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Die Fußsohlen von zwei Patienten, denen aufgrund einer malignen Erkrankung der Unterschenkel amputiert werden musste, werden unmittelbar nach erfolgter Operation in Formalin fixiert. Es erfolgt eine Unterteilung der Fußsohlen in jeweils 39 Gewebeblöcke, aus denen drei Schnittserien mit einem Schnittabstand von einem Millimeter angefertigt werden. Die Präparate werden mit einer Hämatoxylin-Eosin Übersichtsfärbung und einem immunhistochemischen Färbeverfahren mit polyklonalen Antikörpern gegen das S-100 Protein gefärbt. Die histologischen Präparate werden lichtmikroskopisch auf das Vorhandensein und das Verteilungsmuster von korpuskulären und enkapsulierten Mechanorezeptoren untersucht. Art und Anzahl sowie mikro- und makroskopische Verteilung der Mechanorezeptoren in der menschlichen Fußsohle werden schriftlich sowie fotographisch dokumentiert. Weiterhin erfolgt eine Berechnung der Rezeptordichte der unterschiedlichen Mechanorezeptoren in den einzelnen Fußabschnitten. Anhand von zusätzlichen Schnittserien erfolgt eine computergestützte dreidimensionale Rekonstruktion ausgewählter Rezeptorstrukturen. In den untersuchten humanen Fußsohlen können Meissner- und paciniforme Korpuskeln mit jeweils unterschiedlichen Verteilungsmustern aufgefunden werden. Im gesamten Bereich beider Fußsohlen können keine ruffini- bzw. golgiformen Mechanorezeptoren nachgewiesen werden. In den dermalen Papillen des Stratum papillare zeigen sich bis zu vier benachbart liegende Meissner-Korpuskeln. Die paciniformen Korpuskeln können einzeln und gruppiert im Stratum reticulare und der Tela subcutanea nachgewiesen werden. Neben der Lokalisation im Bindegewebe zeigen sich paciniforme Korpuskeln in unmittelbarer Nachbarschaft zur Plantarfascie, Blutgefäßen und Nervenbündeln. In einigen Fällen können paciniforme Korpuskeln beobachtet werden, die innerhalb des Epi- bzw. des Perineuriums des benachbarten Nervs eingebettet sind. Für die aufgefundenen Meissner- und paciniformen Korpuskeln ergibt sich eine steigende Rezeptordichte vom Rück-, über den Mittel-, bis zum Vorfuß. Die höchste Rezeptordichte ergibt sich für die Meissner-Korpuskeln im Zehenbereich, für die paciniformen Korpuskeln im Bereich des Fußballens. Bei den Meissner-Korpuskeln lässt sich weiterhin im lateralen Mittel- und Vorfußbereich eine höhere Rezeptordichte nachweisen als in den korrespondierenden medialen Fußabschnitten. Die Rezeptordichte der paciniformen Korpuskeln liegt insgesamt deutlich niedriger als die der Meissner-Korpuskeln. Die aufgefundene Rezeptorverteilung spricht für eine Hauptrolle der schnell-adaptierenden Mechanorezeptoren bei der Mechano- und Propriozeption. Vor allem die Fußabschnitte mit hohen und aktiv gesteuerten Belastungsänderungen weisen eine hohe Rezeptordichte auf. Gerade der Vorfußbereich mit seiner hohen Dichte an schnell adaptierenden Mechanorezeptoren scheint entscheidende somatosensorische Informationen zu liefern. Unter Einbeziehung bisheriger klinischer und experimenteller Untersuchungen weisen die vorliegenden Ergebnisse darauf hin, dass Änderungen dieser somatosensorischen Informationen der Fußsohle direkte Auswirkungen auf die neuromuskuläre Steuerung und Koordination des Bewegungsapparates haben können.
Functional and genetic dissection of mechanosensory organs of \(Drosophila\) \(melanogaster\)
(2016)
In Drosophila larvae and adults, chordotonal organs (chos) are highly versatile mechanosensors
that are essential for proprioception, touch sensation and hearing. Chos share molecular,
anatomical and functional properties with the inner ear hair cells of mammals. These multiple
similarities make chos powerful models for the molecular study of mechanosensation.
In the present study, I have developed a preparation to directly record from the sensory neurons
of larval chos (from the lateral chos or lch5) and managed to correlate defined mechanical inputs
with the corresponding electrical outputs. The findings of this setup are described in several case
studies.
(1) The basal functional lch5 parameters, including the time course of response during continuous
mechanical stimulation and the recovery time between successive bouts of stimulation, was
characterized.
(2) The calcium-independent receptor of α-latrotoxin (dCIRL/Latrophilin), an Adhesion class G
protein-coupled receptor (aGPCR), is identified as a modulator of the mechanical signals
perceived by lch5 neurons. The results indicate that dCIRL/Latrophilin is required for the
perception of external and internal mechanical stimuli and shapes the sensitivity of neuronal
mechanosensation.
(3) By combining this setup with optogenetics, I have confirmed that dCIRL modulates lch5
neuronal activity at the level of their receptor current (sensory encoding) rather than their ability
to generate action potentials.
(4) dCIRL´s structural properties (e.g. ectodomain length) are essential for the mechanosensitive
properties of chordotonal neurons.
(5) The versatility of chos also provides an opportunity to study multimodalities at multiple levels.
In this context, I performed an experiment to directly record neuronal activities at different
temperatures. The results show that both spontaneous and mechanically evoked activity increase
in proportion to temperature, suggesting that dCIRL is not required for thermosensation in chos.
These findings, from the development of an assay of sound/vibration sensation, to neuronal
signal processing, to molecular aspects of mechanosensory transduction, have provided the first
insights into the mechanosensitivity of dCIRL.
In addition to the functional screening of peripheral sensory neurons, another
electrophysiological approach was applied in the central nervous system: dCIRL may impact the
excitability of the motor neurons in the ventral nerve cord (VNC). In the second part of my work,
whole-cell patch clamp recordings of motor neuron somata demonstrated that action potential
firing in the dCirl\(^K\)\(^O\) did not differ from control samples, indicating comparable membrane
excitability.
Osteoporose wird definiert als erworbene, generalisierte Skeletterkrankung, die durch eine verminderte Knochenfestigkeit und einen pathologischen Knochenverlust charakterisiert wird. Durch die Störung der Mikroarchitektur kommt es zu strukturellen und funktionellen Defiziten im Sinne von Fragilitätsfrakturen. Mechanische Stimulation erhält die Gewebemasse und stimuliert deren kontinuierliche Anpassung. Östrogene spielen bei der Entwicklung, dem Wachstum und der Regeneration des Knochens eine bedeutende Rolle und wirken über Bindung an die Östrogenrezeptoren ER und ER in bestimmten Zielgeweben. Östrogenrezeptoren sind unverändert sehr geeignete Targets für die Entwicklung von Medikamenten im Rahmen der Osteoporosetherapie wie z.B. die selektiven Östrogen-Rezeptor-Modulatoren (SERMs). Die molekulare Klärung der Einflüsse von ER und ER ist unverändert von großer klinischer Bedeutung. Die Herstellung stabiler Zelllinien mit Überexpression von Reportergenkonstrukten und Rezeptoren kann dabei hilfreich sein. In dieser Arbeit wurde eine stabile Zelllinie mit Überexpression von ERβ etabliert, die unterschiedliche Wirkung von ER und ER wurden analysiert und die Effekte von zyklischer Dehnung auf Reportergenexpression unter der Kontrolle von mechanosensitiven responsiven Elementen wurden charakterisiert.