Entwicklung und Optimierung eines Mikroarray zur Erfassung der genetischen Prädisposition von Atherosklerose

Die Entstehung der Atherosklerose ist ein komplexer Vorgang, der sich durch Ablagerung von Lipiden an der Gefäßwand sowie durch immunologische und inflammatorische Prozesse auszeichnet. Neben konventionellen Risikofaktoren wie Alter, Geschlecht, Rauchen, HDL-Cholesterin, Diabetes mellitus und einer positiven Familienanamnese werden zur Bestimmung des atherosklerotischen Risikos neue Biomarker der inflammatorischen Reaktion untersucht. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Diagnostik des Atheroskleroserisikos. Es wurde eine neuartige Chip-Technologie eingesetzt, um das Risiko für eine potentiell drohende atherosklerotische Erkrankung abzuschätzen. Dabei wurde ausgenutzt, dass molekulare Veränderungen in Genen bestimmte Krankheitsbilder auslösen können. rnEs wurde ein molekularbiologischer Test entwickelt, welcher die Untersuchung von genetischen Variationen aus genomischer DNA ermöglicht. Dafür fand die Entwicklung einer Multiplex-PCR statt, deren Produkt mit der Chip-Technologie untersucht werden kann. Dazu wurden auf einem Mikroarray Sonden immobilisiert, mit deren Hilfe genspezifische Mutationen nachgewiesen werden können. So wurden mehrere Gene mit einem geringen Aufwand gleichzeitig getestet. rnDie Auswahl der entsprechenden Marker erfolgte anhand einer Literaturrecherche von randomisierten und kontrollierten klinischen Studien. Der Mikroarray konnte für zwölf Variationen in den acht Genen Prostaglandinsynthase-1 (PTGS1), Endotheliale NO-Synthase (eNOS), Faktor V (F5), 5,10-Methylentetrahydrofolsäure-Reduktase (MTHFR), Cholesterinester-Transferprotein (CETP), Apolipoprotein E (ApoE), Prothrombin (F2) und Lipoproteinlipase (LPL) erfolgreich etabliert werden. Die Präzision des Biochips wurde anhand der Echtzeit-PCR und der Sequenzierung nachgewiesen. rnDer innovative Mikroarray ermöglicht eine einfache, schnelle und kosteneffektive Genotypisierung von wichtigen Allelen. Viele klinisch relevante Variationen für Atherosklerose können nun in nur einem Test überprüft werden. Zukünftige Studien müssen zeigen, ob die Methode eine Vorhersage über den Ausbruch der Erkrankung und eine gezielte Therapie ermöglicht. Dies wäre ein erster Schritt in Richtung präventive und personalisierter Medizin für Atherosklerose.rn

Effects of glucocorticoids on vascular NADPH oxidases and endothelial NO synthase

Glukokortikoide (GCs) stellen wichtige Hormone in der Regulation der metabolischen Homöostase dar. Synthetische GCs, wie Dexamethasone (DEX), spielen eine essentielle Rolle in der Behandlung inflammatorischer Krankheiten. Jedoch sind unter einer Dexamethason-Therapie zahlreiche Nebenwirkungen bekannt, so z.B. auch die Entwicklung einer Hypertonie, in deren Pathogenese oxidativer Stress eine entscheidende Rolle spielt. Obwohl sich in den vergangenen Jahren zahlreiche Studien zum Ziel setzten die GC-induzierte Hypertonie (GC-HT) aufzuklären, sind die genauen Mechanismen bis heute unklar. Eine erhöhte Expression von NADPH Oxidasen (Nox) und eine Entkopplung der endothelialen NO Synthase (eNOS), die Hauptquellen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im vaskulären System, tragen maßgeblich zur Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen bei. Daher ist eine Beteiligung dieser Enzyme in GC-induziertem oxidativen Stress sehr wahrscheinlich. Folglich wurde die Hypothese aufgestellt, dass NADPH Oxidasen und eine entkoppelte eNOS die vielversprechendsten unter den zahlreichen involvierten pro- und anti-oxidativen Enzymen sind. Mit Fokus auf die oben genannten Systeme wurde in der vorliegenden Studie der Effekt von DEX mit Hilfe von in vivo (WKY Ratten) ebenso wie in vitro Experimenten (A7r5 und EA.hy 926 Zellen) untersucht. Dabei zeigte sich, dass Nox1, Nox4 und p22phox durch DEX unterschiedlich reguliert wurden. Nox1 wurde hoch-, Nox4 hingegen herunterreguliert, während p22phox unverändert blieb. Die Modufikation schien hierbei auf transkriptioneller und post-transkriptioneller Ebene stattzufinden. Durch die gegensätzliche Regulation von Nox1 und Nox4 bleibt die Nettowirkung der verschiedenen Nox Isoformen unklar. Immer mehr Studien bringen vaskulären oxidativen Stress mit der Pathogenese einer GC-HT in Zusammenhang, welche letztendlich zu einer verminderten Bioverfügbarkeit von Stickstoffmonoxid (NO) führt. Durch die eNOS produziertes NO stellt einen essentiellen Schutzfaktor der Blutgefäße dar. Eine verminderte NO-Bioverfügbarkeit könnte die Folge einer eNOS-Entkopplung darstellen, ausgelöst durch oxidativen Stress. Da die Verfügbarkeit von Tetrahydrobiopterin (BH4) entscheident ist für die Aktivität und enzymatische Kopplung der eNOS, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit GC-induzierten Veränderungen in der BH4-Versorgung. Die Behandlung von EA.hy 926 Zellen mit DEX führte zu einer zeit- und konzentrationsabhängigen Herunterregulation von eNOS auf mRNA- und Proteinebene. Gleichzeitig wurde die Phosphorylierung an Serine1177 vermindert. Als maßgeblicher “Kopplungs-Schalter” kann BH4 endogen über zwei verschiedene Signalwege synthetisiert werden, welche durch die Enzyme GCH1 und DHFR reguliert werden. DEX führte zu einer zeit- und konzentrationsabhängigen Herunterregulation von BH4, BH2 und Biopterin, wobei ebenso das BH4 / BH2 -Verhältnis vermindert wurde. Beide Enzyme, GCH1 genauso wie DHFR, wurden auf mRNA- und Proteinebene herunterreguliert, was auf einen Effekt von GCs auf beide rnBH4-produzierenden Signalwege schließen lässt. Nach Behandlung mit DEX wurde die Produktion von NO in Endothelzellen maßgeblich vermindert. In ROS-Messungen zeigte sich eine Tendenz hin zu einer eNOS-Entkopplung, jedoch war es mit unserem experimentellen Aufbau nicht möglich, diese endgültig zu beweisen.rnZusammenfassend lässt sich sagen, dass die Behandlung mit GCs zu Veränderungen in beiden untersuchten Systemen, den NADPH Oxidasen ebenso wie dem eNOS-NO System, führte. DEX erhöhte die Expression von Nox1 in glatten Muskelzellen und reduzierte die Nox4-Expression in Endothelzellen. Gleichzeitig verminderte DEX die Verfügbarkeit von BH4 und inhibierte die Phosphorylierung / Aktivität von eNOS. Mithilfe weiterer Studien muss die endgültige Beteiligung von NADPH Oxidasen und einer eNOS-Entkopplung an oxidativem Stress in GC-HT abschließend aufgeklärt werden.rn

Physiologische Konsequenzen eines gestörten Ceramid Stoffwechsels unter Beteiligung von Ceramidsynthase 3 und saurer Ceramidase = Physiological consequences of a disturbed ceramide metabolism due to altered activities of ceramide synthase 3 and acidic ceramidase

Tiefes Wissen über den Ceramid Stoffwechsel ist rudimentär für das Verständnis der Haut-Pathophysiologie (z.B. für atopische Dermatitis oder Psoriasis ) und unabdingbar für gezielte Therapieansätze. Wenn die zwei wichtigen Barriere Funktionen, gegen transepidermalen Wasserverlust und Pathogene Invasionen undicht werden, sind bestimmte Barriere Komponenten wie z.B. Ceramide stark verändert. In Haut und Hoden führt die Deletion der Ceramid-Synthase 3 zu einem Arrest der epidermalen Reifung und der Spermatogenese, welches ihre Bedeutung für eine intakte Barriere heraushebt. Sphingosin (So), ein Abbauprodukt von Cer, wurde als antimikrobielles Mittel identifiziert. So konnte das Wachstum von Candida albicans hemmen und die Invasion von Pathogenen in tiefere Hautschichten verringern, wodurch ihre mögliche Rolle in der Therapie von Hauterkrankungen gezeigt wurde. Auch eine neue Klasse von Ceramiden, die 1-O-acylceramide, wurde entdeckt. 1-O-acylceramide könnten zu einer funktionellen Wasserdurchlässigkeit Barriere beitragen, da sie zu den hydrophobesten der epidermalen Cers gehören. Die neutrale Glucosylceramidase scheint topologisch mit der 1-Oacylceramid Produktion verbunden zu sein, sowie die Enzyme der Diacylglycerol O-Acyltransferase-2 (DGAT2) Familie eine Rolle dabei spielen könnten. Die Identifizierung der für die 1-O-acylceramid Synthese verantwortlichen Enzyme wir Gegenstand weiterer Forschung sein, jedoch zeigten Untersuchungen an Mäusen, defizient für die saure Ceramidase (Farber-Krankheit), dass Makrophagen ein weiterer potenzieller Produktionsort sein könnten.

Restoration of mutant cytochrome P450 reductase activity by external flavin

Cytochrome P450 oxidoreductase (POR) supplies electrons from NADPH to steroid and drug metabolizing reactions catalyzed by the cytochrome P450s located in endoplasmic reticulum. Mutations in human POR cause a wide spectrum of disease ranging from disordered steroidogenesis to sexual differentiation. Previously we and others have shown that POR mutations can lead to reduced activities of steroidogenic P450s CYP17A1, CYP19A1 and CYP21A1. Here we are reporting that mutations in the FMN binding domain of POR may reduce CYP3A4 activity, potentially influencing drug and steroid metabolism; and the loss of CYP3A4 activity may be correlated to the reduction of cytochrome b(5) by POR. Computational molecular docking experiments with a FMN free structural model of POR revealed that an external FMN could be docked in close proximity to the FAD moiety and receive electrons donated by NADPH. Using FMN supplemented assays we have demonstrated restoration of the defective POR activity in vitro.

Favourable long-term outcome after immediate treatment of neonatal hyperammonemia due to N-acetylglutamate synthase deficiency

INTRODUCTION: N-Acetylglutamate synthase (NAGS) deficiency is a rare urea cycle disorder, which may present in the neonatal period with severe hyperammonemia and marked neurological impairment. CASE REPORT: We report on a Turkish family with a patient who died due to hyperammonemia in the neonatal period. Reduced activity of NAGS and carbamyl phosphate synthetase were found at autopsy. A second child who developed hyperammonemia on the second day of life was immediately treated with arginine hydrochloride, sodium benzoate and protein restriction. After NAGS deficiency was suspected by enzyme analysis, sodium benzoate was replaced by N-carbamylglutamate (NCG). A third child who developed slight hyperammonemia on the third day of life was treated with NCG before enzyme analysis confirmed reduced NAGS activity. Neither of the patients developed hyperammonemia in the following years. After the human NAGS gene was identified, mutation analysis revealed that the older sibling on NCG therapy was homozygous for a 971G>A (W324X) mutation. The parents and the younger sibling were heterozygous. Therapy was continued in the older sibling until now without any adverse effects and favourable neurodevelopment outcome. In the younger sibling, therapy was stopped without any deterioration of urea cycle function. CONCLUSION: NAGS deficiency can be successfully treated with NCG and arginine hydrochloride with favourable outcome. Molecular diagnostic rather than enzyme analysis should be used in patients with suspected NAGS deficiency.

The Combination of Interferon-Beta and HMG-CoA Reductase Inhibition in Multiple Sclerosis: Enthusiasm Lost too Soon?

Recent studies support the notion that statins, widely prescribed cholesterol-lowering agents, may target key elements in the immunological cascade leading to inflammation and tissue damage in the pathogenesis of multiple sclerosis (MS). Compelling experimental and observational clinical studies highlighted the possibility that statins may also exert immunomodulatory synergy with approved MS drugs, resulting in several randomized clinical trials testing statins in combination with interferon-beta (IFN-?). Some data, however, suggest that this particular combination may not be clinically beneficial, and might actually have a negative effect on the disease course in some patients with MS. In this regard, a small North American trial indicated that atorvastatin administered in combination with IFN-? may increase disease activity in relapsing-remitting MS. Although other trials did not confirm this finding, the enthusiasm for studies with statins dwindled. This review aims to provide a comprehensive overview of the completed clinical trials and reports of the interim analyses evaluating the combination of IFN-? and statins in MS. Moreover, we try to address the evident question whether usage of this combination routinely requires caution, since the number of IFN-?-treated MS patients receiving statins for lowering of cholesterol is expected to grow.

Altered heme catabolism by heme oxygenase-1 caused by mutations in human NADPH cytochrome P450 reductase

Human heme oxygenase-1 (HO-1) carries out heme catabolism supported by electrons supplied from the NADPH through NADPH P450 reductase (POR, CPR). Previously we have shown that mutations in human POR cause a rare form of congenital adrenal hyperplasia. In this study, we have evaluated the effects of mutations in POR on HO-1 activity. We used purified preparations of wild type and mutant human POR and in vitro reconstitution with purified HO-1 to measure heme degradation in a coupled assay using biliverdin reductase. Here we show that mutations in POR found in patients may reduce HO-1 activity, potentially influencing heme catabolism in individuals carrying mutant POR alleles. POR mutants Y181D, A457H, Y459H, V492E and R616X had total loss of HO-1 activity, while POR mutations A287P, C569Y and V608F lost 50-70% activity. The POR variants P228L, R316W and G413S, A503V and G504R identified as polymorphs had close to WT activity. Loss of HO-1 activity may result in increased oxidative neurotoxicity, anemia, growth retardation and iron deposition. Further examination of patients affected with POR deficiency will be required to assess the metabolic effects of reduced HO-1 activity in affected individuals.

The beta-isoform of neuronal nitric oxide synthase (nNOS) lacking the PDZ domain is localized at the sarcolemma

In skeletal muscles, the expression of neuronal NO synthase (nNOS) isoforms is uncharacterized at the protein level. We therefore conducted epitope mapping with anti-peptide-antibodies. Antibodies specific for the nNOS N-terminus recognized the 160-kDa alpha-isoform. In contrast, antibodies against the middle portion or the C-terminus of nNOS bound additionally to the truncated 140-kDa beta-isoform which lacks the PDZ-domain present in the alpha-isoform. All nNOS immunohistochemical reactivity was confined to the sarcolemma. Consistently, immunoblotting disclosed both nNOS-isoforms to be co-enriched in the membrane-associated fractions. The beta-isoform was co-immunoprecipitated with alpha-isoform antibodies in muscle extracts indicating an association of both nNOS-isoforms to direct the beta-variant to the sarcolemma.

Exercise-induced angiogenesis correlates with the up-regulated expression of neuronal nitric oxide synthase (nNOS) in human skeletal muscle

The contribution of neuronal nitric oxide synthase (nNOS) to angiogenesis in human skeletal muscle after endurance exercise is controversially discussed. We therefore ascertained whether the expression of nNOS is associated with the capillary density in biopsies of the vastus lateralis (VL) muscle that had been derived from 10 sedentary male subjects before and after moderate training (four 30-min weekly jogging sessions for 6 months, with a heart-rate corresponding to 75% VO(2)max). In these biopsies, nNOS was predominantly expressed as alpha-isoform with exon-mu and to a lesser extent without exon-mu, as determined by RT-PCR. The mRNA levels of nNOS were quantified by real-time PCR and related to the capillary-to-fibre ratio and the numerical density of capillaries specified by light microscopy. If the VL biopsies of all subjects were co-analysed, mRNA levels of nNOS were non-significantly elevated after training (+34%; P > 0.05). However, only five of the ten subjects exhibited significant (P ≤ 0.05) elevations in the capillary-to-fibre ratio (+25%) and the numerical density of capillaries (+21%) and were thus undergoing angiogenesis. If the VL biopsies of these five subjects alone were evaluated, the mRNA levels of nNOS were significantly up-regulated (+128%; P ≤ 0.05) and correlated positively (r = 0.8; P ≤ 0.01) to angiogenesis. Accordingly, nNOS protein expression in VL biopsies quantified by immunoblotting was significantly increased (+82%; P ≤ 0.05) only in those subjects that underwent angiogenesis. In conclusion, the expression of nNOS at mRNA and protein levels was statistically linked to capillarity after exercise suggesting that nNOS is involved in the angiogenic response to training in human skeletal muscle.

Comparison of C-11 methionine and C-11 choline for PET imaging of brain metastases: a prospective pilot study

The aim of the study was the comparison of C-11 methionine (MET) and C-11 choline (CHO) in the positron emission tomography (PET) imaging of brain metastases in correlation to the histopathology findings in stereotactic biopsy.

An essential bacterial-type cardiolipin synthase mediates cardiolipin formation in a eukaryote

Cardiolipin is important for bacterial and mitochondrial stability and function. The final step in cardiolipin biosynthesis is catalyzed by cardiolipin synthase and differs mechanistically between prokaryotes and eukaryotes. To study the importance of cardiolipin synthesis for mitochondrial integrity, membrane protein complex formation, and cell proliferation in the human and animal pathogenic protozoan parasite, Trypanosoma brucei, we generated conditional cardiolipin synthase-knockout parasites. We found that cardiolipin formation in T. brucei procyclic forms is catalyzed by a bacterial-type cardiolipin synthase, providing experimental evidence for a prokaryotic-type cardiolipin synthase in a eukaryotic organism. Ablation of enzyme expression resulted in inhibition of de novo cardiolipin synthesis, reduction in cellular cardiolipin levels, alterations in mitochondrial morphology and function, and parasite death in culture. By using immunofluorescence microscopy and blue-native gel electrophoresis, cardiolipin synthase was shown to colocalize with inner mitochondrial membrane proteins and to be part of a large protein complex. During depletion of cardiolipin synthase, the levels of cytochrome oxidase subunit IV and cytochrome c1, reflecting mitochondrial respiratory complexes IV and III, respectively, decreased progressively.

Topical application of 17β-estradiol (E2) improves skin flap survival through activation of endothelial nitric oxide synthase in rats

This study investigates the influence of 17β-estradiol (E2) on nitric oxide (NO) production in endothelial cell cultures and the effect of topical E2 on the survival of skin flap transplants in a rat model. Human umbilical vein endothelial cells were treated with three different E2 concentrations and nitrite (NO2) concentrations, as well as endothelial nitric oxide synthase (eNOS) protein expressions were analyzed. In vivo, random-pattern skin flaps were raised in female Wistar rats 14 days following ovariectomy and treated with placebo ointment (group 1), E2 as gel (group 2), and E2 via plaster (group 3). Flap perfusion, survival, and NO2 levels were measured on postoperative day 7. In vitro, E2 treatment increased NO2 concentration in cell supernatant and eNOS expression in cell lysates (p < 0.05). In vivo, E2 treated (gel and plaster groups) demonstrated significantly increased skin flap survival compared to the placebo group (p < 0.05). E2 plaster-treated animals exhibited higher NO2 blood levels than placebo (p < 0.05) paralleling the in vitro observations. E2 increases NO production in endothelial cells via eNOS activation. Topical E2 application can significantly increase survival of ischemically challenged skin flaps in a rat model and may augment wound healing in other ischemic situations via activation of NO production.

Cholesteryl ester accumulation and accelerated cholesterol absorption in intestine-specific hormone sensitive lipase-null mice

Hormone sensitive lipase (HSL) regulates the hydrolysis of acylglycerols and cholesteryl esters (CE) in various cells and organs, including enterocytes of the small intestine. The physiological role of this enzyme in enterocytes, however, stayed elusive. In the present study we generated mice lacking HSL exclusively in the small intestine (HSLiKO) to investigate the impact of HSL deficiency on intestinal lipid metabolism and the consequences on whole body lipid homeostasis. Chow diet-fed HSLiKO mice showed unchanged plasma lipid concentrations. In addition, feeding with high fat/high cholesterol (HF/HC) diet led to unaltered triglyceride but increased plasma cholesterol concentrations and CE accumulation in the small intestine. The same effect was observed after an acute cholesterol load. Gavaging of radioactively labeled cholesterol resulted in increased abundance of radioactivity in plasma, liver and small intestine of HSLiKO mice 4h post-gavaging. However, cholesterol absorption determined by the fecal dual-isotope ratio method revealed no significant difference, suggesting that HSLiKO mice take up the same amount of cholesterol but in an accelerated manner. mRNA expression levels of genes involved in intestinal cholesterol transport and esterification were unchanged but we observed downregulation of HMG-CoA reductase and synthase and consequently less intestinal cholesterol biosynthesis. Taken together our study demonstrates that the lack of intestinal HSL leads to CE accumulation in the small intestine, accelerated cholesterol absorption and decreased cholesterol biosynthesis, indicating that HSL plays an important role in intestinal cholesterol homeostasis.