Molekulare Reaktionsmuster in dendritischen Zellen nach Allergenexposition

Allergische Erkrankungen, wie zum Beispiel die allergische Rhinitis oder das allergische Asthma haben im Verlauf der letzten vier Jahrzehnte stark zugenommen. So leidet heute jeder vierte bis fünfte Mensch an einer Allergie. Ausgelöst wird diese IgE-vermittelte Hypersensibilitätsreaktion des Typs I (Allergie vom Soforttyp) von Allergenen und beruht auf der Aktivierung von Mastzellen durch die Interaktion eines Antigens mit dem an eine Mastzelle über die Fc-Rezeptoren gebundenen IgE-Moleküls. Die degranulierende Mastzelle sezerniert Mediatoren, was zu einem Auftreten von allergischen Symptomen führt. Die Bildung von IgE wird durch das von TH2-Zellen produzierte Zytokin IL-4 induziert. Das von TH1-Zellen produzierte Zytokin IFN- ist in der Lage die Sekretion von IL-4 zu inhibieren, wie auch IL-4 hemmend auf die Produktion von IFN- wirkt. Dieses TH1-/ TH2-Gleichgewicht ist bei allergischen Erkrankungen in Richtung TH2 verschoben. Allergene werden von antigenpräsentierenden Zellen aufgenommen, prozessiert und auf der Zelloberfläche präsentiert. Die potentesten antigenpräsentierenden Zellen sind die dendritischen Zellen, die nach Kontakt mit einem Allergen in die benachbarten Lymphknoten wandern, ausreifen und kostimulatorische Moleküle exprimieren. Sie sind so in der Lage T-Zellen zu aktivieren und entweder in TH1- oder in TH2-Zellen differenzieren zu lassen. Die zytokinabhängige TH1- beziehungsweise TH2-Differenzierung führt zur Aktivierung der Januskinasen. Im aktiven Zustand phosphorylieren sie STAT-Moleküle, die dimerisieren und in den Zellkern translozieren, wo sie unter anderem als Transkriptionsfaktoren für Zytokingene dienen. Unreife humane dendritische Zellen von Allergikern zeigen nach Stimulation mit Proteinallergenen eine schnelle Phosphorylierung des mit der TH2-Entwicklung assoziierten STAT6. Dahingegen sind TH1-Antwort hervorrufende Kontaktallergene nicht in der Lage STAT6 oder andere STAT-Moleküle in dendritischen Zellen zu induzieren. Die Transkriptionsfaktoren T-bet und GATA3 sind ebenfalls von Bedeutung für die TH1-/TH2-Entwicklung, da T-bet ausschließlich in TH1-Zellen, GATA3 nur in TH2-Zellen exprimiert wird. Die Regulation des JAK/STAT-Weg unterliegt den Molekülen der intrazellulär vorkommenden Familie der SOCS-Proteine. SOCS3 ist in TH2-Zellen höher exprimiert als SOCS1, wohingegen SOCS1 in TH1-Zellen eine erhöhte Expression gegenüber SOCS3 aufweist. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Proteinallergenen auf humane dendritische Zellen untersucht. Zunächst konnte eine morphologische Veränderung der unreifen dendritischen Zellen nach Kontakt mit dem Allergenextrakt beobachtet werden. Die beginnende Ausreifung der Zellen konnte mittels Durchflußzytometrie anhand der kostimulatorischen Moleküle CD80 und CD86, insbesondere aber über den Marker für reife dendritische Zellen CD83, nachgewiesen werden. Die zu beobachtende beginnende Ausreifung scheint ein Effekt des bakteriellen Lipopolysaccharids (LPS) zu sein, das in dem Allergenextrakt vorkommt, da sich durch Zugabe des kationischen Antibiotikums Polymyxin B die beginnende Reifung verhindern ließ. Auf RNA-Ebene war es im Rahmen dieser Arbeit möglich, den Einfluss verschiedener Allergene auf unreifen humanen dendritischen Zellen näher zu charakterisieren. So weisen unreife humane dendritische Zellen nach Kontakt mit Proteinallergenextrakt ein TH2-assoziiertes Genexpressionprofil auf, was sich durch eine erhöhte relative Expression der Gene SOCS3 und GATA3 auszeichnet. Im Gegensatz hierzu zeigen unreife humane dendritische Zellen nach Inkubation mit dem Kontaktallergen MCI/MI eine erhöhte relative Expression des Gens T-bet, was mit einer TH1-Antwort assoziiert ist. Nach Zugabe des „TH1-/ TH2-neutralen“ Tetanustoxoids konnten erhöhte relative Expressionen der Gene GATA3, T-bet und SOCS3 gemessen werden. Die Ergebnisse in dem in dieser Arbeit benutzten humanen in vitro System geben Anlass zur Hypothese, dass die Art der Immunantwort (TH1 versus TH2) sich bereits auf Ebene der dendritischen Zellen anbahnt. GeneChip-Analysen mittels High Density Micro Arrays von unreifen humanen dendritischen Zellen, die entweder mit Proteinallergenextrakt oder mit LPS in Berührung kamen, zeigten statistisch signifikant regulierte Gene, die allerdings keine Gemeinsamkeiten aufwiesen. Es konnten für die mit Alllergenextrakt gepulsten dendritischen Zellen insgesamt 10 Gene identifiziert werden, jedoch gelang es nicht, diese näher zu deuten oder in einen Zusammenhang mit der allergischen Erkrankung oder der dendritischen Zelle zu bringen. Für die mit LPS, dem stärkeren Stimulus, gepulsten dendritischen Zellen konnten 40 Gene identifiziert werden, die unter anderem für die Maturierung der dendritischen Zelle verantwortlich sind. Zudem war es möglich, die Daten der Arrays auf Proteinebene exemplarisch anhand des Chemokins CXCL2 (Gro-β) zu verifizieren.

Charakterisierung von plasmafunktionalisierten Oberflächen mittels ToF-SIMS und multivariaten Analysemethoden

Die grundlegenden Prinzipien und Möglichkeiten der Oberflächencharakterisierung mittels ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionen Massenspektrometrie) werden an ausgewählten Beispielen aus einem aktuell laufenden und vom BMBF geförderten Verbundforschungsprojekt (Fkz: 03N8022A) zum Thema Nanofunktionalisierung von Grenzflächen vorgestellt. Ein Schwerpunkt innerhalb des Projekts stellen die nichtgeschlossenen Schichtsysteme dar, die entweder über Domänenstrukturen oder einer definierten Einzelfunktionalisierung neuartige funktionelle Oberflächen bereitstellen. Mithilfe der sehr oberflächensensitiven ToF-SIMS Methode sowie der Möglichkeit einer graphischen Darstellung lateraler Molekülionenverteilungen auf funktionalisierten Oberflächen können Informationen über Struktur und Belegungsdichte der Funktionsschicht gewonnen werden. Die Kombination des ToF-SIMS Experimentes und eines multivariaten Algorithmus (partial least squares, PLS) liefert eine interessante Möglichkeit zur quantitativen und simultanen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften (Element- und molekulare Konzentrationen sowie Kontaktwinkelwerte). Da das ToF-SIMS Spektrum einer plasmafunktionalisierten Oberfläche im Allgemeinen eine Vielzahl unterschiedlicher Fragmentsignale enthält, lässt eine einfache eindimensionale Korrelation (z.B. CF3 - Fragmentintensität ßà CF3-Konzentration) den größten Teil der im Spektrum prinzipiell enthaltenen Information unberücksichtigt. Aufgrund der großen Anzahl von atomaren und molekularen Signalen, die repräsentativ für die chemische Struktur der analysierten Oberflächen sind, ist es sinnvoll, diese Fülle von Informationen zur Quantifizierung der Oberflächeneigenschaften (Elementkonzentrationen, Kontaktwinkel etc.) zu verwenden. Zusätzlich ermöglicht diese Methode eine quantitative Bestimmung der Oberflächeneigenschaften auf nur µm-großen Bereichen. Das ist vorteilhaft für Untersuchungen chemisch strukturierter Oberflächen, da die Größe der Strukturierung für viele Anwendungen in einem Bereich von mehreren µm liegt. Anhand eines Beispieles aus dem biologisch-medizinischen Fachgebiet, soll der erfolgreiche Einsatz multivariater Modelle aufgezeigt werden. In diesem Experiment wurden menschlichen Bindegewebs- (Fibroblasten) und Pankreaszellen auf plasmafunktionalisiserten Oberflächen kultiviert, um die Beeinflussung der Funktionalisierung auf das Zellwachstum zu untersuchen. Die plasmabehandelten Oberflächen wurden durch die Verwendung von TEM-Gittern mit µm-großen Öffnungen chemisch strukturiert und das Wachstumsverhalten der Zellen beobachtet. Jedem dieser µm-großen Bereiche können mithilfe der multivariaten Modelle quantitative Größen zugeordnet werden (Konzentrationen und Kontaktwinkelwerte), die zur Interpretation des Wachstumsverhaltens der Zellen beitragen.

Surface-plasmon optical and electrochemical characterization of biofunctional surface architectures

The development and characterization of biomolecule sensor formats based on the optical technique Surface Plasmon Resonance (SPR) Spectroscopy and electrochemical methods were investigated. The study can be divided into two parts of different scope. In the first part new novel detection schemes for labeled targets were developed on the basis of the investigations in Surface-plamon Field Enhanced Spectroscopy (SPFS). The first one is SPR fluorescence imaging formats, Surface-plamon Field Enhanced Fluorescence Microscopy (SPFM). Patterned self assembled monolayers (SAMs) were prepared and used to direct the spatial distribution of biomolecules immobilized on surfaces. Here the patterned monolayers would serve as molecular templates to secure different biomolecules to known locations on a surface. The binding processed of labeled target biomolecules from solution to sensor surface were visually and kinetically recorded by the fluorescence microscope, in which fluorescence was excited by the evanescent field of propagating plasmon surface polaritons. The second format which also originates from SPFS technique, Surface-plamon Field Enhanced Fluorescence Spectrometry (SPFSm), concerns the coupling of a fluorometry to normal SPR setup. A spectrograph mounted in place of photomultiplier or microscope can provide the information of fluorescence spectrum as well as fluorescence intensity. This study also firstly demonstrated the analytical combination of surface plasmon enhanced fluorescence detection with analyte tagged by semiconducting nano- crystals (QDs). Electrochemically addressable fabrication of DNA biosensor arrays in aqueous environment was also developed. An electrochemical method was introduced for the directed in-situ assembly of various specific oligonucleotide catcher probes onto different sensing elements of a multi-electrode array in the aqueous environment of a flow cell. Surface plasmon microscopy (SPM) is utilized for the on-line recording of the various functionalization steps. Hybridization reactions between targets from solution to the different surface-bound complementary probes are monitored by surface-plasmon field-enhanced fluorescence microscopy (SPFM) using targets that are either labeled with organic dyes or with semiconducting quantum dots for color-multiplexing. This study provides a new approach for the fabrication of (small) DNA arrays and the recording and quantitative evaluation of parallel hybridization reactions. In the second part of this work, the ideas of combining the SP optical and electrochemical characterization were extended to tethered bilayer lipid membrane (tBLM) format. Tethered bilayer lipid membranes provide a versatile model platform for the study of many membrane related processes. The thiolipids were firstly self-assembled on ultraflat gold substrates. Fusion of the monolayers with small unilamellar vesicles (SUVs) formed the distal layer and the membranes thus obtained have the sealing properties comparable to those of natural membranes. The fusion could be monitored optically by SPR as an increase in reflectivity (thickness) upon formation of the outer leaflet of the bilayer. With EIS, a drop in capacitance and a steady increase in resistance could be observed leading to a tightly sealing membrane with low leakage currents. The assembly of tBLMs and the subsequent incorporation of membrane proteins were investigated with respect to their potential use as a biosensing system. In the case of valinomycin the potassium transport mediated by the ion carrier could be shown by a decrease in resistance upon increasing potassium concentration. Potential mediation of membrane pores could be shown for the ion channel forming peptide alamethicin (Alm). It was shown that at high positive dc bias (cis negative) Alm channels stay at relatively low conductance levels and show higher permeability to potassium than to tetramethylammonium. The addition of inhibitor amiloride can partially block the Alm channels and results in increase of membrane resistance. tBLMs are robust and versatile model membrane architectures that can mimic certain properties of biological membranes. tBLMs with incorporated lipopolysaccharide (LPS) and lipid A mimicking bacteria membranes were used to probe the interactions of antibodies against LPS and to investigate the binding and incorporation of the small antimicrobial peptide V4. The influence of membrane composition and charge on the behavior of V4 was also probed. This study displays the possibility of using tBLM platform to record and valuate the efficiency or potency of numerous synthesized antimicrobial peptides as potential drug candidates.

New biosensor applications of surface plasmon and hydrogel optical waveguide spectroscopy

Rapid and sensitive detection of chemical and biological analytes becomes increasingly important in areas such as medical diagnostics, food control and environmental monitoring. Optical biosensors based on surface plasmon resonance (SPR) and optical waveguide spectroscopy have been extensively pushed forward in these fields. In this study, we combine SPR, surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) and optical waveguide spectroscopy with hydrogel thin film for highly sensitive detection of molecular analytes.rnrnA novel biosensor based on SPFS which was advanced through the excitation of long range surface plasmons (LRSPs) is reported in this study. LRSPs are special surface plasmon waves propagating along thin metal films with orders of magnitude higher electromagnetic field intensity and lower damping than conventional SPs. Therefore, their excitation on the sensor surface provides further increased fluorescence signal. An inhibition immunoassay based on LRSP-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was developed for the detection of aflatoxin M1 (AFM1) in milk. The biosensor allowed for the detection of AFM1 in milk at concentrations as low as 0.6 pg mL-1, which is about two orders of magnitude lower than the maximum AFM1 residue level in milk stipulated by the European Commission legislation.rnrnIn addition, LRSPs probe the medium adjacent to the metallic surface with more extended evanescent field than regular SPs. Therefore, three-dimensional binding matrices with up to micrometer thickness have been proposed for the immobilization of biomolecular recognition elements with large surface density that allows to exploit the whole evanescent field of LRSP. A photocrosslinkable carboxymethyl dextran (PCDM) hydrogel thin film is used as a binding matrix, and it is applied for the detection of free prostate specific antigen (f-PSA) based on the LRSP-FS and sandwich immunoassay. We show that this approach allows for the detection of f-PSA at low femto-molar range, which is approximately four orders of magnitude lower than that for direct detection of f-PSA based on the monitoring of binding-induced refractive index changes.rnrnHowever, a three dimensional hydrogel binding matrix with micrometer thickness can also serve as an optical waveguide. Based on the measurement of binding-induced refractive index changes, a hydrogel optical waveguide spectroscopy (HOWS) is reported for a label-free biosensor. This biosensor is implemented by using a SPR optical setup in which a carboxylated poly(N-isoproprylacrylamide) (PNIPAAm) hydrogel film is attached on a metallic surface and modified by protein catcher molecules. Compared to regular SPR biosensor with thiol self-assembled monolayer (SAM), HOWS provides an order of magnitude improved resolution in the refractive index measurements and enlarged binding capacity owing to its low damping and large swelling ratio, respectively. A model immunoassay experiment revealed that HOWS allowed detection of IgG molecules with a 10 pM limit of detection (LOD) that was five-fold lower than that achieved for SPR with thiol SAM. For the high capacity hydrogel matrix, the affinity binding was mass transport limited.rnrnThe mass transport of target molecules to the sensor surface can play as critical a role as the chemical reaction itself. In order to overcome the diffusion-limited mass transfer, magnetic iron oxide nanoparticles were employed. The magnetic nanoparticles (MNPs) can serve both as labels providing enhancement of the refractive index changes, and “vehicles” for rapidly delivering the analytes from sample solution to an SPR sensor surface with a gradient magnetic field. A model sandwich assay for the detection of β human chorionic gonadotropin (βhCG) has been utilized on a gold sensor surface with metallic diffraction grating structure supporting the excitation of SPs. Various detection formats including a) direct detection, b) sandwich assay, c) MNPs immunoassay without and d) with applied magnetic field were compared. The results show that the highly-sensitive MNPs immunoassay improves the LOD on the detection of βhCG by a factor of 5 orders of magnitude with respect to the direct detection.rn

The role of NPxY domains in LRP1 receptor maturation and function

Analyses of low density lipoprotein receptor-related protein 1 (LRP1) mutant mouse embryonic fibroblasts (MEFs) generated from LRP1 knock-in mice revealed that inefficient maturation and premature proteasomal degradation of immature LRP1 is causing early embryonic lethality in NPxY1 and NPxY1+2 mutant mice. In MEFs, NPxY2 mutant LRP1 showed efficient maturation but, as expected, decreased endocytosis. The single proximal NPxY1 and the double mutant NPxY1+2 were unable to reach the cell surface as an endocytic receptor due to premature degradation. In conclusion, the proximal NPxY1 motif is essential for early sorting steps in the biosynthesis of mature LRP1.rnThe viable NPxY2 mouse was used to provide genetic evidence for LRP1-mediated amyloid-β (Aβ) transport across the blood-brain barrier (BBB). Here, we show that primary mouse brain capillary endothelial cells (pMBCECs) express functionally active LRP1. Moreover, demonstrate that LRP1 mediates [125I]-Aβ1-40 transcytosis across pMBCECs in both directions, whereas no role for LRP1-mediated Aβ degradation was detected. Aβ transport across pMBCECs generated from NPxY2 knock-in mice revealed a reduced Aβ clearance in both directions compared to WT derived pMBCECs. Finally, we conclude that LRP1 is a bona-fide receptor involved in bidirectional transcytosis of Aβ across the BBB.rn

Die Rolle von LRP1 in der Funktion des NMDA-Rezeptors

Ein funktionelles Zusammenspiel von LRP1, einem Mitglied der LDL-Rezeptorfamilie, mit dem NMDA-Rezeptor, einem Glutamat Rezeptor, wurde durch die Interaktion beider Proteine sowie eine tPa-vermittelte, LRP1-abhängige Signalübertragung durch den NMDA-Rezeptor belegt. Darüber hinaus zeigen Mäuse mit einem konditionellen neuronalen knock-out des Lrp1 Gens Verhaltensänderungen, die mit einer beeinträchtigten Signalübertragung durch NMDA-Rezeptoren assoziiert werden könnten. Die genaue Rolle von LRP1 in der NMDA-Rezeptor-Funktion bleibt allerdings noch unklar. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von LRP1 bei der Expression der NR2B-Untereinheit des NMDA-Rezeptors an der Zelloberfläche primärer kortikaler Neurone untersucht. Zu diesem Zweck wurde die knock-in Mauslinie LRP1ΔNPxY2, die sich durch eine Alanin Substitution im NPxY2 Motiv des LRP1 auszeichnet, eingesetzt. rnEs konnte gezeigt werden, dass diese knock-in Mutation in einer erhöhten Expression von LRP1 und der NMDA-Rezeptoruntereinheiten NR1 und NR2B an der Zelloberfläche primärer kortikaler Neurone resultiert. Der Effekt konnte durch eine reduzierte Endozytoserate von LRP1 und der NR1-und NR2B-Untereinheiten in primären LRP1ΔNPxY2 Neuronen erklärt werden. Darüber hinaus wurde ein verändertes Phosphorylierungsmuster der Internalisierungssignale der NR2B-Rezeptoruntereinheit Serin S1480 und Tyrosin Y1472 an der Zelloberfläche primärer LRP1ΔNPxY2 Neurone detektiert. Die verantwortlichen Kinasen Fyn und Kasein-Kinase II sind allerdings in LRP1ΔNPxY2 Neuronen im Vergleich zu den Wildtyp-Kontrollen nicht abweichend reguliert. In den Co-Immunopräzipitationsexperimenten wurde gezeigt, dass die Bindung von LRP1 mit NR2B durch die Phosphorylierung reguliert wird und dieser Regulationsmechanismus in LRP1ΔNPxY2 Neuronen beeinträchtigt ist. Dies resultiert in einer stärkeren Bindung von NR2B-Rezeptoruntereinheit an LRP1. Aufgrund reduzierter Internalisierungsraten von LRP1 in LRP1ΔNPxY2 Neuronen führt dieser Umstand zu einer Akkumulation beider Rezeptorproteine an der Zelloberfläche. Schließlich wurden die NMDA-Rezeptor-assoziierten Verhaltensänderungen wie die Hyperaktivität und die Defizite im direkten und umgekehrten räumlichen Lernvermögen in den LRP1ΔNPxY2 Tieren nachgewiesen. Zusammengefasst, demonstrieren diese Ergebnisse, dass LRP1 eine kritische Rolle in der Regulierung der NR2B-Expression an der Zelloberfläche spielt.