Inhibierung des IL-17A vermittelten Blut-Hirnschrankenversagens in experimenteller Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) und Mikrogliaaktivierung durch IL-17A

Experimentelle Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) ist das Tiermodell für Multiple Sklerose (MS). Es ist bekannt, dass das proinflammatorische Zytokin IL-17A eine wichtige Rolle in MS und EAE spielt. Dieses wird hauptsächlich von einer Subpopulation der T-Helferzellen (Th17 Zellen) exprimiert. Es war bekannt, dass diese am Zusammenbruch der Blut-Hirnschranke (BHS) beteiligt sind. Der Integritätsverlust der BHS ist ein wichtiger und früher Aspekt in der Pathogenese von EAE und MS. Daraufhin können Immunzellen in das zentrale Nervensystem (ZNS) eindringen. Spezifische T-Zellen greifen das Myelin an und führen so zu einer Entzündungsreaktion, Demyelinisierung und axonalem Schaden. In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass durch Hemmung des kontraktilen endothelialen Apparates das BHS Versagen vermindert werden kann und es dadurch zu einem milderen Verlauf der EAE Pathogenese kommt. Wird der Inhibitor der Myosinleichtkettenkinase ML-7 C57/bl6 Mäusen, bei denen EAE induziert wurde, intraperitoneal verabreicht, kommt es zu einem geringeren Phosphorylierungsgrad der leichten Kette des Myosins in Endothelzellen und folglich zu einem verringerten Schrankenversagen. Außerdem konnte ich zeigen, dass weniger reaktive Sauerstoffspezies (ROS) gebildet werden. Folglich kommt es zu einer geringeren Infiltration von Immunzellen aus der Peripherie in das ZNS. Somit werden weniger Zytokine und auch Matrixmetalloproteinasen (MMP) ausgeschüttet, wodurch die Entzündungsreaktion weniger stark ausgeprägt ist. Außerdem werden weniger Mikrogliazellen aktiviert. Ich habe den Zusammenhang zwischen Mikrogliazellaktivierung und IL-17A näher untersucht. Dieses proinflammatorische Zytokin aktiviert Mikrogliazellen auch in vitro. Durch IL-17A Stimulation kommt es zur vermehrten ROS Bildung. Folglich kommt es zu einer vermehrten Proliferation und Migration, sowie einer erhöhten Zytokinproduktion. Außerdem konnte ich zeigen, dass der N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor an der Mikrogliaaktivierung beteiligt ist. Abhängig von IL-17A Stimulation kommt es zu einem Kalziumeinstrom über den NMDA-Rezeptor. Werden Inhibitoren des NMDA-Rezeptors eingesetzt, können IL-17A vermittelte Proliferation, Migration, Zytokin-und ROS-Produktion verhindert werden. Der NMDA-Rezeptor ist sehr gut in Neuronen erforscht, wohingegen bisher sehr wenig über seine Funktion in Gliazellen bekannt war. In dieser Arbeit ist es mir gelungen einen Zusammenhang zwischen IL-17A vermittelter Mikrogliaaktivierung und Kalziumeinstrom über den NMDA-Rezeptor herzustellen.

Die Rolle des anti-apoptotischen Proteins Mcl-1 für die Leber und das hepatozelluläre Karzinom

Myeloid cell leukemia-1 (Mcl-1) ist ein anti-apoptotisches Mitglied der Bcl-2-Proteinfamilie. Als solches ist es in der Lage, die mitochondriale Aktivierung während der Apoptose zu hemmen. Dadurch schützt es Zellen bei zellulärem Stress (wie z.B. Differenzierung, Proliferation oder Virusinfektion) vor Apoptoseinduktion. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es unabkömmlich während der Embryogenese und in verschiedenen hämatopoetischen Zellpopulationen. Des Weiteren ist Mcl-1 als Protoonkogen in verschiedenen humanen Tumorentitäten verstärkt exprimiert und kann so zu einer verminderten Apoptosesensitivität von Tumorzellen beitragen. Auch primäre humane Hepatozyten können nach Mcl-1-Induktion durch Wachstumsfaktorbehandlung gegenüber CD95-vermittelter Apoptose geschützt werden. Daher sollte untersucht werden, welche Bedeutung Mcl-1 im hepatozellulären Karzinom (HCC) und in der gesunden Leber einnimmt. Hierzu wurde zunächst humanes HCC-Gewebe hinsichtlich der Expression von Mcl-1 untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Mcl-1 sowohl auf mRNA- als auch auf Protein-Ebene in HCC-Gewebe verstärkt exprimiert ist im Vergleich zu benachbartem Normalgewebe. Auch in verschiedenen HCC-Zelllinien konnte eine starke Mcl-1-Expression nachgewiesen werden. Diese war vor allem über den PI3K/Akt-Signalweg reguliert. Eine Hemmung dieses Signalwegs führte zu einer Reduktion der Mcl-1-Expression und so zu einer Sensitivierung der Zellen gegenüber verschiedenen Chemotherapeutika und zielgerichteten Therapien. Des Weiteren wurde die Mcl-1-Expression spezifisch durch RNA-Interferenz gehemmt. Auch hier konnte gezeigt werden, dass Zellen mit unterdrückter Mcl-1-Expression deutlich sensitiver gegenüber verschiedenen Apoptose-induzierenden Substanzen reagierten. Eine kombinierte Hemmung der Mcl-1-Expression und der PI3-Kinase führte schließlich zu einer nochmals verstärkten Sensitivierung. Im Gegensatz dazu führte eine Überexpression von Mcl-1 zu einer Hemmung der Apoptoseinduktion. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Mauslinie etabliert, welche spezifisch in Hepatozyten kein Mcl-1 exprimiert, um so die Bedeutung von Mcl-1 für die Leber in vivo zu untersuchen. Es zeigte sich, dass Mcl-1flox/flox-AlbCre-Mäuse bereits im Alter von acht Wochen eine verminderte Lebergröße aufweisen. Dies wurde verursacht durch spontane Apoptoseinduktion in den Mcl-1 negativen Hepatozyten. Hierdurch kam es zu einer Leberschädigung, ersichtlich durch erhöhte Transaminasenwerte, erhöhte Caspase-3-Aktivierung, und Schädigung der Gewebsstruktur. Zudem war als kompensatorischer Effekt die Zellproliferation erhöht, ohne dass sich jedoch das Lebergewicht an das von Kontrolltieren anglich. Interessanterweise kam es in Mcl-1flox/flox-AlbCre-Mäusen als Folge der chronischen Leberschädigung zur Entwicklung einer Leberfibrose, ersichtlich durch eine verstärkte Collageneinlagerung. Weiterhin reagierten Mcl-1flox/flox-AlbCre-Mäuse wesentlich empfindlicher gegenüber Todesrezeptor-vermittelter Apoptose. Diese Daten zeigen zum einen, dass Mcl-1 zur Apoptoseresistenz von HCC-Zellen beitragen kann. Zielgerichtete Therapien, welche die Expression von Mcl-1 hemmen, könnten folglich für die Therapie des HCCs von Interesse sein. Des Weiteren konnte in dieser Arbeit zum ersten Mal gezeigt werden, dass Mcl-1 ein zentraler anti-apoptotischer Faktor für Hepatozyten in vivo ist.

Synthese, biochemische und physikochemische Charakterisierung von Liganden der Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors

Die exzitatorische Neurotransmission erfolgt über ionotrope Glutamat-Rezeptoren von denen dem NMDA-(N-Methyl-D-aspartat)-Rezeptor durch seine hohe Leitfähigkeit für Ca2+-Ionen eine besondere Rolle zugesprochen wird. Bei seiner Überaktivierung kommt es zu exzitotoxischen Prozessen, die direkt mit neurodegenerativen Erkrankungen einhergehen und nach einem Schlaganfall, bei akuten Epilepsien, Morbus Parkinson, Alzheimer Demenz aber auch im Bereich der neuropathischen Schmerzentstehung eine wichtige Rolle spielen.rnDurch das Eingreifen in die glutamatvermittelten pathologischen Prozesse verspricht man sich daher die Möglichkeit einer Neuroprotektion bei der Therapie verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen, die primär auf völlig unterschiedliche Ursachen zurückzuführen sind.rnAusgehend von in früheren Arbeiten synthetisierten Hydantoin-substituierten Dichlor-indol-2-carbonsäure-Derivaten, die hochaffine Eigenschaften zur Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors aufweisen, sollten neue Derivate entwickelt und untersucht werden, die hinsichtlich ihrer Affinität zur Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors, ihrer Pharmakokinetik sowie physikochemischen Parameter in präparativ-organischen, radiopharmazeutischen und zell- bzw. tierexperimentellen Studien in vitro sowie in vivo charakterisiert werden sollten. Von besonderem Interesse war dabei die Evaluierung der synthetisierten Verbindungen in einem Verdrängungsassay mit dem Radioliganden [3H]MDL105,519 mit dem der Einfluss der strukturellen Modifikationen auf die Affinität zur Glycin-Bindungsstelle des Rezeptors untersucht wurde, sowie die Selektivität und die Potenz der Liganden abgeschätzt wurde.rnIm Rahmen der Struktur-Wirkungs-Untersuchungen mit Hilfe der Bindungsexperimente konnten bestimmte Strukturmerkmale als essentiell herausgestellt bzw. bekräftigt werden. Die Testverbindungen zeigten dabei IC50-Werte im Bereich von 0,0028 bis 51,8 μM. Die entsprechenden Ester dagegen IC50-Werte von 23,04 bis >3000 μM. Als vielversprechende Strukturen mit Affinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich stellten sich Derivate mit einer 4,6-Dichlor-oder Difluor-Substitution am Indolgrundgerüst (2,8 bis 4,6 nM) heraus. Auch die Substitution des Phenylhydantoin-Teils durch das bioisostere Thienylhydantoin führte zu einer gleichbleibenden ausgeprägten Affinität (3,1 nM). rnZur Abschätzung der Bioverfügbarkeit, insbesondere der Fähigkeit zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke, wurden die Lipophilien bei einer Auswahl der Testverbindungen durch Bestimmung ihrer log P-Werte ermittelt. Neben dem Verfahren der potentiometrischen Titration wurde eine HPLC-Methode an einer RP-Phase verwendet.rnUm das Zytotoxizitätsprofil der synthetisierten Strukturen frühzeitig abschätzen zu können, wurde ein schnell durchführbares, zellbasiertes in vitro-Testsystem, der kommerziell erhältliche „Cell Proliferation Kit II (XTT-Test)“, eingesetzt. rnIm Rahmen von Positronen-Emissions-Tomographie-Experimenten an Ratten wurde eine Aussage bezüglich der Aufnahme und Verteilung eines radioaktiv markierten, hochaffinen Liganden an der Glycinbindungsstelle des NMDA-Rezeptors im Gehirn getroffen. Dabei wurden sowohl ein Carbonsäure-Derivat sowie der korrespondierende Ethylester dieser Testung unterworfen.rn

Aktivität der humanen Meprin-Metalloproteasen unter Berücksichtigung potentieller Aktivatoren

Die Metalloproteasen Meprin α und Meprin β sind an essentiellen (patho)physiologischen Prozessen beteiligt. Um die Funktion dieser Proteasen zu verstehen, ist es von Bedeutung, sie nicht isoliert, sondern im gesamten proteolytischen Netzwerk zu betrachten.rnDie Meprine werden in einer Vielzahl von Geweben, in Leukozyten, aber auch in Krebszellen exprimiert. In der Haut konnten die beiden Enzyme in unterschiedlichen dermalen Schichten detektiert werden, wo sie u.a. an der Kollagenassemblierung durch Abspaltung der Propeptide beteiligt sind. rnIm Zuge von Proteomics Analysen konnten mehr als 3000 proteolytische Schnittstellen von fünf Astacin-Metalloproteasen (Meprin α, Meprin β, Astacin, LAST und LAST_MAM) in Peptiden und nativen Substraten identifiziert werden und somit eine Aussage über die Spaltspezifität getroffen werden. In der vorliegenden Arbeit konnten diese Spaltspezifitäten mit Hilfe von fluorogenen Substraten in vitro verifiziert werden. Bemerkenswert hierbei ist die starke Präferenz der beiden Meprine und LAST_MAM für die Aminosäuren Aspartat und Glutamat in der P1‘ Position. rnMeprine werden als Zymogene exprimiert und müssen durch proteolytische Prozessierung einer tryptischen Protease aktiviert werden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit waren Aktivitätsbestimmungen beider Meprine unter Berücksichtigung potentieller Aktivatoren und Substrate. Es konnten die kallikrein-related peptidases (KLK) 4, 5 und 8 als spezifische Aktivatoren identifiziert werden, wobei nur KLK5 beide Proteasen aktiviert. Sowohl KLK4 als auch KLK8 sind lediglich in der Lage, das Propeptid von Meprin β abzuspalten. Außerdem konnte biochemisch und mittels Proteomics gezeigt werden, dass proKLK7 von Meprin β prozessiert wird. Durch N-terminale Sequenzierung wurde eine Schnittstelle zwei Aminosäuren N-terminal der eigentlichen Aktivierungsstelle identifiziert. Dieser Schritt beschleunigt die Aktivierung von KLK7, wenn durch Trypsin noch das verbliebene Dipeptid abgespalten wird. rnDa einige Vertreter der humanen kallikrein-related peptidases (KLK) als Meprin-Aktivatoren identifiziert werden konnten, sollten diese im Zuge dieser Arbeit im Modellorganismus Danio rerio untersucht werden. Durch in silico und RT-PCR Analysen konnte gezeigt werden, dass keine funktionellen KLK-Homologe im Zebrafisch codiert sind. Da somit andere tryptische Proteasen an der Aktivierung der Meprine beteiligt sein müssen, wurde die Transmembran-Serinprotease TMPRSS4 analysiert. In der Tat zeigte die Reduktion des Expressionslevels von TMPRSS4 durch Morpholino-Injektion drastische Störungen in der embryonalen Entwicklung von Zebrabärblingen. Mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie ließ sich eine Fehlbildung der epidermalen Haut bis zu einem Ablösen der Keratinozyten von dem darunter liegenden Gewebe feststellen. rn

Design of cell adhesive and angiogenic titanium surfaces for cellular stimulation

Die Förderung der Zelladhäsion durch sogenannte biomimetische Oberflächen wird in der Medizin als vielversprechender Ansatz gesehen, um Komplikationen wie z. B. Fremdkörperreaktionen nach der Implantation entgegenzuwirken. Neben der Immobilisierung einzelner Biomoleküle wie z. B. dem RGD-Peptid, Proteinen und Wachstumsfaktoren auf verschiedenen Materialien, konzentriert man sich derzeit in der Forschung auf die Co-Immobilisierung zweier Moleküle gleichzeitig. Hierbei werden die funktionellen Gruppen z. B. von Kollagen unter Verwendung von nur einer Kopplungschemie verwendet, wodurch die Kopplungseffizienz der einzelnen Komponenten nur begrenzt kontrollierbar ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Immobilisierungsverfahrens, welches die unabhängige Kopplung zweier Faktoren kontrolliert ermöglicht. Dabei sollten exemplarisch das adhäsionsfördernde RGD-Peptid (Arginin-Glycin-Asparaginsäure) zusammen mit dem Wachstumsfaktor VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) auf Titan gebunden werden. In weiteren Experimenten sollten dann die pro-adhäsiven Faktoren Fibronektin, Kollagen, Laminin und Osteopontin immobilisiert und untersucht werden. rnDie Aminofunktionalisierung von Titan durch plasma polymerisierte Allylaminschichten wurde als Grundlage für die Entwicklung des nasschemischen Co-immobilisierungsverfahren verwendet. Für eine unabhängige und getrennte Anbindung der verschiedenen Biomoleküle stand in diesem Zusammenhang die Entwicklung eines geeigneten Crosslinker Systems im Vordergrund. Die Oberflächencharakterisierung der entwickelten Oberflächen erfolgte mittels Infrarot Spektroskopie, Surface Plasmon Resonance Spektroskopie (SPR), Kontaktwinkelmessungen, Step Profiling und X-Ray Photoelectron Spektroskopie (XPS). Zur Analyse der Anbindungsprozesse in Echtzeit wurden SPR-Kinetik Messungen durchgeführt. Die biologische Funktionalität der modifizierten Oberflächen wurde in vitro an Endothelzellen (HUVECs) und Osteoblasten (HOBs) und in vivo in einem Tiermodell-System an der Tibia von Kaninchen untersucht.rnDie Ergebnisse zeigen, dass alle genannten Biomoleküle sowohl einzeln auf Titan kovalent gekoppelt als auch am Bespiel von RGD und VEGF in einem getrennten Zwei-Schritt-Verfahren co-immobilisiert werden können. Des Weiteren wurde die biologische Funktionalität der gebundenen Faktoren nachgewiesen. Im Falle der RGD modifizierten Oberflächen wurde nach 7 Tagen eine geförderte Zelladhäsion von HUVECs mit einer signifikant erhöhten Zellbesiedlungsdichte von 28,5 % (p<0,05) gezeigt, wohingegen auf reinem Titan Werte von nur 13 % beobachtet wurden. Sowohl VEGF als auch RGD/VEGF modifizierte Proben wiesen im Vergleich zu Titan schon nach 24 Stunden eine geförderte Zelladhäsion und eine signifikant erhöhte Zellbesiedlungsdichte auf. Bei einer Besiedlung von 7,4 % auf Titan, zeigten VEGF modifizierte Proben mit 32,3 % (p<0,001) eine deutlichere Wirkung auf HUVECs als RGD/VEGF modifizierte Proben mit 13,2 % (p<0,01). Die pro-adhäsiven Faktoren zeigten eine deutliche Stimulation der Zelladhäsion von HUVECs und HOBs im Vergleich zu reinem Titan. Die deutlich höchsten Besiedlungsdichten von HUVECs konnten auf Fibronektin mit 44,6 % (p<0,001) und Kollagen mit 39,9 % (p<0,001) nach 24 Stunden beobachtet werden. Laminin zeigte keine und Osteopontin nur eine sehr geringe Wirkung auf HUVECs. Bei Osteoblasten konnten signifikant erhöhte Besiedlungsdichten im Falle aller pro-adhäsiven Faktoren beobachtet werden, jedoch wurden die höchsten Werte nach 7 Tagen auf Kollagen mit 90,6 % (p<0,001) und Laminin mit 86,5 % (p<0,001) im Vergleich zu Titan mit 32,3 % beobachtet. Die Auswertung der Tierexperimente ergab, dass die VEGF modifizierten Osteosyntheseplatten, im Vergleich zu den reinen Titankontrollen, eine gesteigerte Knochenneubildung auslösten. Eine solche Wirkung konnte für RGD/VEGF modifizierte Implantate nicht beobachtet werden. rnInsgesamt konnte gezeigt werden, dass mittels plasmapolymerisierten Allylamin Schichten die genannten Biomoleküle sowohl einzeln gebunden als auch getrennt und kontrolliert co-immobilisiert werden können. Des Weiteren konnte eine biologische Funktionalität für alle Faktoren nach erfolgter Kopplung in vitro gezeigt werden. Wider Erwarten konnte jedoch kein zusätzlicher biologischer Effekt durch die Co-immobilisierung von RGD und VEGF im Vergleich zu den einzeln immobilisierten Faktoren gezeigt werden. Um zu einer klinischen Anwendung zu gelangen, ist es nun notwendig, das entwickelte Verfahren in Bezug auf die immobilisierten Mengen der verschiedenen Faktoren hin zu optimieren. rn

Na +-coupled betaine symporters involved in osmotic stress response in prokaryotes and eukaryotes

The betaine/GABA transporter BGT1 is one of the most important osmolyte transporters in the kidney. BGT1 is a member of the neurotransmitter sodium symporter (NSS) family, facilitates Na+/Cl--coupled betaine uptake to cope with hyperosmotic stress. Betaine transport in kidney cells is upregulated under hypertonic conditions by a yet unknown mechanism when increasing amounts of intracellular BGT1 are inserted into the plasma membrane. Re-establishing isotonicity results in ensuing depletion of BGT1 from the membrane. BGT1 phosphorylation on serines and threonines might be a regulation mechanism. In the present study, four potential PKC phosphorylation sites were mutated to alanines and the responses to PKC activators, phorbol 12-myristate acetate (PMA) and dioctanoyl-sn-glycerol (DOG) were determined. GABA-sensitive currents were diminished after 30 min preincubation with these PKC activators. Staurosporine blocked the response to DOG. Three mutants evoked normal GABA-sensitive currents but currents in oocytes expressing the mutant T40A were greatly diminished. [3H]GABA uptake was also determined in HEK-293 cells expressing EGFP-tagged BGT1 with the same mutations. Three mutants showed normal upregulation of GABA uptake after hypertonic stress, and downregulation by PMA was normal compared to EGFP-BGT1. In contrast, GABA uptake by the T40A mutant showed no response to hypertonicity or PMA. Confocal microscopy of the EGFP-BGT1 mutants expressed in MDCK cells, grown on glass or filters, revealed that T40A was present in the cytoplasm after 24 h hypertonic stress while the other mutants and EGFP-BGT1 were predominantely present in the plasma membrane. All four mutants co-migrated with EGFP-BGT1 on Western blots suggesting they are full-length proteins. In conclusion, T235, S428, and S564 are not involved in downregulation of BGT1 due to phosphorylation by PKC. However, T40 near the N-terminus may be part of a hot spot important for normal trafficking or insertion of BGT1 into the plasma membrane. Additionally, a link between substrate transport regulation, insertion of BGT1 into the plasma membrane and N-glycosylation in the extracellular loop 2 (EL2) could be revealed. The functional importance of two predicted N-glycosylation sites, which are conserved in EL2 within the NSS family were investigated for trafficking, transport and regulated plasma membrane insertion by immunogold-labelling, electron microscopy, mutagenesis, two-electrode voltage clamp measurements in Xenopus laevis oocytes and uptake of radioactive-labelled substrate into MDCK cells. Trafficking and plasma membrane insertion of BGT1 was clearly promoted by proper N-glycosylation in both, oocytes and MDCK cells. De-glycosylation with PNGase F or tunicamycin led to a decrease in substrate affinity and transport rate. Mutagenesis studies revealed that in BGT1 N183 is the major N-glycosylation site responsible for full protein activity. Replacement of N183 with aspartate resulted in a mutant, which was not able to bind N-glycans suggesting that N171 is a non-glycosylated site in BGT1. N183D exhibited close to WT transport properties in oocytes. Surprisingly, in MDCK cells plasma membrane insertion of the N183D mutant was no longer regulated by osmotic stress indicating unambiguously that association with N-glycans at this position is linked to osmotic stress-induced transport regulation in BGT1. The molecular transport mechanism of BGT1 remains largely unknown in the absence of a crystal structure. Therefore investigating the structure-function relationship of BGT1 by a combination of structural biology (2D and 3D crystallization) and membrane protein biochemistry (cell culture, substrate transport by radioactive labeled GABA uptake into cells and proteoliposomes) was the aim of this work. While the functional assays are well established, structure determination of eukaryotic membrane transporters is still a challenge. Therefore, a suitable heterologous expression system could be defined, starting with cloning and overexpression of an optimized gene. The achieved expression levels in P. pastoris were high enough to proceed with isolation of BGT1. Furthermore, purification protocols could be established and resulted in pure protein, which could even be reconstituted in an active form. The quality and homogeneity of the protein allowed already 2D and 3D crystallization, in which initial crystals could be obtained. Interestingly, the striking structural similarity of BGT1 to the bacterial betaine transporter BetP, which became a paradigm for osmoregulated betaine transport, provided information on substrate coordination in BGT1. The structure of a BetP mutant that showed activity for GABA was solved to 3.2Å in complex with GABA in an inward facing open state. This structure shed some light into the molecular transport mechanisms in BGT1 and might help in future to design conformationally locked BGT1 to enforce the on-going structure determination.

Extracellular glutamate-GABA balance in the developing neocortex

It has been shown in the study that glutamate transporters (EAAT) are capable to modulate GABA transports (GAT). Here we also report that DL-TBOA, a non-transportable glutamate uptake blocker, eliminates GAT-mediated GABA release, while D-aspartate, an EAAT substrate, does not block the latter. The strength or even the operating mode of GABA uptake/release could be influenced by the work of EAATs. Considering the interaction between EAATs and GATs we can conclude that ambient glutamate and GABA levels are mutually dependent. The EAAT-GAT crosstalk observed in this work is mediated by EAAT1 and GAT-2/3. Since both transporters are Na+ dependent and mainly glial, next we investigated the role of [Na+]i in astrocytic-mediated glutamate uptake. We tested whether [Na+]i changes affect paired-pulse plasticity of STCs recorded from cortical layer 2/3 astrocytes. We report that an elevation of [Na+]i induced either by using a high [Na+]i intrapipette solution or by application of GABA slows STCs kinetics and decrease paired-pulse facilitation (PPF) of STCs at short inter-stimulus intervals. Moreover, GAT inhibitors decrease PPF of STCs under control conditions, suggesting that endogenous GABA operating via GATs influences EAAT-mediated transport

Hypoxia aggravates non-alcoholic steatohepatitis in mice lacking hepatocellular PTEN

The metabolic disorders that predispose patients to NASH (non-alcoholic steatohepatitis) include insulin resistance and obesity. Repeated hypoxic events, such as occur in obstructive sleep apnoea syndrome, have been designated as a risk factor in the progression of liver disease in such patients, but the mechanism is unclear, in particular the role of hypoxia. Therefore we studied the influence of hypoxia on the development and progression of steatohepatitis in an experimental mouse model. Mice with a hepatocellular-specific deficiency in the Pten (phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10) gene, a tumour suppressor, were exposed to a 10% O2 (hypoxic) or 21% O2 (control) atmosphere for 7 days. Haematocrit, AST (aspartate aminotransferase), glucose, triacylglycerols (triglycerides) and insulin tolerance were measured in blood. Histological lesions were quantified. Expression of genes involved in lipogenesis and mitochondrial beta-oxidation, as well as FOXO1 (forkhead box O1), hepcidin and CYP2E1 (cytochrome P450 2E1), were analysed by quantitative PCR. In the animals exposed to hypoxia, the haematocrit increased (60+/-3% compared with 50+/-2% in controls; P<0.01) and the ratio of liver weight/body weight increased (5.4+/-0.2% compared with 4.7+/-0.3% in the controls; P<0.01). Furthermore, in animals exposed to hypoxia, steatosis was more pronounced (P<0.01), and the NAS [NAFLD (non-alcoholic fatty liver disease) activity score] (8.3+/-2.4 compared with 2.3+/-10.7 in controls; P<0.01), serum AST, triacylglycerols and glucose were higher. Insulin sensitivity decreased in mice exposed to hypoxia relative to controls. The expression of the lipogenic genes SREBP-1c (sterol-regulatory-element-binding protein-1c), PPAR-gamma (peroxisome-proliferator-activated receptor-gamma), ACC1 (acetyl-CoA carboxylase 1) and ACC2 (acetyl-CoA carboxylase 2) increased significantly in mice exposed to hypoxia, whereas mitochondria beta-oxidation genes [PPAR-alpha (peroxisome-proliferator-activated receptor-alpha) and CPT-1 (carnitine palmitoyltransferase-1)] decreased significantly. In conclusion, the findings of the present study demonstrate that hypoxia alone aggravates and accelerates the progression of NASH by up-regulating the expression of lipogenic genes, by down-regulating genes involved in lipid metabolism and by decreasing insulin sensitivity.

Perioperative metabolic changes in patients undergoing cardiac surgery

Perioperative metabolic changes in cardiac surgical patients are not only induced by tissue injury and extracorporeal circulation per se: the systemic inflammatory response to surgical trauma and extracorporeal circulation, perioperative hypothermia, cardiovascular and neuroendocrine responses, and drugs and blood products used to maintain cardiovascular function and anesthesia contribute to varying degrees. The pathophysiologic changes include increased oxygen consumption and energy expenditure; increased secretion of adrenocorticotrophic hormone, cortisol, epinephrine, norepinephrine, insulin, and growth hormone; and decreased total tri-iodothyronine levels. Easily measurable metabolic consequences of these changes include hyperglycemia, hyperlactatemia, increased aspartate, glutamate and free fatty acid concentrations, hypokalemia, increased production of inflammatory cytokines, and increased consumption of complement and adhesion molecules. Nutritional risk before elective cardiac surgery-defined as preoperative unintended pathologic weight loss/low amount of food intake in the preceding week or low body mass index-is related to adverse postoperative outcome. Improvements in surgical techniques, anesthesia, and perioperative management have been designed to minimize the stressful stimulus to catabolism, thereby slowing the wasting process to the point where much less nutrition is required to meet metabolic requirements. Early nutrition in cardiac surgery is safe and well tolerated.

Effect of Acute Psychological Stress on Prefrontal GABA Concentration Determined by Proton Magnetic Resonance Spectroscopy

Objective Impaired function of the central gamma-aminobutyric acid (GABA) system, which provides the brain’s major inhibitory pathways, is thought to play an important role in the pathophysiology of anxiety disorders. The effect of acute psychological stress on the human GABA-ergic system is still unknown, however. The purpose of this study was to determine the effect of acute stress on prefrontal GABA levels. Method A recently developed noninvasive magnetic resonance spectroscopy method was used to measure changes in the GABA concentration of the prefrontal cortex in 10 healthy human subjects during a threat-of-shock condition and during a safe condition (two sessions on different days). The main outcome measure was the mean GABA concentration within a 3×3×2-cm3 voxel selected from the medial prefrontal cortex. Results Prefrontal GABA decreased by approximately 18% in the threat-of-shock condition relative to the safe condition. This reduction was specific to GABA, since the concentrations of N-acetyl-aspartate, choline-containing compounds, and glutamate/glutamine levels obtained in the same spectra did not change significantly. Conclusions This result appeared compatible with evidence from preclinical studies in rodents, which showed rapid presynaptic down-regulation of GABA-ergic neurotransmission in response to acute psychological stress. The molecular mechanism and functional significance of this reduced inhibitory effect of acute psychological stress in relation to impaired GABA-ergic function in anxiety disorders merit further investigation.

Genetic variation in the PNPLA3 gene is associated with alcoholic liver injury in caucasians

A recent genome-wide study revealed an association between variation in the PNPLA3 gene and liver fat content. In addition, the PNPLA3 single-nucleotide polymorphism rs738409 (M148I) was reported to be associated with advanced alcoholic liver disease in alcohol-dependent individuals of Mestizo descent. We therefore evaluated the impact of rs738409 on the manifestation of alcoholic liver disease in two independent German cohorts. Genotype and allele frequencies of rs738409 (M148I) were determined in 1,043 alcoholic patients with or without alcoholic liver injury and in 376 at-risk drinkers from a population-based cohort. Relative to alcoholic patients without liver damage (n = 439), rs738409 genotype GG was strongly overrepresented in patients with alcoholic liver cirrhosis (n = 210; OR 2.79; P(genotype) = 1.2 × 10(-5) ; P(allelic) = 1.6 × 10(-6) ) and in alcoholic patients without cirrhosis but with elevated alanine aminotransferase levels (n = 219; OR 2.33; P(genotype) = 0.0085; P(allelic) = 0.0042). The latter, biochemically defined association was confirmed in an independent population-based cohort of at-risk drinkers with a median alcohol intake of 300 g/week (OR 4.75; P(genotype) = 0.040; P(allelic) = 0.022), and for aspartate aminotransferase (AST) levels. Frequencies of allele PNPLA3 rs738409(G) in individuals with steatosis and normal alanine aminotransferase (ALT) and AST levels were lower than in alcoholics without steatosis and normal ALT/AST (P(combined) = 0.03). The population attributable risk of cirrhosis in alcoholic carriers of allele PNPLA3 rs738409(G) was estimated at 26.6%. CONCLUSION: Genotype PNPLA3 rs738409(GG) is associated with alcoholic liver cirrhosis and elevated aminotransferase levels in alcoholic Caucasians.

Genetic variations in bile acid homeostasis are not overrepresented in alcoholic cirrhosis compared to patients with heavy alcohol abuse and absent liver disease

Increased serum bile salt levels have been associated to a single-nucleotide polymorphism in the bile salt export pump (BSEP; ABCB11) in several acquired cholestatic liver diseases but there is little evidence in alcoholic liver disease (ALD). Furthermore, a crosstalk between vitamin D and bile acid synthesis has recently been discovered. Whether this crosstalk has an influence on the course of ALD is unclear to date. Our aim was to analyse the role of genetic polymorphisms in BSEP and the vitamin D receptor gene (NR1I1) on the emergence of cirrhosis in patients with ALD. Therefore, 511 alcoholic patients (131 with cirrhosis and 380 without cirrhosis) underwent ABCB11 genotyping (rs2287622). Of these, 321 (131 with cirrhosis and 190 without cirrhosis) were also tested for NR1I1 polymorphisms (bat-haplotype: BsmI rs1544410, ApaI rs7975232 and TaqI rs731236). Frequencies of ABCB11 and NR1I1 genotypes and haplotypes were compared between alcoholic patients with and without cirrhosis and correlated to serum bile salt, bilirubin and aspartate aminotransferase levels in those with cirrhosis. Frequencies of ABCB11 and NR1I1 genotypes and haplotypes did not differ between the two subgroups and no significant association between genotypes/haplotypes and liver function tests could be determined for neither polymorphism. We conclude that ABCB11 and NR1I1 polymorphisms are obviously not associated with development of cirrhosis in patients with ALD.

Maternal and Postweaning High-Fat Diets Disturb Hippocampal Gene Expression, Learning, and Memory Function

We tested the hypothesis that excess saturated fat consumption during pregnancy, lactation, and/or postweaning alters the expression of genes mediating hippocampal synaptic efficacy and impairs spatial learning and memory in adulthood. Dams were fed control chow or a diet high in saturated fat before mating, during pregnancy, and into lactation. Offspring were weaned to either standard chow or a diet high in saturated fat. The Morris Water Maze was used to evaluate spatial learning and memory. Open field testing was used to evaluate motor activity. Hippocampal gene expression in adult males was measured using RT-PCR and ELISA. Offspring from high fat-fed dams took longer, swam farther, and faster to try and find the hidden platform during the 5-day learning period. Control offspring consuming standard chow spent the most time in memory quadrant during the probe test. Offspring from high fat-fed dams consuming excess saturated fat spent the least. The levels of mRNA and protein for brain-derived neurotrophic factor and activity-regulated cytoskeletal-associated protein were significantly decreased by maternal diet effects. Nerve growth factor mRNA and protein levels were significantly reduced in response to both maternal and postweaning high-fat diets. Expression levels for the N-methyl-D-aspartate receptor (NMDA) receptor subunit NR2B as well as synaptophysin were significantly decreased in response to both maternal and postweaning diets. Synaptotagmin was significantly increased in offspring from high fat-fed dams. These data support the hypothesis that exposure to excess saturated fat during hippocampal development is associated with complex patterns of gene expression and deficits in learning and memory.

Age-modulated association between prefrontal NAA and the BDNF gene

Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has been implicated in the pathophysiology of psychiatric and neurological disorders and in the mechanisms of antidepressant pharmacotherapy. Psychiatric and neurological conditions have also been associated with reduced brain levels of N-acetyl-aspartate (NAA), which has been used as a putative marker of neural integrity. However, few studies have explored the relationship between BDNF polymorphisms and NAA levels directly. Here, we present data from a single-voxel proton magnetic resonance spectroscopy study of 64 individuals and explore the relationship between BDNF polymorphisms and prefrontal NAA level. Our results indicate an association between a single nucleotide polymorphism (SNP) within BDNF, known as rs1519480, and reduced NAA level (p = 0.023). NAA levels were further predicted by age and Asian ancestry. There was a significant rs1519480 × age interaction on NAA level (p = 0.031). Specifically, the effect of rs1519480 on NAA level became significant at age ⩾34.17 yr. NAA level decreased with advancing age for genotype TT (p = 0.001) but not for genotype CT (p = 0.82) or CC (p = 0.34). Additional in silico analysis of 142 post-mortem brain samples revealed an association between the same SNP and reduced BDNF mRNA expression in the prefrontal cortex. The rs1519480 SNP influences BDNF mRNA expression and has an impact on prefrontal NAA level over time. This genetic mechanism may contribute to inter-individual variation in cognitive performance seen during normal ageing, as well as contributing to the risk for developing psychiatric and neurological conditions.

Impact of Lifetime Alcohol Use on Liver Fibrosis in a Population of HIV-Infected Patients With and Without Hepatitis C Coinfection

BACKGROUND: The effect of alcohol on liver disease in HIV infection has not been well characterized. METHODS: We performed a cross-sectional multivariable analysis of the association between lifetime alcohol use and liver fibrosis in a longitudinal cohort of HIV-infected patients with alcohol problems. Liver fibrosis was estimated with 2 noninvasive indices, "FIB-4," which includes platelets, liver enzymes, and age; and aspartate aminotransferase/platelet ratio index ("APRI"), which includes platelets and liver enzymes. FIB-4 <1.45 and APRI <0.5 defined the absence of liver fibrosis. FIB-4 >3.25 and APRI >1.5 defined advanced liver fibrosis. The main independent variable was lifetime alcohol consumption (<150 kg, 150 to 600 kg, >600 kg). RESULTS: Subjects (n = 308) were 73% men, mean age 43 years, 49% with hepatitis C virus (HCV) infection, 60% on antiretroviral therapy, 49% with an HIV RNA load <1,000 copies/ml, and 18.7% with a CD4 count <200 cells/mm(3) . Forty-five percent had lifetime alcohol consumption >600 kg, 32.7% 150 to 600 kg, and 22.3% <150 kg; 33% had current heavy alcohol use, and 69% had >9 years of heavy episodic drinking. Sixty-one percent had absence of liver fibrosis and 10% had advanced liver fibrosis based on FIB-4. In logistic regression analyses, controlling for age, gender, HCV infection, and CD4 count, no association was detected between lifetime alcohol consumption and the absence of liver fibrosis (FIB-4 <1.45) (adjusted odds ratio [AOR] = 1.12 [95% CI: 0.25 to 2.52] for 150 to 600 kg vs. <150 kg; AOR = 1.11 [95% CI: 0.52 to 2.36] for >600 kg vs. <150 kg; global p = 0.95). Additionally, no association was detected between lifetime alcohol use and advanced liver fibrosis (FIB-4 >3.25). Results were similar using APRI, and among those with and without HCV infection. CONCLUSIONS: In this cohort of HIV-infected patients with alcohol problems, we found no significant association between lifetime alcohol consumption and the absence of liver fibrosis or the presence of advanced liver fibrosis, suggesting that alcohol may be less important than other known factors that promote liver fibrosis in this population.