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Background
Tumor hypoxia is a known risk factor for reduced response to radiotherapy. The evaluation of noninvasive methods for the detection of hypoxia is therefore of interest. Osteopontin (OPN) has been discussed as an endogenous hypoxia biomarker. It is overexpressed in many cancers and is involved in tumor progression and metastasis.
Methods
To examine the influence of hypoxia and irradiation on osteopontin expression we used different cell lines (head and neck cancer (Cal27 and FaDu) and glioblastoma multiforme (U251 and U87)). Cells were treated with hypoxia for 24 h and were then irradiated with doses of 2 and 8 Gy. Osteopontin expression was analyzed on mRNA level by quantitative real-time RT-PCR (qPCR) and on protein level by western blot. Cell culture supernatants were evaluated for secreted OPN by ELISA.
Results
Hypoxia caused an increase in osteopontin protein expression in all cell lines. In Cal27 a corresponding increase in OPN mRNA expression was observed. In contrast the other cell lines showed a reduced mRNA expression under hypoxic conditions. After irradiation OPN mRNA expression raised slightly in FaDu and U87 cells while it was reduced in U251 and stable in Cal27 cells under normoxia. The combined treatment (hypoxia and irradiation) led to a slight increase of OPN mRNA after 2 Gy in U251 (24 h) and in U87 (24 and 48 h) cell lines falling back to base line after 8 Gy. This effect was not seen in Cal27 or in FaDu cells. Secreted OPN was detected only in the two glioblastoma cell lines with reduced protein levels under hypoxic conditions. Again the combined treatment resulted in a minor increase in OPN secretion 48 hours after irradiation with 8 Gy.
Conclusion
Osteopontin expression is strongly modulated by hypoxia and only to a minor extent by irradiation. Intracellular OPN homeostasis seems to vary considerably between cell lines. This may explain the partly conflicting results concerning response prediction and prognosis in the clinical setting.
Preterm infants are highly susceptible to sustained lung inflammation, which may be triggered by exposure to multiple environmental cues such as supplemental oxygen (O\(_2\)) and infections. We hypothesized that dysregulated macrophage (MФ) activation is a key feature leading to inflammation-mediated development of bronchopulmonary dysplasia (BPD) in preterm infants. Therefore, we aimed to determine age-dependent differences in immune responses of monocyte-derived MФ comparing cord blood samples derived from preterm (n=14) and term (n=19) infants as well as peripheral blood samples from healthy adults (n=17) after lipopolysaccharide (LPS) exposure. Compared to term and adult MФ, LPS-stimulated preterm MФ showed an enhanced and sustained pro-inflammatory immune response determined by transcriptome analysis, cytokine release inducing a RORC upregulation due to T cell polarization of neonatal T cells, and TLR4 surface expression. In addition, a double-hit model was developed to study pulmonary relevant exposure factors by priming MФ with hyperoxia (O\(_2\) = 65%) or hypoxia (O\(_2\) = 3%) followed by lipopolysaccharide (LPS, 100ng/ml). When primed by 65% O\(_2\), subsequent LPS stimulation in preterm MФ led to an exaggerated pro-inflammatory response (e.g. increased HLA-DR expression and cytokine release) compared to LPS stimulation alone. Both, exposure to 65% or 3% O\(_2\) together with subsequent LPS stimulation, resulted in an exaggerated pro-inflammatory response of preterm MФ determined by transcriptome analysis. Downregulation of two major transcriptional factors, early growth response gene (Egr)-2 and growth factor independence 1 (Gfi1), were identified to play a role in the exaggerated pro-inflammatory response of preterm MФ to LPS insult after priming with 65% or 3% O\(_2\). Preterm MФ responses to LPS and hyperoxia/hypoxia suggest their involvement in excessive inflammation due to age-dependent differences, potentially mediated by downregulation of Egr2 and Gfi1 in the developing lung.
Identification of articular cartilage progenitor cells (ACPCs) has opened up new opportunities for cartilage repair. These cells may be used as alternatives for or in combination with mesenchymal stromal cells (MSCs) in cartilage engineering. However, their potential needs to be further investigated, since only a few studies have compared ACPCs and MSCs when cultured in hydrogels. Therefore, in this study, we compared chondrogenic differentiation of equine ACPCs and MSCs in agarose constructs as monocultures and as zonally layered co-cultures under both normoxic and hypoxic conditions. ACPCs and MSCs exhibited distinctly differential production of the cartilaginous extracellular matrix (ECM). For ACPC constructs, markedly higher glycosaminoglycan (GAG) contents were determined by histological and quantitative biochemical evaluation, both in normoxia and hypoxia. Differential GAG production was also reflected in layered co-culture constructs. For both cell types, similar staining for type II collagen was detected. However, distinctly weaker staining for undesired type I collagen was observed in the ACPC constructs. For ACPCs, only very low alkaline phosphatase (ALP) activity, a marker of terminal differentiation, was determined, in stark contrast to what was found for MSCs. This study underscores the potential of ACPCs as a promising cell source for cartilage engineering.
Ischemic stroke is one of the leading causes of death worldwide. It damages neurons and other supporting cellular elements in the brain. However, the impairment is not only confined to the region of assault but the surrounding area as well. Besides, it also brings about damage to the blood-brain barrier (BBB) which in turn leads to microvascular failure and edema. Hence, this necessitates an on-going, continuous search for intervention strategies and effective treatment. Of late, the natural sweetener stevioside proved to exhibit neuroprotective effects and therapeutic benefits against cerebral ischemia-induced injury. Its injectable formulation, isosteviol sodium (STVNA) also demonstrated favorable results. Nonetheless, its effects on the BBB have not yet been investigated to date. As such, this present study was designed to assess the effects of STVNA in our in vitro stroke model of the BBB.The integrity and permeability of the BBB are governed and maintained by tight junction proteins (TJPs) such as claudin-5 and occludin. Our data show increased claudin-5 and occludin expression in oxygen and glucose (OGD)-deprived murine brain capillary cerebellar endothelial cells (cerebEND) after STVNa treatment. Likewise, the upregulation of the transmembrane protein integrin-αv was also observed. Finally, cell volume was reduced with the simultaneous administration of STVNA and OGD in cerebEND cells. In neuropathologies such as stroke, the failure of cell volume control is a major feature leading to loss of cells in the penumbra as well as adverse outcomes. Our initial findings, therefore, point to the neuroprotective effects of STVNA at the BBB in vitro, which warrant further investigation for a possible future clinical intervention.
Mitochondria have originated in eukaryotic cells by endosymbiosis of a specialized prokaryote approximately 2 billion years ago. They are essential for normal cell function by providing energy through their role in oxidizing carbon substrates. Glutathione (GSH) is a major thiol-disulfide redox buffer of the cell including the mitochondrial matrix and intermembrane space. We have generated cardiomyocyte-specific Grx1-roGFP2 GSH redox potential (EGSH) biosensor mice in the past, in which the sensor is targeted to the mitochondrial matrix. Using this mouse model a distinct EGSH of the mitochondrial matrix (−278.9 ± 0.4 mV) in isolated cardiomyocytes is observed. When analyzing the EGSH in isolated mitochondria from the transgenic hearts, however, the EGSH in the mitochondrial matrix is significantly oxidized (−247.7 ± 8.7 mV). This is prevented by adding N-Ethylmaleimide during the mitochondria isolation procedure, which precludes disulfide bond formation. A similar reducing effect is observed by isolating mitochondria in hypoxic (0.1–3% O2) conditions that mimics mitochondrial pO2 levels in cellulo. The reduced EGSH is accompanied by lower ROS production, reduced complex III activity but increased ATP levels produced at baseline and after stimulation with succinate/ADP. Altogether, we demonstrate that oxygenation is an essential factor that needs to be considered when analyzing mitochondrial function ex vivo.
Plants, as sessile organisms, gained the ability to sense and respond to biotic and abiotic stressors to survive severe changes in their environments. The change in our climate comes with extreme dry periods but also episodes of flooding. The latter stress condition causes anaerobiosis-triggered cytosolic acidosis and impairs plant function. The molecular mechanism that enables plant cells to sense acidity and convey this signal via membrane depolarization was previously unknown. Here, we show that acidosis-induced anion efflux from Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) roots is dependent on the S-type anion channel AtSLAH3. Heterologous expression of SLAH3 in Xenopus oocytes revealed that the anion channel is directly activated by a small, physiological drop in cytosolic pH. Acidosis-triggered activation of SLAH3 is mediated by protonation of histidine 330 and 454. Super-resolution microscopy analysis showed that the increase in cellular proton concentration switches SLAH3 from an electrically silent channel dimer into its active monomeric form. Our results show that, upon acidification, protons directly switch SLAH3 to its open configuration, bypassing kinase-dependent activation. Moreover, under flooding conditions, the stress response of Arabidopsis wild-type (WT) plants was significantly higher compared to SLAH3 loss-of-function mutants. Our genetic evidence of SLAH3 pH sensor function may guide the development of crop varieties with improved stress tolerance.
Das maligne Melanom ist ein Tumor der Hautpigmentzellen mit weltweit steigender Inzidenz. Aufgrund seiner frühzeitigen lymphogenen und hämatogenen Metastasierung zählt das maligne Melanom zu den prognostisch sehr ungünstigen Tumorerkrankungen. Nach erfolgter Metastasierung werden mit den derzeitig etablierten Therapieschemata noch keine ausreichenden Prognoseverbesserungen erzielt. Einen möglichen neuen Therapieansatz stellt die Blockade der Tumorangiogenese dar. Besondere Bedeutung wird dabei der zyto- bzw. chemokinvermittelten Angiogenese zugemessen. In den letzten Jahren zeigten verschiedene diesbezügliche Studien richtungsweisende und erfolgversprechende Ergebnisse. Trotzdem besteht weiterhin hoher Bedarf an Verbesserung des Verständnisses der zugrundeliegenden Regulationsmechanismen. Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Sekretion acht angiogenetisch wirksamer Zyto- und Chemokine in vitro durch hoch- und niedrigmaligne Melanomzellen unter normalen Kulturbedingungen sowie unter Hypoxie, Serum- und Glukosemangel zu erfassen. Diese Stressbedingungen dienten als vereinfachtes in vitro-Modell der Mangelbedingungen, die in schnell wachsenden bzw. Nekrosezonen angrenzenden Tumorarealen vorherrschen. Mittels ELISA wurden die abgegeben Mengen der Zytokine VEGF, b-FGF, Angiogenin, PDGF und TGF-ß sowie der Chemokine IL-8, Gro-α und GM-CSF in den Zellüberständen bestimmt. Dabei zeigten die verschiedenen Melanomzelllinien für alle getesteten Zyto- bzw. Chemokine außer GM-CSF charakteristische Sekretionsverhalten unter bestimmten Kulturbedingungen. Insbesondere unter Hypoxie und nach Reoxigenierung ließen sich signifikante Veränderungen im Sekretionsverhalten der verschiedenen Melanomzelllinien feststellen. Eine signifikante Steigerung in der Freisetzung der Zyto- bzw. Chemokine durch Melanomzellen unter Hypoxie ließ sich nur für VEGF, b-FGF, Angiogenin und IL-8 feststellen. Zudem unterschieden sich hochmaligne Melanomzelllinien signifikant von niedrigmalignen Zelllinien in ihrer Sekretion von VEGF, Angiogenin, PDGF, IL-8 und Gro-α unter normalen Kulturbedingungen und unter Hypoxie (Angiogenin, PDGF, IL-8 und Gro-α). In weiterführenden Experimenten wurde das Sekretionsverhalten von normalen Melanozyten, Endothelzellen und Fibroblasten untersucht. Dabei wiesen differenzierte Melanozyten im Vergleich zu den Melanomzellen signifikante Unterschiede in den abgegebenen Zyto-/ Chemokinmengen für VEGF, Angiogenin, PDGF, IL-8 und Gro-α unter normalen bzw. hypoxischen Kulturbedingungen auf. Differenzierte Melanozyten unterschieden sich also von Melanomzellen in ihrer Sekretion bei den selben Zyto- bzw. Chemokinen wie niedrigmaligne von hochmalignen Melanomzelllinien (VEGF, Angiogenin, PDGF, IL-8 und Gro-α). Im Sekretionsverhalten für VEGF, Angiogenin, IL-8 und Gro-α ähnelten Fibroblasten und Endothelzellen (bzgl. VEGF nur HMEC-1) den Melanomzellen. Der Einfluss dieser vier Zyto- und Chemokine und b-FGF auf das in-vitro-Wachstumsverhalten von Endothelzellen wurde mit einem BrD-U-Proliferationsassay untersucht. Sowohl mikrovaskuläre (HMEC-1) als auch makrovaskuläre (HUVEC) Endothelzellen steigerten ihre Proliferation unter dem Einfluss von VEGF, b-FGF, Angiogenin, IL-8 und Gro-α signifikant. HMEC-1 reagierten dabei mit einem tendenziell stärkeren Ansprechen auf die Stimulation als HUVEC. In weiteren Versuchen zeigten HUVEC eine erhöhte Sensibilität für Zytokine (insbesondere für b-FGF) unter Serummangelbedingungen, nicht jedoch für Chemokine (IL-8 und Gro-α). Am deutlichsten fiel die Proliferationssteigerung unter dem Einfluss der einzelnen Zyto- und Chemokine aus, wenn HUVEC in nonadhärentem Zustand stimuliert wurden. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit konnte erstmalig bzw. zeitgleich mit anderen Publikationen gezeigt werden, dass Melanomzellen unter Hypoxie nicht nur VEGF, sondern auch Angiogenin und IL-8 deutlich vermehrt sezernieren, dass diese Sekretionssteigerung nach Reoxigenierung weiter anhält und Melanomzellen signifikant von differenzierten Melanozyten unterscheidet. Jedes dieser Zyto- und Chemokine stimulierte die Endothelzellproliferation in vitro. Dabei erhöhten Serummangel und vor allem initial fehlende Zell-Zellkontakte die Zyto- bzw. Chemokinwirkung. Im Gegensatz zu dem bisher intensiver untersuchten VEGF sezernierten hochmaligne Melanomzellen unter Hypoxie signifikant mehr Angiogenin und IL-8 als niedrigmaligne Melanomzellen. Nur für Angiogenin zeigte sich darüber hinaus eine gegensätzliche Sekretionsregulation unter Hypoxie aller Melanomzellen im Vergleich zu normalen Melanozyten. Dies könnte für IL-8 und im Besonderen für Angiogenin auf eine mögliche Schlüsselfunktion in der Melanom-induzierten Angiogenese hindeuten. Inwieweit Rückschlüsse auf die in vivo-Verhältnisse und eine klinische Relevanz zulässig sind, werden weitere Untersuchungen und ggf. Therapiestudien zeigen müssen.
In the present study, we assessed, if the novel dual phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/mammalian target of rapamycin (mTOR) inhibitor NVP-BEZ235 radiosensitizes triple negative (TN) MDA-MB-231 and estrogen receptor (ER) positive MCF-7 cells to ionizing radiation under various oxygen conditions, simulating different microenvironments as occurring in the majority of breast cancers (BCs). Irradiation (IR) of BC cells cultivated in hypoxic conditions revealed increased radioresistance compared to normoxic controls. Treatment with NVP-BEZ235 completely circumvented this hypoxia-induced effects and radiosensitized normoxic, reoxygenated, and hypoxic cells to similar extents. Furthermore, NVP-BEZ235 treatment suppressed HIF-1α expression and PI3K/mTOR signaling, induced autophagy, and caused protracted DNA damage repair in both cell lines in all tested oxygen conditions. Moreover, after incubation with NVP-BEZ235, MCF-7 cells revealed depletion of phospho-AKT and considerable signs of apoptosis, which were signifi-cantly enhanced by radiation. Our findings clearly demonstrate that NVP-BEZ235 has a clinical relevant potential as a radiosensitizer in BC treatment.
Die Transduktionsfaktoruntereinheit HIF-1alpha ist der zentrale Sauerstoffsensor für Säugerzellen aller Art. Er ist in der Lage durch Steuerung der Transkription entsprechender Gene auf die Zellproliferation, verschiedene Transportvorgänge, die Angiogenese, die Glykolyse und andere Vorgänge Einfluß zu nehmen. Zahlreiche Studien belegen den Zusammenhang zwischen HIF-1alpha-Überexpression in soliden Tumoren und Verkürzung der Überlebens- bzw. der rezidivfreien Zeit. Schon lange ist die Assoziation von Tumorhypoxie mit der Verschlechterung der Prognose der Erkrankung bekannt. Die Trennung der hypoxischen Srahlenresistenz von der pro-proliferativen und pro-metastatischen Potenz von HIF-1alpha als Ursache der Prognoseverschlechterung von tumorkranken Patienten ist derzeit nicht möglich. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand zweier etablierter humaner Tumorzellinien, daß Faktoren des Tumormikromilieus in der Lage sein können, die HIF-1alpha-Expression zu modulieren. Hypoxie war stets eine Grundvoraussetzung für die Messung erhöhter HIF-1alpha-Spiegel. Jedoch waren annähernd normale Glukosespiegel des Tumormikromilieus für eine nennenswerte HIF-1alpha-Überexpression erforderlich. Dies könnte erklären, warum immunhistochemische Schnitte von HIF-1alpha und von exogenen Hypoxiemarkern bezüglich der angefärbten Areale differieren. Sowohl die mangelnde Spezifität der HIF-1alpha-Expression für Hypoxie, als auch die für klinische Routinearbeiten ungünstige Kinetik des endogenen Hypoxiemarkers HIF-1alpha, lassen an seiner praktischen Einführung in der Klinik zweifeln. Da noch kein endogener Hypoxiemarker gefunden werden konnte, der spezifisch bei Hypoxie akkumulieren würde, und darüber hinaus alle bekannten endogenen Hypoxiemarker bei Sauerstoffmangel unterschiedlich reagieren, scheint es derzeit am sinnvollsten zu sein, neben der Kombination von verschiedenen Markern außerdem andere Faktoren, wie die Vaskularisierungsdichte zu bestimmen. Die Tatsache, daß nicht alle hypoxischen Zellen HIF-1alpha exprimieren, und die, daß aufgrund der nicht-hypoxischen Aktivierung von HIF-1alpha unter Umständen auch nicht hypoxische Zellen gesteigerte HIF-1alpha-Spiegel aufweisen, könnte ein therapeutisches Eingreifen auf Ebene von HIF-1alpha – als vermeintlich tumorspezifische Therapieform – in Frage stellen. Die Ergebnisse zahlreicher Studien zeigen deutlich, daß HIF-1alpha weder hypoxiespezifisch noch tumorspezifisch in der Zelle akkumuliert. Die Zukunft wird zeigen, ob es eine neue Substanzklasse der „HIF-1-Inhibitoren“ geben wird. Derzeit laufen mehrere klinische Studien zur Evaluierung denkbarer Substanzen.
Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a major cause of morbidity and mortality worldwide and encompasses chronic bronchitis and emphysema. It has been shown that vascular wall remodeling and pulmonary hypertension (PH) can occur not only in patients with COPD but also in smokers with normal lung function, suggesting a causal role for vascular alterations in the development of emphysema. Mechanistically, abnormalities in the vasculature, such as inflammation, endothelial dysfunction, imbalances in cellular apoptosis/proliferation, and increased oxidative/nitrosative stress promote development of PH, cor pulmonale, and most probably pulmonary emphysema. Hypoxemia in the pulmonary chamber modulates the activation of key transcription factors and signaling cascades, which propagates inflammation and infiltration of neutrophils, resulting in vascular remodeling. Endothelial progenitor cells have angiogenesis capabilities, resulting in transdifferentiation of the smooth muscle cells via aberrant activation of several cytokines, growth factors, and chemokines. The vascular endothelium influences the balance between vaso-constriction and -dilation in the heart. Targeting key players affecting the vasculature might help in the development of new treatment strategies for both PH and COPD. The present review aims to summarize current knowledge about vascular alterations and production of reactive oxygen species in COPD. The present review emphasizes on the importance of the vasculature for the usually parenchyma-focused view of the pathobiology of COPD.