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

Untersuchung zur endogenen Bildung von oxidativen DNA-Schäden in vivo und in vitro

In dieser Arbeit sollte der Einfluss einer Überproduktion von humaner Superoxiddismutase 1 (hSOD1) auf die Spiegel der DNA-Schäden in verschiedenen Geweben von transgenen Mäusen untersucht werden. Tiere die eine Defizienz des Ogg1- und Csb- Proteins aufweisen und deshalb oxidative Purinmodifikationen nicht oder nur schwer reparieren können, akkumulieren 8-oxoG im Laufe ihres Lebens (Osterod, et al. 2001). Aus diesem Grund sind diese ein gutes Modell, um protektive Eigenschaften von Antioxidantien wie z.B. Substanzen oder Enzymen zu untersuchen. Fusser, et al. 2011 konnten beispielsweise zeigen, dass das pflanzliche Polyphenol Resveratrol die endogenen Spiegel an 8-oxoG sowie die spontanen Mutatiosraten im Lac I - Gen senken kann. Um den Einfluss von hSOD1 in vivo zu untersuchen, wurden in zwei Zuchtschritten 4 Mausgenotypen generiert, nämlich (Csb -/- Ogg1 -/- und Csb +/- Ogg1 +/- Mäuse jeweils mit ohne hSOD1 Überexpression). Diese wurden in verschiedenen Altersstufen auf die Basalspiegel an oxidativen Schäden (Einzelstrangbrüche und Fpg-sensitive Läsionen) in der Leber, der Niere und der Milz untersucht. Die Genotypen wurden zunächst charakterisiert und die hSOD1-Überexpression mittels qRT-PCR, Western Blot und Enzymaktivitätsbestimmung verifiziert. Es konnte an diesen Tieren erstmalig gezeigt werden, dass SOD die Generierung von DNA-Schäden in vivo mit zunehmendem Alter der Tiere senkt und dass deshalb Superoxid eine der reaktiven Sauerstoffspezies ist, die unter physiologischen Bedingungen für die DNA-Schäden verantwortlich ist. Außerdem kann ein möglicher toxischer Effekt der Überproduktion von SOD ausgeschlossen werden. Erhöhte Spiegel an oxidativen DNA-Schäden durch womöglich erhöhte Spiegel an H2O2 konnten in dieser Studie nicht beobachtet werden. Eine Messung der Genexpression anderer antioxidativer Enzyme wie Katalase, SOD2 und SOD3, GPX oder HO1 sind an diesem Effekt nicht beteiligt. Auch konnte kein Einfluss des redoxsensitiven Transkriptionsfaktors Nrf2 gezeigt werden. rnUm mögliche Quellen der für die oxidativ gebildeten DNA-Schäden verantwortlichen ROS zu identifizieren, wurde der Einfluss des Dopaminstoffwechsels untersucht. Während des Dopaminmetabolismus werden intrazellulär Reaktive Sauerstoffspezies (H2O2 und O2.-) gebildet und tragen sehr wahrscheinlich zur Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson bei. In dem gängigen Parkinson-Zellkulturmodell SH-SY5Y konnte keine Erhöhung von oxidativen Schäden in nukleärer DNA nach Dopaminbehandlung nachgewiesen werden. Eine Überexpression der Dopaminmetabolisierenden Enzyme MAO-A und MAO-B zeigen bei niedrigen Dosen Dopamin eine leichte jedoch nicht signifikante Erhöhung der Fpg-sensitiven Modifikationen. Die Überproduktion des Dopamintransporters zeigte keinen Effekt nach Dopaminzugabe. Es kann geschlussfolgert werden, dass durch erhöhte MAO-A und MAO-B endogen ROS gebildet werden, die die Bildung Fpg-sensitiver Läsionen hervorrufen. Bei hohen Dosen und langer Inkubationszeit steht die Dopaminautoxidation, anschließende Neuromelaninbildung und als Konsequenz Apoptose im Vordergrund.rn

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Differential response of Human Bone Marrow Stromal Cells to either TGF-β1 or to rhGDF-5

Cell therapy along with growth factor injection is currently widely investigated to restore the intervertebral disc. However, there is increasing evidence that transplanted unconditioned bone marrow-derived stromal cells (BMSCs) cannot thrive in the intervertebral disc "niche". Moreover, uncertainty exists with respect to the cell phenotype that would be suitable to inject. The intervertebral disc cell phenotype only recently has been started to be characterised using transcriptomics profiling. Recent findings suggest that cytokeratin 19 (KRT-19) could be used as a potential candidate marker for the intervertebral disc, or more specifically the nucleus pulposus cell (NPC) phenotype. We present in vitro cell culture data using alginate bead culture of primary human BMSCs exposed to the standard chondrogenic stimulus, transforming growth factor beta-1 (TGF-β), the growth and differentiation factor 5 and/or bovine NPCs to induce a potential "discogenic" pathway. Chondrogenic induction via TGF-β pathway provoked down-regulation of KRT-19 gene expression in four out of five donors after 18 days of culture, whereas KRT-19 expression remained unchanged in the "discogenic" groups. In addition, the ratio of aggrecan/collagen II gene expression showed a remarkable difference (of at least 3 magnitudes) between the chondrogenic stimulus (low ratio) and the discogenic stimulus (high ratio). Therefore, KRT-19 and aggrecan/collagen II ratio may be potential markers to distinguish chondrogenic from "discogenic" differentiation.

Atypical presentation of a hormonally active adrenocortical tumor in an adolescent leading to delayed diagnosis

Adrenocortical tumors are rare in children and present with variable signs depending on the type of hormone excess. We herein describe the unusual presentation of a child with adrenocortical tumor and introduce the concept of in vitro chemosensitivity testing. CASE REPORT: A 10.5-year-old girl presented with hypertrichosis/hirsutism and weight loss. The weight loss and behavioral problems, associated with halted puberty and growth, led to the initial diagnosis of anorexia nervosa. However, subsequent weight gain but persisting arrest in growth and puberty and the appearance of central fat distribution prompted further evaluation. RESULTS AND FOLLOW-UP: 24h-urine free cortisol was elevated. Morning plasma ACTH was undetectable, while cortisol was elevated and circadian rhythmicity was absent. Thus a hormonally active adrenal cortical tumor (ACT) was suspected. On magnetic resonance imaging (MRI) a unilateral, encapsulated tumor was found which was subsequently removed surgically. Tissue was investigated histologically and for chemosensitivity in primary cell cultures. Although there were some risk factors for malignancy, the tumor was found to be a typical adenoma. Despite this histology, tumor cells survived in culture and were sensitive to cisplatin in combination with gemcitabine or paclitaxel. At surgery, the patient was started on hydrocortisone replacement which was unsuccessfully tapered over 3 months. Full recovery of the hypothalamus-pituitary-adrenal axis occurred only after 3 years. CONCLUSIONS: The diagnosis of a hormonally active adrenocortical tumor is often delayed because of atypical presentation. Cortisol replacement following unilateral tumor excision is mandatory and may be required for months or years. Individualized chemosensitivity studies carried out on primary cultures established from the tumor tissue itself may provide a tool in evaluating the effectiveness of chemotherapeutic drugs in the event that the adrenocortical tumor may prove to be carcinoma.

In vivo analysis of uropod function during physiological T cell trafficking

Migrating lymphocytes acquire a polarized phenotype with a leading and a trailing edge, or uropod. Although in vitro experiments in cell lines or activated primary cell cultures have established that Rho-p160 coiled-coil kinase (ROCK)-myosin II-mediated uropod contractility is required for integrin de-adhesion on two-dimensional surfaces and nuclear propulsion through narrow pores in three-dimensional matrices, less is known about the role of these two events during the recirculation of primary, nonactivated lymphocytes. Using pharmacological antagonists of ROCK and myosin II, we report that inhibition of uropod contractility blocked integrin-independent mouse T cell migration through narrow, but not large, pores in vitro. T cell crawling on chemokine-coated endothelial cells under shear was severely impaired by ROCK inhibition, whereas transendothelial migration was only reduced through endothelial cells with high, but not low, barrier properties. Using three-dimensional thick-tissue imaging and dynamic two-photon microscopy of T cell motility in lymphoid tissue, we demonstrated a significant role for uropod contractility in intraluminal crawling and transendothelial migration through lymph node, but not bone marrow, endothelial cells. Finally, we demonstrated that ICAM-1, but not anatomical constraints or integrin-independent interactions, reduced parenchymal motility of inhibitor-treated T cells within the dense lymphoid microenvironment, thus assigning context-dependent roles for uropod contraction during lymphocyte recirculation.

Endocannabinoid content in fetal bovine sera - unexpected effects on mononuclear cells and osteoclastogenesis

The major endocannabinoids (ECs) arachidonoylethanolamide (AEA) and 2-arachidonoylglycerol (2-AG) and related N-ethanolamines act as full and partial agonists at CB(1), CB(2), GPR55, PPAR and TRPV1 receptors to various degrees. These receptors are also expressed in immune cells like monocytes/macrophages where they regulate different cellular processes. In this study, potentially bioactive lipids in fetal bovine sera (FBS) were quantified by GC/MS. We found that several commercial FBS contain ECs and bioactive amounts of 2-AG (250-700 nM). We show that residual 2-AG from FBS can activate primary macrophages and increase migration and RANKL-stimulated osteoclastogenesis. Furthermore, 2-AG high-content sera specifically upregulated LPS-stimulated IL-6 expression in U937 cells. Polymyxin B beads may be used to selectively and efficiently remove 2-AG from sera, but not arachidonic acid and N-ethanolamines. In conclusion, 2-AG in cell culture media may significantly influence cellular experiments. CD14+ mononuclear cells which strongly express surface CB receptors may be particularly sensitive towards residual 2-AG from FBS. Therefore, the EC content in culture media should be controlled in biological experiments involving monocytes/macrophages.

Echinococcus multilocularis primary cells: improved isolation, small-scale cultivation and RNA interference

In this study we demonstrate RNA interference mediated knock-down of target gene expression in Echinococcus multilocularis primary cells on both the transcriptional and translational level. In addition, we report on an improved method for generating E. multilocularis primary cell mini-aggregates from in vitro cultivated metacestode vesicles, and on the cultivation of small numbers of small interfering RNA-transfected cells in vitro over an extended period of time. This allows assessments on the effects of RNA interference performed on Echinococcus primary cells with regard to growth, proliferation, differentiation of the parasite and the formation of novel metacestode vesicles in vitro.

Aspiration toxicology of hydrocarbons and lamp oils studied by in vitro technology

Medical literature regularly reports on accidental poisoning in children after aspiration of combustibles such as lamp oils which usually contain hydrocarbons or rape methyl esters (RMEs). We aimed to analyze the toxic potential of alkanes and different combustible classes in vitro with regard to biologic responses and mechanisms mediating toxicity. Two different in vitro models were used, i.e. (i) a captive bubble surfactometer (CBS) to assess direct influence of combustibles on biophysical properties of surfactant film and (ii) cell cultures (BEAS-2B and R3/1 cells, primary macrophages, re-differentiated epithelia) closely mimicking the inner lung surface. Biological endpoints included cell viability, cytotoxicity and inflammatory mediator release. CBS measurements demonstrate that combustibles affect film dynamics, i.e. the surface tension/area characteristics during compression and expansion, in a dose and molecular chain length dependent manner. Cell culture results confirm the dose dependent toxicity. Generally, cytotoxicity and cytokine release are higher in short-chained alkanes and hydrocarbon-based combustibles than in long-chained substances, e.g. highest inducible cytotoxicity in BEAS-2B was for hexane 84.6%, decane 74% and hexadecane 30.8%. Effects of RME-based combustibles differed between the cell models. Our results confirm data from animal experiments and give new insights into the mechanisms underlying the adverse health effects observed.

An optimized in vitro model of the respiratory tract wall to study particle cell interactions

As a part of the respiratory tissue barrier, lung epithelial cells play an important role against the penetration of the body by inhaled particulate foreign materials. In most cell culture models, which are designed to study particle-cell interactions, the cells are immersed in medium. This does not reflect the physiological condition of lung epithelial cells which are exposed to air, separated from it only by a very thin liquid lining layer with a surfactant film at the air-liquid interface. In this study, A549 epithelial cells were grown on microporous membranes in a two chamber system. After the formation of a confluent monolayer the cells were exposed to air. The morphology of the cells and the expression of tight junction proteins were studied with confocal laser scanning and transmission electron microscopy. Air-exposed cells maintained monolayer structure for 2 days, expressed tight junctions and developed transepithelial electrical resistance. Surfactant was produced and released at the apical side of the air-exposed epithelial cells. In order to study particle-cell interactions fluorescent 1 microm polystyrene particles were sprayed over the epithelial surface. After 4 h, 8.8% of particles were found inside the epithelium. This fraction increased to 38% after 24 h. During all observations, particles were always found in the cells but never between them. In this study, we present an in vitro model of the respiratory tract wall consisting of air-exposed lung epithelial cells covered by a liquid lining layer with a surfactant film to study particle-cell interactions.

Self-assembly of sensory neurons into ganglia-like microtissues

Unraveling intra- and inter-cellular signaling networks managing cell-fate control, coordinating complex differentiation regulatory circuits and shaping tissues and organs in living systems remain major challenges in the post-genomic era. Resting on the laurels of past-century monolayer culture technologies, the cell culture community has only recently begun to appreciate the potential of three-dimensional mammalian cell culture systems to reveal the full scope of mechanisms orchestrating the tissue-like cell quorum in space and time. Capitalizing on gravity-enforced self-assembly of monodispersed primary embryonic mouse cells in hanging drops, we designed and characterized a three-dimensional cell culture model for ganglion-like structures. Within 24h, a mixture of mouse embryonic fibroblasts (MEF) and cells, derived from the dorsal root ganglion (DRG) (sensory neurons and Schwann cells) grown in hanging drops, assembled to coherent spherical microtissues characterized by a MEF feeder core and a peripheral layer of DRG-derived cells. In a time-dependent manner, sensory neurons formed a polar ganglion-like cap structure, which coordinated guided axonal outgrowth and innervation of the distal pole of the MEF feeder spheroid. Schwann cells, present in embryonic DRG isolates, tended to align along axonal structures and myelinate them in an in vivo-like manner. Whenever cultivation exceeded 10 days, DRG:MEF-based microtissues disintegrated due to an as yet unknown mechanism. Using a transgenic MEF feeder spheroid, engineered for gaseous acetaldehyde-inducible interferon-beta (ifn-beta) production by cotransduction of retro-/ lenti-viral particles, a short 6-h ifn-beta induction was sufficient to rescue the integrity of DRG:MEF spheroids and enable long-term cultivation of these microtissues. In hanging drops, such microtissues fused to higher-order macrotissue-like structures, which may pave the way for sophisticated bottom-up tissue engineering strategies. DRG:MEF-based artificial micro- and macrotissue design demonstrated accurate key morphological aspects of ganglions and exemplified the potential of self-assembled scaffold-free multicellular micro-/macrotissues to provide new insight into organogenesis.

Insulin-like growth factors (IGFs), IGF binding proteins, and other endocrine factors in milk: role in the newborn

The role of colostrum and milk in the neonate has been chiefly recognized as a comprehensive nutrient foodstuff. In addition, the provision of colostrum-the first milk-for early immune capacity has been well documented for several species. Colostrum is additionally a rich and concentrated source of various factors that demonstrate biological activity in vitro. Three hypotheses have been proposed for the phenotypic function of these secreted bioactive components: (1) only mammary disposal, (2) mammary cell regulation, and (3) neonatal function [gastrointestinal tract (GIT) or systemic]. Traditionally, it was assumed that the development of the GIT is preprogrammed and not influenced by events occurring in the intestinal lumen. However, a large volume of research has demonstrated that colostrum (or milk-borne) bioactive components can basically contribute to the regulation of GIT growth and differentiation, while their role in postnatal development at physiological concentrations has remained elusive. Much of our current understanding is derived from cell culture and laboratory animals, but experimentation with agriculturally important species is taking place. This chapter provides an overview of work conducted primarily in neonatal calves and secondarily in other species on the effects on neonates of selected peptide endocrine factors (hormones, growth factors, in part cytokines) in colostrum. The primary focus will be on insulin-like growth factors (IGFs) and IGF binding proteins (IGFBPs) and other bioactive peptides, but new interest and concern about steroids (especially estrogens) in milk are considered as well.

A novel cell compatible impingement system to study in vitro drug absorption from dry powder aerosol formulations

A modified Astra type multistage liquid impinger (MSLI) with integrated bronchial cell monolayers was used to study deposition and subsequent drug absorption on in vitro models of the human airway epithelial barrier. Inverted cell culture of Calu-3 cells on the bottom side of cell culture filter inserts was integrated into a compendial MSLI. Upside down cultivation did not impair the barrier function, morphology and viability of Calu-3 cells. Size selective deposition with subsequent absorption was studied for three different commercially available dry powder formulations of salbutamol sulphate and budesonide. After deposition without size separation the absorption rates from the aerosol formulations differed but correlated with the size of the carrier lactose particles. However, after deposition in the MSLI, simulating relevant impaction and causing the separation of small drug crystals from the carrier lactose, the absorption rates of the three formulations were identical, confirming the bioequivalence of the three formulations.

An investigation of phenolic glycoside and condensed tannin homeostasis in Populus by salicyl alcohol feeding to cell cultures and by transgenic manipulation of the sucrose transporter, PTSUT4, in planta

Secondary metabolites play an important role in plant protection against biotic and abiotic stress. In Populus, phenolic glycosides (PGs) and condensed tannins (CTs) are two such groups of compounds derived from the common phenylpropanoid pathway. The basal levels and the inducibility of PGs and CTs depend on genetic as well as environmental factors, such as soil nitrogen (N) level. Carbohydrate allocation, transport and sink strength also affect PG and CT levels. A negative correlation between the levels of PGs and CTs was observed in several studies. However, the molecular mechanism underlying such relation is not known. We used a cell culture system to understand negative correlation of PGs and CTs. Under normal culture conditions, neither salicin nor higher-order PGs accumulated in cell cultures. Several factors, such as hormones, light, organelles and precursors were discussed in the context of aspen suspension cells’ inability to synthesize PGs. Salicin and its isomer, isosalicin, were detected in cell cultures fed with salicyl alcohol, salicylaldehyde and helicin. At higher levels (5 mM) of salicyl alcohol feeding, accumulation of salicins led to reduced CT production in the cells. Based on metabolic and gene expression data, the CT reduction in salicin-accumulating cells is partly a result of regulatory changes at the transcriptional level affecting carbon partitioning between growth processes, and phenylpropanoid CT biosynthesis. Based on molecular studies, the glycosyltransferases, GT1-2 and GT1-246, may function in glycosylation of simple phenolics, such as salicyl alcohol in cell cultures. The uptake of such glycosides into vacuole may be mediated to some extent by tonoplast localized multidrug-resistance associated protein transporters, PtMRP1 and PtMRP6. In Populus, sucrose is the common transported carbohydrate and its transport is possibly regulated by sucrose transporters (SUTs). SUTs are also capable of transporting simple PGs, such as salicin. Therefore, we characterized the SUT gene family in Populus and investigated, by transgenic analysis, the possible role of the most abundantly expressed member, PtSUT4, in PG-CT homeostasis using plants grown under varying nitrogen regimes. PtSUT4 transgenic plants were phenotypically similar to the wildtype plants except that the leaf area-to-stem volume ratio was higher for transgenic plants. In SUT4 transgenics, levels of non-structural carbohydrates, such as sucrose and starch, were altered in mature leaves. The levels of PGs and CTs were lower in green tissues of transgenic plants under N-replete, but were higher under N-depleted conditions, compared to the levels in wildtype plants. Based on our results, SUT4 partly regulates N-level dependent PG-CT homeostasis by differential carbohydrate allocation.

A novel exposure system for the efficient and controlled deposition of aerosol particles onto cell cultures

Epidemiologic studies have shown correlations between morbidity and particles < or = 2.5 microm generated from pollution processes and manufactured nanoparticles. Thereby nanoparticles seem to play a specific role. The interaction of particles with the lung, the main pathway of undesired particle uptake, is poorly understood. In most studies investigating these interactions in vitro, particle deposition differs greatly from the in vivo situation, causing controversial results. We present a nanoparticle deposition chamber to expose lung cells mimicking closely the particle deposition conditions in the lung. In this new deposition chamber, particles are deposited very efficiently, reproducibly, and uniformly onto the cell culture, a key aspect if cell responses are quantified in respect to the deposited particle number. In situ analyses of the lung cells, e.g., the ciliary beat frequency, indicative of the defense capability of the cells, are complemented by off-line biochemical, physiological, and morphological cell analyses.