No evidence of UV cone input to mono- and biphasic horizontal cells in the goldfish retina

Many animal species make use of ultraviolet (UV) light in a number of behaviors, such as feeding and mating. The goldfish (Carassius auratus) is among those with a UV photoreceptor and pronounced UV sensitivity. Little is known, however, about the retinal processing of this input. We addressed this issue by recording intracellularly from second-order neurons in the adult goldfish retina. In order to test whether cone-driven horizontal cells (HCs) receive UV cone inputs, we performed chromatic adaptation experiments with mono- and biphasic HCs. We found no functional evidence of a projection from the UV-sensitive cones to these neurons in adult animals. This suggests that goldfish UV receptors may contact preferentially triphasic HCs, which is at odds with the hypothesis that all cones contact all cone-driven HC types. However, we did find evidence of direct M-cone input to monophasic HCs, favoring the idea that cone-HC contacts are more promiscuous than originally proposed. Together, our results suggest that either UV cones have a more restricted set of post-synaptic partners than the other three cone types, or that the UV input to mono- and biphasic HCs is not very pronounced in adult animals.

Restoration of the rabbit corneal surface after total epithelial debridement and complete limbal excision

How is the corneal epithelium restored when all of it plus the limbus have been eliminated? This investigation explored the possibility that this may be achieved through the conjunctival epithelium. The corneal epithelium of the right eye of 12 rabbits (Oryctolagus cuniculus) was totally scraped followed by surgical excision of the limbus plus 1.0-1.5 mm of the adjacent conjunctiva. Antibiotics and corticosteroids were applied for 1 week after surgery. Histological and immunohistochemical techniques were used to monitor the events taking place on the eye surface 2 weeks and 1, 3 and 6 months thereafter. Initially, the corneal surface was covered by conjunctival-like epithelium. After 1 month and more prominently at 3 and 6 months an epithelium displaying the morphological features of the cornea and reacting with the AE5 antibody was covering the central region. It is likely that the corneal epithelium originated from undifferentiated cells of the conjunctiva interacting with the corneal stroma.

C-Phycocyanin protects SH-SY5Y cells from oxidative injury, rat retina from transient ischemia and rat brain mitochondria from Ca2+/phosphate-induced impairment

Oxidative stress and mitochondrial impairment are essential in the ischemic stroke cascade and eventually lead to tissue injury. C-Phycocyanin (C-PC) has previously been shown to have strong antioxidant and neuroprotective actions. In the present study, we assessed the effects of C-PC on oxidative injury induced by tert-butylhydroperoxide (t-BOOH) in SH-SY5Y neuronal cells, on transient ischemia in rat retinas, and in the calcium/phosphate-induced impairment of isolated rat brain mitochondria (RBM). In SH-SY5Y cells, t-BOOH induced a significant reduction of cell viability as assessed by an MTT assay, and the reduction was effectively prevented by treatment with C-PC in the low micromolar concentration range. Transient ischemia in rat retinas was induced by increasing the intraocular pressure to 120 mmHg for 45 min, which was followed by 15 min of reperfusion. This event resulted in a cell density reduction to lower than 50% in the inner nuclear layer (INL), which was significantly prevented by the intraocular pre-treatment with C-PC for 15 min. In the RBM exposed to 3 mM phosphate and/or 100 mu M Ca2+, C-PC prevented in the low micromolar concentration range, the mitochondrial permeability transition as assessed by mitochondrial swelling, the membrane potential dissipation, the increase of reactive oxygen species levels and the release of the pro-apoptotic cytochrome c. In addition, C-PC displayed a strong inhibitory effect against an electrochemically-generated Fenton reaction. Therefore, C-PC is a potential neuroprotective agent against ischemic stroke, resulting in reduced neuronal oxidative injury and the protection of mitochondria from impairment. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Dynamic Range of Vertebrate Retina Ganglion Cells: Importance of Active Dendrites and Coupling by Electrical Synapses

The vertebrate retina has a very high dynamic range. This is due to the concerted action of its diverse cell types. Ganglion cells, which are the output cells of the retina, have to preserve this high dynamic range to convey it to higher brain areas. Experimental evidence shows that the firing response of ganglion cells is strongly correlated with their total dendritic area and only weakly correlated with their dendritic branching complexity. On the other hand, theoretical studies with simple neuron models claim that active and large dendritic trees enhance the dynamic range of single neurons. Theoretical models also claim that electrical coupling between ganglion cells via gap junctions enhances their collective dynamic range. In this work we use morphologically reconstructed multi-compartmental ganglion cell models to perform two studies. In the first study we investigate the relationship between single ganglion cell dynamic range and number of dendritic branches/total dendritic area for both active and passive dendrites. Our results support the claim that large and active dendrites enhance the dynamic range of a single ganglion cell and show that total dendritic area has stronger correlation with dynamic range than with number of dendritic branches. In the second study we investigate the dynamic range of a square array of ganglion cells with passive or active dendritic trees coupled with each other via dendrodendritic gap junctions. Our results suggest that electrical coupling between active dendritic trees enhances the dynamic range of the ganglion cell array in comparison with both the uncoupled case and the coupled case with cells with passive dendrites. The results from our detailed computational modeling studies suggest that the key properties of the ganglion cells that endow them with a large dynamic range are large and active dendritic trees and electrical coupling via gap junctions.

DETERMINATION OF DICLOFENAC SODIUM IN RABBIT PLASMA BY HPLC/UV: EVALUATION AND CHARACTERIZATION OF ITS CRYSTALLINE FORMS, ANHYDROUS AND HYDRATE, ON THE ANTIPYRETIC EFFECT

Diclofenac sodium (DS) is a non-steroidal anti-inflammatory drug that is widely prescribed for the treatment of rheumatoid arthritis and post-surgery analgesia. The active pharmaceutical ingredient is the anhydrous form; however, it can also exist in hydrate form. In this context, knowing the properties of the solid state is important and relevant in the pharmaceutical area because they have a significant impact on the solubility, bioavailability, and chemical stability of the drugs. In the present study, data from XRPD, FTIR spectroscopy, and thermal analysis were used for the identification and characterization of DS forms (anhydrous and hydrate). An HPLC method was optimized to evaluate the plasma concentration of DS in rabbits. The optimized method exhibited good linearity over the range 0.1-60 mu g/mL with correlation coefficients of >0.9991. The mean recovery was 100%. Precision and accuracy were determined within acceptable limits. Finally, to compare the pharmacological properties of anhydrous and hydrate DS forms, we investigated their effects in the febrile response induced by lipopolysaccharide from E. coli in rabbits. The results show that the antipyretic effect of anhydrous and hydrate DS forms are similar.

The protective effect of cilostazol on isolated rabbit femoral arteries under conditions of ischemia and reperfusion: the role of the nitric oxide pathway

OBJECTIVES: The clinical significance of ischemia/reperfusion of the lower extremities demands further investigation to enable the development of more effective therapeutic alternatives. This study investigated the changes in the vascular reactivity of the rabbit femoral artery and nitric oxide metabolites under partial ischemia/reperfusion conditions following cilostazol administration. METHODS: Ischemia was induced using infrarenal aortic clamping. The animals were randomly divided into seven groups: Control 90 minutes, Ischemia/Reperfusion 90/60 minutes, Control 120 minutes, Ischemia/Reperfusion 120/90 minutes, Cilostazol, Cilostazol before Ischemia/Reperfusion 120/90 minutes, and Ischemia 120 minutes/Cilostazol/Reperfusion 90 minutes. Dose-response curves for sodium nitroprusside, acetylcholine, and the calcium ionophore A23187 were obtained in isolated femoral arteries. The levels of nitrites and nitrates in the plasma and skeletal muscle were determined using chemiluminescence. RESULTS: Acetylcholine- and A23187-induced relaxation was reduced in the Ischemia/Reperfusion 120/90 group, and treatment with cilostazol partially prevented this ischemia/reperfusion-induced endothelium impairment. Only cilostazol treatment increased plasma levels of nitrites and nitrates. An elevation in the levels of nitrites and nitrates was observed in muscle tissues in the Ischemia/Reperfusion 120/90, Cilostazol/Ischemia/Reperfusion, and Ischemia/Cilostazol/Reperfusion groups. CONCLUSION: Hind limb ischemia/reperfusion yielded an impaired endothelium-dependent relaxation of the femoral artery. Furthermore, cilostazol administration prior to ischemia exerted a protective effect on endothelium-dependent vascular reactivity under ischemia/reperfusion conditions.

Biventricular structural and functional responses to aortic constriction in a rabbit model of chronic right ventricular pressure overload

Objectives: Chronic right ventricular (RV) pressure overload results in pathologic RV hypertrophy and diminished RV function. Although aortic constriction has been shown to improve systolic function in acute RV failure, its effect on RV responses to chronic pressure overload is unknown. Methods: Adjustable vascular banding devices were placed on the main pulmonary artery and descending aorta. In 5 animals (sham group), neither band was inflated. In 9 animals (PAB group), only the pulmonary arterial band was inflated, with adjustments on a weekly basis to generate systemic or suprasystemic RV pressure at 28 days. In 9 animals, both pulmonary arterial and aortic devices were inflated (PAB+AO group), the pulmonary arterial band as for the PAB group and the aortic band adjusted to increase proximal systolic blood pressure by approximately 20 mm Hg. Effects on the functional performance were assessed 5 weeks after surgery by conductance catheters, followed by histologic and molecular assessment. Results: Contractile performance was significantly improved in the PAB+AO group versus the PAB group for both ventricles. Relative to sham-operated animals, both banding groups showed significant differences in myocardial histologic and molecular responses. Relative to the PAB group, the PAB+AO group showed significantly decreased RV cardiomyocyte diameter, decreased RV collagen content, and reduced RV expression of endothelin receptor type B, matrix metalloproteinase 9, and transforming growth factor beta genes. Conclusions: Aortic constriction in an experimental model of chronic RV pressure overload not only resulted in improved biventricular systolic function but also improved myocardial remodeling. These data suggest that chronically increased left ventricular afterload leads to a more physiologically hypertrophic response in the pressure-overloaded RV. (J Thorac Cardiovasc Surg 2012;144:1494-501)

Morphological evidence of neurotoxicity in retina after methylmercury exposure

The visual system is particularly sensitive to methylmercury (MeHg) exposure and, therefore, provides a useful model for investigating the fundamental mechanisms that direct toxic effects. During a period of 70 days, adult of a freshwater fish species Hoplias malabaricus were fed with fish prey previously labeled with two different doses of methylmercury (0.075 and 0.75 mu g g(-1)) to determine the mercury distribution and morphological changes in the retina. Mercury deposits were found in the photoreceptor layer, in the inner plexiform layer and in the outer plexiform layer, demonstrating a dose-dependent bioaccumulation. The ultrastructure analysis of retina revealed a cellular deterioration in the photoreceptor layer, morphological changes in the inner and outer segments of rods, structural changes in the plasma membrane of rods and double cones, changes in the process of removal of membranous discs and a structural discontinuity. These results lead to the conclusion that methylmercury is able to cross the blood-retina barrier, accumulate in the cells and layers of retina and induce changes in photoreceptors of H. malabaricus even under subchronic exposure. (c) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Effects of Hepatocyte Growth Factor Injection and Reinjection on Healing in the Rabbit Vocal Fold

Objectives/Hypothesis. Hepatocyte growth factor (HGF) is a multifunctional polypeptide that plays various roles in embryogenesis and tissue regeneration and exhibits marked antifibrotic activity. The present study sought to assess the effects of HGF injection and reinjection coinciding with its peak of activity on collagen density, vessel density, inflammatory reaction in the lamina propria, and mean epithelial thickness in the injured rabbit vocal fold. Study Design. Prospective, controlled, experimental animal study. Methods. Fourteen rabbits were subdivided into two groups and underwent injury of the vocal folds. Immediately after injury, animals in group 1 received HGF injections into the right vocal fold (RVF), whereas those in group 2 received bilateral HGF injections and a single reinjection into the RVF 10 days after the first, to coincide with the peak of HGF activity. The left vocal folds (LVFs) served as controls in both groups. Histological assessment of laryngeal specimens was performed at 30 and 40 days, respectively. Results. In both groups, collagen density was lower in the right (treated) vocal folds than in the left (control) folds (P = 0.018). Vessel density was higher in the RVFs in group 2 (P = 0.018). Differences were found in mean epithelial thickness and inflammatory reaction in the lamina propria but did not reach statistical significance. Conclusions. In the scarred rabbit vocal fold, HGF injection is associated with decreased collagen density in the lamina propria, whereas reinjection after 10 days produces decreased collagen density and higher vessel density.

In Vitro Effects of Bevacizumab Treatment on Newborn Rat Retinal Cell Proliferation, Death, and Differentiation

PURPOSE. Vascular endothelial growth factor (VEGF) is an important signal protein in vertebrate nervous development, promoting neurogenesis, neuronal patterning, and glial cell growth. Bevacizumab, an anti-VEGF agent, has been extensively used for controlling pathological retinal neovascularization in adult and newborn patients, although its effect on the developing retina remains largely unknown. The purpose of this study was to investigate the effect of bevacizumab on cell death, proliferation, and differentiation in newborn rat retina. METHODS. Retinal explants of sixty 2-day-old Lister hooded rats were obtained after eye enucleation and maintained in culture media with or without bevacizumab for 2 days. Immunohistochemical staining was assessed against proliferating cell nuclear antigen (PCNA, to detect cell proliferation); caspase-3 and beclin-1 (to investigate cell death); and vimentin and glial fibrillary acidic protein (GFAP, markers of glial cells). Gene expressions were quantified by real-time reverse-transcription polymerase chain reaction. Results from treatment and control groups were compared. RESULTS. No significant difference in the staining intensity (on immunohistochemistry) of PCNA, caspase-3, beclin-1, and GFAP, or in the levels of PCNA, caspase-3, beclin-1, and vimentin mRNA was observed between the groups. However, a significant increase in vimentin levels and a significant decrease in GFAP mRNA expression were observed in bevacizumab-treated retinal explants compared with controls. CONCLUSIONS. Bevacizumab did not affect cell death or proliferation in early developing rat retina but appeared to interfere with glial cell maturation by increasing vimentin levels and downregulating GFAP gene expression. Thus, we suggest anti-VEGF agents be used with caution in developing retinal tissue. (Invest Ophthalmol Vis Sci. 2012;53:7904-7911) DOI:10.1167/iovs.12-10283

Molekulare Charakterisierung der Centrin-Isoformen in der Retina von Säugetieren

Centrine sind Mitglieder einer hoch konservierten Überfamilie von Ca2+-bindenden Proteinen mit EF-Hand Motiven. Bislang sind vier Centrin-Isoformen bei Säugern beschrieben worden, die in diversen Zellen in der Regel mit Centriolen von Centrosomen oder Centrosomen-verwandten Strukturen assoziiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die vier Centrin-Isoformen bezüglich der Expression in verschiedenen Geweben untersucht. Dabei lag der Hauptfokus auf Untersuchungen der Centrine in den Photorezeptorzellen der Retina. Analysen auf subzellulärer Ebene brachten Klarheit über die differenzielle Lokalisation der verschiedenen Isoformen in der Retina. Mit Hilfe von verschiedenen Methoden konnten Wechselwirkungspartner in der Retina identifiziert werden, die eine Rolle in der visuellen Signaltransduktionskaskade spielen. Dabei könnten Centrine einem Regelmechanismus angehören, der wichtige Translokationsprozesse dieser Proteine regelt. In den Photorezeptorzellen der Säugetierretina werden die vier Isoformen exprimiert, die in den Strukturen des Cilienapparates differenziell lokalisiert sind. Dabei beschränkt sich ihre Lokalisation entweder auf den Basalkörper (Centrin 4), auf das Verbindungscilium (Centrin 1) oder sie sind in beiden Strukturen zu finden (Centrin 2 und 3). In den nicht- Photorezeptorzellen der Retina sind die Isoformen Centrin 2 und 3 zudem an den Centriolen der Centrosomen lokalisiert. In der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass alle Centrin-Isoformen in ein und derselben Zelle, der Photorezeptorzelle, koexprimiert werden und dabei subzellulär kolokalisiert sind. Im Weiteren konnte die ubiquitäre Expression von Centrin 2 und 3 in allen untersuchten Geweben an Centrosomen bestätigt werden. Centrin 1 und 4 hingegen werden nur in Geweben mit Cilien-tragenden Zellen exprimiert. Die Funktion der Centrine wird nicht nur durch Bindung von Ca2+, sondern auch durch Phosphorylierungen reguliert. Alle Sequenzen der Centrine weisen diverse mögliche Phosphorylierungsstellen für unterschiedliche Proteinkinasen auf. Die Ergebnisse aller durchgeführten in vitro und ex vivo Phosphorylierungs „Assays“ zeigen eine licht-abhängige Phosphorylierung der Centrin-Isoformen in der Retina. Dabei war in der dunkel-adaptierten Retina die Phosphorylierung vor allem von Centrin 1 und 2 erhöht. Weiterführende Experimente mit Kinase-Inhibitoren wiesen darauf hin, dass vor allem die Proteinkinase CKII eine bedeutende Rolle bei der Centrin-Phosphorylierung in der Retina einnimmt. Centrine sind die ersten Cytoskelettkomponenten, deren Phosphorylierungsgrad lichtabhängig moduliert wird. Diese Ergebnisse weisen auf einen Signalweg, der zwischen der visuellen Signaltransduktionskaskade und der Regulation der Centrin-Aktivität vermittelt, hin. Bei der Suche nach Centrin-Bindungspartnern gelang mit Hilfe von Centrin 1 Blot „Overlay Assays“ der Durchbruch. Der neuartige Ansatz zeigte, dass ausschließlich Ca2+-aktiviertes Centrin 1 mit Proteinen aus der Retina interagierte. Nach der Identifikation eines 37 kDa-Proteins als die β-Untereinheit des visuellen G-Proteins Transducin wurden die Untersuchungen auf diesen Interaktionspartner fokussiert. Die Ergebnisse der hier durchgeführten biochemischen und biophysikalischen Protein-Protein Interaktionsexperimente zeigen insgesamt folgendes: ⇒ Alle vier Centrine interagieren mit Transducin, wobei Centrin 3 die geringste Affinität zu Transducin hat. ⇒ Die Assemblierung der Centrin•G-Protein-Komplexe ist strikt Ca2+-abhängig. ⇒ Die Centrine binden sowohl an das isolierte Gtβγ-Heterodimer als auch an den heterotrimeren Gt-holo-Proteinkomplex, nicht aber an Gtα. Die quantitativen immunoelektronenmikroskopischen Analysen zeigen im Weiteren, dass sich die Komplexe aus Transducin und Centrin 1 bis 3 wahrscheinlich in einer Subdomäne des Verbindungsciliums der Photorezeptorzellen ausbilden. Dabei dürfte die Ausbildung der Komplexe an der Regulation der lichtinduzierten Translokation von Transducin zwischen Innen- und Außensegment der Photorezeptorzellen beteiligt sein. Dieser Translokationsmechanismus wird als ein wichtiger Bestandteil der Langzeitadaption der Signaltransduktionskaskade der Säugerretina diskutiert. Der neuartige Regelmechanismus der molekularen Translokationen, in dem Centrine involviert sind, ist außergewöhnlich und dürfte über die speziellen Photorezeptorzellen hinaus von weit reichender Bedeutung sein.

Distacco di retina e lavoro manuale: utilizzo delle schede di dimissione ospedaliera per uno studio di incidenza

Introduzione. La movimentazione manuale di carichi è stata recentemente proposta come un possibile determinante del distacco di retina. Al fine di confortare quest’ipotesi, sono stati analizzati i tassi di incidenza di distacco di retina regmatogeno (DRR) idiopatico, trattato chirurgicamente, tra i residenti in Toscana addetti ad attività lavorative manuali, non manuali e casalinghe. Metodi. Le schede di dimissione ospedaliera (SDO) della Toscana contengono anche informazioni codificate sulla categoria generica di impiego. Sono stati utilizzati i dati di tutti i pazienti residenti in Toscana con una SDO emessa da un qualsiasi ospedale italiano nel periodo 1997-2009, con diagnosi principale di DRR (ICD-9: 361,0-361,07 e 361,9) e con DRG 36 (“interventi sulla retina”). Dopo l’eliminazione dei soggetti che non soddisfacevano i criteri di eligibilità, è stato deciso di restringere la popolazione in studio ai soggetti di età 25-59 anni, successivamente classificati in addetti ad attività lavorative manuali, non manuali o casalinghe. Risultati. Sono stati identificati 1.946 casi. Tra gli uomini, gli addetti ad attività lavorative manuali hanno riportato un tasso di incidenza standardizzato per età 1,8 volte più alto rispetto agli addetti ad attività lavorative non manuali (17,4 [IC95%, 16,1–18,7] vs. 9,8 [IC95%, 8,8–10,8]). Tra le donne, i tassi di incidenza standardizzati per età erano 1,9 volte più alti negli addetti ad attività lavorative manuali (11,1 [IC95%, 9,8–12,3]) e 1,7 volte più alti nelle casalinghe (9,5 [IC95%, 8,3–10,8]) rispetto agli addetti ad attività lavorative non manuali (5,7 [IC95%, 4,8–6,6]). Conclusioni. Lo studio mette in evidenza come gli addetti ad attività lavorative manuali siano maggiormente affetti da DRR idiopatico rispetto agli addetti ad attività lavorative non manuali. Questi risultati supportano l’ipotesi che la movimentazione manuale di carichi, che difficilmente può ritrovarsi come compito di attività lavorative non manuali, possa avere un ruolo causale nella genesi della patologia.

Die organotypische Gewebekultur der adulten Retina als Analysesystem für funktionell intakte Photorezeptorzellen

Photorezeptorzellen der Vertebraten sind hoch spezialisierte, visuell sensorische Neurone in der Retina, die die Lichtinformation in ein neuronales Signal umwandeln. Durch ihre Einbindung in die Retina im Gesamtorgan Auge, sind Photorezeptorzellen im Organismus für zellbiologische Analysen, wie beispielsweise unter Einsatz pharmakologischer Substanzen, nur schwer zugänglich. Demgegenüber ist bei der Nutzung von Zellkulturtechniken eine Beeinflussung oder externe Manipulation von Zellen mit geringem Aufwand möglich. Bei Etablierungsversuchen von Primärkulturen von Photorezeptorzellen zeigte sich jedoch, dass diese rasch ihre spezifische Kompartimentierung und das damit verbundene (lichtsensitive) Funktionsvermögen verlieren. Eine Alternative zur Einzelzellkultur bietet die Kultivierung der Retina als organotypisches Gewebe, in der, durch den überlebenswichtigen Kontakt der retinalen Zellen zu einander, deren Morphologie und Funktionsvermögen erhalten bleibt. In der vorliegenden Arbeit konnte durch Optimierung der Kultivierungstechnik erstmals die adulte Retina für mehrere Tage intakt kultiviert und deren Vitalität und physiologische Aktivität nachgewiesen werden. Nach dem Nachweis der Eignung der organotypischen Retinakultur, stand diese nun für zellbiologische Analysen von Photorezeptorzellen zur Verfügung. Die Langzeitadaptation von Photorezeptorzellen geht einher mit der Translokation der Proteine Arrestin und Transducin. Doch sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser lichtabhängigen molekularen Bewegungen bislang noch nicht verstanden. Im Kontext der Diskussion um Diffusion oder aktivem Transport der genannten Translokationen, wurden in der vorliegenden Arbeit Experimente zur Abhängigkeit vom Cytoskelett durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die gegensätzlichen Translokationen von Arrestin und Transducin während der Dunkeladaptation vom Aktin-, als auch Mikrotubulicytoskelett abhängig sind. Demgegenüber sind es die während der Helladaptation stattfindenden Translokationen nicht. Diese Befunde verweisen damit auf unterschiedliche Mechanismen für die untersuchten molekularen Bewegungen während der Dunkel- und Helladaptation, und das im Falle des Arrestins auch verschieden Mechanismen zusammen oder in einer Abfolge für die Bewegung durch verschiedene Zellkompartimente notwendig sind. Darüber hinaus konnte in der vorliegenden Arbeit die Eignung der Retinakulturtechnik für Gentransfers in retinale Zellen mittels verschiedener Methoden gezeigt werden. Die organotypische Gewebekultur der adulten Retina erweist sich als ein Analysesystem mit dem zellbiologische Untersuchungen an ausdifferenzierten Photorezeptorzellen durchgeführt werden können, die im lebenden Tier, bzw. der Zellkultur nicht möglich sind. Erfolgreiche Pharmakologische Beeinflussung, sowie Gentransfer in Zellen der Retinakultur prädestinieren die Retinakultur für zellbiologische und Proteinfunktionsanalysen. Dabei kann sie ferner als Modellsystem zur Evaluation von Therapiestrategien zu Retinadystrophien dienen und das ohne, oder zumindest in einer Reduktion von Tierversuchen.

Parametric Sensitivity Analysis of the Most Recent Computational Models of Rabbit Cardiac Pacemaking

The cellular basis of cardiac pacemaking activity, and specifically the quantitative contributions of particular mechanisms, is still debated. Reliable computational models of sinoatrial nodal (SAN) cells may provide mechanistic insights, but competing models are built from different data sets and with different underlying assumptions. To understand quantitative differences between alternative models, we performed thorough parameter sensitivity analyses of the SAN models of Maltsev & Lakatta (2009) and Severi et al (2012). Model parameters were randomized to generate a population of cell models with different properties, simulations performed with each set of random parameters generated 14 quantitative outputs that characterized cellular activity, and regression methods were used to analyze the population behavior. Clear differences between the two models were observed at every step of the analysis. Specifically: (1) SR Ca2+ pump activity had a greater effect on SAN cell cycle length (CL) in the Maltsev model; (2) conversely, parameters describing the funny current (If) had a greater effect on CL in the Severi model; (3) changes in rapid delayed rectifier conductance (GKr) had opposite effects on action potential amplitude in the two models; (4) within the population, a greater percentage of model cells failed to exhibit action potentials in the Maltsev model (27%) compared with the Severi model (7%), implying greater robustness in the latter; (5) confirming this initial impression, bifurcation analyses indicated that smaller relative changes in GKr or Na+-K+ pump activity led to failed action potentials in the Maltsev model. Overall, the results suggest experimental tests that can distinguish between models and alternative hypotheses, and the analysis offers strategies for developing anti-arrhythmic pharmaceuticals by predicting their effect on the pacemaking activity.

Morphologische und quantitative Untersuchungen synaptischer Körperchen in Retina und Zirbeldrüse von Säugetieren und Mensch

Um mit sehr hoher Geschwindigkeit Sinnesreize zur Weiterverarbeitung übertragen zu können, besitzen im Ruhezustand Dauerimpulse liefernde Rezeptorzellen in Sinnesorganen, wie z.B. der Netzhaut (Retina), spezialisierte glutamaterge Synapsen, die durch präsynapti-sche Körperchen (SK) charakterisiert sind, die außerdem nur in Parenchymzellen der Zirbel-drüse vorkommen. SK binden mit hoher Affinität Neurotransmittervesikel und zeigen licht- bzw. reizabhängige morphologische Veränderungen. Sie dienen der Speicherung, eventuell auch dem Transport dieser Vesikel zum Ort der Reizübertragung, der nahen aktiven Zone der Ribbonsynapse. Um Dynamik und Funktion der Zellorganellen zu verstehen, ist es wichtig, ihre genaue Topo-graphie und dreidimensionale (3D) Struktur unter verschiedenen Bedingungen zu kennen. So wurden aus Serienschnitten der Retina und Zirbeldrüse mit Hilfe geeigneter, teils selbst programmierter Software 3D-Rekonstruktionen der SK durchgeführt. Untersucht wurden die ersten und zweiten Synapsen der Sehbahn in Retinae von Mensch, Maus und Ratte, Zapfen-terminale des Hühnchens und SK in Zirbeldrüsen von Ratte, Meerschweinchen und Kaninchen. Analysiert wurde zu verschiedenen Zeitpunkten der Photoperiode oder unter experimentellen Bedingungen entnommenes Frischgewebe sowie Material aus Organkultu-ren. Außerdem wurden SK unter diversen Bedingungen quantifiziert, wobei eine neue Zähl-methode entwickelt wurde, die auf einer Modifikation des Disektors basiert und die Quantifi-zierung auch anderer seltener Ultrastrukturen am Elektronenmikroskop ermöglicht. Im Gegensatz zur etablierten Zählmethode, die die Profilzahl von SK in einer definierten Fläche (PZ) angibt, liefert die vorgestellte Methode die aussagekräftigere Zahl der SK in definierten Volumina und hängt weder von deren Form noch Größe ab. Diverse Kalkulationen zeigten, daß eine Umrechnung von am selben Material gewonnenen PZ in validere Disektor Werte nicht präzise genug möglich ist. Um sinnvolle Aussagen zur Quantität von SK machen zu können, ist es daher erforderlich, die Methode für jedes Tier einer identisch behandelten Gruppe anzuwenden. Es konnte gezeigt werden, daß SK eine konstante Dicke von 35 nm haben. In der Retina sind sie meist nur in einer Ebene C-förmig gebogene Bänder, weshalb sie auch als "synaptic ribbons" bezeichnet werden, oder Platten mit Breite zu Höhe Verhältnissen zwischen 6:1 bis 3:1. Die elektronendichten, unter Normalbedingungen durch regelmäßig polymerisierte Dimere des Hauptproteins RIBEYE pentalamellären SK binden über dünne Proteinbrücken glutamathaltige Neurotransmittervesikel. Ihre untere lange schmale Kante ist über feines elektronendichtes Material an einem, als arciform density (ad) bezeichneten Plaque der Zell-membran verankert, der die Form einer gebogenen Rinne hat. Die zumeist senkrecht darauf stehenden SK zeigen an ihrer membranfernen langen Kante zu Beginn der Lichtphase, ins-besondere aber unter Dauerlicht partiell verdickte Ränder, die auf An- bzw. Abbauvorgänge hinweisen. Diese Veränderungen waren nur in Stäbchenterminalen und Pinealozyten in Ver-bindung mit dem Auftreten kleinerer klumpiger bis kugelförmiger SK nachweisbar und zeig-ten sich in den Schnitten als runde oder irreguläre Profile, die dann neben den "üblichen" stabförmigen SK-Anschnitten vorlagen. Die 3D-Rekonstruktion von Stäbchenterminalen der menschlichen Retina zeigte, daß diese entsprechend der Zahl ihrer SK 1-3 Ribbonsynapsen aufweisen. Letztere bestehen aus einem an der Zellmembran senkrecht über eine ad verankerten SK und der aktiven Zone, die einem ca. 200 nm breiten Bereich der Zellmembran in Fortsetzung der ad nach seitlich oben entspricht. Die boomerang- bis hufeisenförmigen SK haben 2 parallele flache Hauptflächen. Postsynaptisch liegen zwei Horizontalzellfortsätze, welche mit variabeln Aufspaltungen von einem engen Hilus aus tief in Stäbchenendkolben invaginiert sind. Sie verbreitern sich termi-nal und zeigen große breite oft aufgefächerte bzw. verzweigte Auftreibungen. Die Ribbon-synapsen sind in die zwischen solchen Endauftreibungen entstehenden Rinnen eingesenkt. Unterhalb ihrer ad berühren sich die Horizontalzellterminale. Etwas darunter enden 1-2 ca. 100 nm breite Bipolarzelldendriten, die vom Zentrum der Invagination des Stäbchenterminals zum Hilus hin dünner werden, um zum Soma invaginierender ON-Bipolarzellen weiterzulau-fen. Da die Zahl der in den Stäbchenendkolben eintretenden Fortsätze variabel ist, fanden sich Konstellationen von 1-3 SK, 1-3 Horizontal- und 1-4 Bipolarzellterminalen, wie sie auch in der Literatur beschrieben sind. Drei zentrale Ausschnitte menschlicher Zapfenpedikel wurden aus lückenlosen Serienschnit-ten mit ihren Mitochondrien, SK und den in Form von Triaden hier invaginierenden postrib-bonsynaptischen Fortsätzen rekonstruiert. Der Grundbauplan der Ribbonsynapsen ist hier dem der Stäbchen ähnlich, jedoch sind die SK kürzer, die Invaginationen deutlich kleiner und nie verzweigt, die Bipolarzelldendriten breiter und die Horizontalzellfortsätze terminal weniger stark und nur rundlich aufgetrieben. Zapfen-SK sind nur in einer Ebene schwach gebogene Bänder. Die gefundene Zahl von Zapfen SK paßt zu Literaturdaten, deren Zusammenfas-sung für Primaten foveanah 10-20 und peripher 30-40 SK zeigt. In Bipolarzellaxonen des Menschen waren SK nicht immer über leistenartige Membranplaques am Plasmalemm ver-ankert. Die hier flachen Ribbonsynapsen zeigten kleinere bandförmige oder nur ca. 250 x 150 x 35 nm große plattenförmige SK mit etwas größerem Abstand zu den aktiven Zonen als in Photorezeptoren. Bei BALB/c Mäusen, deren SK besonders deutlich auf Veränderungen der Photoperiode oder experimentelle Bedingungen reagieren, zeigten Rekonstruktionen von Stäbchenribbon-synapsen am Ende der Dunkelphase band- bis boomerangförmige SK und weder Klumpen noch Kugeln. Im ersten Drittel und gegen Ende der Lichtphase fanden sich jedoch ca. 20 Prozent solch veränderter SK. Gleichzeitig waren die mittleren Abschnitte vieler SK unter beiden Lichtbedingungen dünner als am Ende der Dunkelphase. Die langen, oft mehrfach gebogenen und verdrehten Zapfen-SK dieser Mäuse waren unabhängig von den Lichtbedin-gungen oft deutlich größer als die der Stäbchen, wohingegen beim Menschen Zapfen-SK re-lativ gerade, bandförmige Zellorganellen geringerer Größe als in Stäbchen darstellten. Während in Stäbchenterminalen nur ausnahmsweise mehr als ein größeres bandförmiges SK (neben eventuellen kugelförmigen) vorlag, zeigten sich in den Zapfen orts- und spezies-abhängig 15 bis über 25 meist bandförmige Organellen, die in wenigen Fällen mit zwei ge-legentlich sogar 3 verschiedenen Triaden aus 2 Horizontal- und einem Bipolarzellfortsatz ver-bunden waren. Dies ist bei BALB/c Mäusen, die weniger, aber größere Zapfen-SK zeigten, häufiger als beim Menschen. Die SK der Bipolarzellen in der inneren plexiformen Schicht waren speziesübergreifend meist lange Bänder oder kleine Platten mit ca. 250 x 150 nm großen Hauptflächen und nur ge-ringen Verdrehungen. Verschiedene Bipolarzelltypen haben unterschiedlich viele SK. Im Rahmen der Arbeit erstmals erstellte 3D-Rekonstruktion ektopischer synaptischer Körper-chen (eSK) konnten belegen, daß diese in Bipolarzelldendriten lokalisiert sind. Die kleinen, leicht gebogenen, 35 nm dicken Platten, deren große Oberflächen Dimensionen von meist nur ca. 100 x 200 nm hatten, sind praktisch nie an der Zellmembran verankert, sondern ste-hen in einigen Fällen über zu langen Tubuli fusionierte Vesikel mit dem Interzellularspalt in Verbindung. Dies könnte ein Hinweis auf eine "compound" Endo- oder Exozytose sein. Sel-ten finden sich zwei, ausnahmsweise auch drei parallel zueinander angeordnete SK im Inne-ren der Bipolarzelldendriten, meistens nahe deren Eintritt in Stäbchenendkolben. Im Gegen-satz zur Ratte fanden sich eSK bei seit Geburt unter Dauerdunkelheit gehaltenen BALB/c Mäusen sogar im in Stäbchen- bzw. Zapfenterminal invaginierten Abschnitt von Bipolarzell-dendriten. Neben plattenförmigen SK lagen bei diesen Mäusen auch innen hohle klumpen-förmige Organellen in Stäbchenbipolarzelldendriten vor. Unter Organkultur und Ca++-Entzug fanden sich in Stäbchen die massivsten Veränderungen von SK, die entweder als Klumpen oder Kugeln vorlagen oder massive Protrusionen an ei-nem kleinen plattenförmigen Abschnitt zeigten, der noch an der ad befestigt blieb. Die Be-funde deuten darauf hin, daß Licht über Kalziumentzug zu Verklumpungen an SK und zur Abschnürung von klumpen- bis kugelförmigen SK Fragmenten führt. Bei der Rekonstruktion mit anti-β-Dystroglykan Immunogold-markierter Zapfenterminalen der Hühnchenretina konnte erstmals gezeigt werden, daß sich dieses zum Dystrophin-assozierten Glykoproteinkomplex gehörende Protein in perisynaptischen Fortsätzen der Pho-torezeptoren seitlich und an ihren Spitzen fand, während Horizontal- und Bipolarzellfortsätze nicht markiert waren. Dies deutet auf eine neue strukturelle oder funktionelle Domäne in Pho-torezeptorterminalen hin, die eine noch im Detail zu klärende Rolle bei der synaptischen Transmission spielt, da bei Mutationen im Dystrophin-assoziierten Proteinkomplex eine Ver-änderung der synaptischen Kommunikation in der äußeren plexiformen Schicht zu beobach-ten ist. In der Zirbeldrüse sind die meisten SK wenig gebogene, flache, plattenförmige Strukturen, die bei der Ratte meist ca. 300x150x35 nm groß sind. Daneben gibt es deutlich längere bandförmige Organellen und unter Normalbedingungen bei Ratte und Hühnchen praktisch keine, bei Meerschweinchen nur wenige klumpige oder kugelförmige SK. Pinealozyten der Meerschweinchenzirbeldrüse weisen üblicherweise Felder parallel gruppierter plattenförmi-ger synaptischer Körperchen auf. Unter Dauerlicht zeigten sich an der Membran benachbar-ter Zellen einander gegenüberliegende Felder stark verbogener, partiell verdickter SK, die vermutlich aus verschmolzenen Einzelplatten entstanden waren sowie deutlich mehr kugeli-ge bzw. klumpige SK. Die Organellen nehmen nachts an Größe zu, wodurch sich ihre Ober-fläche vergrößert, bei Ratten nimmt sie um 19,3 Prozent von 0,041 auf 0,0501 µm² zu. Da die plattenförmigen SK eine konstante Dicke von 35 nm hatten, läßt sich so ein durchschnitt-liches Volumen von 1,47x10-3 µm³ für 12.00 und von 1,75x10-3 µm³ für Mitternacht mit einer Zunahme von 0,28x10-3 µm³ (entspricht 19,3 %) errechnen. Der Vergleich von Pinealocyten-SK von unter LD 4:20 zu LD 20:4 gehaltenen Ratten zeigte unter LD 20:4 insignifikant mehr SK, die signifikant längere Profile hatten, was auf eine Größenzunahme der Organellen hin-deutet. Überlegungen und mathematische Berechnungen, was Profillängenmessungen bedeuten und wieviele Profile für sinnvolle Vergleiche ausgewertet werden müßten, werden kritisch diskutiert. Die selbst erhobenen Befunde werden im Kontext mit allen verfügbaren Literaturdaten de origine, dem Auftreten von SK in der Ontogenese sowie SK betreffenden pathologischen und Altersveränderungen betrachtet. Hierbei deutet die Analyse der Chronobiologie von SK in quantitativer und morphologischer Hinsicht auf eine Abhängigkeit von der Photoperiode bzw. Licht und Dunkelheit und nicht auf eine endogene zirkadiane Rhythmik hin. Die oberhalb funktionell wichtiger Ca++-Känale lokalisierten SK setzen in Photorezeptoren die Lichtinformation in exozytierte Glutamatquanten um, wobei das Glutamat an verschiedenen postsynaptischen Orten wirkt. Die zuvor nie so anschaulich durch 3D-Stereoanimationen visualisierten Befunde zeigen, daß die Morphologie von SK hier für eine maximal schnelle Freisetzung der gebundenen Transmittervesikel an in unmittelbarer Nähe gelegenen aktiven Zonen der Ribbonsynapsen optimiert ist. Der molekulare Aufbau von SK wird ultrastrukturell nachvollzogen und die Funktion der Organellen diskutiert. Diesbezüglich ist die Vesikelspei-cherung erwiesen, das "Priming" für die Exozytose beinahe bewiesen, eine Koordinations-funktion für multivesikuläre Transmitterfreisetzung ist denkbar, während eine Förderband-funktion eher unwahrscheinlich ist. In breve haben die im Rahmen dieser Habilitation ge-wonnenen Erkenntnisse und entwickelten Methoden einige Beiträge zur Klärung des mor-phologisch funktionellen Gesamtverständnisses der Ribbonsynapsen geleistet.