Serogroups and virulence genotypes of Escherichia coli isolated from patients with sepsis

Sixty strains of Escherichia coli, isolated by hemoculture, from septicemic Brazilian patients were evaluated to determine their serogroup and invasivity to Vero cells. All 60 patients died within 2 days of hospitalization. Furthermore, the molecular study of the following extraintestinal pathogenic E. coli-associated virulence factor (VF) genes was performed by PCR: i) adhesins: type 1 fimbria (fimH), S fimbria (sfaD/E), P fimbria (papC and papG alleles) and afimbrial adhesin (afaB/C); ii) capsule K1/K5 (kpsMTII); iii) siderophores: aerobactin (iucD), yersiniabactin (fyuA) and salmochelin (iroN); iv) toxins hemolysin (hlyA), necrotizing cytotoxic factor type 1 (cnf1) and secreted autotransporter toxin (sat); v) miscellaneous: brain microvascular endothelial cells invasion (ibeA), serum resistance (traT), colicin V (cvaC) and specific uropathogenic protein (usp). Our results showed that isolates are able to invade Vero cells (96.6%), differing from previous research on uropathogenic E. coli (UPEC). The O serogroups associated with UPEC were prevalent in 60% of strains vs 11.7% of other serogroups. The PCR results showed a conserved virulence subgroup profile and a prevalence above 75% for fimH, fyuA, kpsMTII and iucD, and between 35-65% for papC, papG, sat, iroN, usp and traT. The evasion from the immunological system of the host and also iron uptake are essential for the survival of extraintestinal pathogenic E. coli strains. Interestingly, among our isolates, a low prevalence of VF genes appeared. Therefore, the present study contributes to the identification of a bacterial profile for sepsis-associated E. coli.

Étude des interactions entre Haemophilus parasuis et des cellules endothéliales et épithéliales porcines: implications d’une composante bactérienne, le lipooligosaccharide (LOS)

Haemophilus parasuis est un pathogène porcin causant la maladie de Glässer caractérisée par de la polysérosite fibrineuse, polyarthrite, méningite et septicémie. La pathogenèse de l’infection et les facteurs de virulence sont encore mal connus. Le site de colonisation de Haemophilus parasuis dans le tractus respiratoire supérieur est controversé. Pour accéder à la circulation sanguine, H. parasuis doit envahir la muqueuse. H. parasuis adhère à des cellules épithéliales porcines de trachée (NPTr). Pour accéder au système nerveux central et causer la méningite, H. parasuis doit traverser la barrière hémato-méningée. H. parasuis adhère à et envahit des cellules endothéliales porcines de microvaisseaux cérébraux (PBMEC) provenant de la BBB. Le but de cette étude était d’étudier certaines interactions entre H. parasuis et son lipooligosccharide (LOS), et des cellules endothéliales et épithéliales porcines. Les résultats démontrent que l’adhésion de H. parasuis Nagasaki aux NPTr et aux PBMEC est en partie médiée par son LOS. H. parasuis induit l’apoptose des NPTr et des PBMEC, mais le LOS ne semble pas impliqué. H. parasuis, et à un niveau moindre son LOS, stimulent la sécrétion d’interleukine- (IL) 6 et d’IL-8. Différentes souches de H. parasuis sérotypes 4 et 5 (sérotypes les plus prévalents en Amérique du Nord) stimulent également les NPTr et PBMEC à produire IL-6 et IL-8. Les résultats suggèrent que le LOS de H. parasuis joue un certain rôle dans la pathogenèse de l’infection, mais d’autres composantes bactériennes sont également impliquées.

Le récepteur CD36 : implication dans le développement de l'athérosclérose et dans le recrutement des leucocytes aux sites inflammatoires

Le CD36 est un récepteur éboueur de classe B exprimé par plusieurs types cellulaires dont les macrophages et les cellules endothéliales de la microvasculature. Le CD36 présente une haute affinité de liaison pour les ligands lipidiques tels que les lipoprotéines oxydées de basse densité (LDLox). De part sa capacité à internaliser les LDLox au niveau des macrophages et de son implication dans la formation des cellules spumeuses, le CD36 joue un rôle critique dans le développement des lésions athérosclérotiques. Nous avons testé l'hypothèse selon laquelle le EP 80317, un ligand synthétique sélectif du CD36, exerce des effets anti-athérosclérotiques chez les souris déficientes en apolipoprotéine E. Un traitement prolongé (12 semaines) avec le EP 80317 réduit fortement (de 51%) la surface des lésions athérosclérotiques par comparaison aux souris témoins. L'effet anti-athérosclérotique est associé à une diminution des taux de cholestérol plasmatique, à une réduction de l’internalisation des LDLox au niveau des macrophages et à une augmentation de l’expression des protéines impliquées dans le transport inverse du cholestérol. De plus, un traitement par le EP 80317 est également associé une diminution de l’expression aortique et plasmatique de protéines pro-inflammatoires. Nos études ont aussi montré un rôle pour le CD36 dans le recrutement des phagocytes mononucléés au niveau des lésions athérosclérotiques, tel que démontré par une réduction de l’accumulation des phagocytes mononucléés radiomarqués CD36–/– par rapport aux cellules CD36+/+. À l’échelle moléculaire, nous avons montré que les phospholipides oxydés induisent la phosphorylation de la kinase Pyk2 des podosomes des monocytes/macrophages de manière dépendante de l’expression du CD36 et de Src. Cette phosphorylation est atténuée par un traitement par le EP80317. Nos résultats appuient le rôle important du CD36 dans l’athérosclérose et suggèrent que les ligands synthétiques qui modulent la fonction du CD36 représentent potentiellement une nouvelle classe d'agents anti-athérosclérotiques. Le CD36 exprimé par les cellules endothéliales de la microvasculature est un récepteur de l’hétérodimère protéique S100A8/A9. Ces protéines s’associent à l’acide arachidonique intracellulaire (AA) des neutrophiles polymorphonucléaires (PMN) et le complexe S100A8/A9/AA peut être sécrété par les PMN activés au contact de l’endothélium. Nous avons vérifié l’hypothèse selon laquelle le CD36 exprimé par la microvasculature est impliqué dans le métabolisme transcellulaire de l’AA par la liaison du complexe S100A8/A9/AA et la réponse inflammatoire. Chez deux modèles murins d'inflammation aiguë (ischémie/reperfusion des membres inférieurs et poche d’air dorsale), nous avons observé que la réponse inflammatoire, notamment l’accumulation des PMN au niveau des sites inflammatoires, est diminuée en moyenne de 63% chez les souris CD36-/-. De même, un traitement par le EP 80317 ou par les anticorps anti-S100A8/A9 diminue chacun de 60% en moyenne l’extravasation des PMN vers les tissus inflammatoires. L’administration simultanée des deux traitements n’a aucun effet supplémentaire, et ces traitements n’exercent aucun effet chez les souris CD36-/-. Nos résultats appuient le rôle du récepteur CD36 de la microvasculature dans la régulation de la réponse inflammatoire. L’utilisation des ligands synthétiques du CD36 pourrait représenter une nouvelle avenue thérapeutique dans le traitement des réponses inflammatoires aiguës.

Epithelial-Mesenchymal-Transition : a proposed mechanism in the development of Bronchiolitis Obliterans

La transplantation pulmonaire pour les patients avec une maladie pulmonaire en phase terminale est leur seul espoir de survie. Malheureusement, certains greffés du poumon rencontrent des difficultés après la transplantation du poumon, dont l'un est le rejet chronique du greffon pulmonaire également connu histologiquement comme la bronchiolite oblitérante et cliniquement comme syndrome de bronchiolite oblitérante. L'étiologie exacte de la BO reste mal comprise. Certaines hypothèses suggèrent l'implication des cellules épithéliales dans le processus de remodelage des voies respiratoires, conduisant à l'obstruction des voies aériennes. Un des mécanismes proposés est un processus de transition, connue sous le nom de transition épithéliale-mésenchymateuse (TEM). Lors de ce processus, les cellules perdent leurs propriétés épithéliales, acquièrent un phénotype mésenchymateux et deviennent plus mobiles et envahissantes. Cette transformation leur permet de participer activement au processus de remodelage bronchique dans la bronchiolite oblitérante. L’induction de la TEM peut être due à certains facteurs tels que l'inflammation et l'apoptose. Le principal objectif de ce travail de maîtrise est de détecter in vivo la présence de la TEM dans des biopsies transbronchiques obtenues chez des greffés et de l’associer à leurs conditions cliniques. Le deuxième objectif est d'induire la TEM in vitro dans les cellules épithéliales des petites voies aériennes à l'aide de milieux conditionnés apoptotiques et non apoptotiques produits par les cellules endothéliales microvasculaires humaines du poumon. D’autre part, nous avons évalué si des médiateurs connus pour participer au processus de TEM tels que le facteur de croissance du tissu conjonctif (CTGF)et le facteur de croissance transformant bêta (TGF-beta) ainsi que le perlecan sont présents dans les milieux conditionnés utilisés.

Les cellules endothéliales peuvent acquérir un phénotype mésenchymateux associé avec l’expression de la protéine nestine dans un modèle d’hypertrophie cardiaque et de fibrose réactive

L’hypertrophie cardiaque représente la réponse primaire du cœur dans le but d’améliorer la fonction cardiaque qui est compromise suite à un accident ischémique ou une surcharge hémodynamique. Cependant, l’hypertrophie cardiaque a pour conséquence pathologique la fibrose réactive, qui est caractérisée par la synthèse incontrôlée et le dépôt du collagène par les myofibroblastes. Ainsi, l’accumulation accrue du collagène dans le cœur hypertrophié mène à l’augmentation de la rigidité cardiaque et la détérioration progressive de la fonction contractile du cœur. Plusieurs études ont démontré que la protéine nestine, appartenant à la famille des filaments intermédiaires, est ré-exprimée dans les myofibroblastes durant la fibrose réparative et est impliquée dans la prolifération cellulaire. Basée sur ces observations, cette étude teste l’hypothèse selon laquelle nestine est induite dans les myofibroblastes suivant le développement de la fibrose réactive dans le cœur des rats ayant subi une constriction aortique supra-rénale. Deux semaines suivant une constriction aortique supra-rénale chez le rat, un patron d’hypertrophie concentrique cardiaque a été observé et associé avec une réponse de fibrose réactive caractérisée par le dépôt accru de collagène dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire de nombreux vaisseaux sanguins cardiaques. De plus, les niveaux de la protéine nestine sont augmentés significativement dans les cœurs des rats hypertrophiés, et ce, de façon corrélative avec la pression artérielle moyenne et la pression systolique du ventricule gauche. Les techniques d’immunofluorescences ont révélé une apparition accrue des cellules immunoréactives à nestine, qui présentent un phénotype mésenchymateux caractérisé par la co-expression de collagène dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire des cœurs hypertrophiés. Ces données suggèrent que les fibroblastes résidents peuvent exprimer la protéine nestine ou que l’expression de nestine est induite en réponse aux facteurs pro-fibrotiques impliqués dans la fibrose réactive. En effet, l’exposition des myofibroblastes normaux et des myofibroblastes isolés des cœurs hypertrophiés à l’AII, TGF-B1 et EGF augmente significativement l’expression de la protéine nestine, tandis que l’expression de l’α-SMA demeure inchangée. De plus, de manière prédominante dans le cœur hypertrophié, des cellules non-vasculaires CD31(+) ont été détectées dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire. Ces cellules co-expriment nestine et collagène suggérant une transition des cellules endothéliales vers un phénotype mésenchymateux. Finalement, la protéine nestine, sous sa forme filamenteuse, a été détectée dans les cellules endothéliales de l’artère coronaire humaine et leur exposition au TGF-B1, induit l’expression de collagène. En revanche, l’expression de collagène a été détectée dans les cellules microvasculaires de rats CD31(+), alors que l’expression de nestine est absente. En réponse aux traitements de TGF-B1 et EGF, l’expression de nestine, sous sa forme non-filamenteuse, est détectée dans les cellules microvasculaires de rats. Collectivement, ces données supportent la prémisse selon laquelle la réponse de fibrose réactive dans les cœurs hypertrophiés, suite à une constriction aortique supra-rénale, est attribuée en partie à l’augmentation de l’apparition des cellules mésenchymateuses positives à l’expression de nestine qui proviennent des fibroblastes résidents du ventricule. De plus, les données in vivo et in vitro suggèrent que les cellules endothéliales déplacées représentent une source additionnelle des cellules mésenchymateuses nestine(+) dans le cœur hypertrophié et contribuent au développement de la fibrose réactive. Cibler la protéine nestine peut représenter une approche thérapeutique afin d’atténuer la réponse de fibrose réactive indépendamment de l’origine des cellules mésenchymateuses.

Rôle des cellules endothéliales dans l’immunité innée précoce induite lors d’infections par des coronavirus murins

Les cellules endothéliales (EC) constituent une première barrière physique à la dissémination de virus pléiotropiques circulant par voie hématogène mais leur contribution à la défense innée anti-virale est peu connue. Des dysfonctions des EC de la barrière hémato-encéphalique (BMEC) et des sinusoïdes hépatiques (LSEC) ont été rapportées dans des neuropathologies et des hépatites aiguës ou chroniques d’origine virale, suggérant que des atteintes à leur intégrité contribuent à la pathogenèse. Les sérotypes de coronavirus de l’hépatite murine (MHV), se différenciant par leur capacité à induire des hépatites et des maladies neurologiques de sévérité variable et/ou leur tropisme pour les EC, représentent des modèles viraux privilégiés pour déterminer les conséquences de l’infection des EC sur la pathogenèse virale. Lors d’infection par voie hématogène, le sérotype MHV3, le plus virulent des MHV, induit une hépatite fulminante, caractérisée par une réponse inflammatoire sévère, et des lésions neurologiques secondaires alors que le sérotype moins virulent, MHV-A59, induit une hépatite modérée sans atteintes secondaires du système nerveux central (SNC). Par ailleurs, le sérotype MHV3, à la différence du MHV-A59, démontre une capacité à stimuler la production de cytokines par la voie TLR2. Les variants atténués du MHV3, les virus 51.6-MHV3 et YAC-MHV3, sont caractérisés par un faible tropisme pour les LSEC et induisent respectivement une hépatite modérée et subclinique. Compte tenu de l’importance des LSEC dans le maintien de la tolérance hépatique et de l’élimination des pathogènes circulants, il a été postulé que la sévérité de l’hépatite et de la réponse inflammatoire lors d’infections par les MHV est associée à la réplication virale et à l’altération des propriétés tolérogéniques et vasculaires des LSEC. Les désordres inflammatoires hépatiques pourraient résulter d’une activation différentielle du TLR2, plutôt que des autres TLR et des hélicases, selon les sérotypes. D’autre part, compte tenu du rôle des BMEC dans la prévention des infections du SNC, il a été postulé que l’invasion cérébrale secondaire par les coronavirus est reliée à l’infection des BMEC et le bris subséquent de la barrière hémato-encéphalique (BHE). À l’aide d’infections in vivo et in vitro par les différents sérotypes MHV, chez des souris ou des cultures de BMEC et de LSEC, nous avons démontré, d’une part, que l’infection in vitro des LSEC par le sétotype MHV3, à la différence des variants 51.6- et YAC-MHV3, altérait la production du facteur vasodilatant NO et renversait leur phénotype tolérogénique en favorisant la production de cytokines et de chimiokines inflammatoires. Ces dysfonctions se traduisaient in vivo par une réponse inflammatoire incontrôlée et une dérégulation du recrutement intrahépatique de leucocytes, favorisant la réplication virale et les dommages hépatiques. Nous avons aussi démontré, à l’aide de souris TLR2 KO et de LSEC dont l’expression du TLR2 a été abrogée par des siRNA, que la sévérité de l’hépatite et de la réponse inflammatoire induite par le sérotype MHV3, dépendait en partie de l’induction et de l’activation préférentielle du TLR2 par le virus dans le foie. D’autre part, la sévérité de la réplication virale au foie et des désordres dans le recrutement leucocytaire intrahépatique induits par le MHV3, et non par le MHV-A59 et le 51.6-MHV3, corrélaient avec une invasion virale subséquente du SNC, au niveau de la BHE. Nous avons démontré que l’invasion cérébrale du MHV3 était associée à une infection productive des BMEC et l’altération subséquente des protéines de jonctions serrées occludine, VE-cadhérine et ZO-1 se traduisant par une augmentation de la perméabilité de la BHE et l’entrée consécutive du virus dans le cerveau. Dans l’ensemble, les résultats de cette étude mettent en lumière l’importance du maintien de l’intégrité structurale et fonctionnelle des LSEC et des BMEC lors d’infections virales aigües par des MHV afin de limiter les dommages hépatiques associés à l’induction d’une réponse inflammatoire exagérée et de prévenir le passage des virus au cerveau suite à une dissémination par voie hématogène. Ils révèlent en outre un nouveau rôle aggravant pour le TLR2 dans l’évolution de l’hépatite virale aigüe ouvrant la voie à de nouvelles avenues thérapeutiques visant à moduler l’activité inflammatoire du TLR2.

Convergencia de vías de señalización en un modelo de apoptosis

La sepsis es un evento inflamatorio generalizado del organismo inducido por un daño causado generalmente por un agente infeccioso. El patógeno más frecuentemente asociado con esta entidad es el Staphylococcus aureus, responsable de la inducción de apoptosis en células endoteliales debida a la producción de ceramida. Se ha descrito el efecto protector de la proteína C activada (PCA) en sepsis y su relación con la disminución de la apoptosis de las células endoteliales. En este trabajo se analizó la activación de las quinasas AKT, ASK1, SAPK/JNK y p38 en un modelo de apoptosis endotelial usando las técnicas de Western Blotting y ELISA. Las células endoteliales (EA.hy926), se trataron con C2-ceramida (130μM) en presencia de inhibidores químicos de cada una de estas quinasas y PCA. La supervivencia de las células en presencia de inhibidores químicos y PCA fue evaluada por medio de ensayos de activación de las caspasas 3, 7 y 9, que verificaban la muerte celular por apoptosis. Los resultados evidencian que la ceramida reduce la activación de AKT y aumenta la activación de las quinasas ASK, SAPK/JNK y p38, en tanto que PCA ejerce el efecto contrario. Adicionalmente se encontró que la tiorredoxina incrementa la activación/fosforilación de AKT, mientras que la quinasa p38 induce la defosforilación de AKT.

Endothelin-converting enzyme 1 promotes re-sensitization of neurokinin 1 receptor-dependent neurogenic inflammation

BACKGROUND AND PURPOSE: The metalloendopeptidase endothelin-converting enzyme 1 (ECE-1) is prominently expressed in the endothelium where it converts big endothelin to endothelin-1, a vasoconstrictor peptide. Although ECE-1 is found in endosomes in endothelial cells, the role of endosomal ECE-1 is unclear. ECE-1 degrades the pro-inflammatory neuropeptide substance P (SP) in endosomes to promote recycling and re-sensitization of its neurokinin 1 (NK(1)) receptor. We investigated whether ECE-1 regulates NK(1) receptor re-sensitization and the pro-inflammatory effects of SP in the endothelium. EXPERIMENTAL APPROACH: We examined ECE-1 expression, SP trafficking and NK(1) receptor re-sensitization in human microvascular endothelial cells (HMEC-1), and investigated re-sensitization of SP-induced plasma extravasation in rats. KEY RESULTS: HMEC-1 expressed all four ECE-1 isoforms (a-d), and fluorescent SP trafficked to early endosomes containing ECE-1b/d. The ECE-1 inhibitor SM-19712 prevented re-sensitization of SP-induced Ca2+ signals in HMEC-1 cells. Immunoreactive ECE-1 and NK(1) receptors co-localized in microvascular endothelial cells in the rat. SP-induced extravasation of Evans blue in the urinary bladder, skin and ears of the rat desensitized when the interval between two SP injections was 10 min, and re-sensitized after 480 min. SM-19712 inhibited this re-sensitization. CONCLUSIONS AND IMPLICATIONS: By degrading endocytosed SP, ECE-1 promotes the recycling and re-sensitization of NK(1) receptors in endothelial cells, and thereby induces re-sensitization of the pro-inflammatory effects of SP. Thus, ECE-1 inhibitors may ameliorate the pro-inflammatory actions of SP.

Potencial angiogênico de células pulpares humanas em hipóxia

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Etablierung einer Ko-Kultur von Alveolarepithel und mikrovaskulärem Endothel als in-vitro-Modell einer humanen respiratorischen Einheit

Ziel der Promotionsarbeit war die Etablierung einer humanen respiratorischen Einheit in vitro zur Untersuchung von Wirkmechanismen einer akuten Lungenschädigung. Als Ko-Kulturmodell wurde eine Kultur humaner Alveoloarepithelzellen vom Typ II (A549, NCI H441, primäre hATII Zellen) mit mikrovaskulären Endothelzellen (ISO-HAS-1, primäre HPMEC) auf den beiden Seiten einer mikroporösen Filtermembran (Bilayer) gewählt. Ein differenzierter Monolayer von NCI H441 konnte in Bilayer-Ko-Kultur mit ISO-HAS-1 oder HPMEC durch die Zugabe von Dexamethason (1 µM) unter Verwendung eines serumhaltigen Mediums induziert werden. Dabei wurde eine von Tag 10 bis Tag 12 phänotypisch stabile Ko-Kultur mit TER-Werten um 500 Ohm x cm2 erhalten. Im Hinblick auf die Freisetzung von IL-8 und MCP-1 und die fehlende Freisetzung von RANTES nach Stimulation waren NCI H441 den hATII Zellen ähnlicher als die häufig als hATII-analog eingesetzte Zell-Linie A549, die RANTES freisetzte. Außerdem bildeten A549 trotz zahlreicher Variatione

Interactions of inhaled nanoparticles with the alveolar-capillary barrier of the human respiratory tract

In dieser Arbeit wurden zytotoxische Effekte sowie die inflammatorische Reaktionen des distalen respiratorischen Traktes nach Nanopartikelexposition untersucht. Besondere Aufmerksamkeit lag auch auf der Untersuchung unterschiedlicher zellulärer Aufnahmewege von Nanopartikeln wie z.B. Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose oder auch Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose (mit möglicher Beteiligung von Flotillinen). Drei unterschiedliche Nanopartikel wurden hierbei gewählt: amorphes Silica (aSNP), Organosiloxan (AmorSil) und Poly(ethyleneimin) (PEI). Alle unterschiedlichen Materialien gewinnen zunehmend an Interesse für biomedizinische Forschungsrichtungen (drug and gene delivery). Insbesondere finden aSNPs auch in der Industrie vermehrt Anwendung, und stellen somit ein ernstzunehmendes Gesundheitsrisiko dar. Dieser wird dadurch zu einem begehrten Angriffsziel für pharmazeutische Verabreichungen von Medikamenten über Nanopartikel als Vehikel aber bietet zugleich auch eine Angriffsfläche für gesundheitsschädliche Nanomaterialien. Aus diesem Grund sollten die gesundheitsschädigenden Risiken, sowie das Schicksal von zellulär aufgenommenen NPs sorgfältig untersucht werden. In vivo Studien an der alveolaren-kapillaren Barriere sind recht umständlich. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Kokulturmodel benutzt, dass die Alveolar-Kapillare Barrier in vivo nachstellt. Das Model besteht aus dem humanen Lungenepithelzelltyp (z.B. NCI H441) und einem humanen microvasculären Endothelzelltyp (z.B. ISO-HAS-1), die auf entgegengesetzten Seiten eines Transwell-Filters ausgesät werden und eine dichte Barriere ausbilden. Die NP Interaktion mit Zellen in Kokultur wurde mit denen in konventioneller Monokultur verglichen, in der Zellen 24h vor dem Experiment ausgesät werden. Diese Studie zeigt, dass nicht nur die polarisierte Eigenschaft der Zellen in Kokultur sondern auch die unmittelbare Nähe von Epithel und Endothelzelle ausschlaggebend für durch aSNPs verursachte Effekte ist. Im Hinblick auf inflammatorische Marker (sICAM, IL-6, IL8-Ausschüttung), reagiert die Kokultur auf aSNPs empfindlicher als die konventionelle Monokultur, wohingegen die Epithelzellen in der Kokultur auf zytotoxikologischer Ebene (LDH-Ausschüttung) unempfindlicher auf aSNPs reagierten als die Zellen in Monokultur. Aufnahmestudien haben gezeigt, dass die Epithelzellen in Kokultur entschieden weniger NPs aufnehmen. Somit zeigen die H441 in der Kokultur ähnliche epitheliale Eigenschaften einer schützenden Barriere, wie sie auch in vivo zu finden sind. Obwohl eine ausreichende Aufnahme von NPs in H441 in Kokultur erreicht werden konnte, konnte ein Transport von NPs durch die epitheliale Schicht und eine Aufnahme in die endotheliale Schicht mit den gewählten Inkubationszeiten nicht gezeigt werden. Eine Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose von NPs konnte mittels Immunfluoreszenz weder in der Mono- noch in der Kokultur nachgewiesen werden. Jedoch zeigte sich eine Akkumulation von NPs in Flotillin-1 und-2 enthaltende Vesikel in Epithelzellen aus beiden Kultursystemen. Ergebnisse mit Flotillin-inhibierten (siRNA) Epithelzellen, zeigten eine deutlich geringere Aufnahme von aSNPs. Zudem zeigte sich eine eine reduzierte Viabilität (MTS) von aSNP-behandelten Zellen. Dies deutet auf eine Beteiligung von Flotillinen an unbekannten (Clathrin oder Caveolae -unabhängig) Endozytosemechanismen und (oder) endosomaler Speicherung. Zusammenfassend waren die Aufnahmemechanismen für alle untesuchten NPs in konventioneller Monokultur und Kokultur vergleichbar, obwohl sich die Barriereeigenschaften deutlich unterscheiden. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass sich die Zellen in Kokultur anders verhalten. Die Zellen erreichen hierbei einen höheren Differenzierungsgrad und eine Zellkommunikation mit anderen relevanten Zelltypen wird ermöglicht. Durch das Einbringen eines dritten relevanten Zelltyps in die Kokultur, des Alveolarmakrophagen (Zelllinie THP-1), welcher die erste Verteidigungsfront im Alveolus bildet, wird diese Aussage weiter bekräftigt. Erste Versuche haben gezeigt, dass die Triplekultur bezüglich ihrer Barriereeigenschaften und IL-8-Ausschüttung sensitiver auf z.B. TNF- oder LPS-Stimulation reagiert als die Kokultur. Verglichen mit konventionellen Monokulturen imitieren gut ausgebildete, multizelluräre Kokulturmodelle viel präziser das zelluläre Zusammenspiel im Körper. Darum liefern Nanopartikelinteraktionen mit dem in vitro-Triplekulturmodel aufschlussreichere Ergebnisse bezüglich umweltbedingter oder pharmazeutischer NP-Exposition in der distalen Lung als es uns bisher möglich war.

The blood-brain and the blood-cerebrospinal fluid barriers: function and dysfunction

The central nervous system (CNS) is tightly sealed from the changeable milieu of blood by the blood-brain barrier (BBB) and the blood-cerebrospinal fluid (CSF) barrier (BCSFB). While the BBB is considered to be localized at the level of the endothelial cells within CNS microvessels, the BCSFB is established by choroid plexus epithelial cells. The BBB inhibits the free paracellular diffusion of water-soluble molecules by an elaborate network of complex tight junctions (TJs) that interconnects the endothelial cells. Combined with the absence of fenestrae and an extremely low pinocytotic activity, which inhibit transcellular passage of molecules across the barrier, these morphological peculiarities establish the physical permeability barrier of the BBB. In addition, a functional BBB is manifested by a number of permanently active transport mechanisms, specifically expressed by brain capillary endothelial cells that ensure the transport of nutrients into the CNS and exclusion of blood-borne molecules that could be detrimental to the milieu required for neural transmission. Finally, while the endothelial cells constitute the physical and metabolic barrier per se, interactions with adjacent cellular and acellular layers are prerequisites for barrier function. The fully differentiated BBB consists of a complex system comprising the highly specialized endothelial cells and their underlying basement membrane in which a large number of pericytes are embedded, perivascular antigen-presenting cells, and an ensheathment of astrocytic endfeet and associated parenchymal basement membrane. Endothelial cell morphology, biochemistry, and function thus make these brain microvascular endothelial cells unique and distinguishable from all other endothelial cells in the body. Similar to the endothelial barrier, the morphological correlate of the BCSFB is found at the level of unique apical tight junctions between the choroid plexus epithelial cells inhibiting paracellular diffusion of water-soluble molecules across this barrier. Besides its barrier function, choroid plexus epithelial cells have a secretory function and produce the CSF. The barrier and secretory function of the choroid plexus epithelial cells are maintained by the expression of numerous transport systems allowing the directed transport of ions and nutrients into the CSF and the removal of toxic agents out of the CSF. In the event of CNS pathology, barrier characteristics of the blood-CNS barriers are altered, leading to edema formation and recruitment of inflammatory cells into the CNS. In this review we will describe current knowledge on the cellular and molecular basis of the functional and dysfunctional blood-CNS barriers with focus on CNS autoimmune inflammation.

Culture-induced changes in blood-brain barrier transcriptome: implications for amino-acid transporters in vivo

Tight homeostatic control of brain amino acids (AA) depends on transport by solute carrier family proteins expressed by the blood-brain barrier (BBB) microvascular endothelial cells (BMEC). To characterize the mouse BMEC transcriptome and probe culture-induced changes, microarray analyses of platelet endothelial cell adhesion molecule-1-positive (PECAM1(+)) endothelial cells (ppMBMECs) were compared with primary MBMECs (pMBMEC) cultured in the presence or absence of glial cells and with b.End5 endothelioma cell line. Selected cell marker and AA transporter mRNA levels were further verified by reverse transcription real-time PCR. Regardless of glial coculture, expression of a large subset of genes was strongly altered by a brief culture step. This is consistent with the known dependence of BMECs on in vivo interactions to maintain physiologic functions, for example, tight barrier formation, and their consequent dedifferentiation in culture. Seven (4F2hc, Lat1, Taut, Snat3, Snat5, Xpct, and Cat1) of nine AA transporter mRNAs highly expressed in freshly isolated ppMBMECs were strongly downregulated for all cultures and two (Snat2 and Eaat3) were variably regulated. In contrast, five AA transporter mRNAs with low expression in ppMBMECs, including y(+)Lat2, xCT, and Snat1, were upregulated by culture. We hypothesized that the AA transporters highly expressed in ppMBMECs and downregulated in culture have a major in vivo function for BBB transendothelial transport.

Novel insights into the development and maintenance of the blood-brain barrier

The blood-brain barrier (BBB) is essential for maintaining homeostasis within the central nervous system (CNS) and is a prerequisite for proper neuronal function. The BBB is localized to microvascular endothelial cells that strictly control the passage of metabolites into and out of the CNS. Complex and continuous tight junctions and lack of fenestrae combined with low pinocytotic activity make the BBB endothelium a tight barrier for water soluble moleucles. In combination with its expression of specific enzymes and transport molecules, the BBB endothelium is unique and distinguishable from all other endothelial cells in the body. During embryonic development, the CNS is vascularized by angiogenic sprouting from vascular networks originating outside of the CNS in a precise spatio-temporal manner. The particular barrier characteristics of BBB endothelial cells are induced during CNS angiogenesis by cross-talk with cellular and acellular elements within the developing CNS. In this review, we summarize the currently known cellular and molecular mechanisms mediating brain angiogenesis and introduce more recently discovered CNS-specific pathways (Wnt/β-catenin, Norrin/Frizzled4 and hedgehog) and molecules (GPR124) that are crucial in BBB differentiation and maturation. Finally, based on observations that BBB dysfunction is associated with many human diseases such as multiple sclerosis, stroke and brain tumors, we discuss recent insights into the molecular mechanisms involved in maintaining barrier characteristics in the mature BBB endothelium.

Primary human lung pericytes support and stabilize in-vitro perfusable microvessels.

The formation of blood vessels is a complex tissue-specific process that plays a pivotal role during developmental processes, in wound healing, cancer progression, fibrosis and other pathologies. To study vasculogenesis and vascular remodeling in the context of the lung, we developed an in-vitro microvascular model that closely mimics the human lung microvasculature in terms of 3D architecture, accessibility, functionality and cell types. Human pericytes from the distal airway were isolated and characterized using flow cytometry. To assess their role in the generation of normal microvessels, lung pericytes were mixed in fibrin gel and seeded into well-defined microcompartments together with primary endothelial cells (HUVEC). Patent microvessels covering an area of 3.1 mm2 formed within 3-5 days and were stable for up to 14 days. Soluble signals from the lung pericytes were necessary to establish perfusability, and pericytes migrated towards endothelial microvessels. Cell-cell communication in the form of adherens and tight junctions, as well as secretion of basement membrane was confirmed using transmission electron microscopy and immunocytochemistry on chip. Direct co-culture of pericytes with endothelial cells decreased the microvascular permeability by one order of magnitude from 17.8∙10-6 cm/s to 2.0∙10-6 cm/s and led to vessels with significantly smaller and less variable diameter. Upon phenylephrine administration, vasoconstriction was observed in microvessels lined with pericytes but not in endothelial microvessels only. Perfusable microvessels were also generated with human lung microvascular endothelial cells and lung pericytes. Human lung pericytes were thus shown to have a prominent influence on microvascular morphology, permeability, vasoconstriction and long-term stability in an in-vitro microvascular system. This biomimetic platform opens new possibilities to test functions and interactions of patient-derived cells in a physiologically relevant microvascular setting.