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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.
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.
Ein hoher Verzehr von Obst und Gemüse scheint das Risiko der Inzidenz verschiedener Erkrankungen zu reduzieren. Es wird vermutet, dass eine Gruppe sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe, die Flavonoide, hierfür verantwortlich sind. Mögliche Effekte auf die intestinale Barrierefunktion dieser Substanzklasse sind jedoch weitgehend ungeklärt. Parazelluläre Eigenschaften epithelialer Zellen werden hauptsächlich durch die Zell-Zell-Kontakte der Tight Junction (TJ) insbesondere durch die Proteine Occludin und die Claudine definiert. Ziel dieser Arbeit war es, die Effekte des am häufigsten vorkommenden Flavonoids Quercetin auf die Barrierefunktion der Kolonkarzinom-Zelllinie Caco-2 zu untersuchen. Hierbei zeigte sich, dass Quercetin konzentrationsabhängig (50-200 µM) den transepithelialen Widerstand erhöhte. Die Wirkung von 200 µM Quercetin war bereits nach 4 h Inkubation erkennbar und erreichte nach 48 h maximale Werte. Der Wirkverlust, welcher nach 72 h Inkubation eintrat, konnte durch eine tägliche Gabe des Flavonoids verhindert werden. Weiterhin zeigte sich, dass der Quercetin-induzierte Widerstandsanstieg durch mukosale oder serosale Zugabe gleichermaßen auslösbar war. Western Blot-Analysen der TJ-Proteine Occludin, Claudin-1, -3, -4 und -7 ergaben, dass der durch Quercetin-induzierte Widerstandsanstieg insbesondere mit einer Zunahme der Expression des abdichtenden TJ-Proteins Claudin-4 einherging. Quercetin erhöhte ebenfalls die mRNA-Expression von Claudin-4 (quantitative RT-PCR) und bewirkte eine Aktivierung des Claudin-4-Promotors (Luciferase-Reportergen-Analysen). Mittels Immunfluoreszenz-Färbungen und Laserscanning-Mikroskopie konnte ein vermehrter Einbau von Claudin-4 in die TJ nachgewiesen werden. Funktionelle Untersuchungen mittels radioaktiven Fluxmessungen zeigten, dass das Flavonoid die parazelluläre Permeabilität für Natrium und Chlorid reduzierte, aber die Durchlässigkeit von Mannitol als parazellulärer Marker unverändert blieb. Wir konnten hiermit erstmals nachweisen, dass Quercetin die Expression des abdichtenden TJ-Proteins Claudin-4 in den TJ-Komplex verstärkte, wodurch die Ionen-Durchlässigkeit für Natrium und Chlorid vermindert wurde. Das führte zu einer Abdichtung der intestinalen Barriere. Dieser direkte Effekte von Quercetin könnte eine neue Möglichkeit für die Behandlung oder Prävention von Diarrhöe-bedingten intestinalen Barrieredefekten 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.
Prostaglandins, released from Kupffer cells, have been shown to mediate the increase in hepatic glycogenolysis by various stimuli such as zymosan, endotoxin, immune complexes, and anaphylotoxin C3a involving prostaglandin (PG) receptors coupled to phospholipase C via a G(0) protein. PGs also decreased glucagon-stimulated glycogenolysis in hepatocytes by a different signal chain involving PGE(2) receptors coupled to adenylate cyclase via a G(i) protein (EP(3) receptors). The source of the prostaglandins for this latter glucagon-antagonistic action is so far unknown. This study provides evidence that Kupffer cells may be one source: in Kupffer cells, maintained in primary culture for 72 hours, glucagon (0.1 to 10 nmol/ L) increased PGE(2), PGF(2 alpha), and PGD(2) synthesis rapidly and transiently. Maximal prostaglandin concentrations were reached after 5 minutes. Glucagon (1 nmol/L) elevated the cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and inositol triphosphate (InsP(3)) levels in Kupffer cells about fivefold and twofold, respectively. The increase in glyco gen phosphorylase activity elicited by 1 nmol/L glucagon was about twice as large in monocultures of hepatocytes than in cocultures of hepatocytes and Kupffer cells with the same hepatocyte density. Treatment of cocultures with 500 mu mol/L acetylsalicylic acid (ASA) to irreversibly inhibit cyclooxygenase (PGH-synthase) 30 minutes before addition of glucagon abolished this difference. These data support the hypothesis that PGs produced by Kupffer cells in response to glucagon might participate in a feedback loop inhibiting glucagon-stimulated glycogenolysis in hepatocytes.
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.
In cultured rat hepatocytes the key gluconeogenic enzyme phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK) is known to be induced by glucagon via an elevation of cAMP. Prostaglandin E₂ has been shown to antagonize the glucagon-activated cAMP formation, glycogen phosphorylase activity and glucose output in hepatocytes. It was the purpose of the current investigation to study the potential of PGE₂ to inhibit the glucagon-induced expression of PCK on the level of mRNA and enzyme activity. PCK mRNA and enzyme activity were increased by 0.1 nM glucagon to a maximum after 2 h and 4 h, respectively. This increase was completely inhibited if 10 μM PGE2 was added concomitantly with glucagon. This inhibition by PGE₂ of glucagon-induced PCK activity was abolished by pertussis toxin treatment. When added at the maximum of PCK mRNA at 2 h, PGE₂ accelerated the decay of mRNA and reduced enzyme activity. This effect was not reversed by pertussis toxin treatment. Since in liver PGE₂ is derived from Kupffer cells, which play a key role in the local inflammatory response, the present data imply that during inflammation PGE₂ may reduce the hepatic gluconeogenic capacity via a Gᵢ-linked signal chain.
Rat hepatocytes have previously been reported to possess prostaglandin E₂ receptors of the EP₃-type (EP₃-receptors) that inhibit glucagonstimulated glycogenolysis by decreasing cAMP. Here, the isolation of a functional EP₃ϐ receptor cDNA clone from a rat hepatocyte cDNA library is reported. This clone can be translated into a 362-amino-acid protein, that displays over 95% homology to the EP₃ϐ receptor from mouse mastocytoma. The amino- and carboxy-terminal region of the protein are least conserved. Transiently transfected HEK 293 cells expressed a single binding site for PGE₂ with an apparent Kd of 15 nM. PGE₂ > PGF₂α > PGD₂ competed for [³H]PGE₂ binding sites as did the EP₃ receptor agonists M&B 28767 = sulprostone > misoprostol but not the EP₁ receptor antagonist SC 19220. In stably transfected CHO cells M&B 28767 > sulprostone = PGE₂ > misoprostol > PGF₂α inhibited the forskolin-elicited cAMP formation. Thus, the characteristics of the EP₃ϐ receptor of rat hepatocytes closely resemble those of the EP₃ϐ receptor of mouse mastocytoma.
The site of confluence of the artery and the portal vein in the liver still appears to be controversial. Anatomical studies suggested a presinusoidal or an intrasinusoidal confluence in the first, second or even final third of the sinusoids. The objective of this investigation was to study the problem with functional biochemical techniques. Rat livers were perfused through the hepatic artery and simultaneously either in the orthograde direction from the portal vein to the hepatic vein or in the retrograde direction from the hepatic vein to the portal vein. Arterial how was linearly dependent on arterial pressure between 70 cm H2O and 120 cm H2O at a constant portal or hepatovenous pressure of 18 cm H2O. An arterial pressure of 100 cm H2O was required for the maintenance of a homogeneous orthograde perfusion of the whole parenchyma and of a physiologic ratio of arterial to portal how of about 1:3. Glucagon was infused either through the artery or the portal vein and hepatic vein, respectively, to a submaximally effective ''calculated'' sinusoidal concentration after mixing of 0.1 nmol/L. During orthograde perfusions, arterial and portal glucagon caused the same increases in glucose output. Yet during retrograde perfusions, hepatovenous glucagon elicited metabolic alterations equal to those in orthograde perfusions, whereas arterial glucagon effected changes strongly reduced to between 10% and 50%. Arterially infused trypan blue was distributed homogeneously in the parenchyma during orthograde perfusions, whereas it reached clearly smaller areas of parenchyma during retrograde perfusions. Finally, arterially applied acridine orange was taken up by all periportal hepatocytes in the proximal half of the acinus during orthograde perfusions but only by a much smaller portion of periportal cells in the proximal third of the acinus during retrograde perfusions. These findings suggest that in rat liver, the hepatic artery and the portal vein mix before and within the first third of the sinusoids, rather than in the middle or even last third.
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