Einfluss der Modulation von P-Glykoprotein (P-gp) auf die Verfügbarkeit und Wirksamkeit der pharmakologischen Behandlung psychiatrischer Erkrankungen im Tiermodell

P-Glykoprotein (P-gp) ist ein ATP-verbrauchender Transporter, der in Organschranken exprimiert wird, um Fremdstoffe auszuschleusen, darunter auch Psychopharmaka. Im Rahmen dieser Arbeit wurde im Tiermodell der Maus untersucht, welche pharmakokinetischen und pharmakodynamischen Konsequenzen sich bei Verabreichung von Risperidon als P-gp Modellsubstrat ergeben, wenn die Expression von P-gp induziert wird. Als potenzielle Induktoren wurden Dexamethason, Rifampicin, Quercetin, 5-Pregnen-3ß-ol-20-on-16α-Carbonitril (PCN) und Acitretin geprüft. Es konnte gezeigt werden, dass alle Substanzen die Verteilung von Risperidon und seinem aktiven Metaboliten 9-Hydroxyrisperidon beeinflussten. Während sich für Quercetin und Acitretin leichte P-gp inhibitorische Eigenschaften ergaben, die an Hand von erhöhten Konzentrationen von Risperidon und 9-Hydroxyrisperidon gezeigt werden konnten, führten die bekannten P-gp Induktoren Rifampicin, Dexamethason und PCN zu verringerten Konzentrationen im Vergleich zur Kontrollgruppe. Durch Western Blot Untersuchungen wurde bestätigt, dass die Induktoren die P-gp Expression im Hirngewebe tendenziell steigerten. Dies sprach dafür, dass bei Verabreichung einer Komedikation, die P-gp induziert, mit einer veränderten Verteilung von P-gp Substraten zu rechnen ist. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass durch eine Hemmung bzw. Induktion von P-gp nicht nur die Pharmakokinetik, sondern auch die Pharmakodynamik von Risperidon und 9-Hydroxyrisperidon verändert wird. Dies wurde durch verhaltenspharmakologische Untersuchungen gezeigt. Durch Risperidon induzierte motorische Effekte auf dem RotaRod waren nach Induktion von P-gp abgeschwächt. Dies zeigte sich auch für Haloperidol, welches kein Substrat ist. Da P-gp abhängige Effekte in diesem Fall keine bedeutende Rolle spielen, ist davon auszugehen, dass neben der Induktion von P-gp an der Blut-Hirn Schranke auch andere Mechanismen wie z.B. eine Induktion von Enzymen der CYP-Familie an den beobachteten Effekten beteiligt sind. Bei Untersuchungen von kognitiven Leistungen in der Barnes Maze konnte gezeigt werden, dass Haloperidol im Gegensatz zu Risperidon das Lernverhalten negativ beeinflussen kann. Eine P-gp Induktion schien jedoch keinen deutlichen Einfluss auf das Lernverhalten unter Antipsychotika-Gabe zu haben und sprach vielmehr für substanzabhängige Effekte der einzelnen Antipsychotika bzw. P-gp Modulatoren. Zusatzuntersuchungen zur Hirngängigkeit von Acitretin, einem synthetischen Retinoid, welches derzeit als potenzielles Antidementivum geprüft wird, konnten belegen, dass es die Blut-Hirn Schranke überwindet. Bereits 1h nach Injektion war Acitretin in hoher Konzentration im Gehirn nachweisbar. Durch die Analyse zur Verteilung von Acitretin in Hirngewebe und Serum von P-gp Wildtyp und P-gp doppel knockout Mäusen konnte belegt werden, dass Acitretin nicht P-gp abhängig transportiert wird. Die Daten insgesamt betrachtet, lassen den Schluss zu, dass durch Verabreichung von Medikamenten, die P-gp Modulatoren sind, bei Antipsychotika mit pharmakokinetischen Interaktionen zu rechnen ist, welche die Wirksamkeit der Medikamente einschränken können.

Oxidativer Stress als Modulator der NMDA-Rezeptorexpression auf zerebrovaskulären Endothelzellen

Oxidativer Stress in Form reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und Exzitotoxizität durch supraphysiologische Konzentrationen des Neurotransmitters Glutamat sind nicht nur beteiligt an der Pathogenese vielzähliger neurodegenerativer Erkrankungen wie Schlaganfall, Hirntrauma, Alzheimer Demenz oder Multipler Sklerose, sondern spielen zudem eine Schlüsselrolle im dort beobachteten Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke. Glutamat führt durch Stimulation neuronaler und endothelialer NMDA-Rezeptoren zu einer Generierung von ROS. Nicht verfolgt worden war bisher, welche Auswirkungen ROS umgekehrt auch auf den NMDA-Rezeptor haben könnten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher untersucht, ob und in welcher Weise die Exposition gegenüber reaktiven Sauerstoffspezies einen Einfluss auf die Expression und Aktivierbarkeit von NMDA-Rezeptoren auf zerebrovaskulären Endothelzellen ausübt.rnEs konnte zunächst die Expression der funktionell obligaten NR-1 Untereinheit des NMDA-Rezeptors auf der verwendeten Zelllinie b.End3 mittels Immunfluoreszenz-Mikroskopie gesichert werden. Ein Nachweis von mRNA für die Untereinheiten NR1 und NR2B, C und D erfolgte mittels RT-PCR. In der Analyse der replizierten RNA zeigten sich Hinweise für eine heterogene Komposition der exprimierten endothelialen NMDA-Rezeptoren.rnEs konnte weiter mit Hilfe der In-Cell-Western-Technik gezeigt werden, dass die Expression des NMDA-Rezeptors durch transiente Stimulation mit reaktiven Sauerstoffspezies im Sinne einer Heraufregulation moduliert werden kann. Die Stimulation der Zellen mit den reaktiven Sauerstoffspezies O2-, ONOO- und H2O2 führte dabei im Experiment zu einer deutlichen Zunahme der NR1-Expression, die spätestens nach 72 Stunden höchst signifikant war.rnUm zu überprüfen, welche Bedeutung diese Überexpression für die Integrität der Blut-Hirn-Schranke unter den exzitotoxischen Bedingungen hoher Glutamatkonzentrationen haben könnte, wurde mit Hilfe des ECIS-Systems („Electrical Cell-Substrate Impedance Sensing“) die Impedanz ROS-präexponierter Endothelmonolayer gemessen. Auf Rezeptorstimulation mit dem spezifischen Agonisten NMDA reagierten die vorbehandelten Gruppen mit einem Abfall der Impedanz gegenüber der nicht vorbehandelten Kontrolle.rnrnDie vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass ROS in der Lage sind, funktionelle endotheliale NMDA-Rezeptoren zu induzieren und auf diesem Weg zu einem verstärkten Abfall der BHS-Integrität unter den Bedingungen exzitotoxischen und oxidativen Stresses führen. Dies stellt einen neuen Mechanismus zur Erklärung der Pathogenese des Blut-Hirn-Schrankenversagens dar.

Rolle des endothelialen kontraktilen Apparates bei der Entstehung eines Hirnödems nach Schädelhirntrauma und Subarachnoidalblutung

Zerebrale Erkrankungen, wie Schädelhirntrauma (SHT) und Subarachnoidalblutung (SAB) sind mit einer hohen Morbidität und Mortalität vergesellschaftet und stellen eine ernsthafte medizinische und ökonomische Herausforderung dar. Grundlage für die Entwicklung neuer effektiver Therapieansätze ist das Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen dieser Krankheiten. Das Entstehen eines vasogenen Hirnödems ist eine schwere Komplikation nach SHT und SAB und beruht u.a. auf einem Öffnen der Bluthirnschranke (BHS). Ein möglicher zu Grunde liegender Mechanismus könnte die Aktivierung der Myosin-leichte-Kette-Kinase (MLCK) sein, was man therapeutisch unterbinden könnte.rnIn der vorliegenden Studie wurde in zwei unterschiedlichen experimentellen, zerebralen Schadensmodellen der Einfluss des kontraktilen Apparates auf die BHS Störung untersucht. In dem Schadensmodell des SHT sind die Hauptergebnisse: 1.) die Myosin-leichte-Kette-Kinase (MLCK) wird durch das induzierte Schädelhirntrauma hochreguliert. 2.) eine pharmakologische MLCK Inhibition stabilisiert die BHS, senkt den ICP und das Hirnödem nach experimentellen SHT. 3.) die MLCK Inhibition führte nicht zu einer Verbesserung des Hirnschadens, der neurologischen Funktion oder der zerebralen Inflammation 24 Stunden nach SHT, obwohl angenommen wird, dass die Entstehung eines Hirnödems den sekundären Hirnschaden vergrößert. In einer weitern Studie wurde untersucht, durch welchen Signalweg dieser zugrunde liegende Mechanismus aktiviert wird. In einem in-vitro BHS Model konnte gezeigt werden, dass C-reaktives Protein (CRP) über die Bindung an Fcγ-Rezeptoren den kontraktilen Apparat aktiviert und somit zu einem Öffnen der BHS führt. Obwohl der CRP Plasmaspiegel nach experimentellen SHT ansteigt, kommt es nicht zu einer Verringerungrndes Hirnwassergehaltes in FcγR-/- Mäusen. Die Entstehung des vasogenen Hirnödems wird im murinen CCI Model somit nicht über den Fcγ-Rezeptor vermittelt. Die in-vitro gezeigte Fcγ vermittelte Öffnung der BHS konnte in-vivo in dieser Studie nicht reproduziert werden. Mit der vorliegenden Studie kann nicht ausgeschlossen werden, dass CRP über einen Fcγ unabhängigen Mechanismus eine Öffnung der BHS vermittelt. Jedoch deuten die Daten daraufhin, das CRP im murinen CCI Model eine untergeordnete Rolle spielt. Die FcγR-/- Mäuse zeigten allerdings ein deutlich reduziertes Kontusionsvolumen und eine reduzierte Mikroglia Aktivierung, was darauf hindeutet, dass FcγR eine wesentliche Rolle bei der zerebralen Inflammation spielen.rnIn dem Schadensmodell der experimentellen SAB konnte gezeigt werden, dass die Inhibition der MLCK die Folgen einer SAB mindert. Sie führt zu einer Senkung des Hirnödems, des intrakraniellen Drucks und Verbesserung der neurologischen Erholung nach experimenteller SAB. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass die MLCK einer der Endpunkteffektor für verschiedene Mechanismen ist, welche die endotheliale Permeabilität sowohl nach SHT als auch nach SAB erhöhen.rnZusammenfassend lässt sich feststellen, dass in beiden zerebralen experimentellen Insulten die MLCK eine wichtige Rolle beim BHS Versagen spielt. Die Daten tragen dazu bei, den zugrundeliegenden Mechanismus der BHS Öffnung, der durch eine Aktivierung der MLCK hervorgerufen werden könnte, besser zu verstehen. Dies könnte zu Entwicklung neuer Medikamente für eine Therapie des zerebralen Hirnödems führen.

Uptake of gold nanoparticles in microvascular endothelial cells

The physicochemical properties of nanoparticles make them suitable for biomedical applications. Due to their ‘straight-forward’ synthesis, their known biocompatibility, their strong optical properties, their ability for targeted drug delivery and their uptake potential into cells gold nanoparticles are highly interesting for biomedical applications. In particular, the therapy of brain diseases (neurodegenerative diseases, ischemic stroke) is a challenge for contemporary medicine and gold nanoparticles are currently being studied in the hope of improving drug delivery to the brain.rnIn this thesis three major conclusions from the generated data are emphasized.rn1. After improvement of the isolation protocol and culture conditions, the formation of a monolayer of porcine brain endothelial cells on transwell filters lead to a reproducible and tight in vitro monoculture which exhibited in vivo blood brain barrier (BBB) characteristics. The transport of nanoparticles across the barrier was studied using this model.rn2. Although gold nanoparticles are known to be relatively bioinert, contaminants of the nanoparticle synthesis (i.e. CTAB or sodium citrate) increased the cytotoxicity of gold nanoparticles, as shown by various publications. The results presented in this thesis demonstrate that contaminants of the nanoparticle synthesis such as sodium citrate increased the cytotoxicity of the gold nanoparticles in endothelial cells but in a more dramatic manner in epithelial cells. Considering the increased uptake of these particles by epithelial cells compared to endothelial cells it was demonstrated that the observed decrease of cell viability appeared to be related to the amount of internalized gold nanoparticles in combination with the presence of the contaminant.rn3. Systematically synthesized gold nanoparticles of different sizes with a variety of surface modifications (different chemical groups and net charges) were investigated for their uptake behaviour and functional impairment of endothelial cells, one of the major cell types making up the BBB. The targeting of these different nanoparticles to endothelial cells from different parts of the body was investigated in a comparative study of human microvascular dermal and cerebral endothelial cells. In these experiments it was demonstrated that different properties of the nanoparticles resulted in a variety of uptake patterns into cells. Positively charged gold nanoparticles were internalized in high amounts, while PEGylated nanoparticles were not taken up by both cell types. Differences in the uptake behavior were also demonstrated for neutrally charged particles of different sizes, coated with hydroxypropylamine or glucosamine. Endothelial cells of the brain specifically internalized 35nm neutrally charged hydroxypropylamine-coated gold nanoparticles in larger amounts compared to dermal microvascular endothelial cells, indicating a "targeting" for brain endothelial cells. Co-localization studies with flotillin-1 and flotillin-2 showed that the gold nanoparticles were internalized by endocytotic pathways. Furthermore, these nanoparticles exhibited transcytosis across the endothelial cell barrier in an in vitro BBB model generated with primary porcine brain endothelial cells (1.). In conclusion, gold nanoparticles with different sizes and surface characteristics showed different uptake patterns in dermal and cerebral endothelial cells. In addition, gold nanoparticles with a specific size and defined surface modification were able to cross the blood-brain barrier in a porcine in vitro model and may thus be useful for controlled delivery of drugs to the brain.

Preclinical development of anti-cancer strategies against human HER-2

HER-2 is a 185 kDa transmembrane receptor tyrosine kinase that belongs to the EGFR family. HER-2 is overexpressed in nearly 25% of human breast cancers and women with this subtype of breast cancer have a worse prognosis and frequently develop metastases. The progressive high number of HER-2-positive breast cancer patients with metastatic spread in the brain (up to half of women) has been attributed to the reduction in mortality, the effectiveness of Trastuzumab in killing metastatic cells in other organs and to its incapability to cross the blood-brain barrier. Apart from full-length-HER-2, a splice variant of HER-2 lacking exon 16 (here referred to as D16) was identified in human HER-2-positive breast cancers. Here, the contribution of HER-2 and D16 to mammary carcinogenesis was investigated in a model transgenic for both genes (F1 model). A dominant role of D16, especially in early stages of tumorigenesis, was suggested and the coexistence of heterogeneous levels of HER-2 and D16 in F1 tumors revealed the undeniable value of F1 strain as preclinical model of HER-2-positive breast cancer, closer resembling the human situation in respect to previous models. The therapeutical efficacy of anti-HER-2 agents, targeting HER-2 receptor (Trastuzumab, Lapatinib, R-LM249) or signaling effectors (Dasatinib, UO126, NVP-BKM120), was investigated in models of local or advanced HER-2-positive breast cancer. In contrast with early studies, data herein collected suggested that the presence of D16 can predict a better response to Trastuzumab and other agents targeting HER-2 receptor or Src activity. Using a multiorgan HER-2-positive metastatic model, the efficacy of NVP-BKM120 (PI3K inhibitor) in blocking the growth of brain metastases and the oncolytic ability of R-LM249 (HER-2-retargeted HSV) to reach and destroy metastatic HER-2-positive cancer cells were shown. Finally, exploiting the definition of “oncoantigen” given to HER-2, the immunopreventive activity of two vaccines on HER-2-positive mammary tumorigenesis was demonstrated.

Molekulare Ursachen und therapeutische Intervention bei der Alzheimer-Demenz

Ein charakteristisches, neuropathologisches Merkmal der Alzheimer-Demenz (AD), der am häufigsten vorkommenden Demenz-Form des Menschen, ist das Auftreten von senilen Plaques im Gehirn der Patienten. Hierbei stellt das neurotoxische A-beta Peptid den Hauptbestandteil dieser Ablagerungen dar. Einen Beitrag zu der pathologisch erhöhten A-beta Generierung liefert das verschobene Expressionsgleichgewicht der um APP-konkurrierenden Proteasen BACE-1 und ADAM10 zu Gunsten der beta-Sekretase BACE-1. In der vorliegenden Dissertation sollten molekulare Mechanismen identifiziert werden, die zu einem pathologisch veränderten Gleichgewicht der APP-Spaltung und somit zum Entstehen und Fortschritt der AD beitragen. Des Weiteren sollten Substanzen identifiziert werden, die durch Beeinflussung der Genexpression einer der beiden Proteasen das physiologische Gleichgewicht der APP-Prozessierung wiederherstellen können und somit therapeutisch einsetzbar sind.rnAnhand eines „Screenings“ von 704 Transkriptionsfaktoren wurden 23 Faktoren erhalten die das Verhältnis ADAM10- pro BACE-1-Promotor Aktivität beeinflussten. Exemplarisch wurden zwei der molekularen Faktoren auf ihren Wirkmechanismus untersucht: Der TF „X box binding protein-1“ (XBP-1), der die so genannte „unfolded protein response“ (UPR) reguliert, erhöhte die Expression von ADAM10 in Zellkultur-Experimenten. Die Menge dieses Faktors war in AD-Patienten im Vergleich zu gesunden, Alters-korrelierten Kontrollen signifikant erniedrigt. Im Gegensatz dazu verminderte der Seneszenz-assoziierte TF „T box 2“ (Tbx2) die Menge an ADAM10 in SH-SY5Y Zellen. Die Expression des Faktors selbst war in post-mortem Kortexgewebe von AD-Patienten erhöht. Zusätzlich zu den TFs konnten in einer Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum München drei microRNAs (miRNA 103, 107, 1306) bioinformatisch prädiziert und experimentell validiert werden, die die Expression des humanen ADAM10 reduzierten.rnIm Rahmen dieser Arbeit konnten damit körpereigene Faktoren identifiziert werden, die die Menge an ADAM10 regulieren und folglich potenziell an der Entstehung der gestörten Homöostase der APP-Prozessierung beteiligt sind. Somit ist die AD auch im Hinblick auf eine A-beta-vermittelte Pathologie als multifaktorielle Krankheit zu verstehen, in der verschiedene Regulatoren zur gestörten APP-Prozessierung und somit zur pathologisch gesteigerten A-beta Generierung beitragen können. rnEine pharmakologische Erhöhung der ADAM10 Genexpression würde zu der Freisetzung von neuroprotektivem APPs-alpha und gleichzeitig zu einer reduzierten A-beta Generierung führen. Deshalb war ein weiteres Ziel dieser Arbeit die Evaluierung von Substanzen mit therapeutischem Potenzial im Hinblick auf eine erhöhte ADAM10 Expression. Von 640 FDA-zugelassenen Medikamenten einer Substanz-Bibliothek wurden 23 Substanzen identifiziert, die die Menge an ADAM10 signifikant steigerten während die Expression von BACE-1 und APP unbeeinflusst blieb. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Pathologie (Johannes Gutenberg Universität Mainz) wurde ein Zellkultur-basiertes Modell etabliert, um die Permeationsfähigkeit der potenziellen Kandidaten-Substanzen über die Blut-Hirn Schranke (BHS) zu untersuchen. Von den 23 Medikamenten konnten neun im Rahmen des etablierten Modells als BHS-gängig charakterisiert werden. Somit erfüllen diese verbleibenden Medikamente die grundlegenden Anforderungen an ein AD-Therapeutikum. rnADAM10 spaltet neben APP eine Vielzahl anderer Substrate mit unterschiedlichen Funktionen in der Zelle. Zum Beispiel reguliert das Zelladhäsionsmolekül Neuroligin-1 (NL-1), das von ADAM10 prozessiert wird, die synaptische Funktion exzitatorischer Neurone. Aus diesem Grund ist die Abschätzung potenzieller, Therapie-bedingter Nebenwirkungen sehr wichtig. Im Rahmen eines Forschungsaufenthalts an der Universität von Tokio konnte in primären, kortikalen Neuronen der Ratte bei einer Retinoid-induzierten Erhöhung von ADAM10 neben einer vermehrten alpha-sekretorischen APP-Prozessierung auch eine gesteigerte Spaltung von NL-1 beobachtet werden. Dies lässt vermuten, dass bei einer Behandlung mit dem Retinoid Acitretin neben einer vermehrten APP-Spaltung durch ADAM10 auch die Regulation glutamaterger Neurone durch die Spaltung von NL-1 betroffen ist. Anhand eines geeigneten Alzheimer-Tiermodells sollten diese Befunde weiter analysiert werden, um so auf einen sicheren therapeutischen Ansatz bezüglich einer vermehrten ADAM10 Genexpression schließen zu können.rn

Structure-activity relationship and mechanism of action studies of manzamine analogues for the control of neuroinflammation and cerebral infections

Structure-activity relationship studies were carried out by chemical modification of manzamine A (1), 8-hydroxymanzamine A (2), manzamine F (14), and ircinal isolated from the sponge Acanthostrongylophora. The derived analogues were evaluated for antimalarial, antimicrobial, and antineuroinflammatory activities. Several modified products exhibited potent and improved in vitro antineuroinflammatory, antimicrobial, and antimalarial activity. 1 showed improved activity against malaria compared to chloroquine in both multi- and single-dose in vivo experiments. The significant antimalarial potential was revealed by a 100% cure rate of malaria in mice with one administration of 100 mg/kg of 1. The potent antineuroinflammatory activity of the manzamines will provide great benefit for the prevention and treatment of cerebral infections (e.g., Cryptococcus and Plasmodium). In addition, 1 was shown to permeate across the blood-brain barrier (BBB) in an in vitro model using a MDR-MDCK monolayer. Docking studies support that 2 binds to the ATP-noncompetitive pocket of glycogen synthesis kinase-3beta (GSK-3beta), which is a putative target of manzamines. On the basis of the results presented here, it will be possible to initiate rational drug design efforts around this natural product scaffold for the treatment of several different diseases.

Combined use of pulsed arterial spin-labeling and susceptibility-weighted imaging in stroke at 3T

Background and Purpose: In acute stroke it is no longer sufficient to detect simply ischemia, but also to try to evaluate reperfusion/recanalization status and predict eventual hemorrhagic transformation. Arterial spin labeling (ASL) perfusion may have advantages over contrast-enhanced perfusion-weighted imaging (cePWI), and susceptibility weighted imaging (SWI) has an intrinsic sensitivity to paramagnetic effects in addition to its ability to detect small areas of bleeding and hemorrhage. We want to determine here if their combined use in acute stroke and stroke follow-up at 3T could bring new insight into the diagnosis and prognosis of stroke leading to eventual improved patient management. Methods: We prospectively examined 41 patients admitted for acute stroke (NIHSS >1). Early imaging was performed between 1 h and 2 weeks. The imaging protocol included ASL, cePWI, SWI, T2 and diffusion tensor imaging (DTI), in addition to standard stroke protocol. Results: We saw four kinds of imaging patterns based on ASL and SWI: patients with either hypoperfusion and hyperperfusion on ASL with or without changes on SWI. Hyperperfusion was observed on ASL in 12/41 cases, with hyperperfusion status that was not evident on conventional cePWI images. Signs of hemorrhage or blood-brain barrier breakdown were visible on SWI in 15/41 cases, not always resulting in poor outcome (2/15 were scored mRS = 0–6). Early SWI changes, together with hypoperfusion, were associated with the occurrence of hemorrhage. Hyperperfusion on ASL, even when associated with hemorrhage detected on SWI, resulted in good outcome. Hyperperfusion predicted a better outcome than hypoperfusion (p = 0.0148). Conclusions: ASL is able to detect acute-stage hyperperfusion corresponding to luxury perfusion previously reported by PET studies. The presence of hyperperfusion on ASL-type perfusion seems indicative of reperfusion/collateral flow that is protective of hemorrhagic transformation and a marker of favorable tissue outcome. The combination of hypoperfusion and changes on SWI seems on the other hand to predict hemorrhage and/or poor outcome.

Fluids and barriers of the CNS establish immune privilege by confining immune surveillance to a two-walled castle moat surrounding the CNS castle

Neuronal activity within the central nervous system (CNS) strictly depends on homeostasis and therefore does not tolerate uncontrolled entry of blood components. It has been generally believed that under normal conditions, the endothelial blood-brain barrier (BBB) and the epithelial blood-cerebrospinal fluid barrier (BCSFB) prevent immune cell entry into the CNS. This view has recently changed when it was realized that activated T cells are able to breach the BBB and the BCSFB to perform immune surveillance of the CNS. Here we propose that the immune privilege of the CNS is established by the specific morphological architecture of its borders resembling that of a medieval castle. The BBB and the BCSFB serve as the outer walls of the castle, which can be breached by activated immune cells serving as messengers for outside dangers. Having crossed the BBB or the BCSFB they reach the castle moat, namely the cerebrospinal fluid (CSF)-drained leptomeningeal and perivascular spaces of the CNS. Next to the CNS parenchyma, the castle moat is bordered by a second wall, the glia limitans, composed of astrocytic foot processes and a parenchymal basement membrane. Inside the castle, that is the CNS parenchyma proper, the royal family of sensitive neurons resides with their servants, the glial cells. Within the CSF-drained castle moat, macrophages serve as guards collecting all the information from within the castle, which they can present to the immune-surveying T cells. If in their communication with the castle moat macrophages, T cells recognize their specific antigen and see that the royal family is in danger, they will become activated and by opening doors in the outer wall of the castle allow the entry of additional immune cells into the castle moat. From there, immune cells may breach the inner castle wall with the aim to defend the castle inhabitants by eliminating the invading enemy. If the immune response by unknown mechanisms turns against self, that is the castle inhabitants, this may allow for continuous entry of immune cells into the castle and lead to the death of the castle inhabitants, and finally members of the royal family, the neurons. This review will summarize the molecular traffic signals known to allow immune cells to breach the outer and inner walls of the CNS castle moat and will highlight the importance of the CSF-drained castle moat in maintaining immune surveillance and in mounting immune responses in the CNS.

Experimental treatment of Neospora caninum-infected mice with the arylimidamide DB750 and the thiazolide nitazoxanide

The cationic arylimidamide DB750 and the thiazolide nitazoxanide had been shown earlier to be effective against Neospora caninum tachyzoites in vitro with an IC(50) of 160nM and 4.23muM, respectively. In this study, we have investigated the effects of DB750 and nitazoxanide treatments of experimentally infected Balb/c mice, by applying the drugs either through the oral or the intraperitoneal route. In experiment 1, administration of DB750 (2mg/kg/day) and nitazoxanide (150mg/kg/day) started already 3 days prior to experimental infection of mice with 2x10(6) tachyzoites. Following infection, the drugs were further administrated daily for a period of 2 weeks, either orally or intraperitoneally. Intraperitoneal injection of DB750 was well tolerated by the mice, but treatment with nitazoxanide resulted in death of all mice within 3 days. Upon intraperitoneal application of DB750, the cerebral parasite load was significantly reduced compared to all other groups, while oral application of DB750 and nitazoxanide were not as effective, and resulted in significant weight loss. In experiment 2, mice were infected with 2x10(6) tachyzoites and at 2 weeks post-infection, DB750 (2mg/kg/day) was applied by intraperitoneal injections for 14 days. In the DB750-treated group, only 2 out of 12 mice succumbed to infection, compared to 7 out of 12 mice in the placebo-group. DB750 treatment also resulted in significantly reduced cerebral parasite burden, and reduced numbers of viable tachyzoites. Our data suggest that DB750 exerted its activity also after crossing the blood-brain barrier, and that this class of compounds could be promising for the control of N. caninum-associated disease.

Regulation of immune cell entry into the central nervous system

The central nervous system (CNS) has long been regarded as an immune privileged organ implying that the immune system avoids the CNS to not disturb its homeostasis, which is critical for proper function of neurons. Meanwhile, it is accepted that immune cells do in fact gain access to the CNS and that immune responses can be mounted within this tissue. However, the unique CNS microenvironment strictly controls these immune reactions starting with tightly controlling immune cell entry into the tissue. The endothelial blood-brain barrier (BBB) and the epithelial blood-cerebrospinal fluid (CSF) barrier, which protect the CNS from the constantly changing milieu within the bloodstream, also strictly control immune cell entry into the CNS. Under physiological conditions, immune cell migration into the CNS is kept at a very low level. In contrast, during a variety of pathological conditions of the CNS such as viral or bacterial infections, or during inflammatory diseases such as multiple sclerosis, immunocompetent cells readily traverse the BBB and likely also the choroid plexus and subsequently enter the CNS parenchyma or CSF spaces. This chapter summarizes our current knowledge of immune cell entry across the blood CNS barriers. A large body of the currently available information on immune cell entry into the CNS has been derived from studying experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), an animal model for multiple sclerosis. Therefore, most of this chapter discussing immune cell entry during CNS pathogenesis refers to observations in the EAE model, allowing for the possibility that other mechanisms of immune cell entry into the CNS might apply under different pathological conditions such as bacterial meningitis or stroke.

Rapid measurement of S-100B serum protein levels by Elecsys S100 immunoassay in patients undergoing carotid artery stenting or endarterectomy

OBJECTIVES:: This study was designed to apply the rapid Elecsys(R) S100 immunoassay for real-time measurement of S100 protein serum levels indicating acute brain damage in patients undergoing carotid artery stenting (CAS) or endarterectomy (CEA). DESIGN AND METHODS:: Data of 14 CAS patients were compared to those of 43 CEA and 14 control patients undergoing coronary angiography (CA). S100 serum levels were measured by the full-automatic Elecsys(R) S100 immunoassay and compared to those obtained by the well-established LIA-mat(R) S100 system. RESULTS:: In contrast to CAS and CA patients, median S100 serum levels of CEA patients significantly increased to 0.24 ng/mL before declamping, but subsequently returned to baseline. Three CEA patients with neurological deficits showed sustained elevated S100 levels 6 h after extubation. Absolute S100 values were not significantly different between the two methods. Bland-Altman plot analyses displayed a good agreement, mostly indicating slightly smaller values applying the Elecsys(R) S100 system. CONCLUSIONS:: The Elecsys(R) S100 system appears to be suitable for rapid real-time detection of neurological deficits in patients undergoing CAS and CEA. Persistent elevations of Elecsys(R) S100 levels during CEA were associated with prolonged neurological disorders, whereas transient increases seem to represent impaired blood-brain barrier integrity without neurological deficits.

E- and P-selectin are not required for the development of experimental autoimmune encephalomyelitis in C57BL/6 and SJL mice

In multiple sclerosis and in its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), inflammatory cells migrate across the endothelial blood-brain barrier (BBB) and gain access to the CNS. It is well-established that alpha4 integrins are actively involved in leukocyte recruitment across the BBB during EAE. In contrast, the role of endothelial E- and P-selectin in this process has been a controversial issue. In this study, we demonstrate that P-selectin protein can be detected in meningeal blood vessel endothelial cells in healthy SJL and C57BL/6 mice and on rare parenchymal CNS blood vessels in C57BL/6, but not SJL, mice. During EAE, expression of P-selectin but not E-selectin was found up-regulated on inflamed CNS microvessels surrounded by inflammatory infiltrates irrespective of their meningeal or parenchymal localization with a more prominent immunostaining detected in C57BL/6 as compared with SJL mice. P-selectin immunostaining could be localized to CNS endothelial cells and to CD41-positive platelets adhering to the vessel wall. Despite the presence of P-selectin in wild-type mice, E/P-selectin-deficient SJL and C57BL/6 mice developed clinical EAE indistinguishable from wild-type mice. Absence of E- and P-selectin did neither influence the activation of myelin-specific T cells nor the composition of the cellular infiltrates in the CNS during EAE. Finally, endothelial-specific tetracycline-inducible expression of E-selectin at the BBB in transgenic C57BL/6 mice did not alter the development of EAE. Thus, E- and P-selectin are not required for leukocyte recruitment across the BBB and the development of EAE in C57BL/6 and in SJL mice.

Cerebral vasculature is the major target of oxidative protein alterations in bacterial meningitis

We have previously shown that antioxidants such as a-phenyl-tert-butyl nitrone or N-acetylcysteine attenuate cortical neuronal injury in infant rats with bacterial meningitis, suggesting that oxidative alterations play an important role in this disease. However, the precise mechanism(s) by which antioxidants inhibit this injury remain(s) unclear. We therefore studied the extent and location of protein oxidation in the brain using various biochemical and immunochemical methods. In cortical parenchyma, a trend for increased protein carbonyls was not evident until 21 hours after infection and the activity of glutamine synthetase (another index of protein oxidation) remained unchanged. Consistent with these results, there was no evidence for oxidative alterations in the cortex by various immunohistochemical methods even in cortical lesions. In contrast, there was a marked increase in carbonyls, 4-hydroxynonenal protein adducts and manganese superoxide dismutase in the cerebral vasculature. Elevated lipid peroxidation was also observed in cerebrospinal fluid and occasionally in the hippocampus. All of these oxidative alterations were inhibited by treatment of infected animals with N-acetylcysteine or alpha-phenyl-tert-butyl nitrone. Because N-acetylcysteine does not readily cross the blood-brain barrier and has no effect on the loss of endogenous brain antioxidants, its neuroprotective effect is likely based on extraparenchymal action such as inhibition of vascular oxidative alterations.

General principles of therapy of pyogenic meningitis

In bacterial meningitis, several pharmacodynamic factors determine therapeutic success-when defined as sterilization of the CSF: (1) Local host defense deficits in the CNS require the use of bactericidal antibiotics to sterilize the CSF. (2) CSF antibiotic concentrations that are at least 10-fold above the MBC are necessary for maximal bactericidal activity. Protein binding, low pH, and slow bacterial growth rates are among the factors that may explain the high antibiotic concentrations necessary in vivo. (3) High CSF peak concentrations that lead to rapid bacterial killing appear more important than prolonged suprainhibitory concentrations, probably because very low residual levels in the CSF prevent bacterial regrowth, even during relatively long dosing intervals. (4) Penetration of antibiotics into the CSF is significantly impaired by the blood-brain barrier and thus, very high serum levels are necessary to achieve the CSF concentrations required for optimal bactericidal activity. Beyond these principles, recent data suggests that rapid lytic killing of bacteria in the CSF may have harmful effects on the brain because of the release of biologically active products from the lysed bacteria. Since rapid CSF sterilization remains a key therapeutic goal, the harmful consequences of bacterial lysis present a major challenge in the therapy of bacterial meningitis. Currently, dexamethasone represents that only clinically beneficial approach to reduce the harmful effects of bacterial lysis, and novel approaches are required to improve the outcome of this serious infection.