Effetti dell'acido urico sulle cellule glomerulari mesangiali: meccanismi intracellulari di trasduzione del segnale e possibili implicazioni nella progressione del danno renale e nella sindrome infiammatoria in corso di nefropatie croniche

Uric acid is a major inducer of inflammation in renal interstitium and may play a role in the progression of renal damage in hyperuricemic subjects with primary nephropathies, renal vascular disease, and essential hypertension. At the same time, UA also acts as a water-soluble scavenger of reactive oxygen species. We evaluated the cellular effects of UA on cultured HMC as a potential interstitial target for abnormally elevated levels in acute and chronic renal disease. Intracellular free Ca2+ ([Ca2+]i) was monitored by microfluorometry of fura 2-loaded cells, while oxidation of intracellularly trapped non-fluorescent 2’,7’-dichlorofluorescein diacetate (DCFHDA, 20 uM) was employed to assess the generation of reactive oxygen species during 12-hr incubations with various concentrations of UA or monosodium urate. Fluorescent metabolites of DCFH-DA in the culture media of HMC were detected at 485/530 nm excitation/emission wavelengths, respectively. UA dose-dependently lowered resting [Ca2+]i (from 102±9 nM to 95±3, 57±2, 48±6 nM at 1-100 uM UA, respectively, p <0.05), leaving responses to vasoconstrictors such as angiotensin II unaffected. The effect was not due to Ca2+/H+ exchange upon acidification of the bathing media, as acetate, glutamate, lactate and other organic acids rather increased [Ca2+]i (to max. levels of 497±42 nM with 0.1 mM acetate). The decrease of [Ca2+]i was abolished by raising extracellular Ca2+ and not due to effects on Ca2+ channels or activation of Ca2+-ATPases, since unaffected by thapsigargin. The process rather appeared sensitive to removal of extracellular Na+ in combination with blockers of Na+/Ca2+ exchange, such as 2’,4’-dichlorobenzamil, pointing to a countertransport mechanism. UA dose-dependently prompted the extracellular release of oxidised DCFH (control 37±2 relative fluorescence units (RFU)/ml, 0.1uM 47±2, 1 uM 48±2, 10 uM 51±4, 0.1 mM 53±4; positive control, 10 uM sodium nitroprusside 92±5 RFU/ml, p<0.01). In summary, UA interferes with Ca2+ transport in cultured HMC, triggering oxidative stress which may initiate a sequence of events leading to interstitial injury and possibly amplifying renal vascular damage and/or the progression of chronic disease.

Variation in peach fruit susceptibility to Monilinia laxa and gene expression

Brown rot caused by Monilinia laxa and Monilinia fructigena is considered one of the most important diseases affecting Prunus species. Although some losses can result from the rotten fruits in the orchard, most of the damage is caused to fruits during the post-harvest phase. Several studies reported that brown rot incidence during fruit development highly varies; it was found that at a period corresponding to the the pit hardening stage, fruit susceptibility drastically decreases, to be quickly restored afterwards. However the molecular basis of this phenomenon is still not well understood. Furthermore, no difference in the rot incidence was found between wound and un-wound fruits, suggesting that resistance associated more to a specifc biochemical response of the fruit, rather than to a higher mechanical resistance. So far, the interaction Monilinia-peach was analyzed through chemical approaches. In this study, a bio-molecular approach was undertaken in order to reveal alteration in gene expression associated to the variation of susceptibility. In this thesis three different methods for gene expression analysis were used to analyze the alterations in gene expression occurring in peach fruits during the pit hardening stage, in a period encompassing the temporary change in Monilinia susceptibility: real time PCR, microarray and cDNA AFLP techniques. In 2005, peach fruits (cv.K2) were weekly harvested during a 19-week long-period, starting from the fourth week after full bloom, until full maturity. At each sampling time, three replicates of 5 fruits each were dipped in the M.laxa conidial suspension or in distilled water, as negative control. The fruits were maintained at room temperature for 3 hours; afterwards, they were peeled with a scalpel; the peel was immediately frozen in liquid nitrogen and transferred to -80 °C until use. The degree of susceptibility of peach fruit to the pathogen was determined on 3 replicates of 20 fruits each, as percentage of infected fruits, after one week at 20 °C. Real time PCR analysis was performed to study the variation in expression of those genes encoding for the enzymes of the phenylpropanoid pathway (phenylalanine ammonia lyase (PAL), chalcone synthase (CHS), cinnamate 4-hydroxylase (C4H), leucoanthocyanidine reductase (LAR), hydroxycinnamoyl CoA quinate hydroxycinnamoyl transferase (HQT) and of the jasmonate pathway, such as lipoxygenase (LOX), both involved in the production of important defense compounds. Alteration in gene expression was monitored on fruit samples of a period encompassing the pit hardening stage and the corresponding temporary resistance to M.laxa infections, weekly, from the 6thto the 12th week after full bloom (AFB) inoculated with M. laxa or mock-inoculated. The data suggest a critical change in the expression level of the phenylpropanoid pathway from the 7th to the 8th week AFB; such change could be directly physiologically associated to the peach growth and it could indirectly determine the decrease of susceptibility of peach fruit to Monilinia rot during the subsequent weeks. To investigate on the transcriptome variation underneath the temporary loss of susceptibility of peach fruits to Monilinia rot, the microarray and the cDNA AFLP techniques were used. The samples harvested on the 8th week AFB (named S, for susceptible ones) and on the 12th week AFB (named R, for resistant ones) were compared, both inoculated or mock-inoculated. The microarray experiments were carried out at the University of Padua (Dept. of Environmental Agronomy and Crop Science), using the μPEACH1.0 microarray together with the suited protocols. The analysis showed that 30 genes (corresponding to the 0.6% of the total sequences (4806) contained in the μPeach1.0 microarray) were found up-regulated and 31 ( 0.6%) down regulated in RH vs. SH fruits. On the other hand, 20 genes (0.4%) were shown to be up-regulated and 13 (0.3%) down-regulated in the RI vs. SI fruit. No genes were found differentially expressed in the mock-inoculated resistant fruits (RH) vs. the inoculated resistant ones (RI). Among the up-regulated genes an ATP sulfurylase, an heat shock protein 70, the major allergen Pru P1, an harpin inducing protein and S-adenosylmethionine decarboxylase were found, conversely among the down-regulated ones, cinnamyl alcohol dehydrogenase, an histidine- containing phosphotransfer protein and the ferritin were found. The microarray experimental results and the data indirectly derived, were tested by Real Time PCR analysis. cDNA AFLP analysis was also performed on the same samples. 339 transcript derived fragments considered significant for Monilinia resistance, were selected, sequenced and classified. Genes potentially involved in cell rescue and defence were well represented (8%); several genes (12.1%) involved in the protein folding, post-transductional modification and genes (9.2%) involved in cellular transport were also found. A further 10.3% of genes were classified as involved in the metabolism of aminoacid, carbohydrate and fatty acid. On the other hand, genes involved in the protein synthesis (5.7%) and in signal transduction and communication (5.7%) were found. Among the most interesting genes found differentially expressed between susceptible and resistant fruits, genes encoding for pathogenesis related (PR) proteins were found. To investigate on the association of Monilinia resistance and PR biological function, the major allergen Pru P1 (GenBank accession AM493970) and its isoform (here named Pru P2), were expressed in heterologous system and in vitro assayed for their anti-microbial activity. The ribonuclease activity of the recombinant Pru P1 and Pru P2 proteins was assayed against peach total RNA. As the other PR10 proteins, they showed a ribonucleolytic activity, that could be important to contrast pathogen penetration. Moreover Pru P1 and Pru P2 recombinant proteins were checked for direct antimicrobial activity. No inhibitory effect of Pru P1 or Pru P2 was detected against the selected fungi.

Starvation's role in plankton metabolism

[EN]Starvation at all scales of plankton from archaea to medusae is the prevailing condition in marine ecosystems. Such nutrient-limitation will shift the physiological state in these organisms with accompanying changes in their physiology and biochemistry. Here, we review our laboratory’s progress in documenting these changes associated with starvation in a range of marine organisms. Specifically, we focused on respiration, ammonium excretion, CO2 production, RQ, respiratory ETS activity, isocitrate dehydrogenase and glutamate dehydrogenase activity in the mysid, Leptomysis lingvura, a dinoflagellate, Oxyrrhis marina and two bacteria, Vibrio natriegens, and Pseudomonas nautica

Trasduzione del segnale e poliamine nell'apoptosi di cellule cardiache

Introduction: Apoptotic cell death of cardiomyocytes is involved in several cardiovascular diseases including ischemia, hypertrophy and heart failure, thus representing a potential therapeutic target. Apoptosis of cardiac cells can be induced experimentally by several stimuli including hypoxia, serum withdrawal or combination of both. Several lines of research suggest that neurohormonal mechanisms play a central role in the progression of heart failure. In particular, excessive activation of the sympathetic nervous system or the renin-angiotensin-aldosterone system is known to have deleterious effects on the heart. Recent studies report that norepinephrine (NE), the primary transmitter of sympathetic nervous system, and aldosterone (ALD), which is actively produced in failing human heart, are able to induce apoptosis of rat cardiomyocytes. Polyamines are biogenic amines involved in many cellular processes, including apoptosis. Actually it appears that these molecules can act as promoting, modulating or protective agents in apoptosis depending on apoptotic stimulus and cellular model. We have studied the involvement of polyamines in the apoptosis of cardiac cells induced in a model of simulated ischemia and following treatment with NE or ALD. Methods: H9c2 cardiomyoblasts were exposed to a condition of simulated ischemia, consisting of hypoxia plus serum deprivation. Cardiomyocyte cultures were prepared from 1-3 day-old neonatal Wistar rat hearts. Polyamine depletion was obtained by culturing the cells in the presence of α-difluoromethylornithine (DFMO). Polyamines were separated and quantified in acidic cellular extracts by HPLC after derivatization with dansyl chloride. Caspase activity was measured by the cleavage of the fluorogenic peptide substrate. Ornithine decarboxylase (ODC) activity was measured by estimation of the release of 14C-CO2 from 14C-ornithine. DNA fragmentation was visualized by the method of terminal transferase-mediated dUTP nick end-labeling (TUNEL), and DNA laddering on agarose gel electophoresis. Cytochrome c was detected by immunoflorescent staining. Activation of signal transduction pathways was investigated by western blotting. Results: The results indicate that simulated ischemia, NE and ALD cause an early induction of the activity of ornithine decarboxylase (ODC), the first enzyme in polyamine biosynthesis, followed by a later increase of caspase activity, a family of proteases that execute the death program and induce cell death. This effect was prevented in the presence of DFMO, an irreversible inhibitor of ODC, thus suggesting that polyamines are involved in the execution of the death program activated by these stimuli. In H9c2 cells DFMO inhibits several molecular events related to apoptosis that follow simulated ischemia, such as the release of cytochrome c from mitochondria, down-regulation of Bcl-xL, and DNA fragmentation. The anti-apoptotic protein survivin is down-regulated after ALD or NE treatement and polyamine depletion obtained by DFMO partially opposes survivin decrease. Moreover, a study of key signal transduction pathways governing cell death and survival, revealed an involvement of AMP activated protein kinase (AMPK) and AKT kinase, in the modulation by polyamines of the response of cardiomyocytes to NE. In fact polyamine depleted cells show an altered pattern of AMPK and AKT activation that may contrast apoptosis and appears to result from a differential effect on the specific phosphatases that dephosphorylate and switch off these signaling proteins. Conclusions: These results indicate that polyamines are involved in the execution of the death program activated in cardiac cells by heart failure-related stimuli, like ischemia, ALD and NE, and suggest that their apoptosis facilitating action is mediated by a network of specific phosphatases and kinases.

Nuovo modello animale per lo studio della working memory: validazione farmacologica e applicazioni

The present study was performed to validate a spatial working memory task using pharmacological manipulations. The water escape T-maze, which combines the advantages of the Morris water maze and the T-maze while minimizes the disadvantages, was used. Scopolamine, a drug that affects cognitive function in spatial working memory tasks, significantly decreased the rat performance in the present delayed alternation task. Since glutamate neurotransmission plays an important role in the maintaining of working memory, we evaluated the effect of ionotropic and metabotropic glutamatergic receptors antagonists, administered alone or in combination, on rat behaviour. As the acquisition and performance of memory tasks has been linked to the expression of the immediately early gene cFos, a marker of neuronal activation, we also investigated the neurochemical correlates of the water escape T-maze after pharmacological treatment with glutamatergic antagonists, in various brain areas. Moreover, we focused our attention on the involvement of perirhinal cortex glutamatergic neurotransmission in the acquisition and/or consolidation of this particular task. The perirhinal cortex has strong and reciprocal connections with both specific cortical sensory areas and some memory-related structures, including the hippocampal formation and amygdala. For its peculiar position, perirhinal cortex has been recently regarded as a key region in working memory processes, in particular in providing temporary maintenance of information. The effect of perirhinal cortex lesions with ibotenic acid on the acquisition and consolidation of the water escape T-maze task was evaluated. In conclusion, our data suggest that the water escape T-maze could be considered a valid, simple and quite fast method to assess spatial working memory, sensible to pharmacological manipulations. Following execution of the task, we observed cFos expression in several brain regions. Furthermore, in accordance to literature, our results suggest that glutamatergic neurotransmission plays an important role in the acquisition and consolidation of working memory processes.

Cross-Talk tra Bifidobacterium e intestino umano: impatto sulle attività health promoting

Bifidobacteria constitute up to 3% of the total microbiota and represent one of the most important healthpromoting bacterial groups of the human intestinal microflora. The presence of Bifidobacterium in the human gastrointestinal tract has been directly related to several health-promoting activities; however, to date, no information about the specific mechanisms of interaction with the host is available. The first health-promoting activities studied in these job was the oxalate-degrading activity. Oxalic acid occurs extensively in nature and plays diverse roles, especially in pathological processes. Due to its highly oxidizing effects, hyper absorption or abnormal synthesis of oxalate can cause serious acute disorders in mammals and be lethal in extreme cases. Intestinal oxalate-degrading bacteria could therefore be pivotal in maintaining oxalate homeostasis, reducing the risk of kidney stone development. In this study, the oxalate-degrading activity of 14 bifidobacterial strains was measured by a capillary electrophoresis technique. The oxc gene, encoding oxalyl-CoA decarboxylase, a key enzyme in oxalate catabolism, was isolated by probing a genomic library of B. animalis subsp. lactis BI07, which was one of the most active strains in the preliminary screening. The genetic and transcriptional organization of oxc flanking regions was determined, unravelling the presence of other two independently transcribed open reading frames, potentially responsible for B. animalis subsp. lactis ability to degrade oxalate. Transcriptional analysis, using real-time quantitative reverse transcription PCR, revealed that these genes were highly induced in cells first adapted to subinhibitory concentrations of oxalate and then exposed to pH 4.5. Acidic conditions were also a prerequisite for a significant oxalate degradation rate, which dramatically increased in oxalate pre-adapted cells, as demonstrated in fermentation experiments with different pH-controlled batch cultures. These findings provide new insights in the characterization of oxalate-degrading probiotic bacteria and may support the use of B. animalis subsp. lactis as a promising adjunct for the prophylaxis and management of oxalate-related kidney disease. In order to provide some insight into the molecular mechanisms involved in the interaction with the host, in the second part of the job, we investigated whether Bifidobacterium was able to capture human plasminogen on the cell surface. The binding of human plasminogen to Bifidobacterium was dependent on lysine residues of surface protein receptors. By using a proteomic approach, we identified six putative plasminogen-binding proteins in the cell wall fraction of three strain of Bifidobacterium. The data suggest that plasminogen binding to Bifidobactrium is due to the concerted action of a number of proteins located on the bacterial cell surface, some of which are highly conserved cytoplasmic proteins which have other essential cellular functions. Our findings represent a step forward in understanding the mechanisms involved in the Bifidobacterium-host interaction. In these job w studied a new approach based on to MALDI-TOF MS to measure the interaction between entire bacterial cells and host molecular target. MALDI-TOF (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight)—mass spectrometry has been applied, for the first time, in the investigation of whole Bifidobacterium cells-host target proteins interaction. In particular, by means of this technique, a dose dependent human plasminogen-binding activity has been shown for Bifidobacterium. The involvement of lysine binding sites on the bacterial cell surface has been proved. The obtained result was found to be consistent with that from well-established standard methodologies, thus the proposed MALDI-TOF approach has the potential to enter as a fast alternative method in the field of biorecognition studies involving in bacterial cells and proteins of human origin.

Neuroprotective strategies against neurodegeneration in cellular model systems

In the present study we analyzed new neuroprotective therapeutical strategies in PD (Parkinson’s disease) and AD (Alzheimer’s disease). Current therapeutic strategies for treating PD and AD offer mainly transient symptomatic relief but it is still impossible to block the loss of neuron and then the progression of PD and AD. There is considerable consensus that the increased production and/or aggregation of α- synuclein (α-syn) and β-amyloid peptide (Aβ), plays a central role in the pathogenesis of PD, related synucleinopathies and AD. Therefore, we identified antiamyloidogenic compounds and we tested their effect as neuroprotective drug-like molecules against α-syn and β-amyloid cytotoxicity in PC12. Herein, we show that two nitro-catechol compounds (entacapone and tolcapone) and 5 cathecol-containing compounds (dopamine, pyrogallol, gallic acid, caffeic acid and quercetin) with antioxidant and anti-inflammatory properties, are potent inhibitors of α-syn and β-amyloid oligomerization and fibrillization. Subsequently, we show that the inhibition of α-syn and β-amyloid oligomerization and fibrillization is correlated with the neuroprotection of these compounds against the α-syn and β-amyloid-induced cytotoxicity in PC12. Finally, we focused on the study of the neuroprotective role of microglia and on the possibility that the neuroprotection properties of these cells could be use as therapeutical strategy in PD and AD. Here, we have used an in vitro model to demonstrate neuroprotection of a 48 h-microglial conditioned medium (MCM) towards cerebellar granule neurons (CGNs) challenged with the neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA), which induces a Parkinson-like neurodegeneration, with Aβ42, which induces a Alzheimer-like neurodegeneration, and glutamate, involved in the major neurodegenerative diseases. We show that MCM nearly completely protects CGNs from 6-OHDA neurotoxicity, partially from glutamate excitotoxicity but not from Aβ42 toxin.

Einfluss gedächtnisrelevanter Prozesse auf die Glutamat- und GABA-Freisetzung aus hippocampalen Primärkulturzellen

Titel: Einfluss gedächtnisrelevanter Prozesse auf die Glutamat- und GABA-Freisetzung aus hippocampalen Primärkulturzellen In der vorliegenden Arbeit wurde ein biochemisches Testsystem etabliert, mit dem es möglich ist, die Freisetzung der Aminosäure-Neurotransmitter Glutamat und GABA aus neuronalem Gewebe auf dem Vielzellniveau zu untersuchen. Der qualitative und quantitative Nachweis der beiden Neurotransmitter erfolgte mit Hilfe der Reversed-Phase-Hochleistungsflüssigkeits-Chromatographie mit Fluoreszenzdetektion. Mit dem Testsystem wurden zwei Untersuchungsreihen durchgeführt: 1.) Es wurde der Einfluss des nAChR-Agonisten Nikotin und des allosterisch an nAChR wirkenden Liganden Galanthamin auf die Glutamat- und GABA-Freisetzung aus Zellen serumfreier hippocampaler Primärkulturen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der für einzelne hippocampale Zellen beschriebene positiv modulatorische Effekt von Nikotin auf die glutamaterge und GABAerge Neurotransmission auch auf dem Vielzellniveau über die Neurotransmitterfreisetzung nachweisbar ist. Desweiteren konnte erstmals gezeigt werden, dass die Nikotin-modulierte Glutamat- und GABA-Freisetzung durch den allosterisch wirkenden nAChR-Liganden Galanthamin signifikant beeinflusst wird. 2.) Es wurde der Einfluss einer LTP-ähnlichen Glutamatpotenzierung auf die GABA-Freisetzung aus serumfreien hippocampalen Primärkulturen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass hippocampale Neuronen in potenziertem (= vorstimuliertem) Zustand auf einen zweiten Glutamat-Stimulus mit einer verringerten GABA-Freisetzung reagieren. Dieser Effekt wird im Wesentlichen über die ionotropen Glutamatrezeptoren vermittelt.

Physiologische Untersuchungen an der Stäbchenbahn der Nagerretina

AII Amakrinzellen sind Interneurone in der Retina und ein wichtiges Element der Stäbchenbahn von Säugetieren. Bei ihren Antworten auf Lichtreize generieren sie Aktionspotentiale, obwohl die ihnen vor- und nachgeschalteten Bipolarzellen graduierte Membranpotentiale aufweisen. Um die Verarbeitung der Lichtsignale in der Stäbchenbahn der Säuger besser zu verstehen wurden in der vorliegenden Arbeit Membranströme von AII Amakrinzellen und Veränderungen der intrazellulären Kalziumkonzentration mittels Indikatorfarbstoffe bei Mäusen simultan gemessen.Die spannungsabhängigen Kalziumkanäle waren durch eine negative Aktivierungsschwelle und eine sehr langsame Inaktivierung gekennzeichnet¸ ausserdem wurden sie von Dihydropyridinen (Agonisten und Antagonisten) moduliert. Sie fanden sich vor allem auf den keulenförmigen Fortsätzen von AII Amakrinzellen. Lokale Applikationen von Glutamat, AMPA oder Kainat lösten einwärtsgerichtete Ströme aus. Diese Ströme gingen einher mit einer Erhöhung der Fluoreszenz und zwar vor allem in den distalen Dendriten. NMDA löste keine Veränderung der Kalziumkonzentration aus und nur in wenigen Fällen Ströme (7 von 23).Diese Befunde deuten darauf hin, dass es sich bei den ionotropen Glutamat-Rezeptoren auf AII Amakrinzellen um solche vom AMPA Typ handelt. Diese befinden sich, sofern sie kalziumpermeabel sind (oder durch andere Mechanismen zu einer Erhöhung der [Ca2+]i führen) auf den distalen Dendriten nahe der Ganglienzellschicht.

Synthese, 18 F-Markierung, 11 C-Markierung und Evaluierung Hydantoin-substituierter Indolcarbonsäuren zur Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Der N-methyl-D-aspartat-Rezeptor (NMDA), als Vertreter ionotroper Glutamat-Rezeptoren, ist essentiell für physiologische Lern- und Gedächtnisvorgänge und eine krankhafte Überaktivierung wird als potentielle Ursache für eine Reihe von akuten und chronischen neurodegenerativen Erkrankungen angesehen. Hierbei sind für die akuten Erkrankungen vor allem der Schlaganfall und für die chronischen Erkrankungen Morbus Parkinson sowie die Alzheimer´sche Demenz zu nennen. Durch seine einzigartige spannungsabhängige Mg2+-Blockade und der Notwendigkeit der gleichzeitigen Anwesenheit der endogenen Liganden Glutamat und Glycin zur Rezeptoraktivierung, stellt dieser Rezeptorkomplex daher ein sehr interessantes molekulares Target dar. NMDA-Rezeptor-Antagonisten der Glycin-Bindungsstelle und der verschiedenen allosterischen Bindungsstellen könnten als Neuroprotektiva bei den verschiedenen Krankheiten eine symptomatische Verbesserung bewirken und zur Therapie eingesetzt werden. Eine visuelle Darstellung des Rezeptors im Rahmen von Vorsorgeuntersuchungen ist jedoch derzeit nicht möglich. Zur Visualisierung dieser Prozesse mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wurden basierend auf einer Hydantoin-substituierten Indol-2-carbonsäure als Leitstruktur, im Rahmen dieser Arbeit Fluorethoxy- und Methoxy-substituierte Derivate dargestellt und in pharmazeutischen und radiopharmazeutischen Studien evaluiert. Dazu wurde die Affinität und Spezifität zum Rezeptor in einem [3H]MDL-105,519 Rezeptorbindungsassay und die Lipophilie als Parameter für die Hirngängigkeit ermittelt. Anhand dieser Resultate wurden geeignete Markierungsvorläufer synthetisiert, welche eine phenolische Hydroxylfunktion besitzen und eine radioaktive Markierung mit den sekundären Markierungsvorläufern 2-[18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [11C]Methyliodid ([11C]CH3I) ermöglichen. Unter Verwendung von 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure wurde in einer Einstufenreaktion mit [18F]FETos die Zielverbindung 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Ausbeuten von 6 % erhalten. Daher wurde eine alternative Markierung des Ethylester-geschützten Derivates 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in einer Zweistufensynthese mit [18F]FETos und [11C]CH3I untersucht. Unter Verwendung dieser Strategie wurden unter optimierten Bedingungen 4,6-Dichlor-3-((3-4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxy-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)-methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in radiochemischen Ausbeuten von 27 – 38 % erhalten. Die anschließende Entfernung der Schutzgruppe führte unter Bildung von Neben- und Zersetzungsreaktionen zu 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Gesamtausbeuten von 5 – 7 %. Die Überprüfung des biochemischen Konzepts in vivo durch µ-PET-Studien und durch autoradiographische Experimente an Rattenhirnschnitten, deuten auf eine niedrige in vivo-Aktivität hin, welche sich auf eine nicht ausreichende Passage der Blut-Hirn-Schranke zurückführen lässt.

Neurons derived from P19 embryonic carcinoma cells as a platform for biosensor applications - optimisation and characterisation

P19 is a mouse-derived embryonal carcinoma cell line capable of differentiation toward ectodermal, mesodermal and endodermal lineages and could thus be differentiated into neurons. Different culture conditions were tested to optimise and increase the efficiency of neuronal differentiation since the population of P19-derived neurons was reported to be heterogeneous with respect to the morphology and neurotransmitters they synthesise. P19-derived neurons were cultured on microelectrode arrays as cell aggregates and as dissociated cells. Improved neuronal maturation was shown by the presence of microtubule associated protein 2, neurofilament and synaptophysin formation when initiation of neuronal differentiation was prolonged. High initial cell density cultures and coating of surfaces with polyethylenimine-laminin further improved neuronal maturation of differentiated P19 cells. Increased spontaneous activities of the P19-derived neurons were correspondingly recorded. Two to three hours recordings were performed between 17 and 25 days when extracellular signals were stabilised. It was found that P19-derived neurons developed network properties as partially synchronised network activities. P19-derived neurons appeared to give inhomogenous response to the 2 major neurotransmitters, -aminobutyric acid (GABA) and glutamate. The P19-derived neuronal networks obtained from optimised protocol in this thesis were predominantly GABAergic. The reproducible long term extracellular recordings performed showed that neurons derived from P19 embryonal carcinoma cells could be applied as a model for cell based biosensor in corporation with microelectrode arrays.

Aktivitätsabhängige Kontrolle der Apoptose in neonatalen kortikalen Neuronen und Etablierung eines Biosensors zur Echtzeitanalyse der Caspase-3-Aktivierung

Die Apoptose spielt eine entscheidende Rolle während der normalen Entwicklung des zentralen Nervensystems. Elektrische Aktivität und die Versorgung mit trophischen Faktoren sind ausschlaggebend für das Überleben von Neuronen. Um zu untersuchen, welche zellulären Prozesse die aktivitätsabhängige Apoptose in organotypischen Schnittkulturen des neugeborenen Neokortex beeinflussen, wurde in der vorliegenden Arbeit immunzytochemisch das Auftreten aktivierter Caspase-3, nach pharmakologischer Beeinflussung von Ionenkanälen und membranständigen Rezeptoren analysiert. Die Unterdrückung neuronaler Aktivität durch den Natriumionenkanalblocker TTX führte zu einem signifikanten Verlust kortikaler Neuronen. Ein ähnlicher Anstieg der Zahl apoptotischer Neurone konnte durch Applikation von Antagonisten ionotroper Glutamatrezeptoren, GABAA-Rezeptoren oder neuronaler Gap Junctions induziert werden. Jedoch konnte bei einigen Antagonisten die apoptosefördernde Wirkung erst nach längerer Einwirkung beobachtet werden. Im Weiteren wurde eine Methode etabliert, mit deren Hilfe eine Echtzeitanalyse der Apoptose kortikaler Neurone unter dem Entzug trophischer Faktoren in Gegenwart unterschiedlicher extrazellulärer Kaliumkonzentrationen ermöglicht wurde. Dazu wurden dissoziierte kortikale Kulturen mit dem pCaspase3-sensor Vektor transfiziert. Das durch dieses Plasmid codierte fluoreszente Protein wird Caspase-3 abhängig gespalten. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Caspase3-sensor spezifisch für die Aktivierung der Caspase-3 ist, und dass die Überlebensfähigkeit der transfizierten Neurone durch das Transfektionsprotokoll nicht beeinflusst wird.

Elektrophysiologische, molekularbiologische und verhaltensbiologische Untersuchungen zur Funktion von N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptoren bei Gehirnentwicklung und Lernvorgängen

Im Zentralnervensystem der Säuger steuern N-Methyl-D-Aspartat-(NMDA)-Rezeptoren viele neuronale Prozesse, insbesondere während der Ontogenese sowie bei Lern- und Gedächtnisvorgängen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung dieser Rezeptoren während der Kortexentwicklung und bei Lernvorgängen mittels elektrophysiologischer, molekularbiologischer, pharmakologischer, histologischer, genetischer und verhaltensbiologischer Methoden an der Maus untersucht. Oszillatorische Netzwerkaktivität ist für die gesunde Entwicklung des Kortex essentiell. Mittels gepaarter patch-clamp Experimente an neonatalen Subplattenzellen wurde festgestellt, dass diese Neurone elektrisch gekoppelt sind. Damit könnten sie einen wichtigen Beitrag zur Entstehung bzw. Verstärkung von Netzwerkoszillationen leisten. Subplattenzellen erhalten afferenten Eingang aus dem Thalamus sowie von benachbarten Subplattenzellen. Die funktionellen und molekularen Eigenschaften dieser Synapsen differierten in eingangsspezifischer Weise. Subplatteninterne Verbindungen besaßen Integrations- und Summationsfähigkeiten, wenig synaptische Ermüdung, Paarpulsfazilitierung und einen erhöhten NR2D-Anteil in ihren NMDA-Rezeptoren. CA1-Pyramidenzellen des adulten Hippocampus zeigten eine den Subplattenzellen vergleichbare eingangsspezifische Verteilung der NMDA-Rezeptor-Untereinheiten. Synapsen von Schaffer-Kollateralen besaßen einen höheren NR2B-Anteil als temporo-ammonische Verbindungen. Die Aktivierung von Dopamin-Rezeptoren potenzierte NR2B-vermittelte synaptische Ströme in CA1-Neuronen. Bei komplexen Lernvorgängen, wie der Extinktion einer traumatischen Erinnerung, spielten NMDA-Rezeptoren von hippocampalen CA1-Zellen eine entscheidende Rolle. CA1-NMDA-Rezeptor-ko-Mäuse zeigten erhebliche Extinktionsdefizite nach Angstkonditionierung. Zudem entwickelten diese Mäuse erhöhte Ängstlichkeit und Hyperaktivität. Das sind beim Menschen Symptome für psychiatrische Angststörungen. Daher könnten CA1-NMDA-Rezeptor-ko-Mäuse als neues Tiermodell für solche Störungen dienen, die durch ein traumatisches Erlebnis ausgelöst werden, wie beim Posttraumatischen Stresssyndrom (PTSD).

Modeling and simulations of some anisotropic soft-matter systems: from biaxial to chiral materials

We have modeled various soft-matter systems with molecular dynamics (MD) simulations. The first topic concerns liquid crystal (LC) biaxial nematic (Nb) phases, that can be possibly used in fast displays. We have investigated the phase organization of biaxial Gay-Berne (GB) mesogens, considering the effects of the orientation, strength and position of a molecular dipole. We have observed that for systems with a central dipole, nematic biaxial phases disappear when increasing dipole strength, while for systems characterized by an offset dipole, the Nb phase is stabilized at very low temperatures. In a second project, in view of their increasing importance as nanomaterials in LC phases, we are developing a DNA coarse-grained (CG) model, in which sugar and phosphate groups are represented with Lennard-Jones spheres, while bases with GB ellipsoids. We have obtained shape, position and orientation parameters for each bead, to best reproduce the atomistic structure of a B-DNA helix. Starting from atomistic simulations results, we have completed a first parametrization of the force field terms, accounting for bonded (bonds, angles and dihedrals) and non-bonded interactions (H-bond and stacking). We are currently validating the model, by investigating stability and melting temperature of various sequences. Finally, in a third project, we aim to explain the mechanism of enantiomeric discrimination due to the presence of a chiral helix of poly(gamma-benzyl L-glutamate) (PBLG), in solution of dimethylformamide (DMF), interacting with chiral or pro-chiral molecules (in our case heptyl butyrate, HEP), after tuning properly an atomistic force field (AMBER). We have observed that DMF and HEP molecules solvate uniformly the PBLG helix, but the pro-chiral solute is on average found closer to the helix with respect to the DMF. The solvent presents a faster isotropic diffusion, twice as HEP, also indicating a stronger interaction of the solute with the helix.

Synthese, Evaluierung und 18 F-Markierung von neuen Liganden zur Visualisierung der Strychnin-insensitiven Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors

Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn. Folglich spielen Glutamat-kontrollierte Rezeptorsysteme eine entscheidende Rolle in neurologischen Vorgängen, wie beispielsweise in Lern- und Gedächtnisprozessen. Gerade der NMDA-Rezeptor ist in eine Vielzahl solcher Vorgänge involviert und wird vor allem mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Chorea Huntington, Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und zerebraler Ischämie in Verbindung gebracht. Folglich stellt die Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus eine Möglichkeit dar, den Verlauf solcher Prozesse zu untersuchen.rnDie Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine leistungsstarke Anwendung in der molekularen Bildgebung und erlaubt die in vivo-Visualisierung sowie Quantifizierung biochemischer Prozesse. Durch die Verwendung geeigneter Tracer können bestimmte pathologische und neurologische Abläufe beurteilt werden. rnZurzeit sind keine geeigneten PET-Tracer zur Untersuchung des NMDA-Rezeptors verfügbar. Bisher dargestellte PET-Liganden zeichneten sich durch nicht zufriedenstellende Affinitäten und Selektivitäten aus und führten meist auf Grund der hohen Lipophilie zu einem hohen Maß an unspezifischer Bindung. rnDie Strychnin-insensitive Glycinbindungsstelle des NMDA-Rezeptors stellt ein vielversprechendes Target dar, spezifische Liganden für diese Bindungsstelle zu synthetisieren. Hier zeichnen sich einige Verbindungsklassen durch exzellente Affinitäten und Selektivitäten sowie durch vielversprechende in vivo-Eigenschaften aus. rnAuf Grundlage dieser biologischen Daten wurden zwei Substanzen der 2-Indolcarbonsäure, nämlich die 4,6-Dichlor-3-(2-oxo-3-phenylimidazolidin-1-ylmethyl)-1H-indol-2-carbonsäure (MDJ-114) und die (E)-4,6-Dichlor-3-(2-phenylcarbamoylvinyl)-1H-indol-2-carbonsäure (GV150526), als Leitstruktur gewählt. Ferner wurde das 7-Chlor-4-hydroxy-3-(3-phenoxyphenyl)-1H-chinolin-2-on (L-701,324) aus der Substanzklasse der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-one als dritte Leitstruktur gewählt.rnFür diese Substanzen wurden 19F-markierte Analogverbindungen synthetisiert, um als inaktive Referenzverbindungen auf ihre Eignung überprüft zu werden. Hierzu wurde eine Fluorethoxygruppierung im terminalen Phenylring der entsprechenden Leitstruktur eingeführt. Durch Variation der Fluorethoxysubstitution in ortho-, meta- und para-Stellung, konnten die besten Affinitäten in einem kompetitiven Rezeptorbindungsassay durch Verdrängung von [3H]MDL-105,519 bestimmt werden. Als Maß für die Lipophilie wurden die entsprechenden log D-Werte über die HPLC-Methode bestimmt. Basierend auf den Ergebnissen der Evaluierung wurden zwei Derivate identifiziert, welche zur 18F-Markierung genutzt werden sollten (GV150526-Derivat 34: log D = 0,23 ± 0,03, IC50 = 0,20 ± 0,25 µM, Ki = 0,13 ± 0,16 µM; L701,324-Derivat 55: log D = - 0,25 ± 0,01, IC50 = 78 ± 37 µM, Ki = 51 ± 24 µM). Die 18F-Markierung erfolgte durch die Reaktion des entsprechenden Markierungsvorläufers mit dem Markierungssynthon 2-[18F]Fluorethyltosylat, welches durch die Umsetzung von Ethylenditosylat mit [18F]Fluorid hergestellt wurde. Die Radiosynthesen der beiden 18F-markierten Verbindungen [18F]34 (4,6-Dichlor-3-{2-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenylcarbamoyl]-vinyl}-1H-indol-2-carbonsäure) und [18F]55 (7-Chlor-3-{3-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenoxy]-phenyl}-4-hydroxy-1H-chinolin-2-on) wurden optimiert sowie semipräparative Abtrennverfahren entwickelt. Beide Tracer wurden auf ihre in vivo-Eignung im µPET-Experiment untersucht. Die Zeitaktivitätskurven lassen erkennen, dass beide Tracer entgegen der Erwartung nicht die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Für das GV150526-Derivat ([18F]34) wurden zusätzlich Autoradiographiestudien durchgeführt. Die erhaltenen Aufnahmen zeigten ein heterogenes Verteilungsmuster der Aktivitätsanreicherung. Ebenso wurde ein hohes Maß an unspezifischer Bindung beobachtet. Möglicherweise sind Cross-Affinitäten zu anderen Rezeptorsystemen oder der recht hohe lipophile Rest des Moleküls hierfür verantwortlich. Ein Grund für die unzureichende Hirngängigkeit der Radioliganden kann sich in der Carboxylatfunktion des GV150526-Derivats bzw. in der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-on-Einheit des L-701,324-Derivats wiederspiegeln. rnAuf Grundlage dieser Resultate können Versuche unternommen werden, für die Verbindungsklasse der 2-Indolcarbonsäuren entsprechende Ester als Prodrugs mit einer verbesserten Bioverfügbarkeit darzustellen. Ebenso können neue Strukturen als Grundlage für neue PET-Tracer untersucht werden.rnrn