Computational Modelling of Cardiac Electrophysiology: from Cell to Bedside

Heart diseases are the leading cause of death worldwide, both for men and women. However, the ionic mechanisms underlying many cardiac arrhythmias and genetic disorders are not completely understood, thus leading to a limited efficacy of the current available therapies and leaving many open questions for cardiac electrophysiologists. On the other hand, experimental data availability is still a great issue in this field: most of the experiments are performed in vitro and/or using animal models (e.g. rabbit, dog and mouse), even when the final aim is to better understand the electrical behaviour of in vivo human heart either in physiological or pathological conditions. Computational modelling constitutes a primary tool in cardiac electrophysiology: in silico simulations, based on the available experimental data, may help to understand the electrical properties of the heart and the ionic mechanisms underlying a specific phenomenon. Once validated, mathematical models can be used for making predictions and testing hypotheses, thus suggesting potential therapeutic targets. This PhD thesis aims to apply computational cardiac modelling of human single cell action potential (AP) to three clinical scenarios, in order to gain new insights into the ionic mechanisms involved in the electrophysiological changes observed in vitro and/or in vivo. The first context is blood electrolyte variations, which may occur in patients due to different pathologies and/or therapies. In particular, we focused on extracellular Ca2+ and its effect on the AP duration (APD). The second context is haemodialysis (HD) therapy: in addition to blood electrolyte variations, patients undergo a lot of other different changes during HD, e.g. heart rate, cell volume, pH, and sympatho-vagal balance. The third context is human hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a genetic disorder characterised by an increased arrhythmic risk, and still lacking a specific pharmacological treatment.

Synthese und biologische Evaluierung von fluorierten und carbaanalogen Glycopeptiden für die Entwicklung von tumorselektiven Vakzinen

Tumorassoziierte Kohlenhydrat-Antigene werden von einer Vielzahl epithelialer Tumoren in erhöhtem Maße exprimiert und können sowohl als selektive Tumormarker, als auch als Zielstrukturen zur Entwicklung von synthetischen Krebsvakzinen dienen. Mucine, allen voran MUC1, sind hochgradig O-glycosylierte Zelloberflächenproteine, die im Fall maligner Zellen in deutlich überexprimierter Form mit charakteristisch veränderten Glycosylierungsmustern auftreten und somit vom Immunsystem erkannt werden können. Die relativ schwache Immunogenität und die geringe metabolische Stabilität dieser Glycopeptid-Epitope stehen jedoch der Entwicklung effizienter, auf Kohlenhydraten basierender Krebsvakzine entgegen.rnEin interessanter Ansatz, die Stabilität und Immunogenität der Vakzinbausteine zu erhöhen, ohne dabei deren Tumorspezifität nennenswert zu beeinträchtigen, stellt die Verwendung von modifizierten Glycopeptid-Konjugaten mit Kohlenhydratmimetika dar, z.B. basierend auf Fluor- und Carbazuckern. rnUm die Eignung solcher bislang unbekannter MUC1-Antigenanaloga als Vakzinbausteine zu untersuchen, konnten im Rahmen dieses Promotionsvorhabens Synthesen zu verschiedenen, modifizierten Antigen-Threonin-Konjugaten erarbeitet werden. Dabei konnte neben der erstmaligen Synthese eines in 6-Position fluorierten Carbazuckers auch ein 1→3 verknüpftes Carbadisaccharid synthetisiert werden. Zudem wurden mehrere Vertreter der in Position 6 bzw. 6‘ fluorierten TN, T und der beiden ST-Antigene dargestellt und über eine Festphasenpeptidsynthese in die aus 20 Aminosäuren bestehende tandem-repeat-Sequenz des MUC1 eingebaut. Eine anschließende Konjugation dieser Glycopeptide über einen nicht-immunogenen Spacer auf Triethylenglycol Basis an Carrierproteine wie BSA und das Tetanus Toxoid lieferte nicht nur potente Tumorvakzine, sondern auch die für die Durchführung von ELISA-Studien benötigten Glycopeptid-Konjugate. rnIn ersten ELISA und Neutralisationsexperimenten konnte gezeigt werden, dass bereits erhaltene Antikörper gegen strukturell sehr ähnliche Vakzine in der Lage sind, die neuartigen fluorierten Glycopeptide zu erkennen und an ihnen zu binden. Zusätzlich konnte erstmals in Impfstudien gezeigt werden, dass mit diesen neuen fluorierten Glycopeptid-TTox-Konjugaten nicht nur eine stakt toleranzbrechende humorale Immunantwort induziert werden kann, sondern auch dass diese MUC1 spezifischen Antikörper zudem in der Lage sind Brustkrebszellen der Linie MCF-7 zu erkennen und zu binden. rnrn

Der Einfluss des Endocannabinoidsystems auf die Alzheimer Pathologie

Die Alzheimer Krankheit ist eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen, deren Ursache, abgesehen von einem geringen Prozentsatz vererbter Formen, bisher nicht bekannt ist. Ein wichtiges Ziel der Grundlagenforschung liegt derzeit in der Modulation der APP-spaltenden Enzyme. Durch die Modulation dieser Enzyme könnten weniger schädigende Amyloid β-Peptide entstehen. Die Aktivität des ECS ist in vielen neurodegenerativen Krankheiten verändert. Protektive Eigenschaften der Cannabinoidrezeptoren wurden bei der Alzheimer Krankheit beschrieben. Deshalb sollte in dieser Arbeit der Einfluss des ECS auf die Pathogenese der Alzheimer Erkrankung untersucht werden. In Zellkultursystemen wurde der Einfluss von Cannabinoiden auf die Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins analysiert. Durch Inkubation der Zellen mit CB1-Rezeptor Agonisten konnte die APP-Prozessierung zugunsten von sAPPα moduliert werden. Gleichzeitig führte die Inkubation mit Cannabinoiden zur reduzierten Amyloid β Menge im Medium der Zellen. In dieser Arbeit konnte die APP-Prozessierung durch die Aktivierung des CB1-Rezeptors zugunsten des nicht-amyloiden Wegs moduliert werden.rnIn einem Tiermodell wurde der Einfluss des CB1-Rezeptors in APP23 transgenen Mäusen untersucht. Der Knockout des CB1-Rezeptors führte in APP23 transgenen Tieren zu weitreichenden biochemischen Veränderungen. APP23/CB1-/--Tiere zeigten eine erhöhte Mortalität und ein sehr geringes Durchschnittsgewicht. Im Vergleich zu APP23/CB1+/+-Tieren führte der CB1-Rezeptor Knockout zur Reduktion der APP-Expression und dessen Prozessierungsprodukten. In den histologischen Untersuchungen wurde eine reduzierte Anzahl an amyloiden Plaques, sowie eine reduzierte Neuroinflammation ermittelt. Biochemische Untersuchungen zeigten, dass der CB1-Rezeptor einen möglichen regulatorischen Einfluss auf die Expression und Prozessierung von APP ausübt. Die Tiere mit der geringsten Plaque-Menge (APP23/CB1-/-) und einer reduzierten Prozessierung von sAPPα- und den CTFs zeigten die schlechteste Lernleistung im Morris Water-Maze. Deshalb müssen andere Faktoren (z.B. die Degradation der Myelinschicht) für die schlechte Lernleistung verantwortlich sein. Mit einem zweiten Tiermodell könnte in CB1-Knockout Mäusen durch den viral-vermittelten Gentransfer eine mögliche Toxizität von Aβ Peptiden untersucht werden. Die in dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse zeigen, dass der CB1-Rezeptor an der Regulation der APP-Prozessierung beteiligt ist und zu proteinbiochemischen Veränderungen im Zell- und Tiermodell führt.

Erkennung der alpha-Kette des GM-CSF-Rezeptors (CSF2RA) durch einen HLA-unabhängigen alpha:beta-T-Zellrezeptor

Aus dem tumorreaktiven T-Zellrepertoire der Melanompatientin Ma-Mel-86/INTH, bei der im Verlauf Lymphknotenmetastasen HLA-Klasse I-negativer Tumorzellen auftraten, wurden durch Stimulation mit autologen Tumorzellen CD8+ T-Zellklone isoliert und expandiert, die auf Melanomzellen der Patientin CSF2RA (engl. GM-CSF receptor alpha chain) in HLA-unabhängiger Weise erkannten. Aus einem der T-Zellklone wurde ein CSF2RA-reaktiver α:β-T-Zellrezeptor (TCR, engl. T-cell receptor) kloniert (Bezeichnung: TCR-1A.3/46). Die α-Kette des TCR enthielt die Domänen TRAV14/DV4*01, TRAJ48*01 und TRAC*01, die β-Kette die Domänen TRBV10-3*01, TRBD2*01, TRBJ2-7*01 und TRBC2*01. Durch Austausch der humanen konstanten gegen die homologen murinen Domänen wurde der TCR optimiert (Bezeichnung: cTCR-1A.3/46) und hinsichtlich seiner Expression und Funktionalität nach retroviralem Transfer in humane PBMC (engl. peripheral blood mononuclear cells) im 51Chromfreisetzungstest, im IFN-γ-ELISpot-Assay und in einem Degranulations-Assay validiert. TCR-transgene T-Zellen lysierten nicht nur spezifisch die HLA-defizienten, CSF2RA+ Melanomlinien des Modells Ma-Mel-86, sondern erkannten auch Zelllinien verschiedener Spezies nach Transfektion von CSF2RA sowie Monozyten, Granulozyten, dendritische Zellen und ein breites Spektrum hämatologischer Malignome myeloiden Ursprungs ungeachtet deren HLA-Phänotypen. Lymphatische Zellen sowie CD34+ Blutstammzellen wurden in In vitro-Untersuchungen nicht erkannt. Der Zusatz von GM-CSF zu Zellen, die CSF2RA und CSF2RB exprimierten, inhibierte die Erkennung durch TCR-transgene PBMC, während die Koexpression der α- und der ß-Kette des GM-CSF-Rezeptors alleine keinen negativen Effekt auf die Erkennung hatte. Daraus war zu schließen, dass CSF2RA präferentiell freistehend und weniger nach Integration in den heteromultimerischen GM-CSF-Rezeptor-Komplex erkannt wurde. In der zweidimensionalen Collier-de-Perles-Visualisierung der IMGT-Datenbank (engl. International immunogenetics information system) wies der CSF2RA-reaktive TCR-1A.3/46 im Vergleich zu TCR von konventionellen, HLA-restringierten T-Zellen keine Besonderheiten auf. Darüber hinaus waren auch die von den HLA-unabhängigen T-Zellen exprimierten CD8-Moleküle identisch zu den CD8-Molekülen HLA-abhängiger CTL (engl. cytotoxic T lymphocytes). Die Präsenz von CD8-Molekülen förderte die HLA-unabhängige Erkennung von CSF2RA, schien aber dafür nicht zwingend erforderlich zu sein, da Antikörper gegen CD8 die Erkennung zu ca. 65 % blockierten und TCR-transgene CD4+ T-Zellen im Vergleich zu TCR-transduzierten CD8+ T-Zellen eine deutlich verringerte, aber noch erhaltene Funktionalität aufwiesen. Es ist derzeit nicht klar, ob HLA-unabhängige T-Zellen gegen CSF2RA im peripheren Blut der Patientin vorkamen, weil sie der im Tiermodell postulierten Thymusselektion MHC-unabhängiger TCR (Tikhonova et al., Immunity 36:79, 2012) entkommen waren, oder weil ein ursprünglich gegen einen HLA-Peptid-Komplex gerichteter TCR eine HLA-unabhängige Kreuzreaktivität aufwies. CSF2RA verbessert die Glucoseutilisation in malignen Zellen, und es wurden ihm embryotrophe Eigenschaften zugeschrieben (Spielholz et al., Blood 85:973, 1995; Sjöblom et al., Biol. Reprod. 67:1817, 2002). Damit kann CSF2RA malignes Wachstum fördern und ist somit ein potentielles Zielmolekül für die Immuntherapie. Seine HLA-unabhängige Erkennung würde sowohl die HLA-Vielfalt als auch den HLA-Verlust als typische Limitationen der T-Zellimmuntherapie umgehen. Zur Überprüfung der In vivo-Spezifität des HLA-unabhängigen TCR gegen CSF2RA und damit zum Ausschluss relevanter off-tumor-/on-target- bzw. off-tumor-/off-target-Effekte ist jedoch eine Testung in einem präklinischen Tiermodell erforderlich.

NCX-1000, a nitric oxide-releasing derivative of UDCA, does not decrease portal pressure in patients with cirrhosis: results of a randomized, double-blind, dose-escalating study

NCX-1000 (2(acetyloxy) benzoic acid-3(nitrooxymethyl)phenyl ester) is an nitric oxide (NO)-releasing derivative of ursodeoxycholic acid (UDCA), which showed selective vasodilatory effect on intrahepatic circulation in animal models of cirrhosis. This study was aimed at testing the efficacy and tolerability of this compound in patients with cirrhosis and portal hypertension.

Inhibition of the kynurenine-NAD+ pathway leads to energy failure and exacerbates apoptosis in pneumococcal meningitis

Pneumococcal meningitis causes neurological sequelae, including learning and memory deficits in up to half of the survivors. In both humans and in animal models of the disease, there is apoptotic cell death in the hippocampus, a brain region involved in learning and memory function. We previously demonstrated that in an infant rat model of pneumococcal meningitis, there is activation of the kynurenine (KYN) pathway in the hippocampus, and that there was a positive correlation between the concentration of 3-hydroxykynurenine and the extent of hippocampal apoptosis. To clarify the role of the KYN pathway in the pathogenesis of hippocampal apoptosis in pneumococcal meningitis, we specifically inhibited 2 key enzymes of the KYN pathway and assessed hippocampal apoptosis, KYN pathway metabolites, and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) concentrations by high-performance liquid chromatography. Pharmacological inhibition of kynurenine 3-hydroxylase and kynureninase led to decreased cellular NAD levels and increased apoptosis in the hippocampus. The cerebrospinal fluid levels of tumor necrosis factor and interleukin-1? and -? were not affected. Our data suggest that activation of the KYN pathway in pneumococcal meningitis is neuroprotective by compensating for an increased NAD demand caused by infection and inflammation;this mechanism may prevent energy failure and apoptosis in the hippocampus.

Complex Bilobular, Bisaccular, and Broad-Neck Microsurgical Aneurysm Formation in the Rabbit Bifurcation Model for the Study of Upcoming Endovascular Techniques

Despite rapid advances in the development of materials and techniques for endovascular intracranial aneurysm treatment, occlusion of large broad-neck aneurysms remains a challenge. Animal models featuring complex aneurysm architecture are needed to test endovascular innovations and train interventionalists.

Role of complement and perspectives for intervention in ischemia-reperfusion damage

Reperfusion of an organ following prolonged ischemia instigates the pro-inflammatory and pro-coagulant response of ischemia / reperfusion (IR) injury. IR injury is a wide-spread pathology, observed in many clinically relevant situations, including myocardial infarction, stroke, organ transplantation, sepsis and shock, and cardiovascular surgery on cardiopulmonary bypass. Activation of the classical, alternative, and lectin complement pathways and the generation of the anaphylatoxins C3a and C5a lead to recruitment of polymorphonuclear leukocytes, generation of radical oxygen species, up-regulation of adhesion molecules on the endothelium and platelets, and induction of cytokine release. Generalized or pathway-specific complement inhibition using protein-based drugs or low-molecular-weight inhibitors has been shown to significantly reduce tissue injury and improve outcome in numerous in-vitro, ex-vivo, and in-vivo models. Despite the obvious benefits in experimental research, only few complement inhibitors, including C1-esterase inhibitor, anti-C5 antibody, and soluble complement receptor 1, have made it into clinical trials of IR injury. The results are mixed, and the next objectives should be to combine knowledge and experience obtained in the past from animal models and channel future work to translate this into clinical trials in surgical and interventional reperfusion therapy as well as organ transplantation.

Caspase-3-independent photoreceptor degeneration by N-methyl-N-nitrosourea (MNU) induces morphological and functional changes in the mouse retina

Retinal degeneration is followed by significant changes in the structure and function of photoreceptors in humans and several genetic animal models. However, it is not clear whether similar changes occur when the degeneration is induced pharmacologically. Therefore, our aim was to investigate the influence of retinotoxic N-methyl-N-nitrosourea (MNU) on the function, morphology and underlying molecular pathways of programmed cell death.

Regulation of GPCR signaling in hypertension

Hypertension represents a complex, multifactorial disease and contributes to the major causes of morbidity and mortality in industrialized countries: ischemic and hypertensive heart disease, stroke, peripheral atherosclerosis and renal failure. Current pharmacological therapy of essential hypertension focuses on the regulation of vascular resistance by inhibition of hormones such as catecholamines and angiotensin II, blocking them from receptor activation. Interaction of G-protein coupled receptor kinases (GRKs) and regulator of G-protein signaling (RGS) proteins with activated G-protein coupled receptors (GPCRs) effect the phosphorylation state of the receptor leading to desensitization and can profoundly impair signaling. Defects in GPCR regulation via these modulators have severe consequences affecting GPCR-stimulated biological responses in pathological situations such as hypertension, since they fine-tune and balance the major transmitters of vessel constriction versus dilatation, thus representing valuable new targets for anti-hypertensive therapeutic strategies. Elevated levels of GRKs are associated with human hypertensive disease and are relevant modulators of blood pressure in animal models of hypertension. This implies therapeutic perspective in a disease that has a prevalence of 65million in the United States while being directly correlated with occurrence of major adverse cardiac and vascular events. Therefore, therapeutic approaches using the inhibition of GRKs to regulate GPCRs are intriguing novel targets for treatment of hypertension and heart failure.

Musical Training Induces Functional Plasticity in Human Hippocampus

Training can change the functional and structural organization of the brain, and animal models demonstrate that the hippocampus formation is particularly susceptible to training-related neuroplasticity. In humans, however, direct evidence for functional plasticity of the adult hippocampus induced by training is still missing. Here, we used musicians' brains as a model to test for plastic capabilities of the adult human hippocampus. By using functional magnetic resonance imaging optimized for the investigation of auditory processing, we examined brain responses induced by temporal novelty in otherwise isochronous sound patterns in musicians and musical laypersons, since the hippocampus has been suggested previously to be crucially involved in various forms of novelty detection. In the first cross-sectional experiment, we identified enhanced neural responses to temporal novelty in the anterior left hippocampus of professional musicians, pointing to expertise-related differences in hippocampal processing. In the second experiment, we evaluated neural responses to acoustic temporal novelty in a longitudinal approach to disentangle training-related changes from predispositional factors. For this purpose, we examined an independent sample of music academy students before and after two semesters of intensive aural skills training. After this training period, hippocampal responses to temporal novelty in sounds were enhanced in musical students, and statistical interaction analysis of brain activity changes over time suggests training rather than predisposition effects. Thus, our results provide direct evidence for functional changes of the adult hippocampus in humans related to musical training.

Elevated level of metabotropic glutamate receptor 2/3 in the prefrontal cortex in major depression

Clinical, postmortem and preclinical research strongly implicates dysregulation of glutamatergic neurotransmission in major depressive disorder (MDD). Recently, metabotropic glutamate receptors (mGluRs) have been proposed as attractive targets for the discovery of novel therapeutic approaches against depression. The aim of this study was to examine mGluR2/3 protein levels in the prefrontal cortex (PFC) from depressed subjects. In addition, to test whether antidepressants influence mGluR2/3 expression we also studied levels of mGluR2/3 in fluoxetine-treated monkeys. Postmortem human prefrontal samples containing Brodmann's area 10 (BA10) were obtained from 11 depressed and 11 psychiatrically healthy controls. Male rhesus monkeys were treated chronically with fluoxetine (dose escalated to 3mg/kg, p.o.; n=7) or placebo (n=6) for 39 weeks. The mGluR2/3 immunoreactivity was investigated using Western blot method. There was a robust (+67%) increase in the expression of the mGlu2/3 protein in the PFC of depressed subjects relative to healthy controls. The expression of mGlu2/3 was unchanged in the PFC of monkeys treated with fluoxetine. Our findings provide the first evidence that mGluR2/3 is elevated in the PFC in MDD. This observation is consistent with reports showing that mGluR2/3 antagonists exhibit antidepressant-like activity in animal models and demonstrates that these receptors are promising targets for the discovery of novel antidepressants.

Functional Imaging of Pheochromocytoma with Ga-DOTATOC and C-HED in a Genetically Defined Rat Model of Multiple Endocrine Neoplasia

Rats affected by the MENX multitumor syndrome develop pheochromocytoma (100%). Pheochromocytomas are uncommon tumors and animal models are scarce, hence the interest in MENX rats to identify and preclinically evaluate novel targeted therapies. A prerequisite for such studies is a sensitive and noninvasive detection of MENXassociated pheochromocytoma. We performed positron emission tomography (PET) to determine whether rat pheochromocytomas are detected by tracers used in clinical practice, such as 68Ga-DOTATOC (somatostatin analogue) or (11)C-Hydroxyephedrine (HED), a norepinephrine analogue. We analyzed four affected and three unaffected rats. The PET scan findings were correlated to histopathology and immunophenotype of the tumors, their proliferative index, and the expression of genes coding for somatostatin receptors or the norepinephrine transporter. We observed that mean 68Ga-DOTATOC standard uptake value (SUV) in adrenals of affected animals was 23.3 ± 3.9, significantly higher than in control rats (15.4 ± 7.9; P = .03). The increase in mean tumor-to-liver ratio of (11)C-HED in the MENX-affected animals (1.6 ± 0.5) compared to controls (0.7 ± 0.1) was even more significant (P = .0016). In a unique animal model, functional imaging depicting two pathways important in pheochromocytoma biology discriminated affected animals from controls, thus providing the basis for future preclinical work with MENX rats.

Perioperative nerve blockade: clues from the bench

Peripheral and neuraxial nerve blockades are widely used in the perioperative period. Their values to diminish acute postoperative pain are established but other important outcomes such as chronic postoperative pain, or newly, cancer recurrence, or infections could also be influenced. The long-term effects of perioperative nerve blockade are still controversial. We will review current knowledge of the effects of blocking peripheral electrical activity in different animal models of pain. We will first go over the mechanisms of pain development and evaluate which types of fibers are activated after an injury. In the light of experimental results, we will propose some hypotheses explaining the mitigated results obtained in clinical studies on chronic postoperative pain. Finally, we will discuss three major disadvantages of the current blockade: the absence of blockade of myelinated fibers, the inappropriate duration of blockade, and the existence of activity-independent mechanisms.

Development of an ultra mini-oxygenator for use in low-volume, buffer-perfused preparations

Introduction: Small animal models are widely used in basic research. However, experimental systems requiring extracorporeal circuits are frequently confronted with limitations related to equipment size. This is particularly true for oxygenators in systems with limited volumes. Thus we aimed to develop and validate an ultra mini-oxygenator for low-volume, buffer-perfused systems. Methods: We have manufactured a series of ultra mini-oxygenators with approximately 175 aligned, microporous, polypropylene hollow fibers contained inside a shell, which is sealed at each of the two extremities to isolate perfusate and gas compartments. With this construction, gas passes through hollow fibers, while perfusate circulates around fibers. Performance of ultra mini-oxygenators (oxygen partial pressure (PO2 ), gas and perfusate flow, perfusate pressure and temperature drop) were assessed with modified Krebs-Henseleit buffer in an in vitro perfusion circuit and an ex vivo rat heart preparation. Results: Mean priming volume of ultra mini-oxygenators was 1.2±0.5 mL and, on average, 86±6% of fibers were open (n=17). In vitro, effective oxygenation (PO2=400-500 mmHg) was achieved for all flow rates up to 50 mL/min and remained stable for at least 2 hours (n=5). Oxygenation was also effective and stable (PO2=456±40 mmHg) in the isolated heart preparation for at least 60 minutes ("venous" PO2=151±11 mmHg; n=5). Conclusions: We have established a reproducible procedure for fabrication of ultra mini-oxygenators, which provide reliable and stable oxygenation for at least 60-120 min. These oxygenators are especially attractive for pre-clinical protocols using small, rather than large, animals.