Interaktions- und Aggregationsverhalten von Nanopartikeln in Blutserum

Das Interesse an nanopartikulären Wirkstoffsystemen steigt sowohl auf universitärer als auch auf industrieller Seite stetig an. Da diese Formulierungen meist intravenös verabreicht werden, kommt es folglich zu einem direkten Kontakt der Nanopartikel mit den Blutbestandteilen. Adsorption von Plasma Proteinen kann eine deutliche Veränderung der charakteristischen Eigenschaften des Systems induzieren, was dann Wirkungsweise sowie Toxizität stark beinflussen kann. Derzeit findet die Charakterisierung nanopartikulärer Wirkstoffsysteme vor der in vivo Applikation in Pufferlösungen mit physiologischem Salzgehalt statt, es ist jedoch kaum etwas bekannt über deren Wechselwirkungen mit komplexen Proteinmischungen wie sie im Blutserum oder –plasma vorliegen. rnMittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) wurde eine einfache und reproduzierbare Methode entwickelt um die Aggregatbildung zwischen Nanopartikeln, Polymeren oder verschiedenen Wirkstoff-Konjugaten in humanem Blutserum zu untersuchen. Die Anwendbarkeit dieser Methode wurde durch Untersuchung verschiedener potentieller Nanotherapeutika (z.B. Polystyrol-Nanokapseln, Liposomen, amphiphile Blockcopolymere und Nanohydrogele) bezüglich ihrer Aggregation in humanem Blutserum mittels DLS gezeigt und teilweise mit aktuellen in vivo Experimenten verglichen. rnDarüber hinaus wurden größeneinheitliche Liposomen, basierend auf Disteraoylphosphatidylcholin, Cholesterol und einem Spermin-Tensid, hergestellt. Die Einkapselung von siRNA ist, je nach Präparationsmethode, mit Einkapselungseffizienzen von 40-75% möglich. Nach detaillierter Charakterisierung der Liposomen wurden diese ebenfalls bezüglich ihres Aggregationsverhaltens in humanem Blutserum untersucht. Unbeladene Liposomen aggregieren nicht mit Komponenten des Serums. Je nach Beladungsprotokoll können aggregierende sowie nicht aggregierende Liposomen-siRNA Komplexe hergestellt werden. rnWeiterhin wurden, zur Identifikation der Aggregation induzierenden Serumkomponenten, verschiedenen Serumsfraktionierungstechniken erfolgreich angewendet. Albumin, IgG, und Lipoproteine (VLDL, LDL) sowie verschiedene Proteinmischungen konnten isoliert und für weitere Aggregationsstudien mittels DLS verwendet werden. Für einige ausgesuchte Systeme konnten die Interaktionspartner identifiziert werden. rnDie Korrelation des Aggregationsverhaltens mit den strukturellen sowie funktionellen Eigenschaften der untersuchten Nanopartikel führt zu dem generellen Ergebnis, dass leicht negativ und leicht positiv bis neutrale Partikel eine geringe Tendenz zur Aggregation in Serum haben. Auch zwitterionische Substanzen zeigen eine hohe Serumstabilität. Hingegen aggregieren stark positiv und negativ geladene Partikel vermehrt.rn

Processi integrati per l’intensificazione di processo: reazione di fotocatalisi accoppiata alla pervaporazione, la dialisi e all’ozonizzazione

L’accoppiamento di diverse operazioni unitarie può in certi casi portare ad una cosiddetta “intensificazione di processo”, cioè ad un aumento sostanziale delle rese, dell’efficienza e della sostenibilità. Nel presente lavoro sono state pertanto analizzate le potenzialità di accoppiamento della fotocatalisi, il più studiato tra i “processi di ossidazione avanzata”, sia con alcuni processi a membrana per la sintesi verde di aromi sia con l’ozonizzazione per la depurazione di acque. È stato dimostrato che in entrambi i casi l’ottenimento di una significativa intensificazione di processo dipende in gran parte dai parametri operativi, in particolare dal rapporto, delta, tra la velocità caratteristica di fotocatalisi e quella del processo accoppiato. Nel caso della sintesi di aromi, in cui la fotocatalisi viene accoppiata con la pervaporazione o con la dialisi ricircolando al reattore il retentato dalla cella con la membrana. Il parametro delta dipende dalla velocità di reazione, dalle proprietà di trasporto delle membrane e naturalmente dal volume del rettore e dall’area della membrana. La reazione fotocatalitica produce l’aroma, ad esempio vanillina da acido ferulico, per ossidazione parziale e grazie al recupero del prodotto se ne evita l’ulteriore ossidazione aumentandone pertanto la resa. L’operare in apparati separati offre diversi vantaggi come la possibilità di variare senza vincoli il rapporto tra area della membrana e volume del reattore, ma impone di considerare anche il grado effettivo di accoppiamento dei processi. In questo caso, come evidenziato dal modello matematico, un sufficientemente elevato rapporto di ricircolo consente comunque di integrare efficacemente i processi. Nell’ozonizzazione fotocatalitica si hanno due importanti vantaggi: l’aumento della velocità di degradazione grazie alla sinergia tra i processi e la capacità di controllare la formazione di prodotti pericolosi. La sinergia viene massimizzata ad un valore ottimale di delta, mentre la formazione dei prodotti indesiderati viene controllata operando secondo le procedure che sono state individuate.

Analyse der intrazellulären Freisetzung von Wirkstoffmodellen via konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie man das Potential nanopartikulärer Systeme, die vorwiegend via Miniemulsion hergestellt wurden, im Hinblick auf „Drug Delivery“ ausnutzen könnte, indem ein Wirkstoffmodell auf unterschiedliche Art und Weise intrazellulär freigesetzt wurde. Dies wurde hauptsächlich mittels konfokaler Laser-Raster-Mikrokopie (CLSM) in Kombination mit dem Bildbearbeitungsprogramm Volocity® analysiert.rnPBCA-Nanokapseln eigneten sich besonders, um hydrophile Substanzen wie etwa Oligonukleotide zu verkapseln und sie so auf ihrem Transportweg in die Zellen vor einem etwaigen Abbau zu schützen. Es konnte eine Freisetzung der Oligonukleotide in den Zellen aufgrund der elektrostatischen Anziehung des mitochondrialen Membranpotentials nachgewiesen werden. Dabei war die Kombination aus Oligonukleotid und angebundenem Cyanin-Farbstoff (Cy5) an der 5‘-Position der Oligonukleotid-Sequenz ausschlaggebend. Durch quantitative Analysen mittels Volocity® konnte die vollständige Kolokalisation der freigesetzten Oligonukleotide an Mitochondrien bewiesen werden, was anhand der Kolokalisationskoeffizienten „Manders‘ Coefficients“ M1 und M2 diskutiert wurde. Es konnte ebenfalls aufgrund von FRET-Studien doppelt markierter Oligos gezeigt werden, dass die Oligonukleotide weder beim Transport noch bei der Freisetzung abgebaut wurden. Außerdem wurde aufgeklärt, dass nur der Inhalt der Nanokapseln, d. h. die Oligonukleotide, an Mitochondrien akkumulierte, das Kapselmaterial selbst jedoch in anderen intrazellulären Bereichen aufzufinden war. Eine Kombination aus Cyanin-Farbstoffen wie Cy5 mit einer Nukleotidsequenz oder einem Wirkstoff könnte also die Basis für einen gezielten Wirkstofftransport zu Mitochondrien liefern bzw. die Grundlage schaffen, eine Freisetzung aus Kapseln ins Zytoplasma zu gewährleisten.rnDer vielseitige Einsatz der Miniemulsion gestattete es, nicht nur Kapseln sondern auch Nanopartikel herzustellen, in welchen hydrophobe Substanzen im Partikelkern eingeschlossen werden konnten. Diese auf hydrophobe Wechselwirkungen beruhende „Verkapselung“ eines Wirkstoffmodells, in diesem Fall PMI, wurde bei PDLLA- bzw. PS-Nanopartikeln ausgenutzt, welche durch ein HPMA-basiertes Block-Copolymer stabilisiert wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das hydrophobe Wirkstoffmodell PMI innerhalb kürzester Zeit in die Zellen freigesetzt wurde und sich in sogenannte „Lipid Droplets“ einlagerte, ohne dass die Nanopartikel selbst aufgenommen werden mussten. Daneben war ein intrazelluläres Ablösen des stabilisierenden Block-Copolymers zu verzeichnen, welches rn8 h nach Partikelaufnahme erfolgte und ebenfalls durch Analysen mittels Volocity® untermauert wurde. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Partikelaufnahme oder die Freisetzung des Wirkstoffmodells. Ein großer Vorteil in der Verwendung des HPMA-basierten Block-Copolymers liegt darin begründet, dass auf zeitaufwendige Waschschritte wie etwa Dialyse nach der Partikelherstellung verzichtet werden konnte, da P(HPMA) ein biokompatibles Polymer ist. Auf der anderen Seite hat man aufgrund der Syntheseroute dieses Block-Copolymers vielfältige Möglichkeiten, Funktionalitäten wie etwa Fluoreszenzmarker einzubringen. Eine kovalente Anbindung eines Wirkstoffs ist ebenfalls denkbar, welcher intrazellulär z. B. aufgrund von enzymatischen Abbauprozessen langsam freigesetzt werden könnte. Somit bietet sich die Möglichkeit mit Nanopartikeln, die durch HPMA-basierte Block-Copolymere stabilisiert wurden, gleichzeitig zwei unterschiedliche Wirkstoffe in die Zellen zu bringen, wobei der eine schnell und der zweite über einen längeren Zeitraum hinweg (kontrolliert) freigesetzt werden könnte.rnNeben Nanokapseln sowie –partikeln, die durch inverse bzw. direkte Miniemulsion dargestellt wurden, sind auch Nanohydrogelpartikel untersucht worden, die sich aufgrund von Selbstorganisation eines amphiphilen Bock-Copolymers bildeten. Diese Nanohydrogelpartikel dienten der Komplexierung von siRNA und wurden hinsichtlich ihrer Anreicherung in Lysosomen untersucht. Aufgrund der Knockdown-Studien von Lutz Nuhn konnte ein Unterschied in der Knockdown-Effizienz festgestellt werden, je nach dem, ob 100 nm oder 40 nm große Nanohydrogelpartikel verwendet wurden. Es sollte festgestellt werden, ob eine größenbedingte, unterschiedlich schnelle Anreicherung dieser beiden Partikel in Lysosomen erfolgte, was die unterschiedliche Knockdown-Effizienz erklären könnte. CLSM-Studien und quantitative Kolokalisationsstudien gaben einen ersten Hinweis auf diese Größenabhängigkeit. rnBei allen verwendeten nanopartikulären Systemen konnte eine Freisetzung ihres Inhalts gezeigt werden. Somit bieten sie ein großes Potential als Wirkstoffträger für biomedizinische Anwendungen.rn

Synthese und Charakterisierung von zylindrischen Bürsten mit polypept(o)idischen Seitenketten als nanopartikuläre Trägersysteme

Zylindrische Polymerbürsten mit pept(o)idischen Seitenketten sind auf Grund ihrer elongierten Topologie, Bioverträglichkeit und hohen Dichte an funktionellen Gruppen vielversprechende Kandidaten für Anwendungen im Bereich des kontrollierten Wirkstoff- bzw. Gentransportes.In dieser Arbeit wurden Polylysin und Polysarkosin als Bestandteile der Seitenketten verwendet. Polylysin dient als positiv geladener Polypeptidblock für die Komplexierung von Polynukleotiden. Polysarkosin reduziert mit seinem „Stealth“-Effekt die Toxizität des Trägersystems und vermindert Wechselwirkungen mit dem Immunsystem. Über den „grafting from“-Ansatz und mit Hilfe der ringöffnenden NCA-Polymerisation konnten erstmals zylindrische Bürsten mit reinen Polysarkosin-Seitenketten sowie mit amphiphilen Seitenketten aus einem Polylysinkern und einer Polysarkosinschale hergestellt werden. Die Bürsten wurden mittels Lichtstreuung, GPC, CD-Spektroskopie und AFM charakterisiert. Die hohe Biokompatibilität beider Bürsten konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden.Die Polysarkosin-Bürsten konnten zusätzlich an den Seitenkettenenden mit Azidgruppen funktionalisiert werden, welche eine effektive Biokonjugation ermöglichen. Die zylindrischen Bürsten zeigten nach ihrer Modifikation keine unspezifische Aufnahme in dendritische Zellen und könnten somit als Ausgangssubstanzen für die Synthese polymerbasierter Antikörper-Antigen-Konjugate in der Krebsimmuntherapie verwendet werden.Die Kern-Schale-Bürsten konnten erfolgreich mit siRNA komplexiert werden, ohne dass dabei eine Aggregation auftrat. In ersten Gen-Knockdown-Experimenten zeigten ihre Komplexe eine signifikante Verminderung der ApoB100-Proteinexpression in AML-12 Hepatozyten und könnten daher zukünftig als Transfektionsmittel in der Gentherapie ihren Einsatz finden.

Funktionelle HPMA-Copolymere zur möglichen Anwendung in der Tumor-Immuntherapie

Der Fokus dieser Arbeit lag in der Synthese von funktionellen HPMA-Copolymeren, sowohl für die Darstellung definierter Polymer-Antikörper Konjugate, als auch zum effizienten Transport von p-DNA in Polymer-DNA Komplexen (Polyplexe). Nach ausführlicher physikalischer und chemischer Charakterisierung wurden gezielt ihre Wechselwirkungen mit (Immun)-Zellen untersucht und so ihr Potential für die Verwendung in der Tumor-Immuntherapie aufgezeigt.rnFür das gezielte Ansprechen von bestimmten Immunzellen mit Schlüsselfunktionen besitzen monoklonale Antikörper ein großes Potential. Im Rahmen dieser Arbeit gelang die Darstellung definierter Polymer-Antikörper Konjugate über das gezielte Einführen von Thiol-Gruppen an Antikörper und die Synthese eng verteilter, Maleinimid funktionalisierter HPMA-Copolymere. Diese sehr gut definierten, funktionellen HPMA-Copolymere konnten über die Kombination der RAFT-Polymerisation und Reaktivester Polymeren gewonnen werden. Unterschiedliche Polymerstrukturen ermöglichten die Synthese verschiedener Arten von Polymer-Antikörper Konjugaten. Speziell die Untersuchung der verschiedenen Konjugate aus dem für dendritische Zellen spezifischen aDEC-205 Antikörper an Immunzellen aus dem Knochenmark von Mäusen lieferten wertvolle Erkenntnisse über Struktur-Wirkungsbeziehungen und zeigten die Möglichkeit der gezielten Adressierung von Immunzellen mit Schlüsselfunktionen bei der Aktivierung einer (Tumor)-Immunabwehr am Beispiel von dendritischen Zellen. Gleichzeitig erlaubt der Syntheseweg sowohl die gleichzeitige und kontrollierte Einführung auch komplexerer Stimuli am Polymerrückgrat als auch die Verwendung verschiedener Antikörper.rnÜber die Kombination der RAFT-Polymerisation und polymeren Reaktivestern wurde ebenso die Synthese von neuartigen kationisch-hydrophilen Polylysin-b-poly(HPMA) Blockcopolymeren als effiziente Transporter für den komplexen aber wirkungsvollen Wirkstoff p-DNA in Form von Polymer-DNA Komplexen (Polyplexe) realisiert. Da diese Polyplexe gleichzeitig eine Abschirmung der sensitiven p-DNA über eine poly(HPMA)-Korona vermitteln, stellen sie allgemein ein geeignetes Transportmittel für einen therapeutischen Transport von p-DNA dar. Diese Polyplexe sind in der Lage, humane Nierenkarzinomzellen (HEK-293T Zelllinie) zu transfizieren ohne signifikante Zytotoxizität zu zeigen. Darüber hinaus gelang eine große Steigerung der Transfektionseffizienz, ohne eine gleichzeitige Erhöhung der Zytotoxizität, durch die gezielte Einführung von Redox-stimuliresponsiven Disulfid-Gruppen zwischen den einzelnen Blöcken. Diese Polyplexe stellen einen polymeren Vektor zur transkriptionellen Regulierung von Zellen dar, zum Beispiel für die transkriptionelle Aktivierung von dendritischen Zellen, durch die Verwendung speziell dafür modifizierter p-DNA-Konstrukte. rnDurch die Verknüpfung einer ortsspezifischen enzymatischen Kopplung und kupferfreien Cyclooctin-Azid Kupplung gelang die kontrollierte und kovalente Modifizierung von polymeren Mizellen mit aDEC-205 Antikörpern an der hydrophilen poly(HPMA)-Korona. Diese Methode bietet die Möglichkeit der Anbindung der effektiven aber anspruchsvollen Erkennungsstruktur Antikörper an komplexere Polymerstrukturen und andere nano-partikulären Systeme, zum Beispiel an die zuvor genannten Polyplexe, um eine zellspezifische und verbesserte Aufnahme und Prozessierung zu erreichen.rnDiese Studien zeigen somit, sowohl die Möglichkeit der selektiven Addressierung von Immunzellen mit Schlüsselfunktionen wie dendritischer Zellen, als auch die Möglichkeit der transkriptionellen Regulation von Zellen durch Polyplexe. Sie stellen somit einen ersten Schritt zur Herstellung funktioneller, nanopartikulärer Systeme zur Verwendung in der Tumor-Immuntherapie dar. rn

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

Mice overexpressing BAFF develop a commensal flora-dependent, IgA-associated nephropathy

B cell activation factor of the TNF family (BAFF) is a potent B cell survival factor. BAFF overexpressing transgenic mice (BAFF-Tg mice) exhibit features of autoimmune disease, including B cell hyperplasia and hypergammaglobulinemia, and develop fatal nephritis with age. However, basal serum IgA levels are also elevated, suggesting that the pathology in these mice may be more complex than initially appreciated. Consistent with this, we demonstrate here that BAFF-Tg mice have mesangial deposits of IgA along with high circulating levels of polymeric IgA that is aberrantly glycosylated. Renal disease in BAFF-Tg mice was associated with IgA, because serum IgA was highly elevated in nephritic mice and BAFF-Tg mice with genetic deletion of IgA exhibited less renal pathology. The presence of commensal flora was essential for the elevated serum IgA phenotype, and, unexpectedly, commensal bacteria-reactive IgA antibodies were found in the blood. These data illustrate how excess B cell survival signaling perturbs the normal balance with the microbiota, leading to a breach in the normal mucosal-peripheral compartmentalization. Such breaches may predispose the nonmucosal system to certain immune diseases. Indeed, we found that a subset of patients with IgA nephropathy had elevated serum levels of a proliferation inducing ligand (APRIL), a cytokine related to BAFF. These parallels between BAFF-Tg mice and human IgA nephropathy may provide a new framework to explore connections between mucosal environments and renal pathology.

Placental ABCA1 expression is reduced in primary antiphospholipid syndrome compared to pre-eclampsia and controls

The ATP binding cassette transporter A1 (ABCA1) mediates cellular cholesterol and phospholipid efflux, and is implicated in phosphatidylserine translocation and apoptosis. Loss of functional ABCA1 in null mice results in severe placental malformation. This study aimed to establish the placental localisation of ABCA1 and to investigate whether ABCA1 expression is altered in placentas from pregnancies complicated by pre-eclampsia and antiphospholipid syndrome. ABCA1 mRNA and protein localisation studies were carried out using in situ hybridization and immunohistochemistry. Comparisons of gene expression were performed using real-time PCR and immunoblotting. ABCA1 mRNA and protein was localised to the apical syncytium of placental villi and endothelia of fetal blood vessels within the villi. ABCA1 mRNA expression was reduced in placentas from women with APS when compared to controls (p<0.001), and this was paralleled by reductions in ABCA1 protein expression. There were no differences in ABCA1 expression between placentas from pre-eclamptic pregnancies and controls. The localisation of ABCA1 in human placenta is consistent with a role in cholesterol and phospholipid transport. The decrease in ABCA1 protein in APS may reflect reduced cholesterol transport to the fetus affecting the formation of cell membranes and decreasing the level of substrate available for steroidogenesis.

Respiratory distress syndrome in near-term babies after caesarean section

OBJECTIVE: Severe respiratory distress syndrome (RDS) caused by surfactant deficiency is described not only in preterm infants but also in (near-) term babies after caesarean section (CS), especially when carried out before the onset of labour. The aim of the present study was to document the severity of this theoretically avoidable entity in order to improve obstetric and perinatal care. PATIENTS: All neonates admitted to the paediatric intensive care unit of the University Hospital of Bern between 1988 and 2000 with RDS on the basis of hyaline membrane disease (HMD) needing mechanical ventilation (MV) after CS and with a birthweight > or = 2500 g were analysed. HMD was diagnosed when respiratory distress and the typical radiological signs were present. Patients were grouped into elective CS before onset of labour and before rupture of membranes (group 1, n = 34) and patients delivered by emergency CS or CS after onset of labour or rupture of membranes (group 2, n = 22). Analysed indices for severity of illness were duration of stay in intensive care unit and MV, ventilation mode, worst oxygenation index (OI), presence of pulmonary air leak, and systemic hypotension. RESULTS: Mean gestational age (GA) was 37 2/7 weeks in group 1 and 36 2/7 weeks in group 2; no patient had a GA of > or = 39 0/7 weeks. Duration of MV was 4.4 days in group 1 and 3.9 days in group 2. Thirteen patients (38%) of group 1 and 7 (32%) of group 2 had to be managed by rescue high-frequency ventilation. A total of 7 patients had an OI>40. Eight patients (24%) in group 1 and 4 (18%) in group 2 developed a pulmonary air leak. Fourteen neonates (41%) in group 1 had to be supported by catecholamines versus 5 (22%) in group 2. There was one death in group 1. CONCLUSION: Severe RDS on the basis of HMD can also occur in near-term babies after CS; even a fatal outcome can not be excluded. The severity of illness in elective CS without labour may be quite high and is comparable to newborns delivered by CS (after onset of labour and/or rupture of the membranes) who were 1 week younger. No case of HMD was found in our population when CS was carried out after completion of 39 post-menstrual weeks of gestation.

Cholesterol Transport and Regulation in the Mammary Gland.

The milk-producing alveolar epithelial cells secrete milk that remains after birth the principal source of nutrients for neonates. Milk secretion and composition are highly regulated processes via integrated actions of hormones and local factors which involve specific receptors and downstream signal transduction pathways. Overall milk composition is similar among mammalian species, although the content of individual constituents such as lipids may significantly differ from one species to another. The milk lipid fraction is essentially composed of triglycerides, which represent more than 95 % of the total lipids in human and commercialized bovine milk. Though sterols, including cholesterol, which is the major milk sterol, represent less than 0.5 % of the total milk lipid fraction, they are of key importance for several biological processes. Cholesterol is required for the formation of biological membranes especially in rapidly growing organisms, and for the synthesis of sterol-based compounds. Cholesterol found in milk originates predominantly from blood uptake and, to a certain extent, from local synthesis in the mammary tissue. The present review summarizes current knowledge on cellular mechanisms and regulatory processes determining intra- and transcellular cholesterol transport in the mammary gland. Cholesterol exchanges between the blood, the mammary alveolar cells and the milk, and the likely role of active cholesterol transporters in these processes are discussed. In this context, the hormonal regulation and signal transduction pathways promoting active cholesterol transport as well as potential regulatory crosstalks are highlighted.

Cholesterol transporters in lactating and nonlactating human mammary tissue

In mammals milk is the principal nutrient for neonates at birth. The basic milk composition is similar between different mammals, but the content of individual constituents such as lipids may differ significantly from one species to another. The milk fat fraction is mainly composed of triglycerides which account for more than 95% of the lipids found in human and bovine milk. Though sterols and in particular cholesterol, the predominant milk sterol, represent less than 0.5% of the total milk lipid fraction, they are of ultimate importance for biological processes such as the formation of biological membranes or as precursors for steroid hormone synthesis. Cholesterol found in milk originates either from blood uptake or from local synthesis. This chapter provides an overview of cholesterol exchanges between the blood, the mammary tissue and the milk. The current knowledge on the expression, localization and function of candidate cholesterol transporters in mammary tissues of human, murine and bovine origin is summarized. Different mechanisms of how cholesterol can be transferred via the mammary tissue into milk, and which active cholesterol transporters are likely to play a role in this process will be discussed.

Surface-patterned micromechanical elements by polymer injection molding with hybrid molds

Hybrid molds enable the fabrication of polymeric parts with features of different length scales by injection molding. The resulting polymer microelements combine optical or biological functionalities with designed mechanical properties. Two applications are chosen for illustration of this concept: As a first example, microelements for optical communication via fiber-to-fiber coupling are manufactured by combining two molds to a small mold insert. Both molds are fabricated using lithography and electroplating. As a second example, microcantilevers (μCs) for chemical sensing are surface patterned using a modular mold composed of a laser-machined cavity defining the geometry of the μCs, and an opposite flat tool side which is covered by a patterned polymer foil. Injection molding results in an array of 35 μm-thick μCs with microscale surface topographies. In both cases, when the mold is assembled and closed, reliefs are transferred onto one surface of the molded element whose outlines are defined by the micromold cavity. The main advantage of these hybrid methods lies in the simple integration of optical surface structures and gratings onto the surface of microcomponents with different sizes and orientations. This allows for independent development of functional properties and combinations thereof.

Proton flux across artificial vesicle bilayers

The study of proton conductance across artificial membranes has revealed a surprisingly high permeability for H+, (Pnet H+). A high Pnet H+ is difficult to reconcile with the biological requirement for the maintenance of pH gradients across the plasma membranes of cells, organellar study was undertaken to examine the role played by cholesterol and phospholipid fatty acid side chain composition in determining how well a membrane will function as a barrier to acid. The effects of counter-ion movement on acidification rates were examined in order to interpret the data obtained from variations in membrane composition. In phosphate buffered saline solutions, vesicle membranes composed of unsaturated fatty acid phosphatidylcholines proved to be poorer barriers to acid than membranes composed of saturated fatty acids. The barrier properties of these membranes could be ranked in the following order: DPL, (palmitic) $>$ Egg PC, (mixed chains) $>$ DLL, (linoleic), with DPL being the most effective in maintaining a one pH unit gradient near neutrality. Cholesterol decreased acidification rates of membranes made from the unsaturated phosphatidylcholines Egg PC and DLL, but enhanced acidification rates in vesicle membranes composed of the saturated phospholipid DPL. The cholesterol and fatty acid side chain effects were mediated by changes in membrane fluidity, with more rigid bilayers forming better barriers to acid. Experimental evidence was obtained which confirmed the Pnet H+ is very high relative to the permeabilities of other ions. Counter-ion controlled acidification rates depended on the size and charge of the ion which was moving in order to maintain electroneutrality. The biological relevance of a high intrinsic Pnet H+ and the possible role of counter-ion controlled acidification were discussed. ^

Black Holes and Biophysical (Mem)-branes

We argue that the effective theory describing the long-wavelength dynamics of black branes is the same effective theory that describes the dynamics of biophysical membranes. We improve the phase structure of higher-dimensional black rings by considering finite thickness corrections in this effective theory, showing a striking agreement between our analytical results and recent numerical constructions while simultaneously drawing a parallel between gravity and the effective theory of biophysical membranes.

A lung-on-chip array with an integrated bio-inspired respiration mechanism

We report about a lung-on-chip array that mimics the pulmonary parenchymal environment, including the thin, alveolar barrier and the three-dimensional cyclic strain induced by the breathing movements. A micro-diaphragm used to stretch the alveolar barrier is inspired by the in-vivo diaphragm, the main muscle responsible for inspiration. The design of this device aims not only at best reproducing the in-vivo conditions found in the lung parenchyma, but also at making its handling easy and robust. An innovative concept, based on the reversible bonding of the device, is presented that enables to accurately control the concentration of cells cultured on the membrane by easily accessing both sides of the membranes. The functionality of the alveolar barrier could be restored by co-culturing epithelial and endothelial cells that formed tight monolayers on each side of a thin, porous and stretchable membrane. We showed that cyclic stretch significantly affects the permeability properties of epithelial cell layers. Furthermore, we could also demonstrate that the strain influences the metabolic activity and the cytokine secretion of primary human pulmonary alveolar epithelial cells obtained from patients. These results demonstrate the potential of this device and confirm the importance of the mechanical strain induced by the breathing in pulmonary research.