Computational modelling of human stem cell-derived cardiomyocytes - Texture descriptors for biological image processing

This thesis investigates two distinct research topics. The main topic (Part I) is the computational modelling of cardiomyocytes derived from human stem cells, both embryonic (hESC-CM) and induced-pluripotent (hiPSC-CM). The aim of this research line lies in developing models of the electrophysiology of hESC-CM and hiPSC-CM in order to integrate the available experimental data and getting in-silico models to be used for studying/making new hypotheses/planning experiments on aspects not fully understood yet, such as the maturation process, the functionality of the Ca2+ hangling or why the hESC-CM/hiPSC-CM action potentials (APs) show some differences with respect to APs from adult cardiomyocytes. Chapter I.1 introduces the main concepts about hESC-CMs/hiPSC-CMs, the cardiac AP, and computational modelling. Chapter I.2 presents the hESC-CM AP model, able to simulate the maturation process through two developmental stages, Early and Late, based on experimental and literature data. Chapter I.3 describes the hiPSC-CM AP model, able to simulate the ventricular-like and atrial-like phenotypes. This model was used to assess which currents are responsible for the differences between the ventricular-like AP and the adult ventricular AP. The secondary topic (Part II) consists in the study of texture descriptors for biological image processing. Chapter II.1 provides an overview on important texture descriptors such as Local Binary Pattern or Local Phase Quantization. Moreover the non-binary coding and the multi-threshold approach are here introduced. Chapter II.2 shows that the non-binary coding and the multi-threshold approach improve the classification performance of cellular/sub-cellular part images, taken from six datasets. Chapter II.3 describes the case study of the classification of indirect immunofluorescence images of HEp2 cells, used for the antinuclear antibody clinical test. Finally the general conclusions are reported.

Identifizierung und Charakterisierung T-zellerkannter tumorassoziierter Antigene im Melanommodell D41

In der vorliegenden Arbeit wurden Zielstrukturen autologer, tumorreaktiver CD8+ T-Zellen im Modell des Melanompatienten D41 charakterisiert, der im metastasierten Stadium nach Vakzinierung mit autologen dendritischen Zellen und bestrahlten Tumorzellen eine dauerhafte komplette Remission erreichte (O´Rourke et al., Melanoma Res. 17:316, 2007). Aus kryokonservierten Blutlymphozyten verschiedener Zeitpunkte wurden durch Stimulation mit autologen Tumorzellen (D41-MEL) in unabhängigen gemischten Lymphozyten-/Tumorzell-Kulturen (MLTCs) tumorreaktive CD8+ T-Zellen angereichert. Als Erstes wurde überprüft, ob sie gegen bekannte Melanomantigene in Assoziation mit den HLA-Klasse I-Allelen des Patienten gerichtet waren. Dabei zeigten sich Reaktivitäten gegen das melanosomale Differenzierungsantigen Melan-A mit HLA-A*0201 und darüber hinaus gegen die Cancer/Testis-Antigene (CTA) MAGE-A3 und MAGE-A6 mit HLA-A*0101, sowie NY-ESO-1, MAGE-A4 und MAGE-A10 mit HLA-A*0201. In einem zweiten Schritt wurde mit T-Zell-Klonen aus D41-MLTC 2, die keines dieser Antigene erkannten, eine cDNA-Expressionsbank von D41-MEL gescreent. Dies führte zur Klonierung einer für TSPY 1 (testis-specific protein Y-encoded 1) kodierenden cDNA mit einem der T-Zell-Klone. Er erkannte mit hoher Affinität die synthetischen TSPY 1-Peptide LLDDIMAEV (Aminosäurepositionen 66-73) und LLLDDIMAEV (Aminosäurepositionen 65-73) in Assoziation mit HLA-A*0201. Serologische Immunantworten gegen das als CTA einzustufende TSPY 1 sind bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals eine T-Zell-Antwort gegen TSPY 1 nachgewiesen. TSPY 1 trägt mutmaßlich zu Entstehung des Gonadoblastoms bei, seine Expression wurde jedoch z.B. auch in Seminomen, Leberzellkarzinomen und Melanomen nachgewiesen. Die Expression von TSPY 1 in der Zelllinie D41-MEL-Zellen war sehr heterogen. Einzelne Klone der Linie exprimierten TSPY 1 auf stabil hohem, andere Klone auf ebenso stabil intermediärem bzw. nicht detektierbarem Niveau. Die Expression und die Erkennung durch TSPY 1-reaktive T-Zell-Klone wurde durch die demethylierende Substanz 5-Aza-2´-deoxycytidine gesteigert. Dies spricht für eine Promotor-Hypermethylierung als Ursache fehlender bzw. niedriger Expression, wie dies für verschiedene CTA zutrifft. Die im Blut des Patienten D41 detektierbare antitumorale T-Zell-Reaktivität war bereits vor der Vakzinierung mit Tumorzellen nachweisbar und hatte sich somit spontan entwickelt. Ihre Individualität war vorgegeben durch das Antigenexpressionsmuster der D41-Tumorzellen, sowie durch den HLA-Phänotyp und mutmaßlich auch das T-Zellrepertoire des Patienten. Die detaillierte Analyse komplexer antitumoraler T-Zellantworten legt den Grundstein für eine Immuntherapie, die sich auf das tatsächliche Potential des individuellen T-Zellsystems stützen kann.

Molecular interaction of the human metalloprotease meprin beta with the amyloid precursor protein, ADAM10, and ADAM17 based on proteomics

Die Zinkendopeptidasen Meprin α und β sind Schlüsselkomponenten in patho(physiologischen) Prozessen wie Entzündung, Kollagenassemblierung und Angiogenese. Nach ihrer Entdeckung in murinen Bürstensaummembranen und humanen Darmepithelien, wurden weitere Expressionsorte identifiziert, z.B. Leukozyten, Krebszellen und die humane Haut. Tiermodelle, Zellkulturen und biochemische Analysen weisen auf Funktionen der Meprine in der Epithelialdifferenzierung, Zellmigration, Matrixmodellierung, Angiogenese, Bindegewebsausbildung und immunologische Prozesse hin. Dennoch sind ihre physiologischen Substrate weitgehend noch unbekannt. Massenspektrometrisch basierte Proteomics-Analysen enthüllten eine einzigartige Spaltspezifität für saure Aminosäurereste in der P1´ Position und identifizierten neue biologische Substratkandidaten. Unter den 269 extrazellulären Proteinen, die in einem Substratscreen identifiziert wurden, stellten sich das amyloid precursor protein (APP) and ADAM10 (a disintegrin and metalloprotease 10) als sehr vielversprechende Kandidaten heraus. Mehrere Schnittstellen innerhalb des APP Proteins, hervorgerufen durch verschiedenen Proteasen, haben unterschiedlichen Auswirkungen zur Folge. Die β-Sekretase BACE (β-site APP cleaving enzyme) prozessiert APP an einer Schnittstelle, welche als initialer Schritt in der Entwicklung der Alzheimer Erkrankung gilt. Toxische Aβ (Amyloid β)-Peptide werden in den extrazellulären Raum freigesetzt und aggregieren dort zu senilen Plaques. Membran verankertes Meprin β hat eine β-Sekretase Aktivität, die in einem Zellkultur-basierten System bestätigt werden konnte. Die proteolytische Effizienz von Meprin β wurde in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)-Analysen bestimmt und war um den Faktor 104 höher als die von BACE1. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Meprin β die ersten zwei Aminosäuren prozessiert und somit aminoterminal einen Glutamatrest freisetzt, welcher nachfolgend durch die Glutaminylzyklase in ein Pyroglutamat zykliert werden kann. Trunkierte Aβ-Peptide werden nur in Alzheimer Patienten generiert. Aufgrund einer erhöhten Hydrophobie weisen diese Peptide eine höhere Tendenz zur Aggregation auf und somit eine erhöhte Toxizität. Bis heute wurde keine Protease identifiziert, welche diese Schnittstelle prozessiert. Die Bildung der Meprin vermittelten N-terminalen APP Fragmenten wurde in vitro und in vivo detektiert. Diese N-APP Peptide hatten keine cytotoxischen Auswirkungen auf murine und humane Gehirnzellen, obwohl zuvor N-APP als Ligand für den death receptor (DR) 6 identifiziert wurde, der für axonale Degenerationsprozesse verantwortlich ist. rnIm nicht-amyloidogenen Weg prozessiert ADAM10 APP und entlässt die Ektodomäne von der Zellmembran. Wir konnten das ADAM10 Propeptid als Substrat von Meprin β identifizieren und in FRET Analysen, in vitro und in vivo zeigen, dass die Meprin vermittelte Prozessierung zu einer erhöhten ADAM10 Aktivität führt. Darüber hinaus wurde ADAM10 als Sheddase für Meprin β identifiziert. Shedding konnte durch Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) oder durch das Ionophor A23187 hervorgerufen werden, sowie durch ADAM10 Inhibitoren blockiert werden. rnDiese Arbeit konnte somit ein komplexes proteolytisches Netwerk innerhalb der Neurophysiologie aufdecken, welches für die Entwicklung der Alzheimer Demenz wichtig sein kann.rn

Mechanismen der Resistenz und Sensitivierung von menschlichen malignen Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika

Das metastasierende maligne Melanom ist durch eine geringe p53-Mutations-Rate und eine hohe Resistenz gegenüber Chemotherapie mit alkylierenden Agenzien wie Fotemustin (FM) und Temozolomid (TMZ) gekennzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von p53 in der Resistenz von malignen Melanomzellen gegenüber FM untersucht und Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber TMZ und FM aufgezeigt.rnAusgangspunkt war die Beobachtung, dass p53 Wildtyp (p53wt) Melanomzellen resistenter gegenüber FM sind als p53 mutierte (p53mt) Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass eine FM-Behandlung in p53wt Zellen eine Stabilisierung von p53 und eine Induktion des p53-Zielproteins p21 bewirkte. Mithilfe einer p53wt Zelllinie, welche einen p53 Knockdown trägt, konnte gezeigt werden, dass p53 für die geringe Apoptose-Rate nach FM-Behandlung verantwortlich ist. Eine Untersuchung der Interstrang-Crosslink (ICL)-Reparaturkapazität zeigte, dass p53mt Zellen im Gegensatz zu p53wt Zellen nicht in der Lage sind, FM-induzierte ICL zu reparieren. Dies ging mit einer im Vergleich zu p53wt Zellen starken DNA-Schadensantwort einher. Die Gene für die Proteine DDB2 und XPC wurden als durch FM regulierte DNA-Reparatur-Gene identifiziert, deren Induktion p53-abhängig und lang anhaltend (bis zu 144 h) erfolgt. Da XPC Knockdown-Zellen sensitiver als ihre Kontrollzellen gegenüber FM reagierten, konnte die biologische Relevanz von XPC bei der ICL-Reparatur bestätigt werden. Anhand von Xenograft-Tumoren wurde gezeigt, dass FM auch in situ eine Induktion von DDB2 und XPC auslöst. Die Beobachtung, dass DNA-Reparatur-Gene nach FM-Behandlung hochreguliert werden, liefert eine Erklärung für das schlechte Ansprechen von Melanomen auf eine Therapie mit ICL-induzierenden Chemotherapeutika.rnDes Weiteren befasste sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber den Chemotherapeutika TMZ und FM. In diesem Zusammenhang wurde Valproinsäure (VPA), ein in der Epilepsie-Therapie verwendetes Medikament und Histondesacetylase (HDAC)-Hemmer, bezüglich der chemosensitivierenden Wirkung untersucht. Zunächst konnte der in der Literatur häufig beschriebene stabilisierende Effekt von VPA auf „wildtypisches“ p53-Protein und destabilisierende Effekt auf mutiertes p53-Protein bestätigt werden. Zwei der vier untersuchten Zelllinien konnten mithilfe von VPA gegenüber TMZ sensitiviert werden, während nur eine der vier untersuchten Zelllinien gegenüber FM sensitiviert werden konnte. VPA begünstigt die Induktion von Apoptose, während der Effekt auf die Induktion von Nekrose nur gering ausfiel. Eine Wirkung von VPA auf die Aktivität des Resistenz-vermittelnden Enzyms O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) wurde nicht beobachtet. Zudem wurde ausgeschlossen, dass die Sensitivierung gegenüber TMZ und FM, welche S-Phase abhängige Gentoxine sind, auf einer VPA-induzierten Erhöhung der Proliferation beruht. Mithilfe einer Zelllinie, welche stabil dominant-negatives FADD (Fas-associated death domain) exprimiert, konnten keine Hinweise auf eine Beteiligung des extrinsischen Apoptose-Signalwegs an der VPA-vermittelten Sensitivierung gewonnen werden. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass VPA keine Induktion der niedrig exprimierten Procaspase-8 verursachte. Mithilfe eines PCR-Arrays wurden transaktivierende und –reprimierende Effekte von VPA auf die Genexpression gezeigt, wobei das proapoptotische Protein BAX (Breakpoint cluster-2-associated x protein) als ein in der Sensitivierung involviertes Kandidatengen identifiziert wurde. Obwohl eine vollständige Aufklärung der dem Sensitivierungseffekt von VPA zu Grunde liegenden Mechanismen nicht erbracht werden konnte, zeigen die in dieser Arbeit erlangten Beobachtungen einen vielversprechenden Weg zur Überwindung der Resistenz von Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika auf.rn

Analyse der Beteiligung von Toll-like-Rezeptoren an der DC-Aktivierung nach Parvovirus-H-1-Infektion

Ziel dieser Dissertation war es die funktionelle Rolle der Toll-like Rezeptoren (TLRs) und ihrer Signalwege bei der Aktivierung von dendritischen Zellen (DC) durch Parvovirus H-1- rn(H-1PV) induzierte Tumorzelllysate (TCL) zu untersuchen. rnDas angeborene Immunsystem bekämpft die Bildung und das Wachstum von Tumoren, insbesondere durch Interaktion von Effektor-Immunzellen mit Tumorzellen. Die Aktivierung dieser Immunreaktionen in der Antitumortherapie ist wünschenswert, aber in vielen Situationen nicht zufriedenstellend, da sie durch klassische systemische Therapie allein nicht immer erreicht werden kann. Die therapeutische Anwendung von onkolytischen Viren bei Patienten mit malignen Erkrankungen (Virotherapie) ist ein vielversprechendes Gebiet der Forschung. Die onkosuppressive und immunstimulierende Wirkung von H-1PV auf humane Tumor- und Immunzellen spricht für eine Verwendung in der Krebstherapie. Ein Aktivierung des Immunsystems durch H-1PV konnte bereits in unserer Arbeitsgruppe gezeigt werden.rnIn dieser Arbeit wurden wichtige Aspekte bezüglich der Aktivierung von Toll-like Rezeptoren bei einer H-1PV Infektion untersucht. Zunächst wurde die Rolle von TLRs nach der H-1PV Infektion untersucht. Humane embryonale Nierenzellen (HEK293) wurden stabil mit humanen TLRs transfiziert, um die Rolle spezifischer TLRs während der Aktivierung des Immunsystems zu untersuchen. TLR3 und TLR9 wurden durch eine H-1PV Infektion, die mit der NFκB-Translokation in den Zellkern korreliert, aktiviert. Mit Hilfe eines Reporterplasmides (pNiFty-Luc), wurde durch erhöhte Expression eines NFκB-induzierbaren Reportergens die NFκB-Aktivität im Anschluss an eine H-1PV Infektion nachgewiesen. Zudem wurde die immunologische Wirkung von H-1PV-induzierten Tumorzelllysaten (TCL) auf die humane antitumor-gerichtete Immunantworten analysiert. Ein humanes ex vivo-Modell, bestehend aus einer HLA-A2-positiven humanen Melanom-Zelllinie (SK29Mel) wurde verwendet, um Immunreaktionen mit entsprechenden HLA-restringierten humanen DCs zu untersuchen. DCs die mit H-1PV-infizierten SK29Mel Zellen koinkubiert wurden, zeigten eine erhöhte TLR3- und TLR9-Expression. Diese Daten deuten darauf hin, dass H-1PV-induzierte TCLs humane DCs stimulieren und dies zumindest teilweise durch TLR-abhängige Signalwege geschieht. Demnach wird eine DC-Reifung durch Kokultur mit H-1PV-induzierten TCLs über den TLR-Signalweg erreicht und führte u.a. zu einer NFκB-abhängigen Aktivierung des adaptiven Immunsystems. Die onkolytischen Virotherapie mit H-1PV erhöht so durch unterschiedliche Auswirkungen auf DCs die Immunreaktion und verstärkt die Anti-Tumor-Immunität. Diese Ergebnisse zeigen einen neuen potenziellen Ansatz für den Einsatz onkolytischer Viren für TLR-zielgerichtete Therapieoptionen und stellen eine ideale Möglichkeit zur Erweiterung der Krebsbehandlung dar.rn

Characterisation of human co-culture systems for applications in bone tissue engineering

For the successful integration of bone tissue engineering constructs into patients, an adequate supply with oxygen and nutrients is critical. Therefore, prevascularisation of bone tissue engineering constructs is desirable for bone formation, remodelling and regeneration. Co-culture systems, consisting of human endothelial cells and primary osteoblasts (pOB) as well as osteosarcoma cell lines, represent a promising method for studying the mechanisms involved in the vascularisation of constructs in bone tissue en- gineering and could provide new insights into the molecular and cellular mechanisms that control essential processes during angiogenesis. The present study demonstrated the im- portant components of co-culture systems with a focus on bone tissue replacement and the angiogenic effects of pOB and osteosarcoma cell lines on human endothelial cells. Furthermore, the studies emphasised an overall approach for analysis of signal molecules that are involved in the angiogenic activation of human endothelial cells by the regulation of VEGF-related pathways at the transcriptional and translational levels. The osteosarcoma cell lines Cal-72, MG-63 and SaOS-2, as well as pOB from several donors, differed in their angiogenesis-inducing potential in 2-D and 3-D co-culture systems. SaOS-2 cells appeared to have a high osteogenic differentiation level with no detectable angiogenesis-inducing potential in co-culture with human endothelial cells. The angiogenic potential of the osteoblast-like cells is mainly correlated with the upregulation of essential angiogenic growth factors, such as VEGF, bFGF and HGF and the downregulation of the angiogenesis inhibitor, endostatin. However, other factors involved in angiogenic regulation were found to differ between SaOS-2 cells, compared to Cal-72 and MG-63. The present study focuses on VEGF pathway-effecting genes as key players in the regulation of angiogenesis. The levels of VEGF and VEGF-effecting genes, such as TGF-α and TIMP-2 are down-regulated in SaOS-2 cells. In contrast, direct regulators of VEGF, such as IL6, IL8 and TNF are strongly upregulated, which indicates disruptions in growth factor regulating pathways in SaOS-2 cells. Potential pathways, which could be involved include MEK, PI3K, MAPK, STAT3, AKT or ERK. Additional treatment of co-cultures with single growth factors did not accelerate or improve the angiogenesis-inducing potential of SaOS-2 cells. Knowledge of the detailed molecular mechanisms involved in angiogenesis control will hopefully allow improved approaches to be developed for prevascularisation of bone tissue engineering constructs.

Untersuchungen zur antitumoralen Wirkungsweise eines bispezifischen MCSP-CD3 Antikörpers in vitro und im humanisierten Tumormausmodell

Humanes MCSP ist ein gut charakterisiertes Tumorantigen, das auf der Mehrzahl aller malignen Melanome hoch exprimiert wird, und stellt somit eine gute Zielstruktur für immuntherapeutische Ansätze dar. rnInnerhalb der vorliegenden Arbeit wurden die Wirkmechanismen eines neuen bispezifischen Antikörpers, der gegen humanes MCSP und CD3 auf T-Zellen gerichtet ist, in vitro und im humanisierten Tumormausmodell in vivo untersucht. In humanen T Zellkokulturen induzierte der bispezifische MCSP-CD3 Antikörper in Gegenwart MCSP-positiver Melanomzellen konzentrationsabhängige T-Zellaktivierung, Sekretion von Zytokinen und effiziente Tumorzelllyse durch CD4- und CD8-positive T-Zellen. Die induzierte Lyse war hierbei unabhängig von der T-Zellrezeptorspezifität sowie kostimulatorischen Molekülen und allein abhängig von der Expression des Tumorantigens sowie CD3 auf den T-Zellen. Wie hier diskutiert, liegt es nahe, dass die Freisetzung lytischer Moleküle (Perforin und Granzym-B) durch CD8- und auch CD4 positiver T-Zellen den Hauptmechanismus in der Lyse der Melanomzellen darstellt. rnUm die Wirksamkeit in vivo testen zu können, wurde ein humanisiertes Tumormausmodell etabliert. Die Injektion humaner hämatopoetischer Stammzellen in neugeborene Rag2-/-gc-/- Mäuse führte zur Entwicklung funktioneller T-Zellen im murinen Thymus, welche lymphatische Organe besiedelten. In vitro induzierten die T-Zellen humanisierter Mäuse in Anwesenheit des bispezifischen MCSP-CD3 Antikörpers ebenfalls konzentrationsabhängige Lyse der Melanomzellen. Wie hier gezeigt, induzierte die Injektion humaner Melanomzellen in humanisierte Mäuse keine messbare Abstoβungsreaktion. Unter Behandlung mit MCSP-CD3 wurde zwar eine erhöhte Anzahl humaner T-Zellen im Tumorgewebe nachgewiesen, jedoch verfügte die verwendete Melanomzelllinie über eine geringe basale T Zellinfiltration, geringe Vaskularisierung und ein noduläres Wachstumsverhalten. Wie innerhalb dieser Arbeit diskutiert, kann durch die Kombination mit Therapien, die eine erhöhte T-Zellinfiltration in das Tumorgewebe ermöglichen, die Wirksamkeit von bispezifischen Antikörpern möglicherweise gesteigert werden. rn

Oxidative stress and inflammation response after nanoparticle exposure: differences between human lung cell monocultures and an advanced three-dimensional model of the human epithelial airways

Combustion-derived and manufactured nanoparticles (NPs) are known to provoke oxidative stress and inflammatory responses in human lung cells; therefore, they play an important role during the development of adverse health effects. As the lungs are composed of more than 40 different cell types, it is of particular interest to perform toxicological studies with co-cultures systems, rather than with monocultures of only one cell type, to gain a better understanding of complex cellular reactions upon exposure to toxic substances. Monocultures of A549 human epithelial lung cells, human monocyte-derived macrophages and monocyte-derived dendritic cells (MDDCs) as well as triple cell co-cultures consisting of all three cell types were exposed to combustion-derived NPs (diesel exhaust particles) and to manufactured NPs (titanium dioxide and single-walled carbon nanotubes). The penetration of particles into cells was analysed by transmission electron microscopy. The amount of intracellular reactive oxygen species (ROS), the total antioxidant capacity (TAC) and the production of tumour necrosis factor (TNF)-alpha and interleukin (IL)-8 were quantified. The results of the monocultures were summed with an adjustment for the number of each single cell type in the triple cell co-culture. All three particle types were found in all cell and culture types. The production of ROS was induced by all particle types in all cell cultures except in monocultures of MDDCs. The TAC and the (pro-)inflammatory reactions were not statistically significantly increased by particle exposure in any of the cell cultures. Interestingly, in the triple cell co-cultures, the TAC and IL-8 concentrations were lower and the TNF-alpha concentrations were higher than the expected values calculated from the monocultures. The interplay of different lung cell types seems to substantially modulate the oxidative stress and the inflammatory responses after NP exposure.

Innate-like control of human iNKT cell autoreactivity via the hypervariable CDR3beta loop

Invariant Natural Killer T cells (iNKT) are a versatile lymphocyte subset with important roles in both host defense and immunological tolerance. They express a highly conserved TCR which mediates recognition of the non-polymorphic, lipid-binding molecule CD1d. The structure of human iNKT TCRs is unique in that only one of the six complementarity determining region (CDR) loops, CDR3beta, is hypervariable. The role of this loop for iNKT biology has been controversial, and it is unresolved whether it contributes to iNKT TCR:CD1d binding or antigen selectivity. On the one hand, the CDR3beta loop is dispensable for iNKT TCR binding to CD1d molecules presenting the xenobiotic alpha-galactosylceramide ligand KRN7000, which elicits a strong functional response from mouse and human iNKT cells. However, a role for CDR3beta in the recognition of CD1d molecules presenting less potent ligands, such as self-lipids, is suggested by the clonal distribution of iNKT autoreactivity. We demonstrate that the human iNKT repertoire comprises subsets of greatly differing TCR affinity to CD1d, and that these differences relate to their autoreactive functions. These functionally different iNKT subsets segregate in their ability to bind CD1d-tetramers loaded with the partial agonist alpha-linked glycolipid antigen OCH and structurally different endogenous beta-glycosylceramides. Using surface plasmon resonance with recombinant iNKT TCRs and different ligand-CD1d complexes, we demonstrate that the CDR3beta sequence strongly impacts on the iNKT TCR affinity to CD1d, independent of the loaded CD1d ligand. Collectively our data reveal a crucial role for CDR3beta for the function of human iNKT cells by tuning the overall affinity of the iNKT TCR to CD1d. This mechanism is relatively independent of the bound CD1d ligand and thus forms the basis of an inherent, CDR3beta dependent functional hierarchy of human iNKT cells.

Preclinical testing of strategies for therapeutic targeting of human T-cell trafficking in vivo

Naive T cells are migratory cells that continuously recirculate between blood and lymphoid tissues. Antigen-specific stimulation of T cells within the lymph nodes reprograms the trafficking properties of T cells by inducing a specific set of adhesion molecules and chemokine receptors on their surface which allow these activated and effector T cells to effectively and specifically home to extralymphoid organs. The observations of organ-specific homing of T cells initiated the development of therapeutic strategies targeting adhesion receptors for organ-specific inhibition of chronic inflammation. As most adhesion receptors have additional immune functions besides mediating leukocyte trafficking, these drugs may have additional immunomodulatory effects. Therapeutic targeting of T-cell trafficking to the central nervous system is the underlying concept of a novel treatment of relapsing remitting multiple sclerosis with the humanized anti-alpha-4-integrin antibody natalizumab. In this chapter, we describe a possible preclinical in vivo approach to directly visualize the therapeutic efficacy of a given drug in inhibiting T-cell homing to a certain organ at the example of the potential of natalizumab to inhibit the trafficking of human T cells to the inflamed central nervous system in an animal model of multiple sclerosis.

Antiproliferative effects of antiestrogens and inhibitors of growth factor receptor signaling on endometrial cancer cells

In patients with advanced estrogen-dependent type I endometrial cancer (EC), pharmacological treatment with progestins or antiestrogens is recommended, but primary and secondary resistance are common. The aim of our study was to investigate single-agent and dual-agent therapeutic strategies in estrogen receptor-positive human EC cells.

CD27 signaling on chronic myelogenous leukemia stem cells activates Wnt target genes and promotes disease progression

Chronic myelogenous leukemia (CML) results from a chromosomal translocation in hematopoietic stem or early progenitor cells that gives rise to the oncogenic BCR/ABL fusion protein. Clinically, CML has a chronic phase that eventually evolves into an accelerated stage and blast crisis. A CML-specific immune response is thought to contribute to the control of disease. Whether the immune system can also promote disease progression is not known. In the present study, we investigated the possibility that the TNF receptor family member CD27 is present on leukemia stem cells (LSCs) and mediates effects of the immune system on CML. In a mouse model of CML, BCR/ABL+ LSCs and leukemia progenitor cells were found to express CD27. Binding of CD27 by its ligand, CD70, increased expression of Wnt target genes in LSCs by enhancing nuclear localization of active β-catenin and TRAF2- and NCK-interacting kinase (TNIK). This resulted in increased proliferation and differentiation of LSCs. Blocking CD27 signaling in LSCs delayed disease progression and prolonged survival. Furthermore, CD27 was expressed on CML stem/progenitor cells in the bone marrow of CML patients, and CD27 signaling promoted growth of BCR/ABL+ human leukemia cells by activating the Wnt pathway. Since expression of CD70 is limited to activated lymphocytes and dendritic cells, our results reveal a mechanism by which adaptive immunity contributes to leukemia progression. In addition, targeting CD27 on LSCs may represent an attractive therapeutic approach to blocking the Wnt/β-catenin pathway in CML.

Enamel matrix protein adsorption to root surfaces in the presence or absence of human blood

Background: The clinical use of an enamel matrix derivative (EMD) has been shown to promote formation of new cementum, periodontal ligament (PDL), and bone and to significantly enhance the clinical outcomes after regenerative periodontal surgery. It is currently unknown to what extent the bleeding during periodontal surgery may compete with EMD adsorption to root surfaces. The aim of this study is to evaluate the effect of blood interactions on EMD adsorption to root surfaces mimicking various clinical settings and to test their ability to influence human PDL cell attachment and proliferation. Methods: Teeth extracted for orthodontic reasons were subjected to ex vivo scaling and root planing and treated with 24% EDTA, EMD, and/or human blood in six clinically related settings to determine the ability of EMD to adsorb to root surfaces. Surfaces were analyzed for protein adsorption via scanning electron microscopy and immunohistochemical staining with an anti-EMD antibody. Primary human PDL cells were seeded on root surfaces and quantified for cell attachment and cell proliferation. Results: Plasma proteins from blood samples altered the ability of EMD to adsorb to root surfaces on human teeth. Samples coated with EMD lacking blood demonstrated a consistent even layer of EMD adsorption to the root surface. In vitro experiments with PDL cells demonstrated improved cell attachment and proliferation in all samples coated with EMD (irrespective of EDTA) when compared to samples containing human blood. Conclusion: Based on these findings, it is advised to minimize blood interactions during periodontal surgeries to allow better adsorption of EMD to root surfaces.

Cannabinoid receptor trafficking in peripheral cells is dynamically regulated by a binary biochemical switch

The cannabinoid G protein-coupled receptors (GPCRs) CB₁ and CB₂ are expressed in different peripheral cells. Localization of GPCRs in the cell membrane determines signaling via G protein pathways. Here we show that unlike in transfected cells, CB receptors in cell lines and primary human cells are not internalized upon agonist interaction, but move between cytoplasm and cell membranes by ligand-independent trafficking mechanisms. Even though CB receptors are expressed in many cells of peripheral origin they are not always localized in the cell membrane and in most cancer cell lines the ratios between CB₁ and CB₂ receptor gene and surface expression vary significantly. In contrast, CB receptor cell surface expression in HL60 cells is subject to significant oscillations and CB₂ receptors form oligomers and heterodimers with CB₁ receptors, showing synchronized surface expression, localization and trafficking. We show that hydrogen peroxide and other nonspecific protein tyrosine phosphatase inhibitors (TPIs) such as phenylarsine oxide trigger both CB₂ receptor internalization and externalization, depending on receptor localization. Phorbol ester-mediated internalization of CB receptors can be inhibited via this switch. In primary human immune cells hydrogen peroxide and other TPIs lead to a robust internalization of CB receptors in monocytes and an externalization in T cells. This study describes, for the first time, the dynamic nature of CB receptor trafficking in the context of a biochemical switch, which may have implications for studies on the cell-type specific effects of cannabinoids and our understanding of the regulation of CB receptor cell surface expression.

Subconductance states of Cx30 gap junction channels: data from transfected HeLa cells versus data from a mathematical model

Human HeLa cells expressing mouse connexin30 were used to study the electrical properties of gap junction channel substates. Experiments were performed on cell pairs using a dual voltage-clamp method. Single-channel currents revealed discrete levels attributable to a main state, a residual state, and five substates interposed, suggesting the operation of six subgates provided by the six connexins of a gap junction hemichannel. Substate conductances, gamma(j,substate), were unevenly distributed between the main-state and the residual-state conductance (gamma(j,main state) = 141 pS, gamma(j,residual state) = 21 pS). Activation of the first subgate reduced the channel conductance by approximately 30%, and activation of subsequent subgates resulted in conductance decrements of 10-15% each. Current transitions between the states were fast (<2 ms). Substate events were usually demarcated by transitions from and back to the main state; transitions among substates were rare. Hence, subgates are recruited simultaneously rather than sequentially. The incidence of substate events was larger at larger gradients of V(j). Frequency and duration of substate events increased with increasing number of synchronously activated subgates. Our mathematical model, which describes the operation of gap junction channels, was expanded to include channel substates. Based on the established V(j)-sensitivity of gamma(j,main state) and gamma(j,residual state), the simulation yielded unique functions gamma(j,substate) = f(V(j)) for each substate. Hence, the spacing of subconductance levels between the channel main state and residual state were uneven and characteristic for each V(j).