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Das fakultativ intrazelluläre Bakterium Legionella pneumophila wurde erstmals 1977 als Erreger der Legionellose, einer schweren atypisch verlaufenden Pneumonie identifiziert. Es besitzt ein duales Wirtssystem und kann sich sowohl in aquatischen Habitaten in Protozoen als auch in phagozytierenden Humanzellen als Pathogen vermehren. Zur Analyse der komplexen Interaktion zwischen Pathogen und Wirtszelle wurde in dieser Arbeit ein GFP (Green Fluorescent Protein)-Reportersystem etabliert und erfolgreich eingesetzt. Es erlaubt ein in vivo Monitoring von Legionella Infektionen und ermöglicht die schnelle Quantifizierung bakterieller Invasion in Wirtszellen in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren. Zur Etablierung der GFP-vermittelten Fluoreszenz wurde eine transkriptionelle Fusion des gfpmut2-Gens mit dem Legionella spezifischen mip ("macrophage infectivity potentiator")-Promoter (Pmip) konstruiert. Zusätzlich wurde ein Vektor mit dem von Listeria stammenden sod ("super oxid dismutase")-Promoter eingesetzt. Mit diesen Vektoren transformierte Legionella-Stämme zeigten nach entsprechender Anregung eine starke Grünfluoreszenz und belegen somit erstmals die Funktionalität von GFP in Legionella. Durch den Einsatz von Fluoreszenzmikroskopie, Spektrofluorimetrie und Durchflusszytometrie (FACS-Analyse) wurden die Stämme hinsichtlich der Unterschiede in der Virulenz und der intrazellulären Vermehrung untersucht. Ergebnisse, die durch die zeitaufwendige Bestimmung von CFU-Werten ermittelt wurden, konnten verifiziert und damit die Validität des GFP-Reportersystems in Legionella bestätigt werden. Quantitative Analysen der mip-Promoteraktivität belegen die konstitutive Expression und zeigen, dass Unterschiede in der Virulenz nicht auf variierende mip-Promoteraktivität zurückzuführen sind. Darüber hinaus konnte der Einfluss verschiedener Phagozytose-Inhibitoren auf die Aufnahme von Legionellen in die Protozoenwirte Acanthamoeba castellanii und Hartmannella vermiformis mittels des GFP-Reportersystems quantifiziert und qualitativ bewertet werden. Durch die Verwendung des Inhibitors Cytochalasin D konnte ein Einfluss Mikrofilament-abhängiger Phagozytose auf die Aufnahme in H. vermiformis und A. castellanii ausgeschlossen werden. Wie in Inhibitionsstudien mit Cycloheximid und Methylamin bestätigt werden konnte, erfolgt die Phagozytose in H. vermiformis wahrscheinlich vorwiegend über Rezeptor-vermittelte-Endozytose. Dem Protozoenwirt A. castellanii stehen dagegen zusätzliche Möglichkeiten der bakteriellen Internalisierung zur Verfügung. Diese Ergebnisse bestätigen die postulierte Heterogenität der Aufnahme-Mechanismen innerhalb verschiedener Protozoenwirte. Nach erfolgter Phagozytose von L. pneumophila wird der endosomale Weg der Phagolysosom- Reifung blockiert, hierfür wird die Sekretion bislang unbekannter Effektoren verantwortlich gemacht. Durch die Konstruktion von C-terminalen Mip::GFP-Fusionsproteinen sollte die Detektion einer eventuellen Translokation des Mip-Proteins als Virulenzfaktor innerhalb der Wirtszelle ermöglicht werden. Die erzeugten Fusionsproteine waren wahrscheinlich aufgrund der homodimeren Mip-Struktur instabil und wurden nicht über die Cytoplasmamembran hinweg transportiert. Sie erwiesen sich daher als nicht geeignet, dieser Fragestellung weiter nachzugehen. Da die in vivo Funktion von PPIasen (Peptidyl-Prolyl-cis/trans-Isomerasen) wie dem Mip-Protein in Prokaryoten bis heute weitgehend unbekannt ist, sollte im zweiten Teil dieser Arbeit versucht werden, einen Interaktionspartner zu identifizieren und den Einfluss der Dimerisierung und der PPIase-Aktivität des Mip-Proteins auf die Virulenz von L. pneumophila zu untersuchen. Durch Quervernetzung-Experimente konnte ein putativer, prokaryotischer Interaktionspartner des Legionella Mip-Proteins detektiert werden. Die N-terminale Aminosäure-Sequenzierung ergab jedoch keinerlei Homologie zu bereits bekannten Legionella- oder anderen Proteinen. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass eine N-terminale Blockierung die Aufklärung der Sequenz ursächlich verhindert. Wie in früheren Arbeiten gezeigt wurde, ist die PPIase-Aktivität des Legionella Mip-Proteins für die Invasion und das intrazelluläre Überleben in Protozoen, Monozyten und der Makrophagen-ähnlichen Zelllinie U937 nicht notwendig. Ein weiteres Charakteristikum des Proteins ist seine homodimere Struktur und die Assoziation mit der äußeren Membran. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. G. Fischer in Halle konnte durch Deletion der N-terminalen Domäne (AS 4-79) ein verkürztes Dimer-defizientes Legionella Mip-Protein (L.p.FKBP-20-3, 80-213) erzeugt und biochemisch charakterisiert werden. Durch site-spezifische Mutagenese N-terminal lokalisierter Aminosäuren (K11A/D32A, Y16A/D32A und M38,42E) konnte deren Beteiligung an der Dimerisierung nachgewiesen werden. Zur Analyse des Einflusses der dimeren Ouartärstruktur auf die Pathogenität wurde ein mip-negativer Stamm mit dem nur noch als Monomer vorliegenden Mip-Protein (L.p.FKBP-20-3, 80-213) in cis komplementiert und die Expression sowie Integration in L. pneumophila PhilI JR32-2.4 verifiziert. Ergebnisse aus Infektionsstudien zeigten deutlich, dass die Dimerisierung des Legionella Mip-Proteins und nicht die Isomerase-Aktivität für die Infektion von monozellulären Systemen entscheidend ist. Im Gegensatz dazu konnte in Tierexprimenten (Meerschweinchen) die Beteiligung der Isomerase-Aktivität an der Pathogenität von L. pneumophila nachgewiesen werden. Der Verlust der Isomerase-Aktivität wirkt sich, verglichen mit dem monozellulären System (A. castellanii), im Tiermodel wesentlich dramatischer auf das intrazelluläre Überleben aus. Mit site-spezifisch verändertem Mip-Protein komplementierte Legionella-Stämme zeigten eine intrazelluläre Vermehrung in Abhängigkeit der gemessenen in vitro Isomerase-Restaktivität. Durch den Einsatz der dimerisierungsdefizienten Mip-Komplementante, L. pneumophila PhilI JR32-2.4, wurde die Notwendigkeit der Dimerisierung des Mip-Proteins auch im Tiermodell bestätigt. Durch die vorliegende Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Funktion der Isomerase-Aktivität für die Infektion monozellulärer Systeme und höherer Organismen unterschiedlich ist.
Unter Verwendung fluoreszenzmarkierter Remorine der taxonomischen Gruppe 1b wurden Nanodomänen in Arabidopsis Plasmamembranen (PM) unter Verwendung hoch auflösender Laser Scanning-Systeme sichtbar gemacht. In diesen kompartimentierten Membranbereichen lagerten sich Sterol-abhängige Remorine aus verschiedenen Pflanzen-familien zusammen und zeigten dort Kolokalisation. Dies wurde statistisch belegt durch hohe Pearson und Spearman Korrelationskoeffizienten. Remorine konnten schließlich als pflanzliche Markerproteine für kompartimentierte Membranbereiche etabliert werden. Die Nanodomänen zeigten zu keinem Zeitpunkt laterale Bewegungen in der PM und scheinen sowohl von zytoskelettären Strukturen als auch von Komponenten der Zellwand stabilisiert zu werden. Möglicherweise spielen transmembrane Tetraspanine sowie GPI-verankerte SKU5-Proteine eine Rolle bei der stabilen Verankerung. Für zwei native Arabidopsis Remorine wurden posttranslationale Modifikationsstellen aufgedeckt, die der Anheftung dieser hydrophilen Proteine an die PM dienen. Weiterhin scheinen gleichartige Remorine miteinander zu interagieren. Beispielsweise waren im Zytosol lokalisierte Remorin-Mutanten bei einer gleichzeitigen Expression der entsprechenden Vollängenproteine erneut an der PM zu finden. Für die Remorine wurde postuliert, dass sie mit anderen Proteinen interagieren und dabei makromolekulare Strukturen ausbilden. Den Remorinen könnte daher eine Aufgabe bei der molekularen Organisation pflanzlicher Membrandomänen zukommen, indem sie ein filamentartiges Netzwerk innerhalb distinkter Domänen ausbilden, das möglicherweise zur Stabilität und Aufrechterhaltung dieser spezialisierten Bereiche beiträgt. Unter Einbeziehung der STED-Mikroskopie wurde eine empirische Größenverteilung von 97±4nm Durchmesser für PM-ständige Domänen in Arabidopsis ermittelt. Hinsichtlich der physiologischen Relevanz konnte gezeigt werden, dass die Domänen eine Rolle bei der ABA-vermittelten, kalziumabhängigen Regulation des Anionenkanals SLAH3 einnehmen. SLAH3 wird durch kalziumabhängige Kinasen aus der CDPK-Familie aktiviert, im Speziellen durch CPK21 und CPK23. Beide Kinasen werden durch die ABA-sensitiven Phosphatasen ABI1 und ABI2 reguliert. Die spezifisch stattfindenden Interaktionen zwischen SLAH3 und CPK21, sowie zwischen CPK21 und ABI1 waren auf Nanodomänen beschränkt und wurden durch die Methodik der bimolekularen Fluoreszenzkomplementation erstmals in planta nachgewiesen, mit Remorinen der taxonomischen Gruppe 1b als etablierte Markerproteine für Membrandomänen.
Background
Oncolytic virotherapy of tumors is an up-coming, promising therapeutic modality of cancer therapy. Unfortunately, non-invasive techniques to evaluate the inflammatory host response to treatment are rare. Here, we evaluate \(^{19}\)F magnetic resonance imaging (MRI) which enables the non-invasive visualization of inflammatory processes in pathological conditions by the use of perfluorocarbon nanoemulsions (PFC) for monitoring of oncolytic virotherapy.
Methodology/Principal Findings
The Vaccinia virus strain GLV-1h68 was used as an oncolytic agent for the treatment of different tumor models. Systemic application of PFC emulsions followed by \(^1H\)/\(^{19}\)F MRI of mock-infected and GLV-1h68-infected tumor-bearing mice revealed a significant accumulation of the \(^{19}\)F signal in the tumor rim of virus-treated mice. Histological examination of tumors confirmed a similar spatial distribution of the \(^{19}\)F signal hot spots and \(CD68^+\)-macrophages. Thereby, the \(CD68^+\)-macrophages encapsulate the GFP-positive viral infection foci. In multiple tumor models, we specifically visualized early inflammatory cell recruitment in Vaccinia virus colonized tumors. Furthermore, we documented that the \(^{19}\)F signal correlated with the extent of viral spreading within tumors.
Conclusions/Significance
These results suggest \(^{19}\)F MRI as a non-invasive methodology to document the tumor-associated host immune response as well as the extent of intratumoral viral replication. Thus, \(^{19}\)F MRI represents a new platform to non-invasively investigate the role of the host immune response for therapeutic outcome of oncolytic virotherapy and individual patient response.
In recent years three-dimensional (3D) super-resolution fluorescence imaging by single-molecule localization (localization microscopy) has gained considerable interest because of its simple implementation and high optical resolution. Astigmatic and biplane imaging are experimentally simple methods to engineer a 3D-specific point spread function (PSF), but existing evaluation methods have proven problematic in practical application. Here we introduce the use of cubic B-splines to model the relationship of axial position and PSF width in the above mentioned approaches and compare the performance with existing methods. We show that cubic B-splines are the first method that can combine precision, accuracy and simplicity.
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.
Lipid rafts are membrane microdomains specialized in the regulation of numerous cellular processes related to membrane organization, as diverse as signal transduction, protein sorting, membrane trafficking or pathogen invasion. It has been proposed that this functional diversity would require a heterogeneous population of raft domains with varying compositions. However, a mechanism for such diversification is not known. We recently discovered that bacterial membranes organize their signal transduction pathways in functional membrane microdomains (FMMs) that are structurally and functionally similar to the eukaryotic lipid rafts. In this report, we took advantage of the tractability of the prokaryotic model Bacillus subtilis to provide evidence for the coexistence of two distinct families of FMMs in bacterial membranes, displaying a distinctive distribution of proteins specialized in different biological processes. One family of microdomains harbors the scaffolding flotillin protein FloA that selectively tethers proteins specialized in regulating cell envelope turnover and primary metabolism. A second population of microdomains containing the two scaffolding flotillins, FloA and FloT, arises exclusively at later stages of cell growth and specializes in adaptation of cells to stationary phase. Importantly, the diversification of membrane microdomains does not occur arbitrarily. We discovered that bacterial cells control the spatio-temporal remodeling of microdomains by restricting the activation of FloT expression to stationary phase. This regulation ensures a sequential assembly of functionally specialized membrane microdomains to strategically organize signaling networks at the right time during the lifespan of a bacterium.
Herpes simplex virus type-1 (HSV-1) is one of the most widespread pathogens among humans. Although the structure of HSV-1 has been extensively investigated, the precise organization of tegument and envelope proteins remains elusive. Here we use super-resolution imaging by direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM) in combination with a model-based analysis of single-molecule localization data, to determine the position of protein layers within virus particles. We resolve different protein layers within individual HSV-1 particles using multi-colour dSTORM imaging and discriminate envelope-anchored glycoproteins from tegument proteins, both in purified virions and in virions present in infected cells. Precise characterization of HSV-1 structure was achieved by particle averaging of purified viruses and model-based analysis of the radial distribution of the tegument proteins VP16, VP1/2 and pUL37, and envelope protein gD. From this data, we propose a model of the protein organization inside the tegument.
The KISS1 Receptor as an In Vivo Microenvironment Imaging Biomarker of Multiple Myeloma Bone Disease
(2016)
Multiple myeloma is one of the most common hematological diseases and is characterized by an aberrant proliferation of plasma cells within the bone marrow. As a result of crosstalk between cancer cells and the bone microenvironment, bone homeostasis is disrupted leading to osteolytic lesions and poor prognosis. Current diagnostic strategies for myeloma typically rely on detection of excess monoclonal immunoglobulins or light chains in the urine or serum. However, these strategies fail to localize the sites of malignancies. In this study we sought to identify novel biomarkers of myeloma bone disease which could target the malignant cells and/or the surrounding cells of the tumor microenvironment. From these studies, the KISS1 receptor (KISS1R), a G-protein-coupled receptor known to play a role in the regulation of endocrine functions, was identified as a target gene that was upregulated on mesenchymal stem cells (MSCs) and osteoprogenitor cells (OPCs) when co-cultured with myeloma cells. To determine the potential of this receptor as a biomarker, in vitro and in vivo studies were performed with the KISS1R ligand, kisspeptin, conjugated with a fluorescent dye. In vitro microscopy showed binding of fluorescently-labeled kisspeptin to both myeloma cells as well as MSCs under direct co-culture conditions. Next, conjugated kisspeptin was injected into immune-competent mice containing myeloma bone lesions. Tumor-burdened limbs showed increased peak fluorescence compared to contralateral controls. These data suggest the utility of the KISS1R as a novel biomarker for multiple myeloma, capable of targeting both tumor cells and host cells of the tumor microenvironment.
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.
The thesis provides insights in reconstruction and analysis pipelines for processing of
three-dimensional cell and vessel images of megakaryopoiesis in intact murine bone.
The images were captured in a Light Sheet Fluorescence Microscope. The work
presented here is part of Collaborative Research Centre (CRC) 688 (project B07) of
the University of Würzburg, performed at the Rudolf-Virchow Center. Despite ongoing
research within the field of megakaryopoiesis, its spatio-temporal pattern of
megakaryopoiesis is largely unknown. Deeper insight to this field is highly desirable to
promote development of new therapeutic strategies for conditions related to
thrombocytopathy as well as thrombocytopenia. The current concept of
megakaryopoiesis is largely based on data from cryosectioning or in vitro studies
indicating the existence of spatial niches within the bone marrow where specific stages
of megakaryopoiesis take place. Since classic imaging of bone sections is typically
limited to selective two-dimensional views and prone to cutting artefacts, imaging of
intact murine bone is highly desired. However, this has its own challenges to meet,
particularly in image reconstruction. Here, I worked on processing pipelines to account
for irregular specimen staining or attenuation as well as the extreme heterogeneity of
megakaryocyte morphology. Specific challenges for imaging and image reconstruction
are tackled and solution strategies as well as remaining limitations are presented and
discussed. Fortunately, modern image processing and segmentation strongly benefits
from continuous advances in hardware as well as software-development. This thesis
exemplifies how a combined effort in biomedicine, computer vision, data processing
and image technology leads to deeper understanding of megakaryopoiesis. Tailored
imaging pipelines significantly helped elucidating that the large megakaryocytes are
broadly distributed throughout the bone marrow facing a surprisingly dense vessel
network. No evidence was found for spatial niches in the bone marrow, eventually
resulting in a revised model of megakaryopoiesis.