Interactions of inhaled nanoparticles with the alveolar-capillary barrier of the human respiratory tract

In dieser Arbeit wurden zytotoxische Effekte sowie die inflammatorische Reaktionen des distalen respiratorischen Traktes nach Nanopartikelexposition untersucht. Besondere Aufmerksamkeit lag auch auf der Untersuchung unterschiedlicher zellulärer Aufnahmewege von Nanopartikeln wie z.B. Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose oder auch Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose (mit möglicher Beteiligung von Flotillinen). Drei unterschiedliche Nanopartikel wurden hierbei gewählt: amorphes Silica (aSNP), Organosiloxan (AmorSil) und Poly(ethyleneimin) (PEI). Alle unterschiedlichen Materialien gewinnen zunehmend an Interesse für biomedizinische Forschungsrichtungen (drug and gene delivery). Insbesondere finden aSNPs auch in der Industrie vermehrt Anwendung, und stellen somit ein ernstzunehmendes Gesundheitsrisiko dar. Dieser wird dadurch zu einem begehrten Angriffsziel für pharmazeutische Verabreichungen von Medikamenten über Nanopartikel als Vehikel aber bietet zugleich auch eine Angriffsfläche für gesundheitsschädliche Nanomaterialien. Aus diesem Grund sollten die gesundheitsschädigenden Risiken, sowie das Schicksal von zellulär aufgenommenen NPs sorgfältig untersucht werden. In vivo Studien an der alveolaren-kapillaren Barriere sind recht umständlich. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Kokulturmodel benutzt, dass die Alveolar-Kapillare Barrier in vivo nachstellt. Das Model besteht aus dem humanen Lungenepithelzelltyp (z.B. NCI H441) und einem humanen microvasculären Endothelzelltyp (z.B. ISO-HAS-1), die auf entgegengesetzten Seiten eines Transwell-Filters ausgesät werden und eine dichte Barriere ausbilden. Die NP Interaktion mit Zellen in Kokultur wurde mit denen in konventioneller Monokultur verglichen, in der Zellen 24h vor dem Experiment ausgesät werden. Diese Studie zeigt, dass nicht nur die polarisierte Eigenschaft der Zellen in Kokultur sondern auch die unmittelbare Nähe von Epithel und Endothelzelle ausschlaggebend für durch aSNPs verursachte Effekte ist. Im Hinblick auf inflammatorische Marker (sICAM, IL-6, IL8-Ausschüttung), reagiert die Kokultur auf aSNPs empfindlicher als die konventionelle Monokultur, wohingegen die Epithelzellen in der Kokultur auf zytotoxikologischer Ebene (LDH-Ausschüttung) unempfindlicher auf aSNPs reagierten als die Zellen in Monokultur. Aufnahmestudien haben gezeigt, dass die Epithelzellen in Kokultur entschieden weniger NPs aufnehmen. Somit zeigen die H441 in der Kokultur ähnliche epitheliale Eigenschaften einer schützenden Barriere, wie sie auch in vivo zu finden sind. Obwohl eine ausreichende Aufnahme von NPs in H441 in Kokultur erreicht werden konnte, konnte ein Transport von NPs durch die epitheliale Schicht und eine Aufnahme in die endotheliale Schicht mit den gewählten Inkubationszeiten nicht gezeigt werden. Eine Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose von NPs konnte mittels Immunfluoreszenz weder in der Mono- noch in der Kokultur nachgewiesen werden. Jedoch zeigte sich eine Akkumulation von NPs in Flotillin-1 und-2 enthaltende Vesikel in Epithelzellen aus beiden Kultursystemen. Ergebnisse mit Flotillin-inhibierten (siRNA) Epithelzellen, zeigten eine deutlich geringere Aufnahme von aSNPs. Zudem zeigte sich eine eine reduzierte Viabilität (MTS) von aSNP-behandelten Zellen. Dies deutet auf eine Beteiligung von Flotillinen an unbekannten (Clathrin oder Caveolae -unabhängig) Endozytosemechanismen und (oder) endosomaler Speicherung. Zusammenfassend waren die Aufnahmemechanismen für alle untesuchten NPs in konventioneller Monokultur und Kokultur vergleichbar, obwohl sich die Barriereeigenschaften deutlich unterscheiden. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass sich die Zellen in Kokultur anders verhalten. Die Zellen erreichen hierbei einen höheren Differenzierungsgrad und eine Zellkommunikation mit anderen relevanten Zelltypen wird ermöglicht. Durch das Einbringen eines dritten relevanten Zelltyps in die Kokultur, des Alveolarmakrophagen (Zelllinie THP-1), welcher die erste Verteidigungsfront im Alveolus bildet, wird diese Aussage weiter bekräftigt. Erste Versuche haben gezeigt, dass die Triplekultur bezüglich ihrer Barriereeigenschaften und IL-8-Ausschüttung sensitiver auf z.B. TNF- oder LPS-Stimulation reagiert als die Kokultur. Verglichen mit konventionellen Monokulturen imitieren gut ausgebildete, multizelluräre Kokulturmodelle viel präziser das zelluläre Zusammenspiel im Körper. Darum liefern Nanopartikelinteraktionen mit dem in vitro-Triplekulturmodel aufschlussreichere Ergebnisse bezüglich umweltbedingter oder pharmazeutischer NP-Exposition in der distalen Lung als es uns bisher möglich war.

The effect of elastic modulus and equilibrium vapor adsorption on capillary forces

Die Kapillarkraft entsteht durch die Bildung eines Meniskus zwischen zwei Festkörpen. In dieser Doktorarbeit wurden die Auswirkungen von elastischer Verformung und Flϋssigkeitadsorption auf die Kapillarkraft sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops wurde die Kapillarkraft zwischen eines Siliziumoxid Kolloids von 2 µm Radius und eine weiche Oberfläche wie n.a. Polydimethylsiloxan oder Polyisopren, unter normalen Umgebungsbedingungen sowie in variierende Ethanoldampfdrϋcken gemessen. Diese Ergebnisse wurden mit den Kapillarkräften verglichen, die auf einem harten Substrat (Silizium-Wafer) unter denselben Bedingungen gemessen wurden. Wir beobachteten eine monotone Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck (P) fϋr P/Psat > 0,2, wobei Psat der Sättigungsdampfdruck ist.rnUm die experimentellen Ergebnisse zu erklären, wurde ein zuvor entwickeltes analytisches Modell (Soft Matter 2010, 6, 3930) erweitert, um die Ethanoladsorption zu berϋcksichtigen. Dieses neue analytische Modell zeigte zwei verschiedene Abhängigkeiten der Kapillarkraft von P/Psat auf harten und weichen Oberflächen. Fϋr die harte Oberfläche des Siliziumwafers wird die Abhängigkeit der Kapillarkraft vom Dampfdruck vom Verhältnis der Dicke der adsorbierten Ethanolschicht zum Meniskusradius bestimmt. Auf weichen Polymeroberflächen hingegen hängt die Kapillarkraft von der Oberflächenverformung und des Laplace-Drucks innerhalb des Meniskus ab. Eine Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck hat demnach eine Abnahme des Laplace-Drucks mit zunehmendem Meniskusradius zur folge. rnDie analytischen Berechnungen, fϋr die eine Hertzsche Kontakt-deformation angenommen wurde, wurden mit Finit Element Methode Simulationen verglichen, welche die reale Deformation des elastischen Substrats in der Nähe des Meniskuses explizit berϋcksichtigen. Diese zusätzliche nach oben gerichtete oberflächenverformung im Bereich des Meniskus fϋhrt zu einer weiteren Erhöhung der Kapillarkraft, insbesondere fϋr weiche Oberflächen mit Elastizitätsmodulen < 100 MPa.rn

Particles with tunable functionality by a nonaqueous emulsion polymerization approach

Diese Dissertation demonstriert die Synthese von funktionalen organischen Partikeln mit einem anwendungsspezifischen Fokus. Der Startpunkt dieser Partikel stellte stets die nicht-wässrige Emulsionspolymerisation dar. Diese Art der Emulsion besteht aus zwei nicht-mischbaren organischen Lösungsmitteln. Zur Stabilisierung der auftretenden Grenzflächenspannung zwischen den beiden organischen Phasen musste ein amphiphiles Blockcopolymer als Emulgator eingesetzt werden. Der Vorteil gegenüber der klassischen wässrigen Emulsionspolymerisation liegt im breiteren Portfolio an anwendbarer Polymerisationstechniken (z.B. Polykondensation) und zu verwendenden Komponenten (wassersensitive Chemikalien). rnrnSo wurde auf Basis einer wassersensitiven ringöffnenden Polymerisation von L-Lactid ein Wirkstoffträger synthetisiert, welcher eine selektive Freisetzung eines Zytostatikums in Tumorgewebe zeigte. Die Wirkstofffreisetzung war auf eine selektive Spaltung eines im Partikel befindlichen Peptids, welches von tumorassoziierenden Enzymen erkannt wird, zurückzuführen.rnrnDas nicht-wässrige Emulsionssystem wurde zudem zur Synthese von porösen Poly(Urethan)-Partikeln verwendet. Die Porosität wurde präzise durch eine definierte Wassermenge im System eingestellt. Die Ethylen-Polymerisation nach Katalysator-Beladung demonstrierte die Abhängigkeit der Aktivität und des Fragmentierungsverhaltens von der Partikelporosität.rnrnZuletzt wurde ein amphiphiles Blockcopolymer synthetisiert, welches Partikel in unpolaren Lösungsmitteln und in Wasser stabilisieren kann. Die Polarität des unpolaren, hydrophoben Polymerblocks konnte durch UV-Bestrahlung und einer resultierenden Abtrennung unpolarer Gruppen vom polaren Polymerrückgrat umgekehrt werden. So gelangen eine Hydrophilisierung der Partikeloberfläche und eine Stabilisierung der Partikel in wässrigem Medium, ohne Zusatz weiterer Tenside.

Dynamic computer simulations of electrophoresis: a versatile research and teaching tool

Software is available, which simulates all basic electrophoretic systems, including moving boundary electrophoresis, zone electrophoresis, ITP, IEF and EKC, and their combinations under almost exactly the same conditions used in the laboratory. These dynamic models are based upon equations derived from the transport concepts such as electromigration, diffusion, electroosmosis and imposed hydrodynamic buffer flow that are applied to user-specified initial distributions of analytes and electrolytes. They are able to predict the evolution of electrolyte systems together with associated properties such as pH and conductivity profiles and are as such the most versatile tool to explore the fundamentals of electrokinetic separations and analyses. In addition to revealing the detailed mechanisms of fundamental phenomena that occur in electrophoretic separations, dynamic simulations are useful for educational purposes. This review includes a list of current high-resolution simulators, information on how a simulation is performed, simulation examples for zone electrophoresis, ITP, IEF and EKC and a comprehensive discussion of the applications and achievements.

Susceptibility-Weighted MR Imaging for Diagnosis of Capillary Telangiectasia of the Brain

BCT is a benign entity, whose appearance on conventional MR imaging makes its differentiation from neoplastic, inflammatory, or subacute ischemic disease challenging. SWI is sensitive to susceptibility effects from deoxyhemoglobin with excellent spatial resolution. Only scarce case reports have described the utility of SWI in cases of BCT. Our aim was to show the diagnostic value of SWI applied to a larger series of cases.

High-dose intravenous immunoglobulins: A promising therapeutic approach for idiopathic systemic capillary leak syndrome

The systemic capillary leak syndrome (SCLS), also known as Clarkson’s disease, is a life-threatening disorder of unknown cause. It is characterised by recurrent acute episodes of hypotension, weight gain and generalised oedema with haemoconcentration and hypoproteinaemia caused by paroxysmal capillary hyperpermeability with a shift of plasma fluid from the intravascular to the interstitial space. We report the case of a 40-year-old woman with chronic SCLS treated with high-dose intravenous immunoglobulins, after a prophylactic therapy with theophylline and terbutaline was poorly tolerated and failed to decrease the frequency and severity of the attacks sufficiently.

Insight into the mechanism of transient trapping in micellar electrokinetic chromatography

Transient trapping is a new mechanism of on-line sample concentration and separation that has recently been presented. It involves the injection of a short length of micellar solution in front of the sample, making it similar to sweeping in partial-filling MEKC. Here, we examine the mechanism of transient trapping by the use of computer simulations and compare it to sweeping in MEKC for the two analytes, sulforhodamine B and 101. The simulation results confirm the mechanism for concentration and separation originally proposed. The mechanism for concentration is similar to sweeping since the analytes are picked and accumulated by the micelles that penetrate the sample zone. The mechanism for separation is however quite unique since the concentrated analytes are trapped for a few seconds on the sample/micelle boundary before they are released as the concentration of micelle is reduced as it undergoes electromigration dispersion and the analytes separate down a micelle gradient. Simulation results suggested that a significant contribution of band broadening arises from the micelle gradient, with shallower gradients resulting in broader peaks. However, this is offset by an increase in selectivity, such that resolution was enhanced even though the peaks are broader. Transient trapping analysis with similar resolution to those obtained by sweeping MEKC could be achieved in 1/10 of the time and 1/4 of the capillary length, which results in a 2-3 times increase in sensitivity.

Good agreement between capillary and venous sampling for lectin pathway proteins

Background: The lectin pathway of complement activation, in particular mannose-binding lectin (MBL), has been extensively investigated over recent years. So far, studies were exclusively based on venous samples. The aim of this study was to investigate whether measurements of lectin pathway proteins obtained by capillary sampling are in agreement with venous samples. Methods: Prospective study including 31 infants that were admitted with suspected early-onset sepsis. Lectin pathway proteins were measured in simultaneously obtained capillary and venous samples. Bland–Altman plots of logarithmized results were constructed, and the mean capillary to venous ratios (ratiocap/ven) were calculated with their 95% confidence intervals (CI). Results: The agreement between capillary and venous sampling was very high for MBL (mean ratiocap/ven, 1.01; 95% CI, 0.85–1.19). Similarly, high agreement was observed for H-ficolin (mean ratiocap/ven, 1.02; 95% CI, 0.72–1.44), MASP-2 (1.04; 0.59–1.84), MASP-3 (0.96; 0.71–1.28), and MAp44 (1.01; 0.82–1.25), while the agreement was moderate for M-ficolin (mean ratiocap/ven, 0.78; 95% CI, 0.27–2.28). Conclusions: The results of this study show an excellent agreement between capillary and venous samples for most lectin pathway proteins. Except for M-ficolin, small volume capillary samples can thus be used when assessing lectin pathway proteins in neonates and young children.

Effects of lactate and acetate on the determination of serum ethyl glucuronide by CZE

The analysis of ethyl glucuronide (EtG), a marker of recent alcohol consumption, in serum with an optimized CZE assay is reported. The method uses a 0.1-mm id fused-silica capillary of 50 cm effective length that is coated with linear polyacrylamide, a pH 4.4 nicotinic acid/epsilon-aminocaproic acid (EACA) BGE, reversed polarity and indirect analyte detection. The assay is based on a 1:1 dilution of serum with deionized water and has LODs for EtG, lactate and acetate of 3.8 x 10(-7) M, 2.60 x 10(-6 )M and 2.18 x 10(-6 )M, respectively. Separation of EtG from endogenous macro- and microcomponents (anionic serum components of high and low concentration, respectively) and its quantification are shown to be possible for a wide range of lactate (stacker) and acetate (destacker) concentrations, macrocomponents that have an impact on the CZE behavior of EtG and that change after intake of ethanol. The assay has been successfully applied to the analysis of EtG, lactate and acetate in (i) sera of volunteers that ingested known amounts of alcohol and (ii) samples of patients that were classified (teetotalers and social drinkers vs. alcohol abusers) via analysis of carbohydrate-deficient transferrin.

Pulmonary capillary pressure. A review

Pulmonary capillary pressure (Pcap) is the predominant force that drives fluid out of the pulmonary capillaries into the interstitium. Increasing hydrostatic capillary pressure is directly proportional to the lung's transvascular filtration rate, and in the extreme leads to pulmonary edema. In the pulmonary circulation, blood flow arises from the transpulmonary pressure gradient, defined as the difference between pulmonary artery (diastolic) pressure and left atrial pressure. The resistance across the pulmonary vasculature consists of arterial and venous components, which interact with the capacitance of the compliant pulmonary capillaries. In pathological states such as acute respiratory distress syndrome, sepsis, and high altitude or neurogenic lung edema, the longitudinal distribution of the precapillary arterial and the postcapillary venous resistance varies. Subsequently, the relationship between Pcap and pulmonary artery occlusion pressure (PAOP) is greatly variable and Pcap can no longer be predicted from PAOP. In clinical practice, PAOP is commonly used to guide fluid therapy, and Pcap as a hemodynamic target is rarely assessed. This approach is potentially misleading. In the presence of a normal PAOP and an increased pressure gradient between Pcap and PAOP, the tendency for fluid leakage in the capillaries and subsequent edema development may substantially be underestimated. Tho-roughly validated methods have been developed to assess Pcap in humans. At the bedside, measurement of Pcap can easily be determined by analyzing a pressure transient after an acute pulmonary artery occlusion with the balloon of a Swan-Ganz catheter.