombozyten analysiert. Neben einer bereits bekannten Hochregulierung von Faktoren, die an inflammatorischen Prozessen beteiligt sind, wurde eine verstärkte Expression von Transkriptionsfaktoren (c-Jun, Egr1, CREB2), Wachstumsfaktoren (PDGF) sowie von Adhäsionsrezeptoren für extrazelluläre Matrixproteine (Integrin av, Integrin b1) gefunden. Diese Faktoren weisen darauf hin, daß aktivierte Thrombozyten die Migration und Proliferation der Endothelzellen anregen und damit die Wundheilung, aber auch pathophysiologische Prozesse wie die Ausbildung atherosklerotischer Plaques induzieren könnten.
In this study, the ability of a multiwalled carbon nanotube functionalized with fluorescein isothiocyanate (MWCNT-FITC) was assessed as a prospective central nervous system-targeting drug delivery system to permeate the blood-brain barrier. The results indicated that the MWCNT-FITC conjugate is able to penetrate microvascular cerebral endothelial monolayers; its concentrations in the Transwell® system were fully equilibrated after 48 hours. Cell viability test, together with phase-contrast and fluorescence microscopies, did not detect any signs of MWCNT-FITC toxicity on the cerebral endothelial cells. These microscopic techniques also revealed presumably the intracellular localization of fluorescent MWCNT-FITCs apart from their massive nonfluorescent accumulation on the cellular surface due to nanotube lipophilic properties. In addition, the 1,000 ps molecular dynamics simulation in vacuo discovered the phenomenon of carbon nanotube aggregation driven by van der Waals forces via MWCN-TFITC rapid dissociation as an intermediate phase.
The interaction with brain endothelial cells is central to the pathogenicity of Neisseria meningitidis infections. Here, we show that N. meningitidis causes transient activation of acid sphingomyelinase (ASM) followed by ceramide release in brain endothelial cells. In response to N. meningitidis infection, ASM and ceramide are displayed at the outer leaflet of the cell membrane and condense into large membrane platforms which also concentrate the ErbB2 receptor. The outer membrane protein Opc and phosphatidylcholine-specific phospholipase C that is activated upon binding of the pathogen to heparan sulfate proteoglycans, are required for N. meningitidis-mediated ASM activation. Pharmacologic or genetic ablation of ASM abrogated meningococcal internalization without affecting bacterial adherence. In accordance, the restricted invasiveness of a defined set of pathogenic isolates of the ST-11/ST-8 clonal complex into brain endothelial cells directly correlated with their restricted ability to induce ASM and ceramide release. In conclusion, ASM activation and ceramide release are essential for internalization of Opc-expressing meningococci into brain endothelial cells, and this segregates with invasiveness of N. meningitidis strains.
Author Summary
Neisseria meningitidis, an obligate human pathogen, is a causative agent of septicemia and meningitis worldwide. Meningococcal infection manifests in a variety of forms, including meningitis, meningococcemia with meningitis or meningococcemia without obvious meningitis. The interaction of N. meningitidis with human cells lining the blood vessels of the blood-cerebrospinal fluid barrier is a prerequisite for the development of meningitis. As a major pathogenicity factor, the meningococcal outer membrane protein Opc enhances bacterial entry into brain endothelial cells, however, mechanisms underlying trapping of receptors and signaling molecules following this interaction remained elusive. We now show that Opc-expressing meningococci activate acid sphingomyelinase (ASM) in brain endothelial cells, which hydrolyses sphingomyelin to cause ceramide release and formation of extended ceramide-enriched membrane platforms wherein ErbB2, an important receptor involved in bacterial uptake, clusters. Mechanistically, ASM activation relied on binding of N. meningitidis to its attachment receptor, HSPG, followed by activation of PC-PLC. Meningococcal isolates of the ST-11 clonal complex, which are reported to be more likely to cause severe sepsis, but rarely meningitis, barely invaded brain endothelial cells and revealed a highly restricted ability to induce ASM and ceramide release. Thus, our results unravel a differential activation of the ASM/ceramide system by the species N. meningitidis determining its invasiveness into brain endothelial cells.
Das Endothel bildet eine einschichtige Zellbarriere zwischen Blut und interstitiellem Gewebe, deren Durchlässigkeit entscheidend durch die sekundären Botenstoffe Ca2+ und cAMP reguliert wird. Während Ca2+ durch eine verstärkte Kontraktion der Endothelzellen die Permeabilität erhöht, fördert cAMP die Adhäsion der Zellen und unterstützt somit die Barrierefunktion. Es ist bekannt, dass Thrombin durch einen Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration und vermutlich auch durch eine Hemmung der cAMP-Konzentration zu einer Permeabilitätserhöhung führt. Ziel dieser Arbeit war es, Thrombin-induzierte Änderungen der cAMP-Konzentration in Echtzeit in lebenden Endothelzellen mittels Fluorescence-Resonance-Energy-Transfer (FRET) zu untersuchen. Hierfür wurden Human-Umbilical-Vein-Endothelial-Cells (HUVECs) mit dem FRET-basierten cAMP-Sensor Epac1-camps transfiziert. Die Bindung von cAMP an Epac1-camps führt zu einer Konformationsänderung des Sensors und damit zu einer Abschwächung des FRET. Mit Hilfe dieses Sensors kann die cAMP-Konzentration mit hoher zeitlicher Auflösung in einzelnen lebenden Zellen gemessen werden. Untersucht wurde der Effekt von Thrombin auf die cAMP-Konzentration in Endothelzellen, deren cAMP-Konzentration durch Stimulierung endogener β-Rezeptoren erhöht war. Thrombin erniedrigte Ca2+-abhängig die cAMP-Konzentration um ca. 30 %. Dieser Abfall der cAMP-Konzentration folgte zeitlich verzögert dem Thrombin-induzierten Ca2+-Signal. Die cAMP-Konzentration erreichte ca. 30 s nach der Thrombinzugabe ein Minimum und stieg danach wieder an. Durch die Herunterregulierung der durch Ca2+ direkt inhibierten Adenylatzyklase 6 (AC6) mittels siRNA wurde die Thrombin-induzierte Abnahme der cAMP-Konzentration vollständig aufgehoben. Dies bestätigte, dass Thrombin durch die Ca2+-vermittelte Inhibierung der AC6 eine Abnahme der cAMP-Konzentration verursacht. Ohne β-adrenerge Stimulation führte die Applikation von Thrombin zu einem langsamen Anstieg der cAMP-Konzentration, der mehrere Minuten anhielt. Dieser cAMP-Konzentrationsanstieg beruhte auf der Ca2+-abhängigen Aktivierung der Phospholipase A2 (PLA2). Diese setzt Arachidonsäure aus Membranphospholipiden frei, die als Substrat für die Synthese verschiedener Prostaglandine dient. Durch die pharmakologische Beeinflussung von Zyklooxygenasen und Prostazyklinrezeptoren konnte gezeigt werden, dass die Synthese von Prostazyklin und die anschließende Stimulation Gs-gekoppelter Prostazyklinrezeptoren zum Thrombin-induzierten Anstieg der cAMP-Konzentration führte. Da die Physiologie der Endothelzellen im Gefäß stark von Faktoren aus der unmittelbaren Umgebung beeinflusst wird, ist die Messung der Änderungen der cAMP-Konzentration in Endothelzellen, die sich innerhalb eines Gewebes befinden, von sehr großer Bedeutung. Deshalb war die Generierung transgener Mäuse mit einer gewebespezifischen Expression des FRET-Sensors Epac1-camps in Endothelzellen ein weiteres Ziel dieser Arbeit. Durch Anwendung eines Cre-Rekombinase/loxP-Ansatzes konnten transgene Mäuse generiert werden, die Epac1-camps spezifisch in Endothelzellen exprimierten. An isolierten pulmonären Endothelzellen konnte die Funktionalität des transgen exprimierten Sensors Epac1-camps nachgewiesen werden. Die Echtzeitmessung der Thrombin-induzierten Änderungen der cAMP-Konzentration verdeutlichte ein zeitlich sehr komplexes Wechselspiel zwischen Ca2+- und cAMP-Signalen, das die Barrierefunktion des Endothels maßgeblich beeinflussen wird. Die transgene Expression von Epac1-camps in Endothelzellen ermöglicht in Zukunft die Untersuchung der Thrombin-verursachten Änderungen der cAMP-Konzentration und der Permeabilität innerhalb eines intakten Gefäßes.
Breakdown of the blood-brain barrier (BBB) is an early hallmark of multiple sclerosis (MS), a progressive inflammatory disease of the central nervous system. Cell adhesion in the BBB is modulated by sphingosine-1-phosphate (S1P), a signaling protein, via S1P receptors (S1P\(_1\)). Fingolimod phosphate (FTY720-P) a functional S1P\(_1\) antagonist has been shown to improve the relapse rate in relapsing-remitting MS by preventing the egress of lymphocytes from lymph nodes. However, its role in modulating BBB permeabilityin particular, on the tight junction proteins occludin, claudin 5 and ZO-1has not been well elucidated to date. In the present study, FTY720-P did not change the transendothelial electrical resistance in a rat brain microvascular endothelial cell (RBMEC) culture exposed to inflammatory conditions and thus did not decrease endothelial barrier permeability. In contrast, occludin was reduced in RBMEC culture after adding FTY720-P. Additionally, FTY720-P did not alter the amount of endothelial matrix metalloproteinase (MMP)-9 and MMP-2 in RBMEC cultures. Taken together, our observations support the assumption that S1P\(_1\) plays a dual role in vascular permeability, depending on its ligand. Thus, S1P\(_1\) provides a mechanistic basis for FTY720-P-associated disruption of endothelial barrierssuch as the blood-retinal barrierwhich might result in macular edema.
Dimethyl fumarate (DMF) is approved for disease-modifying treatment of patients with relapsing-remitting multiple sclerosis. Animal experiments suggested that part of its therapeutic effect is due to a reduction of T-cell infiltration of the central nervous system (CNS) by uncertain mechanisms. Here we evaluated whether DMF and its primary metabolite monomethyl fumarate (MMF) modulate pro-inflammatory intracellular signaling and T-cell adhesiveness of nonimmortalized single donor human brain microvascular endothelial cells at low passages. Neither DMF nor MMF at concentrations of 10 or 50 \(\mu\)M blocked the IL-1\(\beta\)-induced nuclear translocation of NF-\(\kappa\)B/p65, whereas the higher concentration of DMF inhibited the nuclear entry of p65 in human umbilical vein endothelium cultured in parallel. DMF and MMF also did not alter the IL-1\(\beta\)-stimulated activation of p38 MAPK in brain endothelium. Furthermore, neither DMF nor MMF reduced the basal or IL-1\(\beta\)-inducible expression of ICAM-1. In accordance, both fumaric acid esters did not reduce the adhesion of activated Jurkat T cells to brain endothelium under basal or inflammatory conditions. Therefore, brain endothelial cells probably do not directly mediate a potential blocking effect of fumaric acid esters on the inflammatory infiltration of the CNS by T cells.
Glucocorticoids (GCs) are steroid hormones that have inflammatory and immunosuppressive effects on a wide variety of cells. They are used as therapy for inflammatory disease and as a common agent against edema. The blood brain barrier (BBB), comprising microvascular endothelial cells, serves as a permeability screen between the blood and the brain. As such, it maintains homeostasis of the central nervous system (CNS). In many CNS disorders, BBB integrity is compromised. GC treatment has been demonstrated to improve the tightness of the BBB. The responses and effects of GCs are mediated by the ubiquitous GC receptor (GR). Ligand-bound GR recognizes and binds to the GC response element located within the promoter region of target genes. Transactivation of certain target genes leads to improved barrier properties of endothelial cells. In this review, we deal with the role of GCs in endothelial cell barrier function. First, we describe the mechanisms of GC action at the molecular level. Next, we discuss the regulation of the BBB by GCs, with emphasis on genes targeted by GCs such as occludin, claudins and VE-cadherin. Finally, we present currently available GC therapeutic strategies and their limitations.