Intracellular biosynthesis and removal of copper nanoparticles by dead biomass of yeast isolated from the wastewater of a mine in the brazilian Amazonia

In this study was developed a natural process using a biological system for the biosynthesis of nanoparticles (NPs) and possible removal of copper from wastewater by dead biomass of the yeast Rhodotorula mucilaginosa. Dead and live biomass of Rhodotorula mucilaginosa was used to analyze the equilibrium and kinetics of copper biosorption by the yeast in function of the initial metal concentration, contact time, pH, temperature, agitation and inoculum volume. Dead biomass exhibited the highest biosorption capacity of copper, 26.2 mg g(-1), which was achieved within 60 min of contact, at pH 5.0, temperature of 30°C, and agitation speed of 150 rpm. The equilibrium data were best described by the Langmuir isotherm and Kinetic analysis indicated a pseudo-second-order model. The average size, morphology and location of NPs biosynthesized by the yeast were determined by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and transmission electron microscopy (TEM). The shape of the intracellularly synthesized NPs was mainly spherical, with an average size of 10.5 nm. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the copper NPs confirmed the formation of metallic copper. The dead biomass of Rhodotorula mucilaginosa may be considered an efficiently bioprocess, being fast and low-cost to production of copper nanoparticles and also a probably nano-adsorbent of this metal ion in wastewater in bioremediation process

Understanding the zooplankton ammonium excretion: from biogeochemical implications to intracellular regulatory mechanisms

[EN] This thesis focuses on the zooplankton NH4+ regeneration that supports about the 80% of the phytoplankton requirements. In its more oceanographic facet, it elucidates the control that the mesozooplankton community exerts on the primary productivity in the northern Benguela, and models the N-fluxes from zooplankton NH4+ excretion. At the physiological level, it examines the relationship between the NH4+ excretion and its associated biochemistry. Assuming the substrate availability as the critical factor in regulating the velocity of NH4+ production, a bisubstrate model was developed to predict its actual rate in zooplankton. Overall, this research provides knowledge about the implications of zooplankton NH4+ excretion on the biogeochemical cycles, and introduces new insights into the study of this process from enzymatic measurements.

Understanding the zooplankton ammonium excretion : from biogeochemical implications to intracellular regulatory mechanisms

[EN]Zooplankton play a key role in marine ecosystems and their biogeochemical cycles. They exert control over the primary productivity through the consumption of organic matter and, at the same time, the release of nutrients that sustains the phytoplankton growth. This thesis focuses on the NH+ 4 excretion processes related to these heterotrophic organisms that support, at a global scale, about the 80% of the phytoplankton requirements. However, thereisno clear constant pattern in the zooplankton contribution to theNH+ 4 regeneration throughout thedifferent pelagic ecosystems, so continuousmonitoring of thismetabolic processisessential at widetemporal and spatial scales...

Development of muliplexed analytical methods based on bioluminescent whole-cell biosensors

The subject of this Ph.D. research thesis is the development and application of multiplexed analytical methods based on bioluminescent whole-cell biosensors. One of the main goals of analytical chemistry is multianalyte testing in which two or more analytes are measured simultaneously in a single assay. The advantages of multianalyte testing are work simplification, high throughput, and reduction in the overall cost per test. The availability of multiplexed portable analytical systems is of particular interest for on-field analysis of clinical, environmental or food samples as well as for the drug discovery process. To allow highly sensitive and selective analysis, these devices should combine biospecific molecular recognition with ultrasensitive detection systems. To address the current need for rapid, highly sensitive and inexpensive devices for obtaining more data from each sample,genetically engineered whole-cell biosensors as biospecific recognition element were combined with ultrasensitive bioluminescence detection techniques. Genetically engineered cell-based sensing systems were obtained by introducing into bacterial, yeast or mammalian cells a vector expressing a reporter protein whose expression is controlled by regulatory proteins and promoter sequences. The regulatory protein is able to recognize the presence of the analyte (e.g., compounds with hormone-like activity, heavy metals…) and to consequently activate the expression of the reporter protein that can be readily measured and directly related to the analyte bioavailable concentration in the sample. Bioluminescence represents the ideal detection principle for miniaturized analytical devices and multiplexed assays thanks to high detectability in small sample volumes allowing an accurate signal localization and quantification. In the first chapter of this dissertation is discussed the obtainment of improved bioluminescent proteins emitting at different wavelenghts, in term of increased thermostability, enhanced emission decay kinetic and spectral resolution. The second chapter is mainly focused on the use of these proteins in the development of whole-cell based assay with improved analytical performance. In particular since the main drawback of whole-cell biosensors is the high variability of their analyte specific response mainly caused by variations in cell viability due to aspecific effects of the sample’s matrix, an additional bioluminescent reporter has been introduced to correct the analytical response thus increasing the robustness of the bioassays. The feasibility of using a combination of two or more bioluminescent proteins for obtaining biosensors with internal signal correction or for the simultaneous detection of multiple analytes has been demonstrated by developing a dual reporter yeast based biosensor for androgenic activity measurement and a triple reporter mammalian cell-based biosensor for the simultaneous monitoring of two CYP450 enzymes activation, involved in cholesterol degradation, with the use of two spectrally resolved intracellular luciferases and a secreted luciferase as a control for cells viability. In the third chapter is presented the development of a portable multianalyte detection system. In order to develop a portable system that can be used also outside the laboratory environment even by non skilled personnel, cells have been immobilized into a new biocompatible and transparent polymeric matrix within a modified clear bottom black 384 -well microtiter plate to obtain a bioluminescent cell array. The cell array was placed in contact with a portable charge-coupled device (CCD) light sensor able to localize and quantify the luminescent signal produced by different bioluminescent whole-cell biosensors. This multiplexed biosensing platform containing whole-cell biosensors was successfully used to measure the overall toxicity of a given sample as well as to obtain dose response curves for heavy metals and to detect hormonal activity in clinical samples (PCT/IB2010/050625: “Portable device based on immobilized cells for the detection of analytes.” Michelini E, Roda A, Dolci LS, Mezzanotte L, Cevenini L , 2010). At the end of the dissertation some future development steps are also discussed in order to develop a point of care (POCT) device that combine portability, minimum sample pre-treatment and highly sensitive multiplexed assays in a short assay time. In this POCT perspective, field-flow fractionation (FFF) techniques, in particular gravitational variant (GrFFF) that exploit the earth gravitational field to structure the separation, have been investigated for cells fractionation, characterization and isolation. Thanks to the simplicity of its equipment, amenable to miniaturization, the GrFFF techniques appears to be particularly suited for its implementation in POCT devices and may be used as pre-analytical integrated module to be applied directly to drive target analytes of raw samples to the modules where biospecifc recognition reactions based on ultrasensitive bioluminescence detection occurs, providing an increase in overall analytical output.

Genetic and environmental factors associated with the risk of cognitive decline and dementia

AD is the most common age related neurodegenerative disease in the industrialized world. Clinically AD is defined as a progressing decline of cognitive functions. Neuropathologically, AD is characterized by the aggregation of b-amyloid (Ab) peptide in the form of extracellular senile plaques, and hyperphosphorlylated tau protein in the form of intracellular neurofibrillary tangles. These neuropathological hallmarks are often accompanied by abundant microvascular damage and pronounced inflammation of the affected brain regions. In this thesis we investigated several aspects of AD focusing on the genetic aspect. We confirmed that Alpha 1 antichymotrypsin (ACT), an acute phase protein, was associated to AD subjects, being plasma levels higher in AD cases than controls. In addition, in a GWA study we demonstrated that two different gene, Clusterin and CR1 were strongly associated to AD. A single gene association not explain such a complex disease like AD. The goal should be to created a network of genetic, phenotypic and clinical data associated to AD. We used a new algorithm, the ANNs, aimed to map variables and search for connectivity among variables. We found specific variables associated to AD like cholesterol levels, the presence of variation in HMGCR enzyme and the age. Other factors such as the BMI, the amount of HDL and blood folate levels were also associated with AD. Pathogen infections, above all viral infections, have been previously associated to AD. The hypothesis suggests that virus and in particular herpes virus could enter the brain when an individual becomes older, perhaps because of a decline in the immune system. Our new hypothesis is that the presence of SNPs in our GWA gene study results in a genetic signature that might affect individual brain susceptibility to infection by herpes virus family during aging.

The role of the NG2 proteoglycan in migration and characterization of the interaction with the intracellular binding partner, Syntenin

NG2 is a transmembrane proteoglycan with two N-terminal LNS domains and a C-terminal PDZ-binding motif. It is expressed in the developing and adult CNS by oligodendroglial precursor cells and subpopulations of perisynaptic glia and elsewhere by many immature cell types. In order to elucidate the functions of the protein and the heterogenous cell population which expresses it, we undertook to identify and characterise interaction partners of the molecule. The presence of the C-terminal PDZ recognition site in NG2 suggested PDZ-domain proteins as intracellular binding partners. In this work, interaction between the PDZ protein Syntenin and NG2 has been characterised. Syntenin is known to be involved in plasma membrane dynamics, metastasis and adhesion. Syntenin may thus link NG2 to the cytoskeleton, mediating migration of developing oligodendrocytes to axonal tracts prior to myelination, as well as process movement of NG2+ perisynaptic glia. NG2 is involved in cell spreading and polyclonal antibodies against NG2 inhibit the migration of immature glia and cell lines expressing the molecule. In this work we have characterised the segments of the extracellular portion of NG2 that are involved in migration. We found that the extracellular region immediately preceding the transmembrane segment is most important for cell motility. As part of this thesis, biochemical approaches to identify a trans-binding ligand interacting with the extracellular part of NG2 was also explored.

Die Prozessierung des humanen Amyloid-Vorläuferproteins im Verlauf der replikativen Seneszenz

Die Alterung stellt den größten Risikofaktor für die Entwicklung der Alzheimer Krankheit dar, wobei die biochemische Basis dieser Korrelation bisher nicht bekannt ist. Ein möglicherweise zentraler Mechanismus der Alzheimer Pathologie wird durch die Prozessierung von APP repräsentiert, die in der Synthese von Aβ resultiert. Der Einfluss zellulärer Alterung auf die Biochemie der APP-Prozessierung ist bislang weitestgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Prozessierung von endogenem APP im Verlauf der Zellalterung humaner Fibroblasten progressiv verringert wird. Die Bildung der intrazellulären APP-Spaltfragmente (C99, C83 und AICD) nahm mit zunehmender Lebensspanne ab und war gleichfalls mit einer reduzierten Synthese von extrazellulären APP-Fragmenten (sAPP, sAPPα) verbunden. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Reifung von APP in seneszenten Zellen selektiv reduziert war, und dass dies durch altersabhängig erhöhte zelluläre Cholesterolspiegel vermittelt wurde. Von den APP-prozessierenden Sekretasen waren die Proteinspiegel von Presenilin-1 und Nicastrin, beides Komponenten der γ-Sekretase, im Verlauf der Zellalterung graduell verringert. Dies hatte einen progressiven Rückgang der enzymatischen Aktivität der γ-Sekretase zur Folge, wodurch die Prozessierung von APP unmittelbar reduziert wurde. Die Proteinspiegel von ADAM10, einer α-Sekretase, sowie der β-Sekretase, BACE, wiesen keine Altersregulation auf, aber interessanterweise wurde eine erhöhte enzymatische Aktivität der β-Sekretase in seneszenten Zellen nachgewiesen. Die γ-Sekretase sowie BACE sind in Lipid Rafts lokalisiert, geordneten Membransubdomänen, die hohe Cholesterol- und Caveolin-1-Spiegel aufweisen. Obwohl das Gesamtniveau dieser strukturellen Komponenten von Lipid Rafts in seneszenten Zellen erhöht war, war die Assoziation beider Moleküle mit Lipid Rafts reduziert und sie akkumulierten in speziellen Organellen, die höchstwahrscheinlich Lipidkörper darstellen. Somit wurde gezeigt, dass Lipid Rafts im Zuge der Zellalterung disintegrieren beziehungsweise in ihrem Gesamtspiegel reduziert waren. Diese altersabhängige Membranmodifikation war mit einer veränderten Verteilung von Presenilin-1 und BACE zwischen der Lipid Raft und der Nicht Raft Fraktion der Membran verbunden, die möglicherweise das Potential dieser Enzyme zur Prozessierung von APP reduzierte. In einem zweiten Teil der Arbeit wurden transgene C. elegans konstruiert, die humanes APP exprimieren, das C-terminal an GFP gekoppelt war. Diese Würmer wiesen eine reduzierte Fertilität, Eilegedefekte und eine verzögerte post-embryonale Entwicklung auf, die möglicherweise auf eine Transgen-vermittelte Neurodegeneration zurückgeführt werden können. Durch erste Untersuchungen der Prozessierung des Transgens konnten Spaltfragmente nachgewiesen werden, die potentiell auf eine spezifische Spaltung von APP durch die endogenen Sekretasen schließen lassen. Somit werden die Prozessierung sowie die Reifung von APP durch die altersabhängige Modifikationen zellulärer Biochemie nachhaltig beeinflusst. Zukünftige Studien sollen zeigen, ob sich diese zellulären Zusammenhänge in den Gesamtorganismus C. elegans übertragen lassen. Des Weiteren sollen die altersabhängigen zellulären Veränderungen, insbesondere des Cholesterol-Metabolismus und der Sekretaseaktivitäten, weitergehend analysiert werden, um zusätzliche Erkenntnisse über altersassoziierte Regulationen möglicher therapeutischer Ziele der Alzheimer Erkrankung zu gewinnen.

Der Einfluss der Zellalterung auf die pathobiochemischen Prozesse von Morbus Alzheimer und weiteren neurodegenerativen Erkrankungen

Die am häufigsten auftretende altersassoziierte neurodegenerative Krankheit ist die Alzheimer Demenz. Ein mit entscheidender Schritt bei der Entstehung der Alzheimer Erkrankung ist wahrscheinlich die Produktion des Aβ-Peptids durch proteolytische Spaltung das Amyloid-Vorläuferproteins APP. In der vorliegenden Arbeit wurde die altersabhängige Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins (APP) in Fibroblasten von Hautbiopsien von Familiärer Alzheimer-, Trisomie21 und Niemann-Pick Typ C-Krankheit untersucht. Die in dieser Arbeit verwendeten Fibroblasten wurden bis zum Erreichen des zellulären Wachstumsstopps (replikative Seneszenz) seriell passagiert und die Untersuchungen erfolgten an Zellen aufsteigender PDL. Dabei zeigte sich, dass, unabhängig von dem durch die Krankheit vorliegenden genetischen biochemischen Hintergrund, die APP-Prozessierung im Laufe der Zellalterung progressiv verringert wird. Die altersabhängig ansteigenden Cholesterinspiegel führten zu einer Reduktion der APP-Reifung und infolge dessen nahmen sowohl die intrazellulären APP-Spaltfragmente (C99, C83 und AICD) als auch die extrazellulären APP-Fragmente (sAPPα, sAPP) ab. Ebenso konnte gezeigt werden, dass die γ-Sekretase-Aktivität abnimmt. Dies war verbunden mit einem Rückgang der Proteinspiegel von Nicastrin und Presenilin, beides Komponenten des γ-Sekretase-Komplexes. Obwohl die Proteinexpression der α-Sekretase ADAM10 altersassoziiert konstant blieb, nahm die α-Sekretase-Aktivität mit steigendem Lebensalter ab. Erste Untersuchungen zeigten, dass die NAD+-abhängige Histon-Deacetylase SIRT1 eine wichtige Rolle im Bezug auf die α-Sekretase-Aktivität spielen könnte. Im Gegensatz zu den Abnahmen der α- und γ-Sekretase-Aktivitäten konnte eine erhöhte Aktivität der β-Sekretase in seneszenten Zellen beobachtet werden. Die mRNA-Menge und Proteinspiegel der ß-Sekretase BACE1 blieben dabei unverändert. Des Weiteren zeigte sich eine Zunahme der β-Sekretase-Aktivität bei Behandlung von jungen Zellen mit konditioniertem Medium seneszenter Zellen. Da sensezente Zellen einem Proliferationsstopp in der G1-Phase unterliegen, wurde der Einfluss des Zellzyklus-Inhibitors Aphidicolin auf die β-Sekretase untersucht. Hier wurde sowohl in IMR90 Fibroblasten als auch in Neuroblastoma-Zellen N2a eine Zunahme der β-Sekretase-Aktivität nach Zugabe der Inhibitoren beobachtet. Auch kommt es im Zuge der Alterung zu einer verstärkten Expression inflammatorischer Zytokine, die mit der Entstehung von Aβ-Peptiden in Verbindung gebracht werden. Deshalb wurde der Einfluss von Zytokinen auf die β-Sekretase-Aktivität untersucht. Die Zugabe von Interferon-γ und Interleukin 6 führte bei jungen IMR90-Zellen zu einem Anstieg der β-Sekretase-Aktivität, während bei alten Zellen keine Änderung zu verzeichnen war.

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

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

Identification and characterisation of Stx5 a novel interactor of VLDL-R affecting its intracellular trafficking and processing

We identified syntaxin 5 (Stx5), a protein involved in intracellular vesicle trafficking, as a novel interaction partner of the very low density lipoprotein (VLDL)-receptor (VLDL-R), a member of the LDL-receptor family. In addition, we investigated the effect of Stx5 on VLDL-R maturation, trafficking and processing. Here, we demonstrated mutual association of both proteins using several in vitro approaches. Furthermore, we detected a special maturation phenotype of VLDL-R resulting from Stx5 overexpression. We found that Stx5 prevented Golgi-maturation of VLDL-R, but did not cause accumulation of the immature protein in ER to Golgi compartments, the main expression sites of Stx5. Rather more, abundantly present Stx5 was capable of translocating ER-/N-glycosylated VLDL-R to the plasma membrane, and thus was insensitive to BFA treatment and incubation at low temperature. Based on our findings, we postulate that Stx5 can directly bind to the C-terminal domain of VLDL-R, thereby influencing the receptor’s glycosylation, trafficking and processing characteristics. Resulting from that, we further suggest that Stx5, which is highly expressed in neurons along with VLDL-R, might play a role in modulating the receptor’s physiology by participating in a novel/undetermined alternative pathway bypassing the Golgi apparatus.

Drug delivery, entry and intracellular trafficking of polymeric nanoparticles

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

FaSSIF-C, a Cholesterol containing biorelevant intestinal model medium for development and test of oral drug formulations

Biorelevante Medien sind entwickelt worden, um die Bedingungen im Magen-Darm-Trakt vor und nach der Mahlzeit zu imitieren. Mit FaSSIF und FeSSIF wurden Medien eingeführt, die nicht nur die pH- und Puffer-Kapazität des Dünndarms widerspiegeln, sondern auch Lipid und physiologische Tensid-Arten enthalten. Diese Medien (FaSSIF-V2 und FaSSlFmod6.5) wurden für Bioverfügbarkeitstudien in der Medikamentenentwicklung im Laufe der Jahre kontinuierlich weiterentwickelt. Dennoch sind die auf dem Markt verfügbaren Medien immer noch nicht in der Lage, die realen physiologischen Bedingungen zu simulieren. In der jetzigen Zusammensetzung sind nicht alle Kompetenten enthalten, welche natürlicher Weise im Duodenum vorkommen. Darüber hinaus wird nur eine 1:5 Verdünnung von FeSSIF zu FaSSIF angenommen, die individuelle Wasserzufuhr bei Medikamentengabe wird hierdurch jedoch nur eingeschränkt simuliert, obwohl diese von Patient zu Patient schwanken kann. rnZiel dieser Dissertation war die Verbesserung der Vorhersage der Auflösung und Absorption lipophiler Arzneistoffe durch Simulation der Bedingungen im zweiten Teil des Zwölffingerdarms mit neuen biorelevanten Medien, sowie unter Einwirkung zusätzlicher Detergention als Wirkstoffträger. rnUm den Effekt der Verdünnungsrate und Zeit im Dünndarm zu untersuchen, wurde die Entwicklung der Nanopartikel in der Magen-Darm-Flüssigkeit FaSSIFmod6.5 zu verschiedenen Zeitpunkten und Wassergehalten untersucht. Dafür wurden kinetische Studien an verschieden konzentrierten Modellmedien nach Verdünnungssprung untersucht. Das Modell entspricht der Vermischung der Gallenflüssigkeit mit dem Darminhalt bei variablem Volumen. Die Ergebnisse zeigen, dass Art und Größe der Nanopartikel stark von Verdünnung und Einirkungszeit abhängen. rnrnDie menschliche Darmflüssigkeit enthält Cholesterin, welches in allen früheren Modellmedien fehlt. Daher wurden biokompatible und physiologische Modellflüssigkeiten, FaSSIF-C, entwickelt. Der Cholesteringehalt von FaSSIF - 7C entspricht der Gallenflüssigkeit einer gesunden Frau, FaSSIF - 10C der einer gesunden männlichen Person und FaSSIF - 13C der in einigen Krankheitszuständen. Die intestinale Teilchen-Struktur-Untersuchung mit dynamische Lichtstreuung (DLS) und Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS) ergab, dass die Korngröße von Vesikeln mit zunehmender Cholesterin-Konzentration abnahm. Zu hohe Cholesterin-Konzentration bewirkte zusätzlich sehr große Partikel, welche vermutlich aus Cholesterin-reichen “Disks“ bestehen. Die Löslichkeiten einiger BCS Klasse II Wirkstoffe (Fenofibrat, Griseofulvin, Carbamazepin, Danazol) in diesen neuen Medien zeigten, dass die Löslichkeit in unterschiedlicher Weise mit der Cholesteringehalt zusammen hing und dieser Effekt selektiv für die Droge war. rnDarüber hinaus wurde die Wirkung von einigen Tensiden auf die kolloidale Struktur und Löslichkeit von Fenofibrat in FaSSIFmod6.5 und FaSSIF -7C untersucht. Struktur und Löslichkeit waren Tensid- und Konzentrations-abhängig. Im Falle von FaSSIFmod6.5 zeigten die Ergebnisse eine dreifache Verzweigung der Lösungswege. Im Bereich mittlerer Tensidkonzentration wurde eine Löslichkeitslücke der Droge zwischen der Zerstörung der Galle-Liposomen und der Bildung von Tensid-reichen Mizellen beobachtet. In FaSSIF - 7C, zerstörten Tenside in höherer Konzentration die Liposomenstruktur trotz der allgemeinen Stabilisierung der Membranen durch Cholesterin. rnDie in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse ergeben, dass die Anwesenheit von Cholesterin als eine fehlende Komponente der menschlichen Darmflüssigkeit in biorelevanten Medien wichtig ist und dazu beitragen kann, das in vivo Verhalten schwerlöslicher Arzneistoffe im Körper besser vorhersagen zu können. Der Verdünnungsgrad hat einen Einfluss auf die Nanopartikel-Struktur und Tenside beeinflussen die Löslichkeit von Medikamenten in biorelevanten Medien: Dieser Effekt ist sowohl von der Konzentration das Tensids abhängig, als auch dessen Typ.rnrn

Expression, localization, and functional model of cholesterol transporters in lactating and nonlactating mammary tissues of murine, bovine, and human origin

Members of the ATP-binding cassette (ABC) transporters play a pivotal role in cellular lipid efflux. To identify candidate cholesterol transporters implicated in lipid homeostasis and mammary gland (MG) physiology, we compared expression and localization of ABCA1, ABCG1, and ABCA7 and their regulatory genes in mammary tissues of different species during the pregnancy-lactation cycle. Murine and bovine mammary glands (MGs) were investigated during different functional stages. The abundance of mRNAs was determined by quantitative RT-PCR. Furthermore, transporter proteins were localized in murine, bovine, and human MGs by immunohistochemistry. In the murine MG, ABCA1 mRNA abundance was elevated during nonlactating compared with lactating stages, whereas ABCA7 and ABCA1 mRNA profiles were not altered. In the bovine MG, ABCA1, ABCG1, and ABCA7 mRNAs abundances were increased during nonlactating stages compared with lactation. Furthermore, associations between mRNA levels of transporters and their regulatory genes LXRalpha, PPARgamma, and SREBPs were found. ABCA1, ABCG1, and ABCA7 proteins were localized in glandular MG epithelial cells (MEC) during lactation, whereas during nonlactating stages, depending on species, the proteins showed distinct localization patterns in MEC and adipocytes. Our results demonstrate that ABCA1, ABCG1, and ABCA7 are differentially expressed between lactation and nonlactating stages and in association with regulatory genes. Combined expression and localization data suggest that the selected cholesterol transporters are universal MG transporters involved in transport and storage of cholesterol and in lipid homeostasis of MEC. Because of the species-specific expression patterns of transporters in mammary tissue, mechanisms of cholesterol homeostasis seem to be differentially regulated between species.

Human mast cells express intracellular TRAIL

Recently we demonstrated that human mast cells (MC) express functional TRAIL death receptors. Here we assessed the expression of TRAIL on both mRNA and protein level in cord blood derived MC (CBMC) and HMC-1. The TRAIL release either spontaneous or induced by LPS, IFN-gamma and IgE-dependent activation, was evaluated as well. The protein location was restricted to the intracellular compartment in CBMC, but not in HMC-1. The intracellular TRAIL was not localized inside the granules. The treatment with IFN-gamma and LPS up-regulated intracellular TRAIL expression in CBMC, but did not induce its release. These in vitro data show that human MC can produce and express intracellular TRAIL whose location could not be altered by different stimuli.