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Zur Verbesserung der Prüfung und Risikobewertung der zunehmenden Menge von
Chemikalien und Arzneimitteln, gilt es neue Alternativen in Form von in vitro
Prüfmethoden mit mechanistisch relevanten Endpunkten zu finden. Einen solchen
Rahmen bietet das konzeptionelle Konstrukt des Adverse Outcome Pathway (AOP)-
Konzepts. Es erzeugt auf der Basis bestehenden Wissens einen mechanistischen und
kausalen Zusammenhang mit Hilfe von mehreren Schlüsselereignissen (Key Event [KE])
zwischen einem initierenden molekularen Ereignis (Molecular Initiating Event [MIE]) und
einem adversen Effekt (Adverse Outcome [AO]) auf biologischer Ebene. Im Rahmen
dieser Arbeit wurde der AOP „Rezeptorvermittelte Endozytose und lysosomaler
Overload führen zu Nephrotoxizität“ am Zellkulturmodell proximaler Nierentubuluszellen
weiterentwickelt. Es wurden in vitro Assays für die Zelllinien RPTEC/TERT1 (Mensch)
und NRK-52 E (Ratte) für jedes KE etabliert. In dem AOP wird die Initiierung der
Schädigung des Nierengewebes durch rezeptorvermittelte Endozytose der Substanzen
(MIE) mit folgendem lysosomalem Overload (KE 1) und der lysosomalen Membranruptur
(KE 2) beschrieben. Es kommt zur Zellschädigung (KE 3) und endet mit einem Schaden
auf Organebene (AO). Für KE 1 erfolgte die Visualisierung des lysosomal-assoziierten
Membranproteins (lysosomal-associated Membranprotein [LAMP]) und in KE 2 die
Darstellung der Protease Cathepsin D (CTSD) mittels Immunfluoreszenz. Für KE 3
wurden spezifische Toxizitätsdaten der Testsubstanzen mit dem CellTiter-Glo®
Lumineszenz-Zellviabilitätstest generiert. Gewählte Stressoren für den AOP war die
Gruppe der Polymyxin-Antibiotika (Polymyxin B, Colistin, Polymyxin B Nonapeptid), das
Aminoglykosid Gentamicin, das Glykopeptid Vancomycin sowie Cadmiumchlorid. In
Zusammenschau der Ergebnisse der drei KEs war die Rangfolge der Auswirkungen der
drei Polymyxin-Derivate über alle KEs konsistent. Polymyxin B erwies sich als aktivste
Substanz, während Polymyxin B Nonapeptid die geringsten Auswirkungen zeigte. Als
Ausblick in weiterführenden Analysen der Arbeitsgruppe konnten bei Cadmiumchlorid
trotz einer signifikanten Zytotoxizität (KE 3) nur geringe Auswirkungen in der LAMPExpression
(KE 1) aufgezeigt werden. Des Weiteren erfolgte die Erstellung von
Response-Response-Analysen, um mittels vorgeschalteter Schlüsselereignisse
nachfolgende Effekte vorhersagen zu können. Projektpartner der Universität Utrecht
entwickelten darüber hinaus eine quantitative in vitro in vivo Extrapolation (QIVIVE)
mittels eines physiologisch basierten pharmakokinetischen (PBPK) Modells.
Mathematical optimization framework allows the identification of certain nodes within a signaling network. In this work, we analyzed the complex extracellular-signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK1/2) cascade in cardiomyocytes using the framework to find efficient adjustment screws for this cascade that is important for cardiomyocyte survival and maladaptive heart muscle growth. We modeled optimal pharmacological intervention points that are beneficial for the heart, but avoid the occurrence of a maladaptive ERK1/2 modification, the autophosphorylation of ERK at threonine 188 (ERK\(^{Thr188}\) phosphorylation), which causes cardiac hypertrophy. For this purpose, a network of a cardiomyocyte that was fitted to experimental data was equipped with external stimuli that model the pharmacological intervention points. Specifically, two situations were considered. In the first one, the cardiomyocyte was driven to a desired expression level with different treatment strategies. These strategies were quantified with respect to beneficial effects and maleficent side effects and then which one is the best treatment strategy was evaluated. In the second situation, it was shown how to model constitutively activated pathways and how to identify drug targets to obtain a desired activity level that is associated with a healthy state and in contrast to the maleficent expression pattern caused by the constitutively activated pathway. An implementation of the algorithms used for the calculations is also presented in this paper, which simplifies the application of the presented framework for drug targeting, optimal drug combinations and the systematic and automatic search for pharmacological intervention points. The codes were designed such that they can be combined with any mathematical model given by ordinary differential equations.
Exposure assessment is a fundamental part of the risk assessment paradigm, but can often present a number of challenges and uncertainties. This is especially the case for process contaminants formed during the processing, e.g. heating of food, since they are in part highly reactive and/or volatile, thus making exposure assessment by analysing contents in food unreliable. New approaches are therefore required to accurately assess consumer exposure and thus better inform the risk assessment. Such novel approaches may include the use of biomarkers, physiologically based kinetic (PBK) modelling-facilitated reverse dosimetry, and/or duplicate diet studies. This review focuses on the state of the art with respect to the use of biomarkers of exposure for the process contaminants acrylamide, 3-MCPD esters, glycidyl esters, furan and acrolein. From the overview presented, it becomes clear that the field of assessing human exposure to process-related contaminants in food by biomarker monitoring is promising and strongly developing. The current state of the art as well as the existing data gaps and challenges for the future were defined. They include (1) using PBK modelling and duplicate diet studies to establish, preferably in humans, correlations between external exposure and biomarkers; (2) elucidation of the possible endogenous formation of the process-related contaminants and the resulting biomarker levels; (3) the influence of inter-individual variations and how to include that in the biomarker-based exposure predictions; (4) the correction for confounding factors; (5) the value of the different biomarkers in relation to exposure scenario's and risk assessment, and (6) the possibilities of novel methodologies. In spite of these challenges it can be concluded that biomarker-based exposure assessment provides a unique opportunity to more accurately assess consumer exposure to process-related contaminants in food and thus to better inform risk assessment.
The A\(_{2A}\) adenosine receptor (A\(_{2A}\)AR) is one of the four subtypes activated by nucleoside adenosine, and the molecules able to selectively counteract its action are attractive tools for neurodegenerative disorders. In order to find novel A\(_{2A}\)AR ligands, two series of compounds based on purine and triazolotriazine scaffolds were synthesized and tested at ARs. Compound 13 was also tested in an in vitro model of neuroinflammation. Some compounds were found to possess high affinity for A\(_{2A}\)AR, and it was observed that compound 13 exerted anti-inflammatory properties in microglial cells. Molecular modeling studies results were in good agreement with the binding affinity data and underlined that triazolotriazine and purine scaffolds are interchangeable only when 5- and 2-positions of the triazolotriazine moiety (corresponding to the purine 2- and 8-positions) are substituted.
Ochratoxin A (OTA) is a widespread food contaminant, with exposure estimated to range from 0.64 to 17.79 ng/kg body weight (bw) for average consumers and from 2.40 to 51.69 ng/kg bw per day for high consumers. Current exposure estimates are, however, associated with considerable uncertainty. While biomarker-based approaches may contribute to improved exposure assessment, there is yet insufficient data on urinary metabolites of OTA and their relation to external dose to allow reliable estimates of daily intake. This study was designed to assess potential species differences in phase II biotransformation in vitro and to establish a correlation between urinary OTA-derived glucuronides and mercapturic acids and external exposure in rats in vivo. In vitro analyses of OTA metabolism using the liver S9 of rats, humans, rabbits and minipigs confirmed formation of an OTA glucuronide but provided no evidence for the formation of OTA-derived mercapturic acids to support their use as biomarkers. Similarly, OTA-derived mercapturic acids were not detected in urine of rats repeatedly dosed with OTA, while indirect analysis using enzymatic hydrolysis of the urine samples prior to LC–MS/MS established a linear relationship between urinary glucuronide excretion and OTA exposure. These results support OTA-derived glucuronides but not mercapturic acids as metabolites suitable for biomonitoring.
Food safety problems are a major hindrance to achieving food security, trade, and healthy living in Africa. Fungi and their secondary metabolites, known as mycotoxins, represent an important concern in this regard. Attempts such as agricultural, storage, and processing practices, and creation of awareness to tackle the menace of fungi and mycotoxins have yielded measurable outcomes especially in developed countries, where there are comprehensive mycotoxin legislations and enforcement schemes. Conversely, most African countries do not have mycotoxin regulatory limits and even when available, are only applied for international trade. Factors such as food insecurity, public ignorance, climate change, poor infrastructure, poor research funding, incorrect prioritization of resources, and nonchalant attitudes that exist among governmental organisations and other stakeholders further complicate the situation. In the present review, we discuss the status of mycotoxin regulation in Africa, with emphasis on the impact of weak mycotoxin legislations and enforcement on African trade, agriculture, and health. Furthermore, we discuss the factors limiting the establishment and control of mycotoxins in the region.
Background. Fast progression of the transaortic mean gradient (P-mean) is relevant for clinical decision making of valve replacement in patients with moderate and severe aortic stenosis (AS) patients. However, there is currently little knowledge regarding the determinants affecting progression of transvalvular gradient in AS patients. Methods. This monocentric retrospective study included consecutive patients presenting with at least two transthoracic echocardiography examinations covering a time interval of one year or more between April 2006 and February 2016 and diagnosed as moderate or severe aortic stenosis at the final echocardiographic examination. Laboratory parameters, medication, and prevalence of eight known cardiac comorbidities and risk factors (hypertension, diabetes, coronary heart disease, peripheral artery occlusive disease, cerebrovascular disease, renal dysfunction, body mass index >= 30 Kg/m(2), and history of smoking) were analyzed. Patients were divided into slow (P-mean < 5 mmHg/year) or fast (P-mean >= 5 mmHg/year) progression groups. Results. A total of 402 patients (mean age 78 +/- 9.4 years, 58% males) were included in the study. Mean follow-up duration was 3.4 +/- 1.9 years. The average number of cardiac comorbidities and risk factors was 3.1 +/- 1.6. Average number of cardiac comorbidities and risk factors was higher in patients in slow progression group than in fast progression group (3.3 +/- 1.5 vs 2.9 +/- 1.7; P = 0.036). Patients in slow progression group had more often coronary heart disease (49.2% vs 33.6%; P = 0.003) compared to patients in fast progression group. LDL-cholesterol values were lower in the slow progression group (100 +/- 32.6 mg/dl vs 110.8 +/- 36.6 mg/dl; P = 0.005). Conclusion. These findings suggest that disease progression of aortic valve stenosis is faster in patients with fewer cardiac comorbidities and risk factors, especially if they do not have coronary heart disease. Further prospective studies are warranted to investigate the outcome of patients with slow versus fast progression of transvalvular gradient with regards to comorbidities and risk factors.
Vibrational spectroscopy can detect characteristic biomolecular signatures and thus has the potential to support diagnostics. Fabry disease (FD) is a lipid disorder disease that leads to accumulations of globotriaosylceramide in different organs, including the heart, which is particularly critical for the patient’s prognosis. Effective treatment options are available if initiated at early disease stages, but many patients are late- or under-diagnosed. Since Coherent anti-Stokes Raman (CARS) imaging has a high sensitivity for lipid/protein shifts, we applied CARS as a diagnostic tool to assess cardiac FD manifestation in an FD mouse model. CARS measurements combined with multivariate data analysis, including image preprocessing followed by image clustering and data-driven modeling, allowed for differentiation between FD and control groups. Indeed, CARS identified shifts of lipid/protein content between the two groups in cardiac tissue visually and by subsequent automated bioinformatic discrimination with a mean sensitivity of 90–96%. Of note, this genotype differentiation was successful at a very early time point during disease development when only kidneys are visibly affected by globotriaosylceramide depositions. Altogether, the sensitivity of CARS combined with multivariate analysis allows reliable diagnostic support of early FD organ manifestation and may thus improve diagnosis, prognosis, and possibly therapeutic monitoring of FD.
In dieser Arbeit geht es um die Phosphoglykolatphosphatase (PGP), die als Phosphatase vom Haloazid Dehalogenase-Typ (HAD-Phosphatase) zu der ubiquitär vorkommenden Superfamilie der HAD-Hydrolasen gehört. In der Literatur ist eine in vitro Phosphatase-Aktivität gegenüber 2-Phospho-L-Laktat (2PL), 4-Phospho-D-Erythronat (4PE), Phosphoglykolat (PG) und Glycerol-3-Phosphat (G3P) beschrieben. 2PL und 4PE entstehen in Nebenreaktionen während der Glykolyse und hemmen bei Akkumulation die Glykolyse bzw. den Pentosephosphatweg. PG kann auch in einer Nebenreaktion während der Glykolyse oder im Rahmen der Reparatur von oxidativen DNA-Schäden entstehen. G3P entsteht aus Dihydroxyacetonphosphat und bildet das Kohlenhydratgerüst der Triacylglyceride (TAG). Zelluläre Studien konnten Hinweise auf die Regulierung des epidermalen wachstumsfaktor-(EGF-)induzierten Zytoskelettumbaus durch die PGP liefern und die Untersuchung von Mäusen mit PGP-Inaktivierung zeigte einen Einfluss auf die Zellproliferation und embryonale Entwicklung. Die Regulation der PGP-Expression führte zu Veränderungen im Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel.
Die Untersuchung der PGP-Funktionen erfolgte bislang ausschließlich mit genetischen Ansätzen. Aufgrund von möglichen Kompensationsmechanismen und Off-Target-Effekten müssen genetische und pharmakologische Methoden als sich ergänzende Ansätze verstanden werden. Um die Funktionen der PGP besser zu verstehen, fokussiert sich die vorliegende Arbeit auf die gezielte pharmakologische PGP-Inhibition. In Vorarbeiten wurden 41.000 Moleküle gescreent und fünf potentielle Inhibitoren identifiziert. Ziele dieser Arbeit waren zum einen die Implementierung der Inhibitor # 1-Behandlung in der Zellkultur, zum anderen die Charakterisierung der PGP-Hemmung durch Inhibitor # 48 und die Durchführung erster Selektivitätstestungen mit Inhibitor # 48.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Inhibitor # 1 in der Lage ist, die endogene PGP in Zelllysaten der murinen spermatogonialen Zelllinie (GC1) zu hemmen. Unter bestimmten Bedingungen führte die Inhibitor # 1-Behandlung der GC1-Zellen zur Hemmung der PGP. Erste Analysen zellulärer Inhibitoreffekte konnten eine Steigerung der TAG-Konzentration in behandelten GC1-Zellen nachweisen. Die PGP-Hemmung durch Inhibitor # 48 wurde als unkompetitive Inhibition charakterisiert und es zeigten sich keine relevanten Inhibitoreffekte auf die HAD-Phosphatasen Magnesium-abhängige Phosphatase 1 (MDP1), Lysin-Histidin-Pyrophosphat-Phosphatase (LHPP) und Polynukleotidase 5'-Kinase/3'-Phosphatase (PnkP). Dagegen konnte eine Aktivitätssteigerung von Phospho 2 beobachtet werden. Die vorliegende Arbeit liefert somit erste Erkenntnisse über die Anwendung des PGP-Inhibitors # 1 in der Zellkultur und schafft die Grundlage für nachfolgende Untersuchungen mit Inhibitor # 48. Weitere Experimente sind notwendig, die die Inhibitorbehandlung in der Zellkultur optimieren und die Selektivität weiter charakterisieren, um mithilfe der Inhibitoren neue Erkenntnisse über die physiologische und pathophysiologische Rolle der PGP gewinnen zu können.
Ausgangspunkt der Arbeit ist die klinische Beobachtung, dass Patienten mit arteriellem Hypertonus vermehrt Nierenerkrankungen entwickeln. Dabei zeigten sich in der Subgruppenanalyse vor allem erhöhte Inzidenzen der Niereninsuffizienz und der Nierenzellkarzinome. Als möglicher Pathomechanismus steht das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS-System) im Vordergrund. Dabei wird postuliert, dass erhöhte Angiotensin II-Spiegel zu einem Missverhältnis zwischen den Oxidations- und Reduktionspartnern in der Zelle führen, wodurch sich das oxidative Potential der Zelle ändert, und es vermehrt zur Bildung von Radikalen (ROS) kommt, die meist ungepaarte Elektronen in der Valenzschale oder instabile Verbindungen enthalten, wodurch sie besonders reaktionsfreudig mit Proteinen, Lipiden, Kohlenhydraten und auch der DNA interagieren. In der Folge kommt es zu DNA-Veränderungen in Form von Doppel- oder Einzelstrangbrüchen, DNA-Protein-Crosslinks, Basenmodifikationen und Basenverlusten, wodurch sich ein hohes mutagenes Potential ergibt. Dieser Ansatz zur Pathophysiologie bestätigte sich auch an den hier verwendeten porkinen Nierenzellmodell. Dabei zeigte sich nicht nur eine Veränderung der genomischen Stabilität nach Exposition gegenüber erhöhten Angiotensin II-Spiegeln, sondern auch eine Veränderung der DNA in Abhängigkeit von der Expositionsdauer der Zellen. Als nächster Schritt konnte die Modulation der Transkriptionsfaktoren Nrf 2 und NF-κB durch die Behandlung mit Angiotensin II und Sulforaphan nachgewiesen werden. Bei der Behandlung mit Sulforaphan ließ sich eine Nrf 2-Induktion nachweisen mit vermehrter Expression von antioxidativen und detoxifizierender Enzyme. Weiterhin zeigte sich im Rahmen der Behandlung erniedrigte NF-κB-Level. Bei der Modulation durch Angiotensin II stellte sich zunächst ein signifikant erniedrigtes Level an Nrf 2 in den Zellen dar, das im Verlauf von 24 Stunden anstieg und konsekutiv ließ sich eine maximale Proteinexpression zwischen 24 und 48 Stunden messen. Weiterhin wiesen die Zellen, die mit Angiotensin II behandelt wurden, erhöhte NF-κB Mengen/Zelle auf. Zudem zeigte sich der Einfluss erhöhter Glucosekonzentrationen auf eine progrediente genomischen Instabilität, die Veränderung der Transkriptionsfaktoren mit erhöhter Nrf 2-Induktion und mit Deregulation des Transkriptionsfaktors NF-κB wurde durch die Behandlung mit Sulforaphan nachgewiesen. Aufgrund dieser Rolle in der Tumorgenese sind mittlerweile einige Bestandteile des NF-κB- und des Nrf 2-Signalweges und auch Nrf 2-Aktivatoren wie Sulforaphan wichtige Zielstrukturen für die Entwicklung neuer Medikamente und Therapieoptionen. Besonders zeigt sich hierbei die Wichtigkeit bei Diabetes induzierten kardiovaskulären Folgeschäden mit frühzeitiger medikamentöser Behandlung.