P2Y1 receptors expressed by C1 neurons determine peripheral chemoreceptor modulation of breathing, sympathetic activity, and blood pressure

Catecholaminergic C1 cells of the rostral ventrolateral medulla (RVLM) are key determinants of the sympathoexcitatory response to peripheral chemoreceptor activation. Overactivation of this reflex is thought to contribute to increased sympathetic activity and hypertension; however, molecular mechanisms linking peripheral chemoreceptor drive to hypertension remain poorly understood. We have recently determined that activation of P2Y1 receptors in the RVLM mimicked effects of peripheral chemoreceptor activation. Therefore, we hypothesize that P2Y1 receptors regulate peripheral chemoreceptor drive in this region. Here, we determine whether P2Y1 receptors are expressed by C1 neurons in the RVLM and contribute to peripheral chemoreceptor control of breathing, sympathetic activity, and blood pressure. We found that injection of a specific P2Y1 receptor agonist (MRS2365) into the RVLM of anesthetized adult rats increased phrenic nerve activity (≈55%), sympathetic nerve activity (38±6%), and blood pressure (23±1 mm Hg), whereas application of a specific P2Y1 receptor antagonist (MRS2179) decreased peripheral chemoreceptor–mediated activation of phrenic nerve activity, sympathetic nerve activity, and blood pressure. To establish that P2Y1 receptors are expressed by C1 cells, we determine in the brain slice preparation using cell-attached recording techniques that cells responsive to MRS2365 are immunoreactive for tyrosine hydroxylase (a marker of C1 cells), and we determine in vivo that C1-lesioned animals do not respond to RVLM injection of MRS2365. These data identify P2Y1 receptors as key determinants of peripheral chemoreceptor regulation of breathing, sympathetic nerve activity, and blood pressure.

Modulation Techniques for Multi-Phase Converters and Control Strategies for Multi-Phase Electric Drives

The ever-increasing spread of automation in industry puts the electrical engineer in a central role as a promoter of technological development in a sector such as the use of electricity, which is the basis of all the machinery and productive processes. Moreover the spread of drives for motor control and static converters with structures ever more complex, places the electrical engineer to face new challenges whose solution has as critical elements in the implementation of digital control techniques with the requirements of inexpensiveness and efficiency of the final product. The successfully application of solutions using non-conventional static converters awake an increasing interest in science and industry due to the promising opportunities. However, in the same time, new problems emerge whose solution is still under study and debate in the scientific community During the Ph.D. course several themes have been developed that, while obtaining the recent and growing interest of scientific community, have much space for the development of research activity and for industrial applications. The first area of research is related to the control of three phase induction motors with high dynamic performance and the sensorless control in the high speed range. The management of the operation of induction machine without position or speed sensors awakes interest in the industrial world due to the increased reliability and robustness of this solution combined with a lower cost of production and purchase of this technology compared to the others available in the market. During this dissertation control techniques will be proposed which are able to exploit the total dc link voltage and at the same time capable to exploit the maximum torque capability in whole speed range with good dynamic performance. The proposed solution preserves the simplicity of tuning of the regulators. Furthermore, in order to validate the effectiveness of presented solution, it is assessed in terms of performance and complexity and compared to two other algorithm presented in literature. The feasibility of the proposed algorithm is also tested on induction motor drive fed by a matrix converter. Another important research area is connected to the development of technology for vehicular applications. In this field the dynamic performances and the low power consumption is one of most important goals for an effective algorithm. Towards this direction, a control scheme for induction motor that integrates within a coherent solution some of the features that are commonly required to an electric vehicle drive is presented. The main features of the proposed control scheme are the capability to exploit the maximum torque in the whole speed range, a weak dependence on the motor parameters, a good robustness against the variations of the dc-link voltage and, whenever possible, the maximum efficiency. The second part of this dissertation is dedicated to the multi-phase systems. This technology, in fact, is characterized by a number of issues worthy of investigation that make it competitive with other technologies already on the market. Multiphase systems, allow to redistribute power at a higher number of phases, thus making possible the construction of electronic converters which otherwise would be very difficult to achieve due to the limits of present power electronics. Multiphase drives have an intrinsic reliability given by the possibility that a fault of a phase, caused by the possible failure of a component of the converter, can be solved without inefficiency of the machine or application of a pulsating torque. The control of the magnetic field spatial harmonics in the air-gap with order higher than one allows to reduce torque noise and to obtain high torque density motor and multi-motor applications. In one of the next chapters a control scheme able to increase the motor torque by adding a third harmonic component to the air-gap magnetic field will be presented. Above the base speed the control system reduces the motor flux in such a way to ensure the maximum torque capability. The presented analysis considers the drive constrains and shows how these limits modify the motor performance. The multi-motor applications are described by a well-defined number of multiphase machines, having series connected stator windings, with an opportune permutation of the phases these machines can be independently controlled with a single multi-phase inverter. In this dissertation this solution will be presented and an electric drive consisting of two five-phase PM tubular actuators fed by a single five-phase inverter will be presented. Finally the modulation strategies for a multi-phase inverter will be illustrated. The problem of the space vector modulation of multiphase inverters with an odd number of phases is solved in different way. An algorithmic approach and a look-up table solution will be proposed. The inverter output voltage capability will be investigated, showing that the proposed modulation strategy is able to fully exploit the dc input voltage either in sinusoidal or non-sinusoidal operating conditions. All this aspects are considered in the next chapters. In particular, Chapter 1 summarizes the mathematical model of induction motor. The Chapter 2 is a brief state of art on three-phase inverter. Chapter 3 proposes a stator flux vector control for a three- phase induction machine and compares this solution with two other algorithms presented in literature. Furthermore, in the same chapter, a complete electric drive based on matrix converter is presented. In Chapter 4 a control strategy suitable for electric vehicles is illustrated. Chapter 5 describes the mathematical model of multi-phase induction machines whereas chapter 6 analyzes the multi-phase inverter and its modulation strategies. Chapter 7 discusses the minimization of the power losses in IGBT multi-phase inverters with carrier-based pulse width modulation. In Chapter 8 an extended stator flux vector control for a seven-phase induction motor is presented. Chapter 9 concerns the high torque density applications and in Chapter 10 different fault tolerant control strategies are analyzed. Finally, the last chapter presents a positioning multi-motor drive consisting of two PM tubular five-phase actuators fed by a single five-phase inverter.

Modulation of epidermial growth factor receptor signaling in colon adenocarcinoma

The use of agents targeting EGFR represents a new frontier in colon cancer therapy. Among these, monoclonal antibodies (mAbs) and EGFR tyrosine kinase inhibitors (TKIs) seemed to be the most promising. However they have demonstrated low utility in therapy, the former being effective at toxic doses, the latter resulting inefficient in colon cancer. This thesis work presents studies on a new EGFR inhibitor, FR18, a molecule containing the same naphtoquinone core as shikonin, an agent with great anti-tumor potential. In HT-29, a human colon carcinoma cell line, flow cytometry, immunoprecipitation, and Western blot analysis, confocal spectral microscopy have demonstrated that FR18 is active at concentrations as low as 10 nM, inhibits EGF binding to EGFR while leaving unperturbed the receptor kinase activity. At concentration ranging from 30 nM to 5 μM, it activates apoptosis. FR18 seems therefore to have possible therapeutic applications in colon cancer. In addition, surface plasmon resonance (SPR) investigation of the direct EGF/EGFR complex interaction using different experimental approaches is presented. A commercially available purified EGFR was immobilised by amine coupling chemistry on SPR sensor chip and its interaction to EGF resulted to have a KD = 368 ± 0.65 nM. SPR technology allows the study of biomolecular interactions in real-time and label-free with a high degree of sensitivity and specificity and thus represents an important tool for drug discovery studies. On the other hand EGF/EGFR complex interaction represents a challenging but important system that can lead to significant general knowledge about receptor-ligand interactions, and the design of new drugs intended to interfere with EGFR binding activity.

Modulation der Immunogenität von humanen Nierenzellkarzinomzellen durch stabilen TAP1-Gentransfer

Bei Nierenzellkarzinomen (NZK), wie auch bei vielen anderen Tumoren konnte eine reduzierte Expression der Klasse I Haupthistokompatibilitäts-Komplexe (MHC Klasse I) nachgewiesen werden, die assoziiert sein kann mit der gestörten Expression oder Funktion von Komponenten der Antigenprozessierung. Eine verminderte Erkennung solcher Tumore durch zytotoxische T-Lymphozyten und ein Zusammenhang mit einem Fortschreiten der Erkrankung führte zu der Annahme, daß es sich bei diesen Störungen um "immune escape"-Mechanismen handelt. Um die Bedeutung des heterodimeren Peptidtransporters TAP ("transporter associated with antigen processing") für die Immunogenität von Nierenzellkarzinomen zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals der stabile Gentransfer des humanen TAP1A-Gens in Nierenzellkarzinom-Zellen erfolgreich durchgeführt.
Dies konnte durch die Optimierung der Transfektionsmethode und des verwendeten Plasmid-Vektors erreicht werden. Die Transfektionen wurden mit Hilfe der Rechteck-Impuls-Elektroporation unter spezifischen, in der Arbeit etablierten Bedingungen durchgeführt. Der CMV-regulierte TAP-Expressions-Vektor wurde dahingehend verbessert, daß durch die Einführung einer IRES ("internal ribosomal entry site") Sequenz eine bicistronische m-RNS transkribiert wird, die sowohl das TAP1-Transgen als auch den Neomycin-Selektionsmarker enthält.
Es konnte nach klonaler Selektion eine stabile, aber unter den sieben getesteten Klonen heterogene Transkription der transgenen TAP1-mRNS nachgewiesen werden. In der Protein-Expression zeigten 5/7 der TAP1A-positive Klone eine mindestens zweifache Induktion der TAP1-Expression. In 2/7 dieser TAP1A-positive Klone war die TAP1-Überexpression mit einer Erhöhung der MHC Klasse I-Expression und selektiver Induktion des HLA-A2-Moleküls in der Durchflußzytometrie verbunden. Eine Quantifizierung des Peptidtransportes ergab je nach verwendetem Modellpeptid eine geringe oder gar keine Erhöhung der Transportrate in den TAP1-Transfektanden gegenüber Kontrollzellen. Ebenfalls konnte in Zytotoxizitäts-Analysen mit einer autologen T-Zellinie eine Erhöhung der spezifischen Lyse nicht gezeigt werden. Jedoch wurden im Zellkultur-Überstand dieser Zytotoxizitäts-Analysen bei einigen TAP1A-positive Transfektanden gegenüber mock transfizierten-Kontrollzellen deutlich erhöhte Werte des Tumornekrose-Faktor-alpha (TNF-alpha) gemessen, was als Maß einer T-Zell-Aktivierung gilt. Diese Ergebnisse sind konsistent mit einer ebenfalls deutlich gesteigerten T-Zell-Proliferation in Anwesenheit von TAP1A-positive Transfektanden.
Die alleinige stabile Überexpression von TAP1 in Nierenzellkarzinomzellen kann somit zu einer Modulation der MHC Klasse I-Expression und der T-Zell-Reaktivität führen. Das weist darauf hin, daß eine starke, konstitutive TAP1-Expression eine grundlegende Voraussetzung für eine effiziente Antigenprozessierung und Immunantwort darstellt und die Immuntoleranz gegenüber NZK durch stabilen TAP1-Gentransfer beinflußbar ist. Eine denkbare klinische Anwendung dieser Technik ist die Herstellung einer Tumorantigen-präsentierenden Zellvakzine, die eine T-Zell-Anergie gegenüber NZK durchbrechen könnte.
Schlüsselwörter: TAP, MHC, Antigenprozessierung, Tumorimmunologie, Gentransfer

Molecular analysis of Sigma-1 receptor modulation of the dopamine transporter

Sigma (σ) receptors are well established as a non-opioid, non-phencyclidine, and haloperidol-sensitive receptor family with its own binding profile and a characteristic distribution in the central nervous system (CNS) as well as in endocrine, immune, and some peripheral tissues. Two σ receptors subtypes, termed σ1 and σ2, have been pharmacologically characterized, but, to date, only the σ1 has also been cloned. Activation of σ1 receptors alter several neurotransmitter systems and dopamine (DA) neurotrasmission has been often shown to constitute an important target of σ receptors in different experimental models; however the exact role of σ1 receptor in dopaminergic neurotransmission remains unclear. The DA transporter (DAT) modulates the spatial and temporal aspects of dopaminergic synaptic transmission and interprer the primary mechanism by wich dopaminergic neurons terminate the signal transmission. For this reason present studies have been focused in understanding whether, in cell models, the human subtype of σ1 (hσ1) receptor is able to directly modulate the human DA transporter (hDAT). In the first part of this thesis, HEK-293 and SH-SY5Y cells were permanently transfected with the hσ1 receptor. Subsequently, they were transfected with another plasmid for transiently expressing the hDAT. The hDAT activity was estimated using the described [3H]DA uptake assay and the effects of σ ligands were evaluated by measuring the uptaken [3H]DA after treating the cells with known σ agonists and antagonists. Results illustrated in this thesis demonstrate that activation of overexpressed hσ1 receptors by (+)-pentazocine, the σ1 agonist prototype, determines an increase of 40% of the extracellular [3H]DA uptake, in comparison to non-treated controls and the σ1 antagonists BD-1047 and NE-100 prevent the positive effect of (+)-pentazocine on DA reuptake DA is likely to be considered a neurotoxic molecule. In fact, when levels of intracellular DA abnormally invrease, vescicles can’t sequester the DA which is metabolized by MAO (A and B) and COMT with consequent overproduction of oxygen reactive species and toxic catabolites. Stress induced by these molecules leads cells to death. Thus, for the second part of this thesis, experiments have been performed in order to investigate functional alterations caused by the (+)-pentazocine-mediated increase of DA uptake; particularly it has been investigated if the increase of intracellular [DA] could affect cells viability. Results obtained from this study demonstrate that (+)-pentazocine alone increases DA cell toxicity in a concentration-dependent manner only in cells co-expressing hσ1 and hDAT and σ1 antagonists are able to revert the (+)-pentazocine-induced increase of cell susceptibility to DA toxicity. In the last part of this thesis, the functional cross-talking between hσ1 receptor and hDAT has been further investigated using confocal microscopy. From the acquired data it could be suggested that, following exposure to (+)-pentazocine, the hσ1 receptors massively translocate towards the plasma membrane and colocalize with the hDATs. However, any physical interaction between the two proteins remains to be proved. In conclusion, the presented study shows for the first time that, in cell models, hσ1 receptors directly modulate the hDAT activity. Facilitation of DA uptake induced by (+)-pentazocine is reflected on the increased cell susceptibility to DA toxicity; these effects are prevented by σ1 selective antagonists. Since numerous compounds, including several drugs of abuse, bind to σ1 receptors and activating them could facilitate the damage of dopaminergic neurons, the reported protective effect showed by σ1 antagonists would represent the pharmacological basis to test these compounds in experimental models of dopaminergic neurodegenerative diseases (i.e. Parkinson’s Disease).

Analyse und Modulation kontaktallergischer Reaktionen

Analyse und Modulation kontaktallergischer Reaktionen In der vorliegenden Arbeit wurde in einem ersten Teil die Bedeutung des Tumor-Necrosis-Faktors auf eine Kontaktallergie anhand von TNFR1- und TNFR2-defizienten Mäusen untersucht. Mit Hilfe des Ohrschwellungsverlaufs einer von DNFB ausgelösten kontaktallergischen Reaktion konnte bei TNFR1-defizienten Mäusen eine leichte Überreaktivität und bei TNFR2-defizienten Mäusen eine statistisch abgesicherte Überreaktivität festgestellt werden. Eine ebenfalls überreaktive Schwellungsreaktion konnte bei TNFR2-defizienten Mäusen, die vorher mit Oxazolon behandelt worden waren, beobachtet werden. In den anschließend durchgeführten histologischen Untersuchungen der Langerhans-Zellen aus den TNFR-defizienten Mäusen zeigten sich keine sichtbaren Differenzen in bezug auf MHC II-Expression und Verteilung der Zellen. Eine unterschiedliche Stimulationskapazität konnte bei Langerhans-Zellen, die aus TNFR1- bzw. TNFR2-defizienten Mäusen isoliert worden waren, nicht beobachtet werden.In Migrationsstudien, bei denen FITC als Kontaktallergen von Langerhans-Zellen aufgenommen, prozessiert und nach der Wanderung in die Lymphknoten präsentiert wurde, konnte keine verringerte Anzahl der migrierenden Zellen bei TNFR1-defizienten Mäusen festgestellt werden. Jedoch wurde eine reduzierte Anzahl FITC- und MHC II-doppelt-positiver Zellen aus TNFR2-defizienten Mäusen beobachtet.Um Aufschlüsse über die Expression von TNF-Rezeptoren auf murinen Langerhans-Zellen gewinnen zu können, wurde mit Hilfe von Epidermal Sheets, zytofluorometrischen Analysen und RT-PCR-Analysen von Langerhans-Zellen die Expression der TNF-Rezeptoren untersucht. In Vorversuchen konnte die Expression von TNF-Rezeptoren auf Fibroblasten und T-Zellen gefunden werden. Weiterhin konnten beide TNF-Rezeptoren auf der Keratinozyten-Zellinie PAM 212 nachgewiesen werden. Auf frisch isolierten Langerhans-Zellen, die mittels MicroBeads aus epidermalen Zellsuspensionen gewonnen wurden, konnten keine TNF-Rezeptoren beobachtet werden. Bei kultivierten Langerhans-Zellen konnte dagegen die Expression des TNFR2 festgestellt werden. Mit Hilfe von RT-PCR-Analysen konnte die mRNA des TNFR1 sowohl bei frisch isolierten als auch bei kultivierten Langerhans-Zellen nachgewiesen werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Wirkung des Immunmodulators Leflunomid (LF) auf eine Kontaktallergie untersucht. Es konnte eine signifikant geringere Schwellungsreaktion im Zuge einer DNFB-induzierten Kontaktallergie bei LF-behandelten Mäusen festgestellt werden. Bei Experimenten zur Untersuchung des Wirkungszeitraums der inhibitorischen Wirkung von LF bei einer kontaktallergischen Reaktion konnte ein langanhaltender Effekt beobachtet werden. Weiterhin konnte die inhibitorische Wirkung von LF auf eine von Oxazolon induzierte kontaktallergische Schwellungsreaktion und auf eine irritative Schwellungsreaktion beobachtet werden. Wie in einem weiteren Experiment festgestellt werden konnte, wirkte LF größenteils antigenspezifisch.Der Wirkungszeitpunkt von LF konnte in verschiedenen Experimenten, bei dem LF vor, während oder nach der Sensibilisierungsreaktion verabreicht worden war, festgestellt werden. Eine suppressive Wirkung von LF war nur dann zu beobachten, wenn LF während der Sensibilisierungsphase gegeben worden war. Weiterhin konnte in Transfer-Experimenten festgestellt werden, daß die Inhibition der kontaktallergischen Schwellungsreaktion auf naive Tiere übertragbar ist. Außerdem wurden Hinweise gefunden, daß CD8+-T-Zellen als Effektorzellen bei der Suppression eine Rolle spielen. Desweiteren konnten anhand von Untersuchungen von Epidermal Sheets von LF-behandelten Mäusen, die mit DNFB konfrontiert worden waren, keine morphologischen Unterschiede gefunden werden. Nach Erstellung von Migrationsanalysen für die zum Einsatz gekommenen Versuchsgruppen, d.h. sowohl für die LF-behandelten als auch für die Kontroll-Mäuse, konnte kein Einfluß von LF auf die Wanderungsfähigkeit von LC konstatiert werden. Anhand von FACS-Analysen konnte bei einer mit LF kultivierten T-Zellinie eine reduzierte Expression des IL-2-, und Transferrin-Rezeptors, sowie von CD44 beobachtet werden. Schließlich wurde bei Untersuchungen einer topischen Applikationsform von LF festgestellt, daß LF nur oral appliziert wirksam war.

Modulation of apoptosis by endogenously produced nitric oxide

Untersuchungen zur Expression der induzierbaren NO-Synthetase (NOS2) belegen eine häufige Expression dieses Enzyms in Tumoren unterschiedlicher Gewebe. Bislang ist jedoch ungeklärt, ob die Expression der NOS2 in Tumorzellen die apoptotische Eliminierung durch zytotoxische T-Zellen beeinflussen kann. In der vorliegenden Arbeit wurden die Folgen einer endogenen NO-Synthese auf die Apoptosesensitivität von HEK293-Zellen untersucht. Um primäre NO-Wirkungen von NO-induzierten, sekundären (kompensatorischen) Veränderungen zu trennen, wurde mit einem induzierbaren Vektorsystem gearbeitet. Die NOS2 wurde zunächst unter der Kontrolle eines Ecdyson-sensitiven Promoters in HEK293-Zellen kloniert. Es konnten regulierbare NOS2-Klone selektiert werden, die nach Ponasteronbehandlung dosisabhängig die NOS2 exprimieren und NO synthetisieren. Die NOS2-Expression wurde durch Western Blot Analyse und Immunfluoreszenzfärbung dargestellt und die NO-Produktion mit Hilfe der Griess-Reaktion gemessen. An den NOS2-induzierten Zellen wurde dann der Einfluss von NO auf die CD95-vermittelte Apoptose analysiert. Es zeigte sich nach Stimulation des CD95-Rezeptors eine deutliche Korrelation der Apoptoserate mit der NOS2-Expression. In Kokulturexperimenten mit Peptid-spezifischen zytotoxischen T-Zellen zeigte sich, dass NO-produzierende Zielzellen effektiver eliminiert werden konnten. Auch nach Behandlung der Zellen mit TRAIL ergab sich eine höhere Apoptoserate in NO-produzierenden Zellen. Die weitere Analyse der durch NO beeinflussten Signalwege ergab eine Beteiligung von ER-Stress-vermittelten Apoptosewegen. Dies zeigte sich an der Hochregulation des ER-Stress-Proteins Grp78 (BiP) nach NOS2-Expression und der Spaltung der am ER-lokalisierten Caspase-4. Darüber hinaus konnte der schnellere Verlust des mitochondrialen Membranpotentials in Abhängigkeit von der NOS2-Expression nachgewiesen werden. Weiterhin wurde die Wirkung einer dauerhaften NO-Exposition auf die Apoptosesensitivität der Zellen untersucht. Auch ohne zusätzliche CD95-Stimulation induzierte eine kontinuierliche NOS2-Expression nach wenigen Tagen in den EcR293-NOS2-Zellen Apoptose. Diese Dauerbehandlung führte zum nahezu vollständigen Absterben der Kulturen. Einige Zellen überlebten jedoch diese Behandlung und wuchsen zu Zellklonen. Diese NO-resistenten Klone konnten isoliert werden. Sie zeigten eine zusätzliche Resistenz für CD95-vermittelte Apoptosesignale und waren besser vor dem Angriff Peptid-spezifischer CTLs geschützt. Die Apoptoseresistenz blieb auch nach längerer Kultur erhalten und scheint auf NO-induzierter Genotoxizität zu beruhen. Anhand dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass allein durch chronische NO-Behandlung eine Selektion apoptoseresistenter Zellen stattfinden kann.

Different addictive drug exposure induces selective alterations of the Endogenous Opioid System : modulation of transcription and epigenetic mechanisms

Drug addiction manifests clinically as compulsive drug seeking, and cravings that can persist and recur even after extended periods of abstinence. The fundamental principle that unites addictive drugs is that each one enhances synaptic DA by means that dissociate it from normal behavioral control, so that they act to reinforce their own acquisition. Our attention has focused on the study of phenomena associated with the consumption of alcohol and heroin. Alcohol has long been considered an unspecific pharmacological agent, recent molecular pharmacology studies have shown that acts on different primary targets. Through gene expression studies conducted recently it has been shown that the classical opioid receptors are differently involved in the consumption of ethanol and, furthermore, the system nociceptin / NOP, included in the family of endogenous opioid system, and both appear able to play a key role in the initiation of alcohol use in rodents. What emerges is that manipulation of the opioid system, nociceptin, may be useful in the treatment of addictions and there are several evidences that support the use of this strategy. The linkage between gene expression alterations and epigenetic modulation in PDYN and PNOC promoters following alcohol treatment confirm the possible chromatin remodeling mechanism already proposed for alcoholism. In the second part of present study, we also investigated alterations in signaling molecules directly associated with MAPK pathway in a unique collection of postmortem brains from heroin abusers. The interest was focused on understanding the effects that prolonged exposure of heroin can cause in an individual, over the entire MAPK cascade and consequently on the transcription factor ELK1, which is regulated by this pathway. We have shown that the activation of ERK1/2 resulting in Elk-1 phosphorylation in striatal neurons supporting the hypothesis that prolonged exposure to substance abuse causes a dysregulation of MAPK pathway.

Therapeutic strategies for modulation of the vaginal microbiota

The vaginal microbiota of healthy women consists of a wide variety of anaerobic and aerobic bacteria, dominated by the genus Lactobacillus. The activity of lactobacilli is essential to protect women from genital infections and to maintain the natural healthy balance of the vaginal ecosystem. This role is particularly important during pregnancy because vaginal infection is one of the most important mechanisms for preterm birth. The most common vaginal disorder is bacterial vaginosis (BV). BV is a polymicrobial disorder, characterized by a depletion of lactobacilli and an increase in the concentration of other bacteria, including Gardnerella vaginalis, anaerobic Gram-negative rods, anaerobic Gram-positive cocci, Mycoplasma hominis, and Mobiluncus spp. An integrated molecular approach based on real-time PCR and PCR-DGGE was used to investigate the effects of two different therapeutic approaches on the vaginal microbiota composition. (i) The impact of a dietary supplementation with the probiotic VSL#3, a mixture of Lactobacillus, Bifidobacterium and Streptococcus strains, on the vaginal microbial ecology and immunological profiles of healthy women during late pregnancy was investigated. The intake was associated to a slight modulation of the vaginal microbiota and cytokine secretion, with potential implications in preventing preterm birth. (ii) The efficacy of different doses of the antibiotic rifaximin (100 mg/day for 5 days, 25 mg/day for 5 days, 100 mg/day for 2 days) on the vaginal microbiota of patients with BV enrolled in a multicentre, double-blind, randomised, placebo-controlled study was also evaluated. The molecular analyses demonstrated the ability of rifaximin 25 mg/day for 5 days to induce an increase of lactobacilli and a decrease of the BV-associated bacteria after antibiotic treatment, and a reduction of the complexity of the vaginal microbial communities. Thus, confirming clinical results, it represents the most effective treatment to be used in future pivotal studies for the treatment of BV.

Modulation of hypoxia-inducible factors as a therapeutic target for multiple myeloma

Hypoxia-inducible factor-1 alpha (HIF-1α) plays a critical role in survival and is associated with poor prognosis in solid tumors. The role of HIF-1α in multiple myeloma is not completely known. In the present study, we explored the effect of EZN2968, an locked nucleic acid antisense oligonucleotide against HIF-1α, as a molecular target in MM. A panel of MM cell lines and primary samples from MM patients were cultured in vitro in the presence of EZN2968 . Under normoxia culture condition, HIF-1α mRNA and protein expression was detectable in all MM cell lines and in CD138+ cells from newly diagnosed MM patients samples. Significant up-regulation of HIF-1α protein expression was observed after incubation with IL6 or IGF-I, confirming that HIF-1α can be further induced by biological stimuli. EZN2968 efficiently induces a selective and stable down-modulation of HIF-1α and decreased the secretion of VEGF released by MM cell. Treatment with EZN2968 gave rise to a progressive accumulation of cells in the S and subG0 phase. The analysis of p21, a cyclin-dependent kinase inhibitors controlling cell cycle check point, shows upregulation of protein levels. These results suggest that HIF-1α inhibition is sufficient for cell cycle arrest in normoxia, and for inducing an apoptotic pathways.. In the presence of bone marrow microenvironment, HIF-1α inhibition blocks MAPK kinase pathway and secretion of pro-surviaval cytokines ( IL6,VEGF,IL8) In this study we provide evidence that HIF-1α, even in the absence of hypoxia signal, is expressed in MM plasma cells and further inducible by bone marrow milieu stimuli; moreover its inhibition is sufficient to induce a permanent cell cycle arrest. Our data support the hypothesis that HIF-1α inhibition may suppress tumor growth by preventing proliferation of plasma cells through p21 activation and blocking pro-survival stimuli from bone marrow microenvironment.

Modulation der Genexpression und des neuronalen Zelltods durch das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP)

Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine zentrale Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Morbus Alzheimer. Hierbei ist die proteolytische Prozessierung von APP von entscheidender Bedeutung. Das Verhältnis von neurotoxischen und neuroprotektiven Spaltprodukten, die über den amyloidogenen und nicht-amyloidogenen Weg der APP-Prozessierung gebildeten werden, ist für das Überleben von Neuronen und deren Resistenz gegen zytotoxische Stress-Stimuli von hoher Relevanz. Störungen der Calcium-Homöostase sind ein bekanntes Phänomen bei Morbus Alzheimer. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von überexprimiertem APP in der Regulation des neuronalen Zelltods nach Calcium Freisetzung untersucht. Die Calcium Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum wurde durch die Inhibition der sarko- und endoplasmatischen Calcium-ATPasen (SERCA) ausgelöst. Dies führt zur Induktion der sogenannten „unfolded protein response“ (UPR) und zu einer Aktivierung von Effektor-Caspasen. Für APP-überexprimierende PC12 Zellen konnte bereits zuvor eine im Vergleich zur Kontrolle nach der durch Calcium Freisetzung-induzierten Apoptose eine erhöhte intrazelluläre Calcium Konzentration nachgewiesen werden. Über die Messung der Aktivierung von Effektor-Caspasen konnte zudem ein gesteigerter Zelltod in den APP-überexprimierenden Zellen gemessen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass der pro-apoptotische Transkriptionsfaktor CHOP, nicht aber die klassischen UPR-Zielgene spezifisch hochreguliert wurden. Die APP-modulierte gesteigerte Induktion von Apoptose nach Calcium Freisezung konnte durch Komplexierung der intrazellulären Calcium Ionen und durch Knockdown von CHOP im Vergleich zur Kontrolle gänzlich unterdrückt werden. Ferner bewirkte die Inhibition der Speicher-aktivierten Calcium-Kanälen (SOCC) eine signifikante Unterdrückung der beobachteten erhöhten intrazellulären Calcium Konzentration und der gesteigerten Apoptose in den APP-überexprimierenden PC12 Zellen. In diesem Teil der Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, dass APP in der Lage ist den durch Calcium-Freisetzung-induzierten Zelltod zu potenzieren. Diese Modulation durch APP verläuft in einer UPR-unabhängigen Reaktion über die Aktivierung von SOCC’s, einer erhöhten Aufnahme von extrazellulärem Calcium und durch erhöhte Induktion des pro-apoptotischen Transkriptionsfaktors CHOP. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die sAPPα-vermittelte Neuroprotektion untersucht. Dabei handelt es sich um die N-terminale Ektodomäne von APP, die über die Aktivität der α-Sekretase prozessiert wird und anschließend extrazellulär abgegeben wird. Ziel dieser Versuchsreihe war die neuroprotektive physiologische Funktion von APP im Hinblick auf den Schutz von neuronalen Zellen vor diversen für Morbus Alzheimer relevanten Stress-Stimuli bzw. Apoptose-Stimuli zu untersuchen. Durch die Analyse der Effektor-Caspasen konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist PC12 Zellen potent vor oxidativem Stress, DNA-Schäden, Hypoxie, proteasomalem Stress und Calcium-Freisetzung zu schützen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist den pro-apoptotischen Stress-induzierten JNK/Akt-Signalweg zu inhibieren. Eine Beteiligung des anti-apoptotischen PI3K/Akt-Signalwegs bei der sAPPα-vermittelten Protektion konnte über die Inhibition der PI3-Kinase ebenfalls demonstriert werden, die eine Aufhebung der sAPPα-vermittelten Neuroprotektion bewirkte. Diese Daten zeigen neue molekulare Mechanismen auf, die dem sAPPα-vermittelten Schutz vor pathophysiologisch relevanten Stress-Stimuli in neuronalen Zellen zugrunde liegen. Im letzten Teil der Arbeit wurden verschieden Gruppen von pharmakologischen Substanzen im Hinblick auf ihre neuroprotektive Wirkung untersucht und mit ihren Effekten auf den APP-Metabolismus korreliert. Die Untersuchungen ergaben, dass Galantamin, ein schwacher Acetycholinesterase Inhibitor und allosterisch potenzierender Ligand von nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren in der Lage war, naive, und mit noch höherer Effizienz APP-überexprimierende Zelllinien vor dem Stress-induzierten Zelltod zu schützen. Zudem bewirkte Galantamin in APP-überexprimierenden HEK293 Zellen eine rasche Erhöhung der sAPPα Sekretion, so dass hier von einer Rezeptor-vermittelten Modulation des APP Metabolismus ausgegangen werden kann. Omega-3 Fettsäuren wirken sich positiv auf die Membranfluidität von Zellen aus und es konnte bereits gezeigt werden, dass die Bildung des toxischen Aβ Peptids hierdurch vermindert wird. In Analogie zu Galantamin schützte die Omega-3 Fettsäure Docosahexaensäure (DHA) neuronale Zellen vor dem Stress-induzierten Zelltod, wobei der Schutz in APP-überexprimierenden Zellen besonders effizient war. Diese Daten legen nahe, dass die Aktivierung des antiamyloidogenen Wegs der APP-Prozessierung ein viel versprechender Ansatz für die Entwicklung neuer Therapien gegen Morbus Alzheimer sein könnte.

GM-CSF (granulocyte-macrophage colony-stimulating factor): Modulation der durch UV-B-Strahlung induzierten Hautkarzinogenese

UV-B-Strahlung, die durch die fortschreitende Zerstörung der Ozonschicht zunimmt, ist hauptsächlich für das Entstehen von Basaliomen und Plattenepithelkarzinomen verantwort-lich, an denen jedes Jahr etwa 2-3 Millionen Menschen weltweit erkranken. UV-B indu-zierte Hautkarzinogenese ist ein komplexer Prozess, bei dem vor allem die mutagenen und immunsuppressiven Wirkungen der UV-B-Strahlung von Bedeutung sind. Die Rolle von GM-CSF in der Hautkarzinogenese ist dabei widersprüchlich. Aus diesem Grund wurde die Funktion von GM-CSF in vivo in der UV-B induzierten Hautkarzinogenese mittels zwei bereits etablierter Mauslinien untersucht: Erstens transgene Mäuse, die einen GM-CSF Antagonisten unter der Kontrolle des Keratin-10-Promotors in den suprabasalen Schichten der Epidermis exprimieren und zweitens solche, die unter dem Keratin-5-Promotor murines GM-CSF in der Basalschicht der Epidermis überexprimieren. Eine Gruppe von Tieren wurde chronisch, die andere akut bestrahlt. Die konstitutionelle Verfassung der Tiere mit erhöhter GM-CSF-Aktivität in der Haut war nach chronischer UV-B-Bestrahlung insgesamt sehr schlecht. Sie wiesen deshalb eine stark erhöhte Mortali-tät auf. Dies ist sowohl auf die hohe Inzidenz als auch dem frühen Auftreten der benignen und malignen Läsionen zurückzuführen. Eine verminderte GM-CSF Aktivität verzögerte dagegen die Karzinomentwicklung und erhöhte die Überlebensrate leicht. GM-CSF wirkt auf verschiedenen Ebenen tumorpromovierend: Erstens erhöht eine gesteigerte Mastzell-anzahl in der Haut der GM-CSF überexprimierenden Tiere per se die Suszeptibilität für Hautkarzinogenese. Zweitens stimuliert GM-CSF die Keratinozytenproliferation. Dadurch kommt es nach UV-B-Bestrahlung zu einer prolongierten epidermalen Hyperproliferation, die zur endogenen Tumorpromotion beiträgt, indem sie die Bildung von Neoplasien unter-stützt. Der Antagonist verzögert dagegen den Proliferationsbeginn, die Keratinozyten blei-ben demzufolge länger in der G1-Phase und der durch UV-B verursachte DNA-Schaden kann effizienter repariert werden. Drittens kann GM-CSF die LCs nicht als APCs aktivie-ren und eine Antitumorimmunität induzieren, da UV-B-Strahlung zur Apoptose von LCs bzw. zu deren Migration in Richtung Lymphknoten führt. Zusätzlich entwickeln GM-CSF überexprimierende Tiere in ihrer Haut nach UV-B-Bestrahlung ein Millieu von antago-nistisch wirkenden Zytokinen, wie TNF-a, TGF-b1 und IL-12p40 und GM-CSF, die proinflammatorische Prozesse und somit die Karzinomentwicklung begünstigen. Der Anta-gonist hemmt nach UV-B-Bestrahlung die Ausschüttung sowohl von immunsuppressiven Zytokinen, wie etwa TNF-a, als auch solchen, die die Th2-Entwicklung unterstützen, wie etwa IL-10 und IL-4. Dies wirkt sich negativ auf die Karzinomentwicklung aus.