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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.
Sigma factor SigB is crucial to mediate Staphylococcus aureus adaptation during chronic infections
(2015)
Staphylococcus aureus is a major human pathogen that causes a range of infections from acute invasive to chronic and difficult-to-treat. Infection strategies associated with persisting S. aureus infections are bacterial host cell invasion and the bacterial ability to dynamically change phenotypes from the aggressive wild-type to small colony variants (SCVs), which are adapted for intracellular long-term persistence. The underlying mechanisms of the bacterial switching and adaptation mechanisms appear to be very dynamic, but are largely unknown. Here, we analyzed the role and the crosstalk of the global S. aureus regulators agr, sarA and SigB by generating single, double and triple mutants, and testing them with proteome analysis and in different in vitro and in vivo infection models. We were able to demonstrate that SigB is the crucial factor for adaptation in chronic infections. During acute infection, the bacteria require the simultaneous action of the agr and sarA loci to defend against invading immune cells by causing inflammation and cytotoxicity and to escape from phagosomes in their host cells that enable them to settle an infection at high bacterial density. To persist intracellularly the bacteria subsequently need to silence agr and sarA. Indeed agr and sarA deletion mutants expressed a much lower number of virulence factors and could persist at high numbers intracellularly. SigB plays a crucial function to promote bacterial intracellular persistence. In fact, \(\Delta\)sigB-mutants did not generate SCVs and were completely cleared by the host cells within a few days. In this study we identified SigB as an essential factor that enables the bacteria to switch from the highly aggressive phenotype that settles an acute infection to a silent SCV-phenotype that allows for long-term intracellular persistence. Consequently, the SigB-operon represents a possible target to develop preventive and therapeutic strategies against chronic and therapy-refractory infections.
Intracranial hemorrhage results in devastating forms of cerebral damage. Frequently, these results also present with cardiac dysfunction ranging from ECG changes to Takotsubo syndrome (TTS). This suggests that intracranial bleeding due to subarachnoid hemorrhage (SAH) disrupts the neuro–cardiac axis leading to neurogenic stress cardiomyopathy (NSC) of different degrees. Following this notion, SAH and secondary TTS could be directly linked, thus contributing to poor outcomes. We set out to test if blood circulation is the driver of the brain–heart axis by investigating serum samples of TTS patients. We present a novel in vitro model combining SAH and secondary TTS to mimic the effects of blood or serum, respectively, on blood–brain barrier (BBB) integrity using in vitro monolayers of an established murine model. We consistently demonstrated decreased monolayer integrity and confirmed reduced Claudin-5 and Occludin levels by RT-qPCR and Western blot and morphological reorganization of actin filaments in endothelial cells. Both tight junction proteins show a time-dependent reduction. Our findings highlight a faster and more prominent disintegration of BBB in the presence of TTS and support the importance of the bloodstream as a causal link between intracerebral bleeding and cardiac dysfunction. This may represent potential targets for future therapeutic inventions in SAH and TTS.
Eukaryotic cells form a variety of adhesive structures to connect with their environment and to regulate cell motility. In contrast to classical focal adhesions, podosomes, highly dynamic structures of different cell types, are actively engaged in matrix remodelling and degradation. Podosomes are composed of an actin-rich core region surrounded by a ring-like structure containing signalling molecules, motor proteins as well as cytoskeleton-associated proteins. Lasp-1 is a ubiquitously expressed, actin-binding protein that is known to regulate cytoskeleton architecture and cell migration. This multidomain protein is predominantely present at focal adhesions, however, a second pool of Lasp-1 molecules is also found at lamellipodia and vesicle-like microdomains in the cytosol. In this report, we show that Lasp-1 is a novel component and regulator of podosomes. Immunofluorescence studies reveal a localization of Lasp-1 in the podosome ring structure, where it colocalizes with zyxin and vinculin. Life cell imaging experiments demonstrate that Lasp-1 is recruited in early steps of podosome assembly. A siRNA-mediated Lasp-1 knockdown in human macrophages affects podosome dynamics as well as their matrix degradation capacity. In summary, our data indicate that Lasp-1 is a novel component of podosomes and is involved in the regulation of podosomal function.
Atherosclerotic lesions that critically narrow the artery can necessitate an angioplasty and stent implantation. Long-term therapeutic effects, however, are limited by excessive arterial remodeling. We here employed a miniaturized nitinol-stent coated with star-shaped polyethylenglycole (star-PEG), and evaluated its bio-functionalization with RGD and CXCL1 for improving in-stent stenosis after implantation into carotid arteries of mice. Nitinol foils or stents (bare metal) were coated with star-PEG, and bio-functionalized with RGD, or RGD/CXCL1. Cell adhesion to star-PEG-coated nitinol foils was unaltered or reduced, whereas bio-functionalization with RGD but foremost RGD/CXCL1 increased adhesion of early angiogenic outgrowth cells (EOCs) and endothelial cells but not smooth muscle cells when compared with bare metal foils. Stimulation of cells with RGD/CXCL1 furthermore increased the proliferation of EOCs. In vivo, bio-functionalization with RGD/CXCL1 significantly reduced neointima formation and thrombus formation, and increased re-endothelialization in apoE\(^{-/-}\) carotid arteries compared with bare-metal nitinol stents, star-PEG-coated stents, and stents bio-functionalized with RGD only. Bio-functionalization of star-PEG-coated nitinol-stents with RGD/CXCL1 reduced in-stent neointima formation. By supporting the adhesion and proliferation of endothelial progenitor cells, RGD/CXCL1 coating of stents may help to accelerate endothelial repair after stent implantation, and thus may harbor the potential to limit the complication of in-stent restenosis in clinical approaches.
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.
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.
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.
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.
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.