612 Humanphysiologie
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In the mammalian brain, the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has emerged as a key factor for synaptic refinement, plasticity and learning. Although BDNF-induced signaling cascades are well known, the spatial aspects of the synaptic BDNF localization remained unclear. Recent data provide strong evidence for an exclusive presynaptic location and anterograde secretion of endogenous BDNF at synapses of the hippocampal circuit. In contrast, various studies using BDNF overexpression in cultured hippocampal neurons support the idea that postsynaptic elements and other dendritic structures are the preferential sites of BDNF localization and release. In this study we used rigorously tested anti-BDNF antibodies and achieved a dense labeling of endogenous BDNF close to synapses. Confocal microscopy showed natural BDNF close to many, but not all glutamatergic synapses, while neither GABAergic synapses nor postsynaptic structures carried a typical synaptic BDNF label. To visualize the BDNF distribution within the fine structure of synapses, we implemented super resolution fluorescence imaging by direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). Two-color dSTORM images of neurites were acquired with a spatial resolution of ~20 nm. At this resolution, the synaptic scaffold proteins Bassoon and Homer exhibit hallmarks of mature synapses and form juxtaposed bars, separated by a synaptic cleft. BDNF imaging signals form granule-like clusters with a mean size of ~60 nm and are preferentially found within the fine structure of the glutamatergic presynapse. Individual glutamatergic presynapses carried up to 90% of the synaptic BDNF immunoreactivity, and only a minor fraction of BDNF molecules was found close to the postsynaptic bars. Our data proof that hippocampal neurons are able to enrich and store high amounts of BDNF in small granules within the mature glutamatergic presynapse, at a principle site of synaptic plasticity.
Ständig kontrollieren wir das Ergebnis unserer Handlungen. Ist das Ergebnis ein anderes als erwartet, wird dies als Fehler erkannt und es erfolgt dann der Versuch, das Verhalten entsprechend anzupassen. Die zugrunde liegenden elektrophysiologischen Korrelate können mittels Ereignis-korrelierter Potentiale untersucht werden (ERN, „error-related negativity“ und Pe, „error positivity“). Offenkundige und latente Dysfunktionen der Handlungsüberwachung, die unter anderem durch pathologische Veränderungen der kortikalen Exzitabilität bedingt werden, konnten bei Patienten mit neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen beobachtet werden. Die Modulation der für die Fehlerverarbeitung relevanten Hirnregionen des medialen präfrontalen Kortex wäre deshalb wünschenswert und soll in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. Eine Möglichkeit zur Modulation zerebraler Erregbarkeit stellt die Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) dar. In unserer Untersuchung haben wir den Effekt von tDCS bei 48 gesunden Teilnehmern getestet, die drei Gruppen randomisiert zugeordnet wurden (anodale, kathodale und SHAM-Stimulation). Während einer 22-minütigen Stimulation mit tDCS über dem medialen frontalen Kortex führten die Probanden eine modifizierte Eriksen Flanker Aufgabe aus. Parallel dazu wurde ein EEG zur Analysierung der ERN und Pe aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass kathodale Stimulation im Vergleich zu anodaler und SHAM Stimulation die Amplitude von Subkomponenten der Pe verringert, während kein Effekt auf die ERN nachgewiesen werden konnte. Bei der Untersuchung der Modulation der Fehlerverarbeitung durch transkranielle Stimulation mit tDCS konnten wir somit Hinweise auf einen kathodal-inhibitorischen Effekt auf die kortikale Exzitabilität bei gesunden Probanden finden, was Perspektiven für eine zukünftige Modulation der zugrunde liegenden neuronalen Netzwerke eröffnet. Trotzdem werden weitere Studien notwendig sein, um zu klären, inwieweit der Effekt auf die späte Pe auch von funktioneller Relevanz ist. Zukünftige Studien werden die (Patho)physiologie zugrunde liegender Fehlerüberwachungssysteme auf Zell- und Systemebene weiter untersuchen müssen, um eine Optimierung der stimulations-induzierten Effekte erreichen zu können und um tDCS als eine mögliche wertvolle Therapieoption für Patienten mit Dysfunktionen der Fehlerverarbeitung etablieren zu können.
Technische Neuerungen und steigende Ansprüche an die Gesundheit stellen die moderne Medizin immer wieder vor neue Herausforderungen und führen zur Entwicklung von neuen Therapiekonzepten wie dem Tissue Engineering. Vielfach kommen dabei adulte pluripotente Stammzellen zum Einsatz. Bei der Regeneration mesenchymalen Gewebes wie Knochen, Knorpel und Muskulatur leisten Mesenchymale Stammzellen (MSCs) einen entscheidenden Beitrag. Diese lassen sich aus allen mesenchymalen Geweben des Körpers gewinnen und stellen daher zwar keine homogene Zellpopulation dar, doch sie lassen sich aufgrund phänotypischer und molekularbiologischer Gemeinsamkeiten charakterisieren.
In großer Zahl lassen sich MSCs aus dem Knochenmark gewinnen und werden als stromale MSCs bzw. mhMSCs (marrow-derived human MSCs) bezeichnet. Auf der Suche nach homogenen Subpopulationen von MSCs wurde in dieser Arbeit eine Zellpopulation aus Knochentrabekeln gewonnen, sogenannte bhMSCs (trabecular bone-derived MSCs), und anhand ihrer Genexpression mit mhMSCs verglichen. Dafür wurde RNA aus beiden Populationen in einem Microarray mit anschließender SAM (significance analysis of microarrays) analysiert um unterschiedliche Expressionsmuster zwischen mhMSCs und bhMSCs aufzuzeigen. Diese Ergebnisse wurden durch konventionelle Reverse Transkriptase Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) bestätigt, wobei das Augenmerk vor allem auf solche Gene gerichtet wurde, die differentiell exprimiert waren und zudem als Markergene ein Differenzierungspotential in bestimmte Gewebe wie Muskel und Knochen vorhersagen. Dabei konnte sowohl eine gute Übereinstimmung zwischen Microarray und RT-PCR demonstriert als auch die Hoffnung auf eine homogene (trabekuläre) MSC-Population mit anderen Differenzierungseigenschaften geweckt werden.
Im Verlauf weitergehender Untersuchungen der SAM fiel eine unerklärlich hohe Expression von Immunglobulinketten in der mhMSC-Kultur (Passage 0) auf, die letztlich auf eine Kontamination der Zellkultur mit Plasmazellen schließen ließ.
Da die Ergebnisse des Microarrays (Passage 0 Kultur) somit zu hinterfragen waren, wurde die Kontamination der Plasmazellen durch Passagieren der mhMSC-Zellkultur (Passage 1) beseitigt und erneut ein Microarray mit SAM durchgeführt. Dabei relativierten sich fast alle Expressionsunterschiede, die somit auf die Kontamination der Plasmazellen zurückgeführt werden mussten.
Einzig drei Gene (CD24, TRIB2, AHNAK) wurden in diesem zweiten Array differentiell exprimiert, was sich bei CD24 und TRIB2 auch durch RT-PCR untermauern ließ.
Es lässt sich also schlussfolgern, dass bhMSCs wahrscheinlich in der Zukunft des Tissue Engineering keinen Stellenwert haben werden, zumal ihre Gewinnung im Vergleich zu mhMSC deutlich aufwendiger ist.
Background and Purpose
In animal models, von Willebrand factor (VWF) is involved in thrombus formation and propagation of ischemic stroke. However, the pathophysiological relevance of this molecule in humans, and its potential use as a biomarker for the risk and severity of ischemic stroke remains unclear. This study had two aims: to identify predictors of altered VWF levels and to examine whether VWF levels differ between acute cerebrovascular events and chronic cerebrovascular disease (CCD).
Methods
A case–control study was undertaken between 2010 and 2013 at our University clinic. In total, 116 patients with acute ischemic stroke (AIS) or transitory ischemic attack (TIA), 117 patients with CCD, and 104 healthy volunteers (HV) were included. Blood was taken at days 0, 1, and 3 in patients with AIS or TIA, and once in CCD patients and HV. VWF serum levels were measured and correlated with demographic and clinical parameters by multivariate linear regression and ANOVA.
Results
Patients with CCD (158±46%) had significantly higher VWF levels than HV (113±36%, P<0.001), but lower levels than AIS/TIA patients (200±95%, P<0.001). Age, sex, and stroke severity influenced VWF levels (P<0.05).
Conclusions
VWF levels differed across disease subtypes and patient characteristics. Our study confirms increased VWF levels as a risk factor for cerebrovascular disease and, moreover, suggests that it may represent a potential biomarker for stroke severity, warranting further investigation.
von Willebrand factor/ristocetin (vWF/R) induces GPIb-dependent platelet agglutination and activation of αIIbβ3 integrin, which also binds vWF. These conditions make it difficult to investigate GPIb-specific signaling pathways in washed platelets. Here, we investigated the specific mechanisms of GPIb signaling using echicetin-coated polystyrene beads, which specifically activate GPIb. We compared platelet activation induced by echicetin beads to vWF/R. Human platelets were stimulated with polystyrene beads coated with increasing amounts of echicetin and platelet activation by echicetin beads was then investigated to reveal GPIb specific signaling. Echicetin beads induced αIIbβ3-dependent aggregation of washed platelets, while under the same conditions vWF/R treatment led only to αIIbβ3-independent platelet agglutination. The average distance between the echicetin molecules on the polystyrene beads must be less than 7 nm for full platelet activation, while the total amount of echicetin used for activation is not critical. Echicetin beads induced strong phosphorylation of several proteins including p38, ERK and PKB. Synergistic signaling via P2Y12 and thromboxane receptor through secreted ADP and TxA2, respectively, were important for echicetin bead triggered platelet activation. Activation of PKG by the NO/sGC/cGMP pathway inhibited echicetin bead-induced platelet aggregation. Echicetin-coated beads are powerful and reliable tools to study signaling in human platelets activated solely via GPIb and GPIb-triggered pathways.
Stabilization of the blood-brain barrier during and after stroke can lead to less adverse outcome. For elucidation of underlying mechanisms and development of novel therapeutic strategies validated in vitro disease models of the blood-brain barrier could be very helpful. To mimic in vitro stroke conditions we have established a blood-brain barrier in vitro model based on mouse cell line cerebEND and applied oxygen/glucose deprivation (OGD). The role of astrocytes in this disease model was investigated by using cell line C6. Transwell studies pointed out that addition of astrocytes during OGD increased the barrier damage significantly in comparison to the endothelial monoculture shown by changes of transendothelial electrical resistance as well as fluorescein permeability data. Analysis on mRNA and protein levels by qPCR, western blotting and immunofluorescence microscopy of tight junction molecules claudin-3,-5,-12, occludin and ZO-1 revealed that their regulation and localisation is associated with the functional barrier breakdown. Furthermore, soluble factors of astrocytes, OGD and their combination were able to induce changes of functionality and expression of ABC-transporters Abcb1a (P-gp), Abcg2 (bcrp), and Abcc4 (mrp4). Moreover, the expression of proteases (matrixmetalloproteinases MMP-2, MMP-3, MMP-9, and t-PA) as well as of their endogenous inhibitors (TIMP-1, TIMP-3, PAI-1) was altered by astrocyte factors and OGD which resulted in significant changes of total MMP and t-PA activity. Morphological rearrangements induced by OGD and treatment with astrocyte factors were confirmed at a nanometer scale using atomic force microscopy. In conclusion, astrocytes play a major role in blood-brain barrier breakdown during OGD in vitro.
The aim of this work was to conduct a comprehensive study about the transport properties of NSAIDs across the blood-brain barrier (BBB) in vitro. Transport studies with celecoxib, diclofenac, ibuprofen, meloxicam, piroxicam and tenoxicam were accomplished across Transwell models based on cell line PBMEC/C1-2, ECV304 or primary rat brain endothelial cells. Single as well as group substance studies were carried out. In group studies substance group compositions, transport medium and serum content were varied, transport inhibitors verapamil and probenecid were added. Resulted permeability coefficients were compared and normalized to internal standards diazepam and carboxyfluorescein. Transport rankings of NSAIDs across each model were obtained. Single substance studies showed similar rankings as corresponding group studies across PBMEC/C1-2 or ECV304 cell layers. Serum content, glioma conditioned medium and inhibitors probenecid and verapamil influenced resulted permeability significantly. Basic differences of transport properties of the investigated NSAIDs were similar comparing all three in vitro BBB models. Different substance combinations in the group studies and addition of probenecid and verapamil suggested that transporter proteins are involved in the transport of every tested NSAID. Results especially underlined the importance of same experimental conditions (transport medium, serum content, species origin, cell line) for proper data comparison.
Aktive Zonen (AZs) sind hoch spezialisierte, subzelluläre Kompartimente von Neuronen, die der synaptischen Übertragung dienen. Sie enthalten Gerüstproteine wie RIM (Rab3 interacting molecule) sowie elektronendichte Projektionen bestehend aus Bruchpilot bei Drosophila melanogaster oder Bassoon im Säuger, welche Schlüsselkomponenten des Vesikelverkehrs darstellen. Bei der Fliege sind Anzahl und Verteilung von Bruchpilot-Molekülen in AZs relevant für die funktionelle Differenzierung. Ihre Anordnung wird im Abstand von weniger als einem Mikrometer innerhalb einer präsynaptischen Endigung reguliert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden elektrophysiologische Ableitungen und konfokale sowie höchstauflösende, immunhistochemische Bildgebung mit dem dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Verfahren an larvalen, neuromuskulären Synapsen von Drosophila durchgeführt. Dabei wurde das genetische Potenzial des Modellorganismus genutzt, um relevante Proteinfunktionen und -interaktionen zu analysieren.
RIM als zentrale Komponente Aktiver Zonen ist relevant für synaptische Plastizität. Eine als CORD7 (cone-rod dystrophy type 7) bezeichnete Punktmutation (Arginin zu Histidin) innerhalb der 310 Helix der C2A-Domäne von RIM wurde mit erhöhten kognitiven Fähigkeiten einer Patientengruppe in Verbindung gebracht. Weil die Drosophila C2A-Domäne eine hohe Homologie zur Säugerdomäne aufweist, konnte der Einfluss dieser Mutation auf Struktur und Funktion von Synapsen untersucht werden. Es zeigte sich, dass der Aminosäureaustausch der CORD7-Position und des benachbarten Arginin-Restes die synaptische Organisation und Transmission beeinflussen.
In einer Reihe weiterer Experimente wurde das Zusammenspiel von Bruchpilot und Synaptotagmin, dem Calciumsensor der evozierten Transmitterfreisetzung, analysiert. Während AZs ohne Bruchpilot auch ohne Synaptotagmin funktionieren, führt dessen Reduktion zu einer Umverteilung von Bruchpilot-Molekülen innerhalb von AZs und zu dramatischen Änderungen in ihrer Anzahl. Abschließend wurde so ein Beitrag zum Verständnis der molekularen Organisation synaptischer Informationsverarbeitung und Plastizität geleistet, wobei zu klären bleibt, wie die zuverlässige Speicherung von Informationen an AZs erreicht werden kann.
RNA polymerase II dependent transcription and nucleotide excision repair are mediated by a multifaceted interplay of subunits within the general transcription factor II H (TFIIH). A better understanding of the molecular structure of TFIIH is the key to unravel the mechanism of action of this versatile protein complex within these vital cellular processes. The importance of this complex becomes further evident in the context of severe diseases like xeroderma pigmentosum, Cockayne's syndrome and trichothiodystrophy, that arise from single point mutations in TFIIH subunits. Here we describe the structure of the p34 subunit of the TFIIH complex from the eukaryotic thermophilic fungus Chaetomium thermophilum. The structure revealed that p34 contains a von Willebrand Factor A (vWA) like domain, a fold which is generally known to be involved in protein-protein interactions. Within TFIIH p34 strongly interacts with p44, a positive regulator of the helicase XPD. Putative protein-protein interfaces are analyzed and possible binding sites for the p34-p44 interaction suggested.
The blood–brain barrier choline transporter (BBB-ChT) may have utility as a drug delivery vector to the central nervous system (CNS). We therefore initiated molecular docking studies with the AutoDock and AutoDock Vina (ADVina) algorithms to develop predictive models for compound screening and to identify structural features important for binding to this transporter. The binding energy predictions were highly correlated with r2=0.88, F=692.4, standard error of estimate =0.775, and P-value<0.0001 for selected BBB-ChT-active/inactive compounds (n=93). Both programs were able to cluster active (Gibbs free energy of binding <−6.0 kcal*mol-1) and inactive (Gibbs free energy of binding >−6.0 kcal*mol-1) molecules and dock them significantly better than at random with an area under the curve value of 0.86 and 0.84, respectively. In ranking smaller molecules with few torsional bonds, a size-related bias in scoring producing false-negative outcomes was detected. Finally, important blood–brain barrier parameters, such as the logBBpassive and logBBactive values, were assessed to predict compound transport to the CNS accurately. Knowledge gained from this study is useful to better understand the binding requirements in BBB-ChT, and until such time as its crystal structure becomes available, it may have significant utility in developing a highly predictive model for the rational design of drug-like compounds targeted to the brain.