Tamoxifen Subcellular Localization; Observation of Cell-Specific Cytotoxicity Enhancement by Inhibition of Mitochondrial ETC Complexes I and III

Recently, a nongenomic cytotoxic component of the chemotherapeutic agent tamoxifen (TAM) has been identified that predominantly triggers mitochondrial events. The present study delineates the intracellular fate of TAM and studies its interaction with a spectrum of cell homeostasis modulators primarily relevant to mitochondria. The subcellular localization of TAM was assessed by confocal fluorescence microscopy. The effect of the modulators on TAM cytotoxicity was assessed by standard MTT assays. Our findings show that in estrogen receptor positive MCF7 breast adenocarcinoma cells and DU145 human prostate cancer cells, TAM largely accumulates in the mitochondria and endoplasmic reticulum, but not lysosomes. Our results further demonstrate that in MCF7, but not in DU145 cells, mitochondrial electron transport chain complex I and III inhibitors exacerbate TAM toxicity with an order of potency of myxothiazol = stigmatellin > rotenone > antimycin A, suggesting a cell-specific cytotoxic interplay between mitochondrial complex I and III function and TAM action.

Enzyme activity in the small intestine of goat kids during the period of passive immunity acquisition

Enzyme activity of protein and carbohydrate degradation in small intestinal mucosa was investigated in goat kids fed with lyophilized bovine and goat colostrum. At 0,7 and 14 h of life 15 male newborns received 5% of body weight of lyophilized bovine colostrum and 14 goat colostrum, both with 55 mg/mL of IgG. Duodenum, jejunum and ileum samples were collected at 18,36 and 96 h of life. Three animals were sampled at birth, without colostrum intake. Activity of aminopeptidase N and A, dipeptidil peptidase IV, lactase, maltase and sucrase was determined as one international unit per gram of tissue. Intracellular enzymatic activity of acid phosphatase was observed by histochemistry in tissue section. Only the activity of aminopeptidase A in the ileum was affected by treatment, with a greater value for LBC than for GC (P < 0.05). The aminopeptidase N activity was the highest at 36 h in the duodenum (P < 0.05) and lowest at 96 h in the jejunum (P < 0.05). Dipeptidil peptidase IV activity was highest at 36 h in the duodenum (P < 0.05), lowest at 96 h in the jejunum (P < 0.05) and higher at 36 h than at 96 h in the ileum (P < 0.05). Aminopeptidase A activity in the ileum was highest at 36 h (P < 0.05), followed by 18 and 96 h of life (P < 0.05). Lactase activity in the duodenum increased from 18 to 36 h and from 36 to 96 h in the jejunum (P < 0.05). Maltase activity increased only in the duodenum from 18 to 96 h (P < 0.05). Sucrase activity in the jejunum decreased from 18 to 36 h and from 36 to 96 h in the ileum (P < 0.05). At birth, activity of most enzymes was similar to that at later times (P < 0.05). Histochemistry analyses showed a higher frequency of lysosomes with acid phosphatase activity in the duodenum, especially at 36 h of life. In the jejunum, the presence of lysosomes with acid phosphatase activity was the highest at 96 h, followed by 36 and 18 h of life. In the ileum, all samples showed low presence of lysosomes with acid phosphatase activity. These results indicate that lyophilized bovine colostrum, as a heterologous source of antibodies or nutrients, is a possible alternative management tool for goats. The present work also suggests that in the first 4 days of life, enzyme activity in the intestinal epithelium of goats is still not fully stimulated, which is an important characteristic for these animals that depend on macromolecule absorption to acquire passive protection after birth. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

The Natural Cell-Penetrating Peptide Crotamine Targets Tumor Tissue in Vivo and Triggers a Lethal Calcium-Dependent Pathway in Cultured Cells

Our goal was to demonstrate the in vivo tumor specific accumulation of crotamine, a natural peptide from the venom of the South American rattlesnake Crotalus durissus terrificus, which has been characterized by our group as a cell penetrating peptide with a high specificity for actively proliferating cells and with a concentration-dependent cytotoxic effect. Crotamine cytotoxicity has been shown to be dependent on the disruption of lysosomes and subsequent activation of intracellular proteases. In this work, we show that the cytotoxic effect of crotamine also involves rapid intracellular calcium release and loss of mitochondrial membrane potential as observed in real time by confocal microscopy. The intracellular calcium overload induced by crotamine was almost completely blocked by thapsigargin. Microfluorimetry assays confirmed the importance of internal organelles, such as lysosomes and the endoplasmic reticulum, as contributors for the intracellular calcium increase, as well as the extracellular medium. Finally, we demonstrate here that crotamine injected intraperitoneally can efficiently target remote subcutaneous tumors engrafted in nude mice, as demonstrated by a noninvasive optical imaging procedure that permits in vivo real-time monitoring of crotamine uptake into tumor tissue. Taken together, our data indicate that the cytotoxic peptide crotamine can be used potentially for a dual purpose: to target and detect growing tumor tissues and to selectively trigger tumor cell death.

Phospholipase D2:A Pivotal Player Modulating RBL-2H3 Mast Cell Structure

The current study examined the role of PLD2 in the maintenance of mast cell structure. Phospholipase D (PLD) catalyzes hydrolysis of phosphatidylcholine to produce choline and phosphatidic acid (PA). PLD has two isoforms, PLD1 and PLD2, which vary in expression and localization depending on the cell type. The mast cell line RBL-2H3 was transfected to overexpress catalytically active (PLD2CA) and inactive (PLD2CI) forms of PLD2. The results of this study show that PLD2CI cells have a distinct star-shaped morphology, whereas PLD2CA and RBL-2H3 cells are spindle shaped. In PLD2CI cells, the Golgi complex was also disorganized with dilated cisternae, and more Golgi-associated vesicles were present as compared with the PLD2CA and RBL-2H3 cells. Treatment with exogenous PA led to the restoration of the wild-type Golgi complex phenotype in PLD2CI cells. Conversely, treatment of RBL-2H3 and PLD2CA cells with 1% 1-Butanol led to a disruption of the Golgi complex. The distribution of acidic compartments, including secretory granules and lysosomes, was also modified in PLD2CI cells, where they concentrated in the perinuclear region. These results suggest that the PA produced by PLD2 plays an important role in regulating cell morphology in mast cells. (J Histochem Cytochem 60:386-396, 2012)

Tissue distribution of DNA-Hsp65/TDM-loaded PLGA microspheres and uptake by phagocytic cells

This study aimed to demonstrate that microspheres, used as delivery vehicle of DNA-Hsp65/TDM [plasmid DNA encoding heat shock protein 65 (Hsp65) coencapsulated with trehalose dimycolate (TDM) into PLGA microspheres], are widely spread among several organs after intramuscular administration in BALB/c mice. In general, we showed that these particles were phagocytosed by antigen presenting cells, such as macrophages and dendritic cells. Besides, it was demonstrated herein that draining lymph node cells presented a significant increase in the number of cells expressing costimulatory molecules (CD80 and CD86) and MHC class II, and also that the administration of the DNA-Hsp65/TDM and vector/TDM formulations resulted in the up-regulation of CD80, CD86 and MHC class II expression when compared to control formulations (vector/TDM and empty). Regarding the intracellular trafficking we observed that following phagocytosis, the microspheres were not found in the late endosomes and/or lysosomes, until 15 days after internalization, and we suggest that these constructions were hydrolysed in early compartments. Overall, these data expand our knowledge on PLGA [poly (lactic-co- glycolic acid)] microspheres as gene carriers in vaccination strategies, as well as open perspectives for their potential use in clinical practice.

Marcatura di molecole biologiche a funzione antigenica per lo studio e la caratterizzazione di protocolli di vaccinoterapia in oncologia medica

Dendritic Cells (DCs) derived from human blood monocytes that have been nurtured in GM-CSF and IL-4, followed by maturation in a monocyte-conditioned medium, are the most potent APCs known. These DCs have many features of primary DCs, including the expression of molecules that enhance antigen capture and selective receptors that guide DCs to and from several sites in the body, where they elicit the T cell mediated immune response. For these features, immature DCs (iDC) loaded with tumor antigen and matured (mDC) with a standard cytokine cocktail, are used for therapeutic vaccination in clinical trials of different cancers. However, the efficacy of DCs in the development of immunocompetence is critically influenced by the type (whole lysate, proteins, peptides, mRNA), the amount and the time of exposure of the tumor antigens used for loading in the presentation phase. The aim of the present study was to create instruments to acquire more information about DC antigen uptake and presentation mechanisms to improve the clinical efficacy of DCbased vaccine. In particular, two different tumor antigen were studied: the monoclonal immunoglobulin (IgG or IgA) produced in Myeloma Multiple, and the whole lysate obtained from melanoma tissues. These proteins were conjugated with fluorescent probe (FITC) to evaluate the kinetic of tumor antigen capturing process and its localization into DCs, by cytofluorimetric and fluorescence microscopy analysis, respectively. iDC pulsed with 100μg of IgG-FITC/106 cells were monitored from 2 to 22 hours after loading. By the cytofluorimetric analysis it was observed that the monoclonal antibody was completely captured after 2 hours from pulsing, and was decreased into mDC in 5 hours after maturation stimulus. To monitor the lysate uptake, iDC were pulsed with 80μg of tumor lysate/106 cells, then were monitored in the 2h to 22 hours interval time after loading. Then, to reveal difference between increasing lysate concentration, iDC were loaded with 20-40-80-100-200-400μg of tumor lysate/106 cells and monitored at 2-4-8-13h from pulsing. By the cytofluorimetric analysis, it was observed that, the 20-40-80-100μg uptake, after 8 hours loading was completed reaching a plateau phase. For 200 and 400μg the mean fluorescence of cells increased until 13h from pulsing. The lysate localization into iDC was evaluated with conventional and confocal fluorescence microscopy analysis. In the 2h to 8h time interval from loading an intensive and diffuse fluorescence was observed within the cytoplasmic compartment. Moreover, after 8h, the lysate fluorescence appeared to be organized in a restricted cloudy-shaded area with a typical polarized aspect. In addition, small fluorescent spots clearly appeared with an increment in the number and fluorescence intensity. The nature of these spot-like formations and cloudy area is now being investigated detecting the colocalization of the fluorescence lysate and specific markers for lysosomes, autophagosomes, endoplasmic reticulum and MHCII positive vesicles.

Expression and cellular localization of Copper transporter 2 (Ctr2) in Mus musculus

The Ctr family is an essential part of the copper homeostasis machinery and its members share sequence homology and structural and functional features. Higher eukaryotes express two members of this family Ctr1 and Ctr2. Numerous structural and functional studies are available for Ctr1, the only high affinity Cu(I) transporter thus far identified. Ctr1 holigotrimers mediate cellular copper uptake and this protein was demonstrated to be essential for embryonic development and to play a crucial role in dietary copper acquisition. Instead very little is known about Ctr2, it bears structural homology to the yeast vacuolar copper transporter, which mediates mobilization of vacuolar copper stores. Recent studies using over-expressed epitope-tagged forms of human Ctr2 suggested a function as a low affinity copper transporter that can mediate either copper uptake from the extracellular environment or mobilization of lysosomal copper stores. Using an antibody that recognizes endogenous mouse Ctr2, we studied the expression and localization of endogenous mouse Ctr2 in cell culture and in mouse models to understand its regulation and function in copper homeostasis. By immunoblot we observed a regulation of mCtr2 protein levels in a copper and Ctr1 dependent way. Our observations in cells and transgenic mice suggest that lack of Ctr1 induces a strong downregulation of Ctr2 probably by a post-translational mechanism. By indirect immunofluorescence we observed an exclusive intracellular localization in a perinuclear compartment and no co-localization with lysosomal markers. Immunofluorescence experiments in Ctr1 null cells, supported by sequence analysis, suggest that lysosomes may play a role in mCtr2 biology not as resident compartment, but as a degradation site. In appendix a LC-mass method for analysis of algal biotoxins belonging to the family of PsP (paralytic shellfish poisoning) is described.

Immunevasion des murinen Cytomegalovirus: Regulatoren der MHC-Klasse-I vermittelten Antigenpräsentation

Zu den Immunevasionsmechanismen des murinen Cytomegalovirus, die sich im Laufe der Koevolution von Virus und Wirt entwickelt haben, gehört die Interferenz von drei viralen Regulatoren mit der Antigenpräsentation über MHC-Klasse-I-Moleküle, wodurch die Aktivierung von zytotoxischen CD8 T-Zellen beeinflusst wird: Während m152/gp40 peptidbeladene MHC-Klasse-I-Komplexe im cis-Golgi-Kompartiment akkumuliert, führt m06/gp48 diese Komplexe der lysosomalen Degradation zu. Im Gegensatz dazu vermittelt m04/gp34 deren Transport an die Zelloberfläche, wurde in der Literatur bisher aber trotzdem als Inhibitor der CD8 T-Zellaktivierung beschrieben. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss dieser viralen Proteine auf die Peptidpräsentation bzw. die T-Zellaktivierung zu untersuchen. Dazu wurde ein Set von Viren verwendet, das neben mCMV-WT aus mCMV-Deletionsmutanten besteht, die jedes der regulatorischen Proteine einzeln bzw. in allen möglichen Kombinationen exprimieren, einschließlich einer Mutante, die keines der Proteine besitzt. Entgegen der bisher gültigen Annahme konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass m04/gp34 die Antigenpräsentation nicht inhibiert. Wird es allein exprimiert, bleibt die T-Zellaktivierung unbeeinflusst. Wird es zusammen mit m152/gp40 exprimiert, stellt es die T-Zellaktivierung wieder her, indem es den herunter regulierenden Effekt von m152/gp40 antagonisiert. Dieser positiv regulierende Effekt von m04/gp34 wird wiederum durch m06/gp48 aufgehoben. Es konnte ebenfalls gezeigt werden, wie die verschiedenen Effekte dieser Virusproteine in vivo das Überleben im infizierten Wirt steuern. So wird im adoptiven Transfermodell die Infektion mit der Deletionsmutante, die m152/gp40 alleine exprimiert, schlechter kontrolliert als die Infektion mit der m152/gp40 und m04/gp34 exprimierenden Mutante. Dieser die CD8 T-Zellkontrolle verbessernde Effekt von m04/gp34 wird durch m06/gp48 wieder aufgehoben. Dass ein viraler Erreger nicht nur negative Regulatoren der Antigenpräsentation exprimiert, sondern auch einen positiven Regulator, der den Effekt eines negativen Regulators wieder aufhebt, ist in der Literatur beispiellos. Durch differentielle Expression dieser Regulatoren eröffnet sich damit dem Virus die Möglichkeit, die Antigenpräsentation gezielt zu modulieren.

Endocytic trafficking and oligodendroglial exosome secretion in axon-glia communication and myelination

Oligodendrocytes form specialized plasma membrane extensions which spirally enwrap axons, thereby building up the myelin sheath. During myelination, oligodendrocytes produce large amounts of membrane components. Oligodendrocytes can be seen as a complex polarized cell type with two distinct membrane domains, the plasma membrane surrounding the cell body and the myelin membrane. SNARE proteins mediate the fusion of vesicular cargoes with their target membrane. We propose a model in which the major myelin protein PLP is transported by two different pathways. VAMP3 mediates the non-polarized transport of newly synthesized PLP via recycling endosomes to the plasma membrane, while transport of PLP from late endosomes/lysosomes to myelin is controlled by VAMP7. In the second part of the thesis, the role of exosome secretion in glia to axon signaling was studied. Further studies are required to clarify whether VAMP7 also controls exosome secretion. The thesis further focused on putative metabolic effects in the target neurons. Oligodendroglial exosomes showed no obvious influences on neuronal metabolic activity. Analysis of the phosphorylation levels of the neurofilament heavy subunit revealed a decrease in presence of oligodendrocytes, indicating effects of oligodendroglial exosomes on the neuronal cytoskeleton. Finally, candidates for kinases which are possibly activated upon influence of oligodendroglial exosomes and could influence neuronal survival were identified.

Uptake mechanism, intracellular trafficking and endo-lysosomal pH monitoring of polystyrene nanoparticles

What is the intracellular fate of nanoparticles (NPs) taken up by the cells? This question has been investigated for polystyrene NPs of different sizes with a set of molecular biological and biophysical techniques.rnTwo sets of fluorescent NPs, cationic and non-ionic, were synthesized with three different polymerization techniques. Non-ionic particles (132 – 846 nm) were synthesized with dispersion polymerization in an ethanol/water solution. Cationic NPs with 120 nm were synthesized by miniemulsion polymerization Particles with 208, 267 and 603 nm were produced by seeding the 120 nm particle obtained by miniemulsion polymerization with drop-wise added monomer and polymerization of such. The colloidal characterization of all particles showed a comparable amount of the surface groups. In addition, particles were characterized with regard to their size, morphology, solid content, amount of incorporated fluorescent dye and zeta potential. The fluorescent intensities of all particles were measured by fluorescence spectroscopy for calibration in further cellular experiments. rnThe uptake of the NPs to HeLa cells after 1 – 24 h revealed a much higher uptake of cationic NPs in comparison to non-ionic NPs. If the same amount of NPs with different sizes is introduced to the cell, a different amount of particles is present in the cell medium, which complicates a comparison of the uptake. The same conclusion is valid for the particles’ overall surface area. Therefore, HeLa cells were incubated with the same concentration, amount and surface area of NPs. It was found that with the same concentration always the same polymer amount is taking up by cells. However, the amount of particles taken up decreases for the biggest. A correlation to the surface area could not be found. We conclude that particles are endocytosed by an excavator-shovel like mechanism, which does not distinguish between different sizes, but is only dependent on the volume that is taken up. For the decreased amount of large particles, an overload of this mechanism was assumed, which leads to a decrease in the uptake. rnThe participation of specific endocytotic processes has been determined by the use of pharmacological inhibitors, immunocytological staining and immunofluorescence. The uptake of NPs into the endo-lysosomal machinery is dominated by a caveolin-mediated endocytosis. Other pathways, which include macropinocytosis and a dynamin-dependent mechanism but exclude clathrin mediated endocytosis, also occur as competing processes. All particles can be found to some extent in early endosomes, but only bigger particles were proven to localize in late endosomes. No particles were found in lysosomes; at least not in lysosomes that are labeled with Lamp1 and cathepsin D. However, based on the character of the performed experiment, a localization of particles in lysosomes cannot be excluded.rnDuring their ripening process, vesicles undergo a gradual acidification from early over late endosomes to lysosomes. It is hypothesized that NPs in endo-lysosomal compartments experience the same change in pH value. To probe the environmental pH of NPs after endocytosis, the pH-sensitive dye SNARF-4F was grafted onto amino functionalized polystyrene NPs. The pH value is a ratio function of the two emission wavelengths of the protonated and deprotonated form of the dye and is hence independent of concentration changes. The particles were synthesized by the aforementioned miniemulsion polymerization with the addition of the amino functionalized copolymer AEMH. The immobilization of SNARF-4F was performed by an EDC-coupling reaction. The amount of physically adsorbed dye in comparison to covalently bonded dye was 15% as determined by precipitation of the NPs in methanol, which is a very good solvent for SNARF-4F. To determine influences of cellular proteins on the fluorescence properties, a intracellular calibration fit was established with platereader measurements and cLSM imaging by the cell-penetrable SNARF-4F AM ester. Ionophores equilibrated the extracellular and intracellular pH.rnSNARF-4F NPs were taken up well by HeLa cells and showed no toxic effects. The pH environment of SNARF-4F NPs has been qualitatively imaged as a movie over a time period up to 1 h in pseudo-colors by a self-written automated batch program. Quantification revealed an acidification process until pH value of 4.5 over 24 h, which is much slower than the transport of nutrients to lysosomes. NPs are present in early endosomes after min. 1 h, in late endosomes at approx. 8 h and end up in vesicles with a pH value typical for lysosomes after > 24 h. We therefore assume that NPs bear a unique endocytotic mechanism, at least with regards to the kinetic involvedrn

Analyse der intrazellulären Freisetzung von Wirkstoffmodellen via konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie man das Potential nanopartikulärer Systeme, die vorwiegend via Miniemulsion hergestellt wurden, im Hinblick auf „Drug Delivery“ ausnutzen könnte, indem ein Wirkstoffmodell auf unterschiedliche Art und Weise intrazellulär freigesetzt wurde. Dies wurde hauptsächlich mittels konfokaler Laser-Raster-Mikrokopie (CLSM) in Kombination mit dem Bildbearbeitungsprogramm Volocity® analysiert.rnPBCA-Nanokapseln eigneten sich besonders, um hydrophile Substanzen wie etwa Oligonukleotide zu verkapseln und sie so auf ihrem Transportweg in die Zellen vor einem etwaigen Abbau zu schützen. Es konnte eine Freisetzung der Oligonukleotide in den Zellen aufgrund der elektrostatischen Anziehung des mitochondrialen Membranpotentials nachgewiesen werden. Dabei war die Kombination aus Oligonukleotid und angebundenem Cyanin-Farbstoff (Cy5) an der 5‘-Position der Oligonukleotid-Sequenz ausschlaggebend. Durch quantitative Analysen mittels Volocity® konnte die vollständige Kolokalisation der freigesetzten Oligonukleotide an Mitochondrien bewiesen werden, was anhand der Kolokalisationskoeffizienten „Manders‘ Coefficients“ M1 und M2 diskutiert wurde. Es konnte ebenfalls aufgrund von FRET-Studien doppelt markierter Oligos gezeigt werden, dass die Oligonukleotide weder beim Transport noch bei der Freisetzung abgebaut wurden. Außerdem wurde aufgeklärt, dass nur der Inhalt der Nanokapseln, d. h. die Oligonukleotide, an Mitochondrien akkumulierte, das Kapselmaterial selbst jedoch in anderen intrazellulären Bereichen aufzufinden war. Eine Kombination aus Cyanin-Farbstoffen wie Cy5 mit einer Nukleotidsequenz oder einem Wirkstoff könnte also die Basis für einen gezielten Wirkstofftransport zu Mitochondrien liefern bzw. die Grundlage schaffen, eine Freisetzung aus Kapseln ins Zytoplasma zu gewährleisten.rnDer vielseitige Einsatz der Miniemulsion gestattete es, nicht nur Kapseln sondern auch Nanopartikel herzustellen, in welchen hydrophobe Substanzen im Partikelkern eingeschlossen werden konnten. Diese auf hydrophobe Wechselwirkungen beruhende „Verkapselung“ eines Wirkstoffmodells, in diesem Fall PMI, wurde bei PDLLA- bzw. PS-Nanopartikeln ausgenutzt, welche durch ein HPMA-basiertes Block-Copolymer stabilisiert wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das hydrophobe Wirkstoffmodell PMI innerhalb kürzester Zeit in die Zellen freigesetzt wurde und sich in sogenannte „Lipid Droplets“ einlagerte, ohne dass die Nanopartikel selbst aufgenommen werden mussten. Daneben war ein intrazelluläres Ablösen des stabilisierenden Block-Copolymers zu verzeichnen, welches rn8 h nach Partikelaufnahme erfolgte und ebenfalls durch Analysen mittels Volocity® untermauert wurde. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Partikelaufnahme oder die Freisetzung des Wirkstoffmodells. Ein großer Vorteil in der Verwendung des HPMA-basierten Block-Copolymers liegt darin begründet, dass auf zeitaufwendige Waschschritte wie etwa Dialyse nach der Partikelherstellung verzichtet werden konnte, da P(HPMA) ein biokompatibles Polymer ist. Auf der anderen Seite hat man aufgrund der Syntheseroute dieses Block-Copolymers vielfältige Möglichkeiten, Funktionalitäten wie etwa Fluoreszenzmarker einzubringen. Eine kovalente Anbindung eines Wirkstoffs ist ebenfalls denkbar, welcher intrazellulär z. B. aufgrund von enzymatischen Abbauprozessen langsam freigesetzt werden könnte. Somit bietet sich die Möglichkeit mit Nanopartikeln, die durch HPMA-basierte Block-Copolymere stabilisiert wurden, gleichzeitig zwei unterschiedliche Wirkstoffe in die Zellen zu bringen, wobei der eine schnell und der zweite über einen längeren Zeitraum hinweg (kontrolliert) freigesetzt werden könnte.rnNeben Nanokapseln sowie –partikeln, die durch inverse bzw. direkte Miniemulsion dargestellt wurden, sind auch Nanohydrogelpartikel untersucht worden, die sich aufgrund von Selbstorganisation eines amphiphilen Bock-Copolymers bildeten. Diese Nanohydrogelpartikel dienten der Komplexierung von siRNA und wurden hinsichtlich ihrer Anreicherung in Lysosomen untersucht. Aufgrund der Knockdown-Studien von Lutz Nuhn konnte ein Unterschied in der Knockdown-Effizienz festgestellt werden, je nach dem, ob 100 nm oder 40 nm große Nanohydrogelpartikel verwendet wurden. Es sollte festgestellt werden, ob eine größenbedingte, unterschiedlich schnelle Anreicherung dieser beiden Partikel in Lysosomen erfolgte, was die unterschiedliche Knockdown-Effizienz erklären könnte. CLSM-Studien und quantitative Kolokalisationsstudien gaben einen ersten Hinweis auf diese Größenabhängigkeit. rnBei allen verwendeten nanopartikulären Systemen konnte eine Freisetzung ihres Inhalts gezeigt werden. Somit bieten sie ein großes Potential als Wirkstoffträger für biomedizinische Anwendungen.rn

Drug delivery, entry and intracellular trafficking of polymeric nanoparticles

Polymere Nanopartikel sind kleine Teilchen, die vielseitige Einsatzmöglichkeiten für den Transport von Wirkstoffen bieten. Da Nanomaterialien in diesen biomedizinischen Anwendungen oft mit biologischen Systemen in Berührung kommen, erfordert das eine genaue Untersuchung ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen. In diesem speziellen Forschungsgebiet, welches sich auf die Interaktionen von Nanomaterialien mit biologischen Komponenten konzentriert, wurde bereits eine Vielzahl verschiedener Nanopartikel-Zell-Interaktionen (z. B. Nanotoxizität, Wirkstofftransport-mechanismen) analysiert. Bezüglich der Untersuchungen zu nanopartikulären Wirkstofftransport-mechanismen ist es im Allgemeinen akzeptiert, dass ein erfolgreicher zellulärer Transport hauptsächlich von der Aufnahme des Nanotransporters abhängt. Deshalb analysieren wir in dieser Arbeit (1) den Wirkstofftransportmechanismus für biologisch-abbaubare eisenhaltige Poly-L-Milchsäure Nanopartikel (PLLA-Fe-PMI) sowie (2) die Aufnahmemechanismen und die intrazellulären Transportwege von nicht-abbaubaren superparamagnetischen Polystyrolnanopartikeln (SPIOPSN). rnIn dieser Arbeit identifizieren wir einen bisher unbekannten und nicht-invasiven Wirkstoff-transportmechanismus. Dabei zeigt diese Studie, dass der subzelluläre Transport der nanopartikulärer Fracht nicht unbedingt von einer Aufnahme der Nanotransporter abhängt. Der identifizierte Arzneimitteltransportmechanismus basiert auf einem einfachen physikochemischen Kontakt des hydrophoben Poly-L-Milchsäure-Nanopartikels mit einer hydrophoben Oberfläche, wodurch die Freisetzung der nanopartikulären Fracht ausgelöst wird. In Zellexperimenten führt die membranvermittelte Freisetzung der nanopartikulären Fracht zu ihrem sofortigen Transport in TIP47+- und ADRP+- Lipidtröpfchen. Der Freisetzungsmechanismus („kiss-and-run") kann durch die kovalente Einbindung des Frachtmoleküls in das Polymer des Nanopartikels blockiert werden.rnWeiterhin wird in Langzeitversuchen gezeigt, dass die Aufnahme der untersuchten polymeren Nanopartikel von einem Makropinozytose-ähnlichen Mechanismus gesteuert wird. Im Laufe dieser Arbeit werden mehrere Faktoren identifiziert, die in diesem Aufnahmemechanismus eine Rolle spielen. Darunter fallen unter anderem die kleinen GTPasen Rac1 und ARF1, die die Aufnahme von SPIOPSN beeinflussen. Darauffolgend werden die intrazellulären Transportwege der Nanopartikel untersucht. Mit Hilfe eines neuartigen Massenspektrometrieansatzes wird der intrazelluläre Transport von nanopartikelhaltigen endozytotischen Vesikeln rekonstruiert. Intensive Untersuchungen identifizieren Marker von frühen Endosomen, späten Endosomen/ multivesikulären Körpern, Rab11+- Endosomen, Flotillin-Vesikeln, Lysosomen und COP-Vesikeln. Schließlich wird der Einfluss des lysosomalen Milieus auf die Proteinhülle der Nanopartikel untersucht. Hier wird gezeigt, dass die adsorbierte Proteinhülle auf den Nanopartikeln in die Zelle transportiert wird und anschließend im Lysosom abgebaut wird. rnInsgesamt verdeutlicht diese Arbeit, dass die klassische Strategie des nanopartikulären und invasiven Wirkstofftransportmechanismuses überdacht werden muss. Weiterhin lässt sich aus den Daten schlussfolgern, dass polymere Nanopartikel einem atypischen Makropinozytose-ähnlichen Aufnahmemechanismus unterliegen. Dies resultiert in einem intrazellulären Transport der Nanopartikel von Makropinosomen über multivesikuläre Körperchen zu Lysosomen.rn

Mechanisms of resistance of tumor cells in response to treatment with the vacuolar H+-ATPase inhibitor archazolid B

Resistance of cancer cells towards chemotherapy is the major cause of therapy failure. Hence, the evaluation of cellular defense mechanisms is essential in the establishment of new chemotherapeutics. In this study, classical intrinsic and acquired as well as new resistance mechanisms relevant in the cellular response to the novel vacuolar H+-ATPase inhibitor archazolid B were investigated. Archazolid B, originally produced by the myxobacterium Archangium gephyra, displayed cytotoxicity in the low nanomolar range on a panel of cancer cell lines. The drug showed enhanced cytotoxic activity against nearly all cancerous cells compared to their non-cancerous pendants. With regards to ABC transporters, archazolid B was identified as a moderate substrate of ABCB1 (P-glycoprotein) and a weak substrate of ABCG2 (BCRP), whereas hypersensitivity was observed in ABCB5-expressing cells. The cytotoxic effect of archazolid B was shown to be independent of the cellular p53 status. However, cells expressing constitutively active EGFR displayed significantly increased resistance. Acquired drug resistance was studied by establishing an archazolid B-resistant MCF-7 cell line. Experiments showed that this secondary resistance was not conferred by aberrant expression or DNA mutations of the gene encoding vacuolar H+-ATPase subunit c, the direct target of archazolid B. Instead, a slight increase of ABCB1 and a significant overexpression of EGFR as well as reduced proliferation may contribute to acquired archazolid B resistance. For identification of new resistance strategies upon archazolid B treatment, omics data from bladder cancer and glioblastoma cells were analyzed, revealing drastic disturbances in cholesterol homeostasis, affecting cholesterol biosynthesis, uptake and transport. As shown by filipin staining, archazolid B led to accumulation of free cholesterol in lysosomes, which triggered sterol responses, mediated by SREBP-2 and LXR, including up-regulation of HMGCR, the key enzyme of cholesterol biosynthesis. Furthermore, inhibition of LDL uptake as well as impaired LDLR surface expression were observed, indicating newly synthesized cholesterol to be the main source of cholesterol in archazolid B-treated cells. This was proven by the fact that under archazolid B treatment, total free cholesterol levels as well as cell survival were significantly reduced by inhibiting HMGCR with fluvastatin. The combination of archazolid B with statins may therefore be an attractive strategy to circumvent cholesterol-mediated cell survival and in turn potentiate the promising anticancer effects of archazolid B.

RAB3GAP1 und RAB3GAP2 (RAB3 GTPase-activating Protein 1/2) beeinflussen die Autophagie in C. elegans und humanen Zellen

Die Proteinhomöostase wird in der Zelle von drei Stoffwechselwegen reguliert: den molekularen Chaperonen, dem Ubiquitin-Proteasom-System und dem autophagosomalen Abbauweg. Die (Makro)Autophagie verpackt und transportiert zytosolische Komponenten in Autophagosomen zu den Lysosomen, wo sie abgebaut werden. Eine Störung dieses Abbauwegs wirkt auf die Proteostase.rnIn dieser Dissertation wurde C. elegans als Modellorganismus zur Erforschung von Proteinstabilität genutzt. In einer RNAi-vermittelten Proteostase-Analyse von Chromosom I und ausgewählter zusätzlicher Gene wurde ein Wurmstamm, der ein Luc::GFP-Konstrukt im Muskel exprimiert, genutzt. Dieses Reporterprotein aggregiert unter Hitzestressbedingungen und diese Aggregation kann durch Modulatoren der Proteostase beeinflusst werden. Dabei wurden mögliche neue Faktoren der Proteinhomöostase entdeckt. Durch weitere Experimente bei denen die Aggregation von PolyQ35::YFP im AM140-System, der Paralyse-Phänotyp und die Akkumulation Thioflavin S-gefärbter Aggregate von Aβ42 im CL2006-Wurmstamm und die Effekte auf die Autophagie mittels eines GFP::LGG1-Konstrukt analysiert wurden, konnten rbg-1 und rbg-2 als neue Modulatoren der Proteinhomöostase, insbesondere der Autophagie, identifiziert werden.rnIm Säuger bilden beide Orthologe dieser Gene, RAB3GAP1 und RAB3GAP2 den heterodimeren RAB3GAP-Komplex, der bisher nur bekannt war für die Stimulation der Umwandlung der GTP-gebundenen aktiven Form zur GDP-gebundenen inaktiven Form der RAB GTPase RAB3. In Immunoblot-Analysen und mikroskopischen Darstellungen im Säugersystem konnte gezeigt werden, dass die Effekte auf die Proteostase über den autophagosomalen Abbauweg wirken. RAB3GAP1/2 wirken als positive Stimulatoren, wenn die Lipidierung von LC3-I und der autophagische Flux von LC3-II und p62/SQSTM1 betrachtet werden. Diese Effekte werden aber nicht über die RAB GTPase RAB3 vermittelt. Die Proteine FEZ1 und FEZ2 haben einen antagonistischen Effekt auf die Autophagie und wenn alle vier Komponenten RAB3GAP1, RAB3GAP2, FEZ1 und FEZ2 zusammen herunter- oder hochreguliert werden, heben sich diese Effekte auf. In Co-Immunopräzipitationen und proteomischen Analysen konnte keine direkte Interaktion zwischen dem RAB3GAP-Komplex und FEZ1/2 oder zu anderen Autophagie-Genen nachgewiesen werden.rnHier konnte der RAB3GAP-Komplex funktionell mit Proteostase und Autophagie in C. elegans und Säugerzellen assoziiert werden. Dieser Komplex zeigt Einflüsse auf die autophagosomale Biogenese indem sie die Proteostase und die Bildung von (prä)autophagosomalen Strukturen in C. elegans und die Lipidierung von LC3 und damit den autophagischen Flux der Autophagiesubstrate LC3-II und p62/SQSTM1 in Säugerzellen beeinflusst. Darüber hinaus wirkt RAB3GAP der komplexen Autophagie-Unterdrückung durch FEZ1 und FEZ2 entgegen. Somit konnte gezeigt werden, dass RAB3GAP als neuartiger Faktor auf die autophagosomale Biogenese und somit auf die Proteostase wirkt.rn

Lysosomal degradation of RhoH protein upon antigen receptor activation in T but not B cells

RhoH is a member of the Rho (ras homologous) GTPase family, yet it lacks GTPase activity and thus remains in its active conformation. Unlike other Rho GTPases, the RhoH gene transcript is restricted to hematopoietic cells and RhoH was shown to be required for adequate T-cell activation through the TCR. Here, we demonstrate that both blood T and B cells, but not neutrophils or monocytes, express RhoH protein under physiological conditions. Upon TCR complex activation, RhoH was degraded in lysosomes of primary and Jurkat T cells. Pharmacologic activation of T cells distal to the TCR complex had no effect on RhoH protein levels suggesting that early events during T-cell activation are required for RhoH protein degradation. In contrast to T cells, activation of the BCR in blood B cells was not associated with changes in RhoH levels. These data suggest that RhoH function might be regulated by lysosomal degradation of RhoH protein following TCR complex but not BCR activation. This newly discovered regulatory pathway of RhoH expression might limit TCR signaling and subsequent T-cell activation upon Ag contact.