Ion channels in mixed tethered bilayer lipid membranes

Mixed tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) are described based on the self-assembly of a monolayer on template stripped gold, of an archea analogue thiolipid, 2,3-di-o-phytanyl-sn-glycerol-1-tetraethylene glycol-D,L--lipoic acid ester lipid (DPTL), and a newly designed dilution molecule, tetraethylene glycol-D,L--lipoic acid ester (TEGL). The usage of spacer and addition of extra dilution molecules between the substrate and the bilayer is that this architecture provides an ionic reservoir underneath the membrane, avoiding direct contact of the embedded membrane proteins with the gold electrodes and increasing the lateral diffusion of the bilayer, thus allowing for the incorporation of complex channels proteins which are failed in non-diluted systems. The tBLM is completed by fusion of liposomes made from a mixture of 1,2-diphythanolyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhyPC), cholesterol, and 1,2-diphytanoyl-sn-Glycero-3-phosphate (DPhyPG) in a molar ratio of 6:3:1. Varying the mixing ratio, the optimum mixing ratio was obtained at a dilution factor of DPTL and TEGL at 90%:10%. Only under these conditions, the mixed tBLM showed electrical properties, as shown by EIS, which are comparable to a BLM. With higher dilution factors, a defect-free lipid bilayer was not formed. Formation of bilayers have been characterized by different techniques, such as surface plasmon resonance (SPR), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), atomic force microscopy (AFM), and quartz crystal microbalance (QCM). Different proteins such as hemolysin, melittin, gramicidin, M2, Maxi-K, nAChR and bacteriohodopsin are incorporated into these tBLMs as shown by SPR and EIS studies. Ionic conductivity at 0 V vs. Ag|AgCl, 3M KCl were measured by EIS measurements. Our results indicate that these proteins have been successfully incorporated into a very stable tBLM environment in a functionally active form. Therefore, we conclude that the mixed tBLMs have been successfully designed as a general platform for biosensing and screening purposes of membrane proteins.

From lipid bilayers to synaptic vesicles: atomic force microscopy on lipid-based systems

The aim of this thesis was to apply the techniques of the atomic force microscope (AFM) to biological samples, namely lipid-based systems. To this end several systems with biological relevance based on self-assembly, such as a solid-supported membrane (SSM) based sensor for transport proteins, a bilayer of the natural lipid extract from an archaebacterium, and synaptic vesicles, were investigated by the AFM. For the characterization of transport proteins with SSM-sensors proteoliposomes are adsorbed that contain the analyte (transport protein). However the forces governing bilayer-bilayer interactions in solution should be repulsive under physiological conditions. I investigated the nature of the interaction forces with AFM force spectroscopy by mimicking the adsorbing proteoliposome with a cantilever tip, which was functionalized with charged alkane thiols. The nature of the interaction is indeed repulsive, but the lipid layers assemble in stacks on the SSM, which expose their unfavourable edges to the medium. I propose a model by which the proteoliposomes interact with these edges and fuse with the bilayer stacks, so forming a uniform layer on the SSM. Furthermore I characterized freestanding bilayers from a synthetic phospholipid with a phase transition at 41°C and from a natural lipid extract of the archaebacterium Methanococcus jannaschii. The synthetic lipid is in the gel-phase at room temperature and changes to the fluid phase when heated to 50°C. The bilayer of the lipid extract shows no phase transition when heated from room temperature to the growth temperature (~ 50°C) of the archeon. Synaptic vesicles are the containers of neurotransmitter in nerve cells and the synapsins are a family of extrinsic membrane proteins, that are associated with them, and believed to control the synaptic vesicle cycle. I used AFM imaging and force spectroscopy together with dynamic light scattering to investigate the influence of synapsin I on synaptic vesicles. To this end I used native, untreated synaptic vesicles and compared them to synapsin-depleted synaptic vesicles. Synapsin-depleted vesicles were larger in size and showed a higher tendency to aggregate compared to native vesicles, although their mechanical properties were alike. I also measured the aggregation kinetics of synaptic vesicles induced by synapsin I and found that the addition of synapsin I promotes a rapid aggregation of synaptic vesicles. The data indicate that synapsin I affects the stability and the aggregation state of synaptic vesicles, and confirm the physiological role of synapsins in the assembly and regulation of synaptic vesicle pools within nerve cells.

Lipid quality and oxidative stability in food products from animal origin, as affected by breeding factor

Nowadays it is requested more investigations on alternative rearing systems that are able to improve poultry welfare and to warrant high-quality and safe meat products. This thesis work was focused on the evaluation of the oxidative stability of poultry meats, obtained with different rearing systems, diets (supplemented with bioactive compounds), and packaging conditions. The thesis work was divided into the following parts: - Evaluation of the effects of different rearing systems on the quality, fatty acid composition and oxidative stability of poultry thigh and breast meat belonging to different product categories (“rotisserie” and “cut-up” carcasses); - Evaluation of the effects of different rearing systems and packaging conditions on the shelf-life of poultry thigh meat stored at 4°C for 14 days, and the effects of feed supplementation with thymol (control diet and diet with 2 different concentration of thymol) and packaging conditions on lipid oxidation of poultry thigh meat shelf-life (stored at 4°C for 14 days). The oxidative stability of poultry meat was studied by means of the spectrophotometric determinations of peroxide value and thiobarbituric acid reactive substances. - Evaluation of anti-inflammatory effects of different flavonoids (thymol, luteolin, tangeretin, sulforaphane, polymethoxyflavones, curcumin derivates) to detect their biological activity in LPS-stimulated RAW 264.7 macrophage cells in vitro, in order to study more in depth their action mechanisms. It was evaluated the cell vitality (MTT assay), nitrite concentration and protein profile. The study was focused on the identification of potential dietary bioactive compounds in order to investigate their biological activity and possible synergic effects, and to develop new suitable strategies for long-term promotion of human health, in particular against cancer.

Curvature induced nanoscale rafts in lipid membranes

We present a coarse grained model for computer simulations of lipid mixtures, which we use to study generic mechanisms for the formation of nanoscale membrane structures (lipid rafts). We observe that even a two component system can separate into rafts of finite size, and we study these rafts and other membrane structures in detail. We look at the characteristics of our model that enable these phenomena and how they may relate to lipid-cholesterol or lipid-lipid mixtures. We propose an explanation for our findings using elastic theory to describe a possible mechanism of raft stabilization via curvature differences between coexisting lipid phases and we investigate whether this theory can be used to explain the results of our computer simulations.

Protein-Protein- und Protein-Lipid-Wechselwirkungen beeinflussen die Oligomerisierung und Funktion des E. coli Aquaglyceroporins GlpF

Aquaporine sind hochselektive Transmembrankanäle, die in allen Lebensformen den Fluss von Wasser und kleinen, polaren Molekülen wie Glycerol über Lipidmembranen ermöglichen. Obwohl die Kanalpore für den Substratfluss im Monomer lokalisiert ist, liegen Aquaporine innerhalb biologischer Membranen als Homotetramere vor. Im Rahmen dieser Arbeit wurden proteinbezogene und lipidmembranassoziierte Einflüsse auf die Oligomerisierung und Funktion des bakteriellen Aquaglyceroporins GlpF sowohl in vitro als auch in vivo untersucht. rnDie erhöhte Stabilität der Aquaporinpore sowie Interaktion zwischen den GlpF-Monomeren sind Triebkräfte der Aquaporin-Tetramerisierung. Ferner erfordern die GlpF-Tetramerisierung und -Aktivität bei Abschirmung der Ladung anionischer Lipide und einer minimalen Membrandicke von 27 Å keine spezielle Lipidumgebung. Da anionische Lipide die GlpF-Funktion jedoch störten, kann die GlpF-Aktivität in vivo möglicherweise durch die selektive Anreicherung von anionischen Lipiden in der unmittelbaren Proteinumgebung reguliert werden. Ungünstige Lipid-GlpF-Interaktionen können jedoch in Lipidumgebungen mit hoher Ordnung in der Acylkettenregion entstehen, die zu einer Aggregation der GlpF-Tetramere und reduzierten Aktivität führen. rnFerner wurde die Auswirkung der nephrogenen Diabetes insipidus verursachenden Aquaporin 2-Punktmutation V71M auf die Oligomerisierung und Funktion des homologen, bakteriellen Aquaglyceroporins GlpF untersucht. Da weder die Oligomierisierung noch die Aktivität des homologen, bakteriellen Aquaglyceroporins eingeschränkt sind, beruht der Krankheitsmechanismus der Aquaporin 2-Mutante V71M vermutlich auf einem defekten Transportmechansimus im Menschen. rn

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

In vivo and in vitro effects of genistein as obesogenic/anti-obesogenic compound in the lipid metabolism of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)

Nowadays, soy is one of the most used ingredients in the formulation of fish feed, due to the ample market supply, lower market price, high protein concentration and favorable amino acid composition. Nevertheless, soybean meal products are rich and primary diet source of phytoestrogens, as genistein, which may have a potential negative impact on growth, hormonal regulation and lipid metabolism in fish. The principal aim of this study was to better understand in vivo and in vitro genistein’s effects on lipid metabolism of rainbow trout. In adipose tissue it was showed an unclear role of genistein on lipid metabolism in rainbow trout, and in liver an anti-obesogenic effect, with an up-regulation of autophagy-related genes LC3b (in adipose tissue) and ATG4b (in liver and adipose tissue), a down-regulation of apoptosis-related genes CASP3 (in adipose tissue) and CASP8 (in liver). An increase of VTG mRNA levels in liver was also observed. Genistein partially exerted these effects via estrogen- receptor dependent mechanism. In white muscle, genistein seemed to promote lipid turnover, up-regulating lipogenic (FAS and LXR) and lipolytic (HSL, PPARα and PPARβ) genes. It seemed that genistein could exert its lipolytic role via autophagic way (up-regulation of ATG4b and ATG12l), not through an apoptotic pathway (down-regulation of CASP3). The effects of genistein on lipid-metabolism and apoptosis-related genes in trout muscle were not dose-dependent, only on autophagy-related genes ATG4B and ATG12l. Moreover, a partial estrogenic activity of this phytoestrogen was also seen. Through in vitro analysis (MTT and ORO assay), instead, it was observed an anti-obesogenic effect of genistein on rainbow trout adipocytes, and this effect was not mediated by ERs. Both in vivo and in vitro, genistein exerted its effects in a dose-dependent manner.

In vivo and in vitro effects of antioxidant compounds and PPAR γ modulators on rainbow trout oxidative stress and lipid metabolism.

The aquafeed use of raw plant materials, as protein and lipid sources, has been considered and approved as a sustainable alternative to fish products (fish meal and oils) because the current trend to use high-lipid diets has been shown to induce undesirable increase in fat depots or further physiological alterations, such as induction of oxidative stress. In the aquaculture perspective, the addition of natural substances with antioxidant properties is an emerging strategy for protecting biological systems and foodstuffs from oxidative damage. Among natural substances, hydroxytyrosol (HT) and caffeic acid (CA) have attracted considerable attention as food antioxidant additives and modulators of physiological and molecular pathways involved in energy metabolism and adiposity. The aim of this study was to evaluate the effects of CA and HT on lipid metabolism and oxidative stress of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). In vitro results showed the potential anti-obesogenic effects of the compounds CA and HT on the adipose tissue of the rainbow trout. To support these data, in vitro assays performed (MTT, ORO, immunofluorescence) resulted in accordance among them; only results from proliferating cell nuclear antigen (PCNA) assay were not significant. In vivo results showed a possible anti-obesogenic effect of CA in liver and HT in adipose tissue. Regarding oxidative stress, we could hypothesize a possible anti-oxidant role of CA in liver.

CD36 and macrophage scavenger receptor a modulate foam cell formation via inhibition of lipid-laden platelet phagocytosis

CD34 (+) progenitor cells are a promising source of regeneration in atherosclerosis or ischemic heart disease. However, as recently published, CD34(+) progenitor cells have the potential to differentiate not only into endothelial cells but also into foam cells upon interaction with platelets. The mechanism of platelet-induced differentiation of progenitor cells into foam cells is as yet unclear. In the present study we investigated the role of scavenger receptor (SR)-A and CD36 in platelet-induced foam cell formation. Human CD34(+) progenitor cells were freshly derived from human umbilical veins and were co-incubated with platelets (2 x 10(8)/mL) up to 14 days resulting in large lipid-laden foam cells. Developing macrophages expressed SR-A, CD36, and Lox-1 as measured by fluorescent-activated cell sorting analysis. The presence of a blocking anti-CD36 or anti-SR-A antibody nearly abrogated foam cell formation, whereas anti-Lox-1 did not affect foam cell formation. Consistently blocking either anti-CD36 or anti-SR-A antibody significantly reduced the phagocytosis of lipid-laden platelets by macrophages. We conclude that CD36 and SR-A play an important role in platelet-induced foam cell formation from CD34(+) progenitor cells and thus represent a promising target to inhibit platelet-induced foam cell formation.

Peroxisome proliferator-activated receptor {gamma} coactivator 1{alpha} (PGC-1{alpha}) promotes skeletal muscle lipid refueling in vivo by activating de novo lipogenesis and the pentose phosphate pathway

Exercise induces a pleiotropic adaptive response in skeletal muscle, largely through peroxisome proliferator-activated receptor coactivator 1 (PGC-1 ). PGC-1 enhances lipid oxidation and thereby provides energy for sustained muscle contraction. Its potential implication in promoting muscle refueling remains unresolved, however. Here, we investigated a possible role of elevated PGC-1 levels in skeletal muscle lipogenesis in vivo and the molecular mechanisms that underlie PGC-1 -mediated de novo lipogenesis. To this end, we studied transgenic mice with physiological overexpression of PGC-1 and human muscle biopsies pre- and post-exercise. We demonstrate that PGC-1 enhances lipogenesis in skeletal muscle through liver X receptor -dependent activation of the fatty acid synthase (FAS) promoter and by increasing FAS activity. Using chromatin immunoprecipitation, we establish a direct interaction between PGC-1 and the liver X receptor-responsive element in the FAS promoter. Moreover, we show for the first time that increased glucose uptake and activation of the pentose phosphate pathway provide substrates for RNA synthesis and cofactors for de novo lipogenesis. Similarly, we observed increased lipogenesis and lipid levels in human muscle biopsies that were obtained post-exercise. Our findings suggest that PGC-1 coordinates lipogenesis, intramyocellular lipid accumulation, and substrate oxidation in exercised skeletal muscle in vivo.

Current cardiovascular risk management patterns with special focus on lipid lowering in daily practice in Switzerland

There may be a considerable gap between LDL cholesterol (LDL-C) and blood pressure (BP) goal values recommended by the guidelines and results achieved in daily practice.

Cannabinoid receptor 1 and 2 agonists increase lipid accumulation in hepatocytes

Cannabinoid receptors CB1 and CB2 are expressed in the liver, but their regulation in fatty hepatocytes is poorly documented. The aim of this study was to investigate the effects of selective CB1 or CB2 agonists on the expression of key regulators of lipid metabolism.

T-cadherin is present on endothelial microparticles and is elevated in plasma in early atherosclerosis

The presence of endothelial cell (EC)-derived surface molecules in the circulation is among hallmarks of endothelial activation and damage in vivo. Previous investigations suggest that upregulation of T-cadherin (T-cad) on the surface of ECs may be a characteristic marker of EC activation and stress. We investigated whether T-cad might also be shed from ECs and in amounts reflecting the extent of activation or damage.

Lipid metabolism in Trypanosoma brucei

Trypanosoma brucei membranes consist of all major eukaryotic glycerophospholipid and sphingolipid classes. These are de novo synthesized from precursors obtained either from the host or from catabolised endocytosed lipids. In recent years, substantial progress has been made in the molecular and biochemical characterisation of several of these lipid biosynthetic pathways, using gene knockout or RNA interference strategies or by enzymatic characterization of individual reactions. Together with the completed genome, these studies have highlighted several possible differences between mammalian and trypanosome lipid biosynthesis that could be exploited for the development of drugs against the diseases caused by these parasites.