Entwicklung einer GC-MS-Methode zur Bestimmung von Iodspezies in w��ssrigen und gasf��rmigen Umweltproben

In der Vergangenheit wurde die Wichtigkeit von Iodverbindungen im Bezug auf die Aerosolbildung in K��stenn��he wiederholt best��tigt. Durch Photolyse von fl��chtigen iodorganischen Verbindungen (VOIs) k��nnen in der Atmosph��re Iodatome gebildet werden. Diese hochreaktiven Radikale wiederum k��nnen mit Ozon und/oder OH-Radikalen reagieren. Es werden so unter anderem schwerfl��chtige Iodoxide gebildet, die in die Partikelphase ��bergehen k��nnen. Um ein Verst��ndnis f��r die Mechanismen und chemischen Reaktionen zu bekommen, die zur Bildung von iodhaltigen Aerosolpartikeln f��hren, m��ssen auch Vorl��ufersubstanzen qualitativ und quanitativ bestimmt werden. Ob diese Reaktionen und chemischen Verbindungen auch ��ber dem offenen Ozean einen Beitrag zu Aerosolbildung und somit zur Beeinflussung des weltweitem Klimas leisten, soll in dem EU-Projekt MAP gekl��rt werden, diese Arbeit ist Teil dieses Projekts. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die es zum einen m��glich macht, anorganisches Iod in Meerwasser zu bestimmen. Zum anderen sollte eine Methode entwickelt werden, um elementares Iod in der maritimen Atmosph��re zu bestimmen. Es wurde eine Derivatisierungsmethode entwickelt, die es m��glich macht elementares Iod in Anwesenheit von St��rke, a-Cyclodextrin oder RAMEA zu derivatisieren. Die Derivatisierung erfolgt zu 4-Iodo-N,N-Dimethylanilin. Durch Extraktion wird der Analyt in die organische Phase ��berf��hrt. Die Quantifizierung erfolgt anschlie��end ��ber die Analyse mit GC/MS und externer Kalibrierung. Die absolute Nachweisgrenze f��r Iod in Wasser betr��gt 0,57nmol, f��r Iodid 0,014nmol und f��r Iodat 0,115nmol. Die absoluten Nachweisgrenzen f��r Iod in Anwesenheit eines Absorptionsmittel betragen f��r St��rke 0,24nmol, f��r a-Cyclodextrin 0,9nmol und f��r RAMEA 0,35nmol. Die Analysenmethoden wurden zun��chst im Labor entwickelt und anschlie��end zur Analyse von Realproben verwendet. An verschiedenen Orten wurden Meerwasserproben (auf der Celtic Explorer und in der N��he der Mace Head Messstation) genommen und deren Iod-, Iodid- und Iodatgehalt bestimmt. Keine der Proben enthielt elementares Iod. Iodid konnte in allen Proben detektiert werden. In Proben, die auf dem offenen Ozean an Bord der Celtic Explorer genommen wurden variierte die Menge zwischen 12��g/L und 90��g/L. Auff��llig war hierbei, dass die Proben, die in K��stenn��he genommen wurden h��here Iodidkonzentrationen aufwiesen. Ein Einfluss der K��ste und der dort vorhandenen Makroalgen ist sehr wahrscheinlich. Meerwasserproben, die in der N��he der MHARS genommen wurden wiesen h��here Konzentrationen und einen gr����eren dynamischen Bereich der Iodidkonzentrationen auf. Die Konzentrationen variierten von 29��g/L bis 630 ��g/L. Der Iodatgehalt der Meerwasserproben wurde ebenfalls bestimmt. 1��g/L bis 90��g/L Iodat konnte in den Proben vom offenen Ozean detektiert werden. Die K��stenproben wiesen mit 150��g/L bis 230��g/L deutlich h��here Iodatkonzentrationen auf. Es konnte kein Zusammenhang zwischen der Tageszeit und den Iodid- oder Iodatkonzentrationen gefunden werden. Es konnte ebenso kein Zusammenhang zwischen der Fluoreszenz des Meerwassers und den Iodid- oder Iodatkonzentrationen gefunden werden. Auf der Celtic Explorer, wie auch in Mace Head wurden au��erdem beschichtete Denuder zur Anreicherung von elementarem Iod aus Luft eingesetzt. Die Denuder, die auf dem Schiff verwendet wurden waren mit St��rke bzw. mit a-CD beschichtet. Die mit St��rke beschichteten Denuder geben so einen ��berblick ��ber die Iodkonzentration in Luft ��ber einen l��ngeren Zeitraum (ca. 2-3h), w��hrend die mit Cyclodextrin beschichteten Denuder die Iodkonzentration in der letzten halben Stunde der Probennahme widerspiegeln. In fast allen Denudern, die mit St��rke beschichtet waren, konnte mehr Iod nachgewiesen werden, als in denen, die mit a-CD beschichtet waren. Im Allgemeinen konnten in den Proben h��here Iodkonzentrationen gefunden werden, die nachts genommen wurden. Der Grund hierf��r liegt in der sehr hohen Photolyserate des elementaren Iods w��hrend des Tages. Ein Zusammenhang zwischen der Konzentration von VOIs und dem Iodgehalt konnte nicht gefunden werden. Anhand der genommen Denuderproben von Mace Head konnte festgestellt werden, dass die Iodkonzentration in Denudern, deren Probenahme w��hrend Ebbe beendet wurde hoch deutlich h��her sind, als die in anderen Denudern. Das l��sst sich dadurch erkl��ren, dass Makroalgen w��hrend Ebbe in direktem Kontakt zur Luft sind und somit mehr Iod in der Luft zu finden ist. Eine wichtige Frage, die im Zusammenhang mit der Iodchemie in maritimer Umgebung steht konnte im Rahmen dieser Arbeit gekl��rt werden. In der maritimen Grenzschicht ��ber dem Nordatlantik konnte elementares Iod detektiert werden, d.h. es deutet sich an, dass Iod auch auf dem offenen Ozean einen Beitrag zur Partikelbildung liefern kann und es sich nicht ausschlie��lich um einen K��steneffekt handelt.

Entwicklung und Charakterisierung eines Laserablationsmassenspektrometers zur Echtzeit-Analyse von atmosph��rischen Aerosolpartikeln

Das Aerosolmassenspektrometer SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time-of-Flight Mass Spectrometer) ist in der Lage, die Gr����e einzelner Aerosolpartikel in einem Gr����enbereich von 0,3 ��m bis 3 ��m zu bestimmen und gleichzeitig chemisch zu analysieren. Die Gr����enbestimmung erfolgt durch Streulichtmessung und Bestimmung der Flugzeit der Partikel zwischen zwei kontinuierlichen Laserstrahlen. Durch Kalibrationsmessungen kann auf den aerodynamischen Durchmesser der Partikel geschlossen werden. Kurzzeitig nach der Streulichtdetektion werden die Partikel durch einen hochenergetischen gepulsten UV-Laser verdampft und ionisiert. Die Flugzeit der Partikel zwischen den kontinuierlichen Laserstrahlen wird dazu benutzt, die Ankunftszeit der Partikel in der Ionenquelle zu berechnen und den UV-Laserpuls zu z��nden. Die entstandenen Ionen werden in einem bipolaren Flugzeitmassen��spektrometer nachgewiesen. Durch die Laserablation/Ionisation ist das SPLAT in der Lage, auch schwer verdampfbare Komponenten des atmosph��rischen Aerosols - wie etwa Minerale oder Metalle - nachzuweisen. Das SPLAT wurde w��hrend dieser Arbeit vollst��ndig neu entwickelt und aufgebaut. Dazu geh��rten das Vakuum- und Einlasssystem, die Partikeldetektion, die Ionenquelle und das Massen-spektrometer. Beim Design des SPLAT wurde vor allem auf den sp��teren Feldeinsatz Wert gelegt, was besondere Anforderungen an Mechanik und Elektronik stellte. Die Charakterisierung der einzelnen Komponenten sowie des gesamten Instruments wurde unter Laborbedingungen durchgef��hrt. Dabei wurde u.a. Detektionseffizienzen des Instruments ermittelt, die abh��ngig von der Gr����e der Partikel sind. Bei sph��rischen Partikeln mit einem Durchmesser von 600 nm wurden ca. 2 % der Partikel die in das Instrument gelangten, detektiert und chemisch analysiert. Die F��higkeit zum Feldeinsatz hat das SPLAT im Februar/M��rz 2006 w��hrend einer internationalen Messkampagne auf dem Jungfraujoch in der Schweiz bewiesen. Auf dieser hochalpinen Forschungsstation in einer H��he von ca. 3580 m fand das SPLAT mineralische und metallische Komponenten in den Aerosolpartikeln. Das SPLAT ist ein vielf��ltig einsetzbares Instrument und erlaubt vor allem in Kombination mit Aerosolmassenspektrometern, die mit thermischer Verdampfung und Elektronensto��ionisation arbeiten, einen Erkenntnisgewinn in der Analytik atmosph��rischer Aerosolpartikel.

Large-scale coupled-cluster calculations

Coupled-cluster theory provides one of the most successful concepts in electronic-structure theory. This work covers the parallelization of coupled-cluster energies, gradients, and second derivatives and its application to selected large-scale chemical problems, beside the more practical aspects such as the publication and support of the quantum-chemistry package ACES II MAB and the design and development of a computational environment optimized for coupled-cluster calculations. The main objective of this thesis was to extend the range of applicability of coupled-cluster models to larger molecular systems and their properties and therefore to bring large-scale coupled-cluster calculations into day-to-day routine of computational chemistry. A straightforward strategy for the parallelization of CCSD and CCSD(T) energies, gradients, and second derivatives has been outlined and implemented for closed-shell and open-shell references. Starting from the highly efficient serial implementation of the ACES II MAB computer code an adaptation for affordable workstation clusters has been obtained by parallelizing the most time-consuming steps of the algorithms. Benchmark calculations for systems with up to 1300 basis functions and the presented applications show that the resulting algorithm for energies, gradients and second derivatives at the CCSD and CCSD(T) level of theory exhibits good scaling with the number of processors and substantially extends the range of applicability. Within the framework of the ���High accuracy Extrapolated Ab initio Thermochemistry��� (HEAT) protocols effects of increased basis-set size and higher excitations in the coupled- cluster expansion were investigated. The HEAT scheme was generalized for molecules containing second-row atoms in the case of vinyl chloride. This allowed the different experimental reported values to be discriminated. In the case of the benzene molecule it was shown that even for molecules of this size chemical accuracy can be achieved. Near-quantitative agreement with experiment (about 2 ppm deviation) for the prediction of ���uorine-19 nuclear magnetic shielding constants can be achieved by employing the CCSD(T) model together with large basis sets at accurate equilibrium geometries if vibrational averaging and temperature corrections via second-order vibrational perturbation theory are considered. Applying a very similar level of theory for the calculation of the carbon-13 NMR chemical shifts of benzene resulted in quantitative agreement with experimental gas-phase data. The NMR chemical shift study for the bridgehead 1-adamantyl cation at the CCSD(T) level resolved earlier discrepancies of lower-level theoretical treatment. The equilibrium structure of diacetylene has been determined based on the combination of experimental rotational constants of thirteen isotopic species and zero-point vibrational corrections calculated at various quantum-chemical levels. These empirical equilibrium structures agree to within 0.1 pm irrespective of the theoretical level employed. High-level quantum-chemical calculations on the hyper���ne structure parameters of the cyanopolyynes were found to be in excellent agreement with experiment. Finally, the theoretically most accurate determination of the molecular equilibrium structure of ferrocene to date is presented.

Cobalt dotiertes ZnO als verd��nnter magnetischer Halbleiter

Verd��nnte magnetische Halbleiter (DMS) sind technologisch vielversprechende Materialien mit sowohl ferromagnetischen als auch halbleitenden Eigenschaften. Sie geh��ren zu den entscheidenden Verbindungen bei der Entwicklung neuartiger Spintronikanwendungen. Bisher scheiterte der technologische Einsatz jedoch daran, dass die Curie Temperatur der meisten magnetischen Halbleiter viel zu niedrig ist. Neue Verbindungen auf Basis von ZnO wie Zn1-xCoxO sollen jedoch Ferromagnetismus oberhalb von Raumtemperatur zeigen. Die theoretischen Grundlagen der magnetischen Wechselwirkungen sind jedoch nicht verstanden und erfordern daher umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden d��nne Filme aus Zn0.95Co0.05O mittels Laserablation hergestellt und bez��glich ihrer magnetischen, elektrischen und strukturellen Eigenschaften untersucht, mit dem Ziel den Ferromagnetismus in diesem Material besser zu verstehen. Dabei kamen verschiedene experimentelle Methoden zum Einsatz: wie Magnetometrie, R��ntgendiffraktometrie, Magnetischer R��ntgenzirkulardichroismus (XMCD), Elektronenspinresonanz sowie magnetoelektrische Transportmessungen. Bei entsprechend defektf��rdernden Herstellungsbedingungen zeigen die Proben klare ferromagnetische Eigenschaften oberhalb von Raumtemperatur mit einer S��ttigungsmagnetisierung von ca. 2 Bohr Magneton / Co sowie einer Remanenz von bis zu 90%. Elektrische Transportmessungen zeigen zudem einen deutlichen Magnetowiderstand sowie einen anomalen Hall Effekt. Letzterer steigt mit der Probenmagnetisierung und spricht f��r intrinsischen Ferromagnetismus sowie eine geringe Spinpolarisation. Da der Ferromagnetismus mit h��herer Ladungstr��gerdichte jedoch verschwindet, ist eine ferromagnetische Wechselwirkung ��ber die Leitungselektronen auszuschlie��en. Eine genauere Auswertung der magnetoelektrischen Messdaten deutet zudem auf ein leitendes St��rstellenband hin, das unter Umst��nden selbst spinpolarisiert ist. Vieles spricht somit daf��r, dass die ferromagnetische Ordnung ��ber magnetische Polaronen zustande kommt. Einige strukturelle und magnetometrische Ergebnisse sowie Elektronenspinresonanzmessungen deuten zudem auf metallische Ausscheidungen in Form von Cobalt Clustern hin, die einen zus��tzlichen extrinsischen ferromagnetischen Beitrag liefern, der deutlich gr����er sein k��nnte als der intrinsische. ��berraschenderweise zeigen XMCD Messungen jedoch, dass Cobalt ��berhaupt nicht am Ferromagnetismus beteiligt ist. Insgesamt gibt es Anzeichen, dass magnetische Defekte eine entscheidende Rolle hinsichtlich des Magnetismus in Zn0.95Co0.05O spielen.

Nicht getr��gerte Radioarsenisotope: ihre Herstellung, Abtrennung und Markierung von Proteinen

Das Element Arsen besitzt eine Reihe von Isotopen, die in nahezu tr��gerfreier Form (nca) produziert werden k��nnen und deshalb in der Radiopharmazie f��r die Diagnose oder Endoradiotherapie Verwendung finden k��nnen. Bei der Positronenemissionstomographie (PET) gibt es eine gewisse L��cke bei der Versorgung mit langlebigen Positronenemittern, die zur Untersuchung von langsamen physiologischen Prozessen wie z.B. der Biodistribution und Anreicherung von Antik��rpern in Tumorgewebe eingesetzt werden k��nnen. Die beiden Arsenisotope 72As (T1/2 = 26 h, 88 % beta+) und 74As (T1/2 = 17,8 d, 29 % beta+) vereinen eine lange physikalische Halbwertszeit mit einer hohen Positronenemissionsrate und sind daher geeignete Kandidaten. Da das Verhalten von radioaktivem Arsen und seine Verwendung in der molekularen Bildgebung international relativ wenig bearbeitet sind, wurde die Radiochemie des Arsens von der Isotopenproduktion an Kernreaktor und Zyklotron, ��ber die Entwicklung von Abtrennungsmethoden f��r Germanium und Arsen, bis hin zur Entwicklung einer soliden Markierungschemie f��r Antik��rper weiterentwickelt. Die in dieser Arbeit bearbeiteten Felder sind: 1. Die Isotopenproduktion der relevanten Arsenisotope (72/74/77As) wurde an Kernreaktor und Zyklotron durch Bestrahlung von GeO2- und Germaniummetalltargets durchgef��hrt. Pro 6 h Bestrahlung von 100 mg Germanium konnten ca. 2 MBq 77As am TRIGA Reaktor in Mainz hergestellt werden. Am Zyklotron des DKFZ in Heidelberg konnten unter optimierten Bedingungen bei der Bestrahlung von Germaniummetall (EP = 15 Mev, 20 ��A, 200 ��Ah) ca. 4 GBq 72As und ca. 400 MBq 74As produziert werden. 2. Die Entwicklung neuer Abtrennungsmethoden f��r nca 72/74/77As von makroskopischen Mengen Germanium wurde vorangetrieben. F��r die Aufarbeitung von GeO2- und Germaniummetalltargets kamen insgesamt 8 verschiedene Methoden wie Festphasenextraktion, Fl��ssig-Fl��ssig-Extraktion, Destillation, Anionenaustauschchromatographie zum Einsatz. Die erzielten Ausbeuten lagen dabei zwischen 31 und 56 %. Es wurden Abtrennungsfaktoren des Germaniums zwischen 1000 und 1���10E6 erreicht. Alle erfolgreichen Abtrennungsmethoden lieferten *As(III) in 500 ��l PBS-Puffer bei pH 7. Diese Form des Radioarsens ist f��r die Markierung von SH-modifizierten Molek��len, wie z.B. Antik��rpern geeignet. 3. Die Entwicklung von Methoden zur Bestimmung des Oxidationszustandes von nca *As in organischem, neutralem w��ssrigen, oder stark sauren Medium mittels Radio-DC und Anionenaustauschchromatographie wurde durchgef��hrt und f��hrte zu einem besseren Verst��ndnis der Redoxchemie des nca *As. 4. SH-modifizierte Antik��rper wurden mit 72/74/77As(III) markiert. Dabei wurden zwei Methoden (Modifizierung mit SATA und TCEP) miteinander verglichen. W��hrend das *As(III) bei Verwendung von TCEP in Ausbeuten > 90 % mit dem Antik��rper reagierte, wurde f��r SATA-modifizierte Antik��rper in Abh��ngigkeit von der verwendeten Abtrennungsmethode eine breite Spanne von 0 % bis > 90 % beobachtet. 5. Es wurden Phantommessungen mit 18F, 72As und 74As am ��-PET-Scanner durchgef��hrt, um erste Aussagen ��ber die zu erwartende Aufl��sung der Arsenisotope zu erhalten. Die Aufl��sung von 74As ist mit 18F vergleichbar, w��hrend die von 72As erkennbar schlechter ist.

Shikonin directly targets mitochondria and causes mitochondrial dysfunction in cancer cells

Chemotherapy is a mainstay of cancer treatment. Due to increased drug resistance and the severe side effects of currently used therapeutics, new candidate compounds are required for improvement of therapy success. Shikonin, a natural naphthoquinone, was used in traditional Chinese medicine for the treatment of different inflammatory diseases and recent studies revealed the anticancer activities of shikonin. We found that shikonin has strong cytotoxic effects on 15 cancer cell lines, including multidrug-resistant cell lines. Transcriptome-wide mRNA expression studies showed that shikonin induced genetic pathways regulating cell cycle, mitochondrial function, levels of reactive oxygen species, and cytoskeletal formation. Taking advantage of the inherent fluorescence of shikonin, we analyzed its uptake and distribution in live cells with high spatial and temporal resolution using flow cytometry and confocal microscopy. Shikonin was specifically accumulated in the mitochondria, and this accumulation was associated with a shikonin-dependent deregulation of cellular Ca(2+) and ROS levels. This deregulation led to a breakdown of the mitochondrial membrane potential, dysfunction of microtubules, cell-cycle arrest, and ultimately induction of apoptosis. Seeing as both the metabolism and the structure of mitochondria show marked differences between cancer cells and normal cells, shikonin is a promising candidate for the next generation of chemotherapy.

Cis-4-methylsphingosine is a sphingosine-1-phosphate receptor modulator

Sphingosine-1-phosphate (S1P) acts as high affinity agonist at specific G-protein-coupled receptors, S1P(1-5), that play important roles e.g. in the cardiovascular and immune systems. A S1P receptor modulating drug, FTY720 (fingolimod), has been effective in phase III clinical trials for multiple sclerosis. FTY720 is a sphingosine analogue and prodrug of FTY720-phosphate, which activates all S1P receptors except S1P(2) and disrupts lymphocyte trafficking by internalizing the S1P(1) receptor. Cis-4-methylsphingosine (cis-4M-Sph) is another synthetic sphingosine analogue that is readily taken up by cells and phosphorylated to cis-4-methylsphingosine-1-phosphate (cis-4M-S1P). Therefore, we analysed whether cis-4M-Sph interacted with S1P receptors through its metabolite cis-4M-S1P in a manner similar to FTY720. Indeed, cis-4M-Sph caused an internalization of S1P receptors, but differed from FTY720 as it acted on S1P(2) and S1P(3) and only weakly on S1P(1), while FTY720 internalized S1P(1) and S1P(3) but not S1P(2). Consequently, pre-incubation with cis-4M-Sph specifically desensitized S1P-induced [Ca(2+)](i) increases, which are mediated by S1P(2) and S1P(3), in a time- and concentration-dependent manner. This effect was not shared by sphingosine or FTY720, indicating that metabolic stability and targeting of S1P(2) receptors were important. The desensitization of S1P-induced [Ca(2+)](i) increases was dependent on the expression of SphKs, predominantly of SphK2, and thus mediated by cis-4M-S1P. In agreement, cis-4M-S1P was detected in the supernatants of cells exposed to cis-4M-Sph. It is concluded that cis-4M-Sph, through its metabolite cis-4M-S1P, acts as a S1P receptor modulator and causes S1P receptor internalization and desensitization. The data furthermore help to define requirements for sphingosine kinase substrates as S1P receptor modulating prodrugs.

Blebbing confers resistance against cell lysis

The plasma membrane constitutes a barrier that maintains the essential differences between the cytosol and the extracellular environment. Plasmalemmal injury is a common event during the life of many cells that often leads to their premature, necrotic death. Blebbing - a display of plasmalemmal protrusions - is a characteristic feature of injured cells. In this study, we disclose a previously unknown role for blebbing in furnishing resistance to plasmalemmal injury. Blebs serve as precursors for injury-induced intracellular compartments that trap damaged segments of the plasma membrane. Hence, loss of cytosol and the detrimental influx of extracellular constituents are confined to blebs that are sealed off from the cell body by plugs of annexin A1 - a Ca(2+)- and membrane-binding protein. Our findings shed light on a fundamental process that contributes to the survival of injured cells. By targeting annexin A1/blebbing, new therapeutic approaches could be developed to avert the necrotic loss of cells in a variety of human pathologies.

A mathematical model of regional citrate anticoagulation in hemodialysis

Regional citrate anticoagulation (RCA) during hemodialysis (HD) has several advantages over heparin anticoagulation, but calcium (Ca) derangements are a major concern necessitating repeated monitoring of systemic ionized Ca (Ca(2+)). We developed a mathematical model of Ca and citrate (Ci) kinetics during RCA.

Heavy metal cations permeate the TRPV6 epithelial cation channel

TRPV6 belongs to the vanilloid family of the transient receptor potential channel (TRP) superfamily. This calcium-selective channel is highly expressed in the duodenum and the placenta, being responsible for calcium absorption in the body and fetus. Previous observations have suggested that TRPV6 is not only permeable to calcium but also to other divalent cations in epithelial tissues. In this study, we tested whether TRPV6 is indeed also permeable to cations such as zinc and cadmium. We found that the basal intracellular calcium concentration was higher in HEK293 cells transfected with hTRPV6 than in non-transfected cells, and that this difference almost disappeared in nominally calcium-free solution. Live cell imaging experiments with Fura-2 and NewPort Green DCF showed that overexpression of human TRPV6 increased the permeability for Ca(2+), Ba(2+), Sr(2+), Mn(2+), Zn(2+), Cd(2+), and interestingly also for La(3+) and Gd(3+). These results were confirmed using the patch clamp technique. (45)Ca uptake experiments showed that cadmium, lanthanum and gadolinium were also highly efficient inhibitors of TRPV6-mediated calcium influx at higher micromolar concentrations. Our results suggest that TRPV6 is not only involved in calcium transport but also in the transport of other divalent cations, including heavy metal ions, which may have toxicological implications.

Chemical inhibitors of the calcium entry channel TRPV6

Calcium entry channels in the plasma membrane are thought to play a major role in maintaining cellular Ca(2+) levels, crucial for growth and survival of normal and cancer cells. The calcium-selective channel TRPV6 is expressed in prostate, breast, and other cancer cells. Its expression coincides with cancer progression, suggesting that it drives cancer cell growth. However, no specific inhibitors for TRPV6 have been identified thus far.

S100A1 gene therapy for heart failure: a novel strategy on the verge of clinical trials

Representing the common endpoint of various cardiovascular disorders, heart failure (HF) shows a dramatically growing prevalence. As currently available therapeutic strategies are not capable of terminating the progress of the disease, HF is still associated with a poor clinical prognosis. Among the underlying molecular mechanisms, the loss of cardiomyocyte Ca(2+) cycling integrity plays a key role in the pathophysiological development and progression of the disease. The cardiomyocyte EF-hand Ca(2+) sensor protein S100A1 emerged as a regulator both of sarcoplasmic reticulum (SR), sarcomere and mitochondrial function implicating a significant role in cardiac physiology and dysfunction. In this review, we aim to recapitulate the translation of S100A1-based investigation from first clinical observations over basic research experiments back to a near-clinical setting on the verge of clinical trials today. We also address needs for further developments towards "second-generation" gene therapy and discuss the therapeutic potential of S100A1 gene therapy for HF as a promising novel strategy for future cardiologists. This article is part of a Special Section entitled "Special Section: Cardiovascular Gene Therapy".

The targeting of plasmalemmal ceramide to mitochondria during apoptosis

Ceramide is a key lipid mediator of cellular processes such as differentiation, proliferation, growth arrest and apoptosis. During apoptosis, ceramide is produced within the plasma membrane. Although recent data suggest that the generation of intracellular ceramide increases mitochondrial permeability, the source of mitochondrial ceramide remains unknown. Here, we determine whether a stress-mediated plasmalemmal pool of ceramide might become available to the mitochondria of apoptotic cells. We have previously established annexin A1--a member of a family of Ca(2+) and membrane-binding proteins--to be a marker of ceramide platforms. Using fluorescently tagged annexin A1, we show that, upon its generation within the plasma membrane, ceramide self-associates into platforms that subsequently invaginate and fuse with mitochondria. An accumulation of ceramide within the mitochondria of apoptotic cells was also confirmed using a ceramide-specific antibody. Electron microscopic tomography confirmed that upon the formation of ceramide platforms, the invaginated regions of the plasma membrane extend deep into the cytoplasm forming direct physical contacts with mitochondrial outer membranes. Ceramide might thus be directly transferred from the plasma membrane to the mitochondrial outer membrane. It is conceivable that this "kiss-of-death" increases the permeability of the mitochondrial outer membrane thereby triggering apoptosis.

Tailored protection against plasmalemmal injury by annexins with different Ca2+ sensitivities

The annexins, a family of Ca(2+)- and lipid-binding proteins, are involved in a range of intracellular processes. Recent findings have implicated annexin A1 in the resealing of plasmalemmal injuries. Here, we demonstrate that another member of the annexin protein family, annexin A6, is also involved in the repair of plasmalemmal lesions induced by a bacterial pore-forming toxin, streptolysin O. An injury-induced elevation in the intracellular concentration of Ca(2+) ([Ca(2+)](i)) triggers plasmalemmal repair. The highly Ca(2+)-sensitive annexin A6 responds faster than annexin A1 to [Ca(2+)](i) elevation. Correspondingly, a limited plasmalemmal injury can be promptly countered by annexin A6 even without the participation of annexin A1. However, its high Ca(2+) sensitivity makes annexin A6 highly amenable to an unproductive binding to the uninjured plasmalemma; during an extensive injury accompanied by a massive elevation in [Ca(2+)](i), its active pool is severely depleted. In contrast, annexin A1 with a much lower Ca(2+) sensitivity is ineffective at the early stages of injury; however, it remains available for the repair even at high [Ca(2+)](i). Our findings highlight the role of the annexins in the process of plasmalemmal repair; a number of annexins with different Ca(2+)-sensitivities provide a cell with the means to react promptly to a limited injury in its early stages and, at the same time, to withstand a sustained injury accompanied by the continuous formation of plasmalemmal lesions.

Plasma membrane repair and cellular damage control: the annexin survival kit

Plasmalemmal injury is a frequent event in the life of a cell. Physical disruption of the plasma membrane is common in cells that operate under conditions of mechanical stress. The permeability barrier can also be breached by chemical means: pathogens gain access to host cells by secreting pore-forming toxins and phospholipases, and the host's own immune system employs pore-forming proteins to eliminate both pathogens and the pathogen-invaded cells. In all cases, the influx of extracellular Ca(2+) is being sensed and interpreted as an "immediate danger" signal. Various Ca(2+)-dependent mechanisms are employed to enable plasma membrane repair. Extensively damaged regions of the plasma membrane can be patched with internal membranes delivered to the cell surface by exocytosis. Nucleated cells are capable of resealing their injured plasmalemma by endocytosis of the permeabilized site. Likewise, the shedding of membrane microparticles is thought to be involved in the physical elimination of pores. Membrane blebbing is a further damage-control mechanism, which is triggered after initial attempts at plasmalemmal resealing have failed. The members of the annexin protein family are ubiquitously expressed and function as intracellular Ca(2+) sensors. Most cells contain multiple annexins, which interact with distinct plasma membrane regions promoting membrane segregation, membrane fusion and--in combination with their individual Ca(2+)-sensitivity--allow spatially confined, graded responses to membrane injury.