Institut für Ernährungswissenschaft
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Die Expansion des renalen Tubulointerstitiums aufgrund einer Akkumulation zellulärer Bestandteile und extrazellulärer Matrix ist eine charakteristische Eigenschaft der chronischen Nierenerkrankung (CKD) und führt zu einer Progression der Erkrankung in Richtung eines terminalen Nierenversagens. Die Fibroblasten Proliferation und ihre Transformation hin zum sekretorischen Myofibroblasten-Phänotyp stellen hierbei Schlüsselereignisse dar. Signalprozesse, die zur Induktion der Myofibroblasten führen, werden aktiv beforscht um anti-fibrotische Therapieansätze zu identifizieren. Das anti-inflammatorische Protein Annexin A1 und sein Rezeptor Formyl-Peptid Rezeptor 2 (FPR2) wurden in verschiedenen Organsystemen mit der Regulation von Fibroblastenaktivität in Verbindung gebracht, jedoch wurden ihre Expression und Funktion bei renalen fibrotischen Erkrankungen bisher nicht untersucht. Ziel der aktuellen Studie war daher die Untersuchung der renalen Annexin A1- und FPR2-Expression in einem Tiermodell des chronischen Nierenversagens, sowie die Charakterisierung der funktionellen Rolle von Annexin A1 in der Regulation des Fibroblasten Phänotyps und ihrer Syntheseleistung. Dazu wurden neugeborene Sprague-Dawley Ratten in den ersten zwei Wochen ihres Lebens entweder mit Vehikel oder mit einem Angiotensin II Typ I Rezeptor Antagonisten behandelt und ohne weitere Intervention bis zu einem Alter von 11 Monaten (CKD Ratten) gehalten. Die Regulation und Lokalisation von Annexin A1 und FPR2 wurden mit Hilfe von Real-Time PCR und Immunhistochemie erfasst. Annexin A1- und FPR2-exprimierende Zellen wurden weiter durch Doppelimmunfluoreszenzfärbungen charakterisiert. Gefärbt wurde mit Antikörpern gegen endotheliale Zellen (rat endothelial cell antigen), Makrophagen (CD 68), Fibroblasten (CD73) und Myofibroblasten (alpha-smooth muscle actin (α-sma)). Zellkulturstudien wurden an immortalisierten renalen kortikalen Fibroblasten aus Wildtyp- und Annexin A1-defizienten Mäusen, sowie an etablierten humanen und murinen renalen Fibrolasten durchgeführt. Eine Überexpression von Annexin A1 wurde durch eine stabile Transfektion erreicht. Die Expression von Annexin A1, α-sma und Kollagen 1α1 wurde durch Real-Time PCR, Western Blot und Immuhistochemie erfasst. Die Sekretion des Annexin A1 Proteins wurde nach TCA-Fällung des Zellkulturüberstandes im Western Blot untersucht. Wie zu erwarten zeigten die CKD Ratten eine geringere Anzahl an Nephronen mit deutlicher glomerulären Hypertrophie. Der tubulointerstitielle Raum war durch fibrilläres Kollagen, aktivierte Fibroblasten und inflammatorische Zellen expandiert. Parallel dazu war die mRNA Expression von Annexin A1 und Transforming growth factor beta (TGF-β) signifikant erhöht. Die Annexin A1-Lokalisation mittels Doppelimmunfluorsezenz identifizierte eine große Anzahl von CD73-positiven kortikalen Fibroblasten und eine Subpopulation von Makrophagen als Annexin A1-positiv. Die Annexin A1-Menge in Myofibroblasten und renalen Endothelien war gering. FPR2 konnte in der Mehrzahl der renalen Fibroblasten, in Myofibroblasten, in einer Subpopulation von Makrophagen und in renalen Epithelzellen nachgewiesen werden. Eine Behandlung der murinen Fibroblasten mit dem pro-fibrotischen Zytokin TGF-β führte zu einem parallelen Anstieg der α-sma-, Kollagen 1α1- und Annexin A1-Biosynthese und zu einer gesteigerten Sekretion von Annexin A1. Eine Überexpression von Annexin A1 in murinen Fibroblasten reduzierte das Ausmaß der TGF-β induzierten α-sma- und Kollagen 1α1-Biosynthese. Fibroblasten aus Annexin A1-defizienten Mäusen zeigten einen starken Myofibroblasten-Phänotyp mit einer gesteigerten Expression an α-sma und Kollagen 1α1. Der Einsatz eines Peptidantagonisten des FPR2 (WRW4) resultierte in einer Stimulation der α-sma-Biosynthese, was die Vermutung nahe legte, dass Annexin A1 FPR2-vermittelt anti-fibrotische Effekte hat. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass renale kortikale Fibroblasten eine Hauptquelle des Annexin A1 im renalen Interstitium und einen Ansatzpunkt für Annexin A1-Signalwege in der Niere darstellen. Das Annexin A1/FPR2-System könnte daher eine wichtige Rolle in der Kontrolle des Fibroblasten Phänotyp und der Fibroblasten Aktivität spielen und daher einen neuen Ansatz für die anti-fibrotischen pharmakologischen Strategien in der Behandlung des CKD darstellen.
Der Embryonale Stammzelltest (EST) ist ein validierter In-vitro-Embryotoxizitätstest, der zur Untersuchung embryotoxischer Wirkungen von Chemikalien eingesetzt werden kann. Während des zehntägigen Differenzierungsassays differenzieren sich die pluripotenten murinen embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) der Linie D3 in vitro in spontan kontrahierende Herzmuskelzellen. Dabei rekapitulieren sie Prozesse der frühen Embryogenese in vivo. Ein Zytotoxizitätsassay mit D3-Zellen und ausdifferenzierten, adulten 3T3-Maus-Fibroblasten dient der Ermittlung allgemeiner zytotoxischer Effekte und unterschiedlicher Sensitivitäten beider Zelllinien. Somit basiert der EST auf den beiden wichtigsten Mechanismen pränataler Toxizität, der Störung der Differenzierung und der Zytotoxizität. Ziel dieser Arbeit war es, mit Hilfe des EST das embryotoxische Potential der vier Chemikalien Trichostatin A (TSA), Methylazoxymethanolacetat (MAMac), Natriumdodecylsulfat (SDS) und Benzoesäure (BA) abzuschätzen. Dazu wurde mikroskopisch ermittelt, bei welcher Testsubstanzkonzentration in 50 % der während der In-vitro-Differenzierung gebildeten Embryonalkörperchen die Kardiomyozytendifferenzierung inhibiert wird (ID50). Außerdem wurde die halbmaximale Hemmkonzentration des Zellwachstums auf die beiden Zelllinien bestimmt (IC50D3 bzw. IC503T3). Als Erweiterung dieses konventionellen EST wurden mittels quantitativer Real Time-PCR an den Tagen 5, 7 und 10 der Differenzierung zusätzlich Genexpressionsanalysen etablierter herzmuskelspezifischer Markergene (Mesoderm Posterior 1, Tag 5; Myosin light chain 1, Tag 7 und 10) durchgeführt. Deren Expression korreliert in den ES-Zellen mit der embryonalen Herzdifferenzierung in vivo und kann zur Ermittlung der von der Prüfsubstanz hervorgerufenen halbmaximalen Hemmung der Genexpression in den Kardiomyozyten (IC50 Exp) herangezogen werden. Um letztlich embryotoxische Effekte in vivo auf Grundlage der ermittelten In-vitro-Daten abschätzen zu können, wurden die ermittelten Parameter mittels eines für den EST empirisch abgeleiteten mathematischen Prädiktionsmodells (PM) zur Klassifizierung der Testsubstanzen als nicht, schwach oder stark embryotoxisch herangezogen. Für jede der Substanzen waren die ermittelten Halbhemmkonzentrationen in den überwiegenden Fällen vergleichbar und führten unter Verwendung des PMs im konventionellen und im molekularen EST zu deren identischer Klassifizierung. TSA wurde als „stark embryotoxisch“ klassifiziert und beeinflusste insbesondere das Differenzierungspotential der ES-Zellen. Das als „schwach embryotoxisch“ klassifizierte SDS wirkte auf die D3-Zellen stärker differenzierungsinhibierend als zytotoxisch, hemmte jedoch das Wachstum der 3T3-Zellen bereits in deutlich niedrigeren Konzentrationen. MAMac und BA wurden als „nicht embryotoxisch“ klassifiziert. Bei ihnen stand die zytotoxische Wirkung deutlich im Vordergrund. Diese Prädiktionen stimmten mit In-vivo-Befunden überein, was von der Stabilität und der Brauchbarkeit der im konventionellen und molekularen EST ermittelten Parameter zeugte. Einzige Ausnahme war das als Entwicklungsneurotoxin in vivo bekannte MAMac. Da der EST auf mesodermaler Differenzierung basiert, können spezifische Effekte auf neuronale Entwicklungsprozesse offenbar nicht vollständig erfasst werden. Substanzkonzentrationen, die sich als differenzierungsinhibierend auf die morphologische Kardiomyozytendifferenzierung erwiesen haben, führten auch zu einer messbaren Repression der herzmuskelspezifischen Genexpression. Dabei erwies sich die IC50 Exp als ebenso sensitiv wie die konventionellen Parameter und als nutzbringende Ergänzung zu diesen, da sie bereits nach 5 bzw. 7 Tagen der In-vitro-Differenzierung eine mit dem mikroskopischen Parameter übereinstimmende Einschätzung des embryotoxischen Potentials der Chemikalien in vivo ermöglichte. Genexpressionsanalysen weiterer differenzierungsspezifischer Gene können zusätzlich zur Aufklärung zu Grunde liegender Mechanismen der Embryotoxizität von Testsubstanzen dienen. Somit kann der EST durch die Vorteile der Stammzelltechnologie und der Genexpressionsanalyse als neues prädiktives Screening-Instrument zur frühzeitigen Detektion embryotoxischer Substanzeffekte in der pharmazeutischen und chemischen Industrie genutzt werden.
Background: Increased numbers of intestinal E. coli are observed in inflammatory bowel disease, but the reasons for this proliferation and it exact role in intestinal inflammation are unknown. Aim of this PhD-project was to identify E. coli proteins involved in E. coli’s adaptation to the inflammatory conditions in the gut and to investigate whether these factors affect the host. Furthermore, the molecular basis for strain-specific differences between probiotic and harmful E. coli in their response to intestinal inflammation was investigated. Methods: Using mice monoassociated either with the adherent-invasive E. coli (AIEC) strain UNC or the probiotic E. coli Nissle, two different mouse models of intestinal inflammation were analysed: On the one hand, severe inflammation was induced by treating mice with 3.5% dextran sodium sulphate (DSS). On the other hand, a very mild intestinal inflammation was generated by associating interleukin 10-deficient (IL-10-/-) mice with E. coli. Differentially expressed proteins in the E. coli strains collected from caecal contents of these mice were identified by two-dimensional fluorescence difference gel electrophoresis. Results DSS-experiment: All DSS-treated mice revealed signs of a moderate caecal and a severe colonic inflammation. However, mice monoassociated with E. coli Nissle were less affected. In both E. coli strains, acute inflammation led to a downregulation of pathways involved in carbohydrate breakdown and energy generation. Accordingly, DSS-treated mice had lower caecal concentrations of bacterial fermentation products than the control mice. Differentially expressed proteins also included the Fe-S cluster repair protein NfuA, the tryptophanase TnaA, and the uncharacterised protein YggE. NfuA was upregulated nearly 3-fold in both E. coli strains after DSS administration. Reactive oxygen species produced during intestinal inflammation damage Fe-S clusters and thereby lead to an inactivation of Fe-S proteins. In vitro data indicated that the repair of Fe-S proteins by NfuA is a central mechanism in E. coli to survive oxidative stress. Expression of YggE, which has been reported to reduce the intracellular level of reactive oxygen species, was 4- to 8-fold higher in E. coli Nissle than in E. coli UNC under control and inflammatory conditions. In vitro growth experiments confirmed these results, indicating that E. coli Nissle is better equipped to cope with oxidative stress than E. coli UNC. Additionally, E. coli Nissle isolated from DSS-treated and control mice had TnaA levels 4- to 7-fold higher than E. coli UNC. In turn, caecal indole concentrations resulting from cleavage of tryptophan by TnaA were higher in E. coli Nissle- associated control mice than in the respective mice associated with E. coli UNC. Because of its anti-inflammatory effect, indole is hypothesised to be involved in the extension of the remission phase in ulcerative colitis described for E. coli Nissle. Results IL-10-/--experiment: Only IL-10-/- mice monoassociated with E. coli UNC for 8 weeks exhibited signs of a very mild caecal inflammation. In agreement with this weak inflammation, the variations in the bacterial proteome were small. Similar to the DSS-experiment, proteins downregulated by inflammation belong mainly to the central energy metabolism. In contrast to the DSS-experiment, no upregulation of chaperone proteins and NfuA were observed, indicating that these are strategies to overcome adverse effects of strong intestinal inflammation. The inhibitor of vertebrate C-type lysozyme, Ivy, was 2- to 3-fold upregulated on mRNA and protein level in E. coli Nissle in comparison to E. coli UNC isolated from IL-10-/- mice. By overexpressing ivy, it was demonstrated in vitro that Ivy contributes to a higher lysozyme resistance observed for E. coli Nissle, supporting the role of Ivy as a potential fitness factor in this E. coli strain. Conclusions: The results of this PhD-study demonstrate that intestinal bacteria sense even minimal changes in the health status of the host. While some bacterial adaptations to the inflammatory conditions are equal in response to strong and mild intestinal inflammation, other reactions are unique to a specific disease state. In addition, probiotic and colitogenic E. coli differ in their response to the intestinal inflammation and thereby may influence the host in different ways.
Content: Architecture of the liver acinus Functional zonation of the liver acinus Topological organization of metabollc regulation in the acinus Topological organization of defense and organ structure regulation in the acinus
Human anaphylatoxin C3a had previously been shown to increase glycogenolysis in perfused rat liver and prostanoid formation in rat liver macrophages. Surprisingly, human C5a, which in other systems elicited stronger responses than C3a, did not increase glycogenolysis in perfused rat liver. Species incompatibilities within the experimental system had been supposed to be the reason. The current study supports this hypothesis: (1) In rat liver macrophages that had been maintained in primary culture for 72 h recombinant rat anaphylatoxin C5a in concentrations between 0.1 and 10 pg/ml increased the formation of thromboxane A₂, prostaglandin D₂, E₂ and F₂α6- to 12-fold over basal within 10 min. In contrast, human anaphylatoxin C5a did not increase prostanoid formation in rat Kupffer cells. (2) The increase in prostanoid formation by recombinant rat C5a was specific. It was inhibited by a neutralizing monoclonal antibody. (3) In co-cultures of rat hepatocytes and rat Kupffer cells but not in hepatocyte mono-cultures recombinant rat C5a increased glycogen phosphorylase activity 3-fold over basal. This effect was inhibited by incubation of the co-cultures with 500 μM acetylsalicyclic acid. Thus, C5a generated either locally in the liver or systemically e.g. in the course of sepsis, may increase hepatic glycogenolysis by a prostanoid-mediated intercellular communication between Kupffer cells and hepatocytes.
Rat serum, in which the complement sytem had been activated by incubation with zymosan, increased the glucose and lactate output, and reduced and redistributed the flow in isolated perfused rat liver clearly more than the control serum. Heat inactivation of the rat serum prior to zymosan incubation abolished this difference. Metabolic and hemodynamic alterations caused by the activated serum were dose dependent. They were almost completely inhibited by the cyclooxygenase inhibitor indomethacin and by the thromboxane antagonist 4-[2-(4-chlorobenzenesulfonamide)-ethyl]-benzene-acetica cid (BM 13505), but clearly less efficiently by the 5’-lipoxygenase inhibitor nordihydroguaiaretic acid and the leukotriene antagonist N-{3-[3-(4-acetyl-3-hydroxy-2-propyl-phenoxy)-propoxy]-4-chlorine-6-methyl-phenyl}-1H-tetrazole-5-carboxamide sodium salt (CGP 35949 B). Control serum and to a much larger extent complement-activated serum, caused an overflow of thromboxane B₂ and prostaglandin F₂α into the hepatic vein. It is concluded that the activated complement system of rat serum can influence liver metabolism and hemodynamics via release from nonparenchymal liver cells of thromboxane and prostaglandins, the latter of which can in turn act on the parenchymal cells.
In perfused rat livers, infusion of prostaglandin F₂α (PGF₂α) or noradrenaline increased glucose and lactate output and reduced flow. Glucagon increased glucose output and decreased lactate output without influence on flow. Infusion of phorbol 13-myristate 14-acetate (PMA) for 20 min prior to these stimuli strongly inhibited the metabolic and hemodynamic effects of noradrenaline, reduced the metabolic actions of PGF₂α but did not alter the effects of glucagon. In isolated rat hepatocytes PGF₂α, noradrenaline and glucagon activated glycogen phosphorylase but only PGF₂α and noradrenaline increased intracellular inositol 1,4,5-1risphosphalc (InsP₃). The noradrenaline- or PGF₂α-elicited activation of glycogen phosphorylase and increase in InsP₃ were largely reduced after preincubation of the cells for 10 min with PMA, whereas the glucagon-mediated enzyme activation was not affected. In contra\t to PMA, the phorbol ester 4a-phorbol 13,14-didecanoate. which does not activate protein kinase C, did not attenuate the PGF₂α- and noradrenaline-elicited stimulation of glucose output, glycogen phosphorylase and InsP, formation. Stimulation of InsP₃ formation by AlF₄⁻, which activates phospholipase C independently of the receptor, was not attenuated by prior incubation with PMA. Plasma membranes purified from isolated hepatocytes had both a high-capacity, low-affinity and a low-capacity, high-affinity binding site for PGF₂α. The Kd of the high-capacity, low-affinity binding site was close to the concentration of PGF₂α that increased glycogen phosphorylase activity halfmaximally. Binding to the high-capacity, low-affinity binding site was enhanced by guanosine 5'- 0-(3-thio)triphosphate (GTP[S]). This high-capacity, low-affinity site might thus represent the receptor. The Bmax and Kd of the high-capacity site, as well as the enhancement by GTP[S] of PGF₂α binding to this site, remained unaffected by PMA pretreatment. It is concluded that, in hepatocytes, activation of protein kinase C by PMA interrupted the InsP₃-mediated signal pathway from PGF₂α via a PGF₂α receptor and phospholipase C to glycogen phosphorylase at a point distal of the receptor prior to phospholipase C.
Human placenta is surprisingly rich in post-proline dipeptidyl peptidase activity. Among various cell fractions, microsomes have the highest specific activity. A homogeneous enzyme preparation is obtained in a six-step purification procedure. The final preparation appears homogeneous upon dodecyl sulfate electrophoresis, but analytical isoelectric focussing reveals various active bands with isoelectric points in the range of pH 3 - 4. The enzyme is a glycoprotein containing about 30% carbohydrate. Treatment with neuraminidase lowers the isoelectric points but does not reduce the heterogeneity of the band pattern. The subunit molecular weight is 120000 as estimated by dodecyl sulfate electrophoresis, whereas Mr of the native enzyme is > 200000, as can be concluded from gel filtration experiments. The purified dipeptidyl peptidase cleaves various synthetic and natural peptides, including substance P, kentsin, casomorphin and a synthetic renin inhibitor. In general, the specificity of the placenta peptidase is similar to that of post-proline dipeptidyl peptidase from other sources. Phenylalanylprolyl-P-naphthylamide (Km = 0.02 mM, I/ = 92 Ujmg) is the best substrate among various synthetic peptide derivatives. Only peptides with a free N-terminal amino group and proline, hydroxyproline, or alanine in position 2 of the N-terminal sequence are cieaved. However, X-Pro-Pro- . . . structures, e. g. as in bradykinin, are not attacked. 1 mM bis-(6nitrophenyI)phosphate or 1 mM diisopropylfluorophosphate completely inactivate the peptidase within 30 min at 30°C (pH 8). The peptidase is also completely inhibited by 1 mM Zn²⁺ and by other heavy metals.
Prostaglandin (PG)F₂α has previously been shown to increase glucose output from perfused livers and isolated hepatocytes, where it stimulated glycogen phosphorylase via an inositol-trisphosphatedependent signal pathway. In this study, PGF₂α binding sites on hepatocyte plasma membranes, that might represent the putative receptor, were characterized. Binding studies could not be performed with intact hepatocytes, because PGF₂α accumulated within the cells even at 4°C. The intracellular accumulation was an order of magnitude higher than binding to plasma membranes. Purified hepatocyte plasma membranes had a high-affinity/low-capacity and a low-affinity/highcapacity binding'site for PGF₂α. The respective binding constants for the high-affinity site were Kd = 3 nM and Bmax = 6 fmol/mg membrane protein, and for the low-affinity site Kd = 426 nM and Bmax = 245 fmol/mg membrane protein. Specific PGF₂α binding to the low-affinity site, but not to the high-affinity site, could be enhanced most potently by GTP[γS] followed by GDP[ϐS] and GTP, but not by ATP[γS] or GMP. PGF₂α competed most potently with [³H]PGF₂α for specific binding to hepatocyte plasma membranes, followed by PGD₂ and PGE₂. Since the low-affinity PGF₂α-binding site had a Kd in the concentration range in which PG had previously been shown to be half-maximally active, and since this binding site showed a sensitivity to GTP, it is concluded that it might represent the receptor involved in the PGF₂α signal chain in hepatocytes. A biological function of the high-affinity site is currently not known.