The immunogenicity of chemically derived zwitterionic polysaccharides

Bacterial capsular polysaccharides (PS) which naturally contain zwitterionic charge motifs (ZPS) possess specific immunostimulatory activity, leading to direct activation of antigen-presenting cells (APCs) through Toll-like receptor 2 (TLR2) and of T cells in co-culture systems. When administered intraperitoneally, ZPS and bacteria expressing them are involved in the induction or regulation of T-cell dependent inflammatory processes such as intra-abdominal abscess formation. Moreover it has been published that ZPSs are processed to low molecular weight carbohydrates and presented to T cells through a pathway similar to that used for protein antigens. These findings were in contrast with the paradigm according to which polysaccharides are T-independent antigens unable to be presented in association with MHC class II molecules and unable to induce a protective immune response. For this reason in glycoconjugate vaccines polysaccharides often need to be conjugated to a carrier protein to induce protection. The aim of our work was to generate vaccine candidates with antigen and adjuvant properties in one molecule by the chemical introduction of a positive charge into naturally anionic PS from group B streptococcus (GBS). The resulting zwitterionic PS (ZPS) has the ability to activate human and mouse APCs, and in mixed co-cultures of monocytes and T cells, ZPS induce MHC II-dependent T-cell proliferation and up-regulation of activation markers. TLR2 transfectants show reporter gene transcription upon incubation with ZPS and these stimulatory qualities can be blocked by anti-TLR2 mAbs or by the destruction of the zwitterionic motif. However, in vivo, ZPS used alone as vaccine antigen failed to induce protection against GBS challenge, a result which does not confirm the above mentioned postulate that ZPS are T-cell dependent Ags by virtue of their charge motif. Thus to make ZPS visible to the immune system we have conjugated ZPS with a carrier protein. ZPS-glycoconjugates induce higher T cell and Ab responses to carrier and PS, respectively, compared to control PS-glycoconjugates made with the native polysaccharide form. Moreover, protection of mothers or neonate offspring from lethal GBS challenge is better when mothers are immunized with ZPS-conjugates compared to immunization with PS-conjugates. In TLR2 knockout mice, ZPS-conjugates lose both their increased immunogenicity and protective effect after vaccination. When ZPS are co-administered as adjuvants with unconjugated tetanus toxoid (TT), they have the ability to increase the TT-specific antibody titer. In conclusion, glycoconjugates containing ZPS are potent vaccines. They target Ag to TLR2-expressing APCs and activate these APCs, leading to better T cell priming and ultimately to higher protective Ab titers. Thus, rational chemical design can generate potent novel PS-adjuvants with wide application, including glycoconjugates and co-administration with unrelated protein Ags.

Etablierung einer Ko-Kultur von Alveolarepithel und mikrovaskulärem Endothel als in-vitro-Modell einer humanen respiratorischen Einheit

Ziel der Promotionsarbeit war die Etablierung einer humanen respiratorischen Einheit in vitro zur Untersuchung von Wirkmechanismen einer akuten Lungenschädigung. Als Ko-Kulturmodell wurde eine Kultur humaner Alveoloarepithelzellen vom Typ II (A549, NCI H441, primäre hATII Zellen) mit mikrovaskulären Endothelzellen (ISO-HAS-1, primäre HPMEC) auf den beiden Seiten einer mikroporösen Filtermembran (Bilayer) gewählt. Ein differenzierter Monolayer von NCI H441 konnte in Bilayer-Ko-Kultur mit ISO-HAS-1 oder HPMEC durch die Zugabe von Dexamethason (1 µM) unter Verwendung eines serumhaltigen Mediums induziert werden. Dabei wurde eine von Tag 10 bis Tag 12 phänotypisch stabile Ko-Kultur mit TER-Werten um 500 Ohm x cm2 erhalten. Im Hinblick auf die Freisetzung von IL-8 und MCP-1 und die fehlende Freisetzung von RANTES nach Stimulation waren NCI H441 den hATII Zellen ähnlicher als die häufig als hATII-analog eingesetzte Zell-Linie A549, die RANTES freisetzte. Außerdem bildeten A549 trotz zahlreicher Variatione

Wirkmechanismen der trifunktionalen Antikörper catumaxomab und ertumaxomab in humanen Tumorsphäroid-Kokulturen

Ein neuer Ansatz der immunologischen Krebstherapie ist die Verwendung der bispezifischen, trifunktionalen Antikörper catumaxomab (anti-EpCAM x anti-CD3) und ertumaxomab (anti-Her2/neu x anti-CD3). Die Bispezifität besteht in der Bindung eines Tumor-assoziierten Antigens (EpCAM bzw. Her2/neu) und des CD3 Moleküls auf der Oberfläche von T-Zellen. Darüber hinaus stellt die Interaktion des Fc-Teils mit FcγRI/IIa/III positiven akzessorischen Immunzellen die dritte Funktion der Antikörper dar. Diese einzigartige Kombination ermöglicht theoretisch die Ausbildung eines Tri-Zell-Komplexes. In klinischen Studien konnte bereits die Wirksamkeit beider Antikörper nachgewiesen werden. Die eigentlichen Wirkmechanismen der trifunktionalen Antikörper jedoch sind noch nicht ausreichend bekannt. Um die Wechselwirkung zwischen den stark EpCAM- und schwach Her2/neu-positive FaDu- sowie den stabil mit humanem Her2/neu transfizierten FaDu E593-Tumorzellen, peripheren Blutmonozyten (PBMC) und trifunktionalen Antikörpern systematisch zu untersuchen wurde ein 3D-Tumormodell, die so genannten multizellulären Tumorsphäroide (MCTS), angewandt. Als Endpunkte zur Beurteilung der Therapieeffizienz dienten das Volumenwachstum der Sphäroide, sowie die Klonogenität und die Zellvitalität. Zur Beurteilung der PBMC-Penetration in die Sphäroide erfolgten immunhistochemische Färbungen und molekularbiologische Nachweise der Abwehrzellantigene. Entsprechend wurden in den Sphäroiden die Proliferationsrate über eine Ki67-Färbung sowie die Apoptoserate über eine FragEL-Markierung identifiziert. Die Aktivität der PBMC wurde durch die Bestimmung ausgewählter Zytokine (ELISA) und der Zellzahl aus den Medienüberständen charakterisiert. Die an den FaDu- und E593-Sphäroiden erzielten Ergebnisse zeigten, dass catumaxomab und ertumaxomab eine konzentrations- und zeitabhängige Abnahme des Sphäroidvolumens bewirkten. Die Schrumpfung der Tumorsphäroide ging mit einer Reduktion des proliferativen und mit einer Steigerung des apoptotischen Tumorzellanteils einher. Die histologischen Befunde weisen darauf hin, dass die Volumenreduktion durch eine gesteigerte Anzahl infiltrierender Leukozyten bedingt ist. Auf verschiedenen Methoden basierende Analysen der Immunzellsubtypen zeigten eine dominierende Infiltration von zytotoxischen T-Zellen in die Tumorsphäroide. Der Aktivitätsnachweis der T-Zellen wurde über die Detektion der IL-2 mRNA und des sekretierten Zytokins erbracht. Einen zusätzlichen Hinweis auf eine zelluläre Immunantwort liefert das Zytokinmuster mit hohen Konzentrationen an IFN-γ. Der direkte Vergleich beider Antikörper zeigte, dass der anti-tumorale Effekt abhängig von der Antigenexpression auf den Tumorzellen war. Die Analyse von Medienüberständen wies auf eine mehrheitlich höhere Zytokinausschüttung in Gegenwart des Tumorantigens hin. Sphäroid-Kokulturen, die mit dem parentalen anti-EpCAM Antikörper behandelt wurden, zeigten keine Volumenreduktion. Im Gegensatz dazu führte der parentale CD3-Antikörper, das CD3- und Tumorzell-bindende catumaxomab F(ab')2 Fragment oder eine Kombination beider parentaler Antikörper zu einer anti-tumoralen Wirkung, die jedoch nicht so stark war wie die des trifunktionalen Antikörpers catumaxomab. Demnach ist für catumaxomab gezeigt, dass für die Effektivität des Antikörpers die Trifunktionalität unabdingbar ist. Daraus leitet sich ab, dass die Aktivierung der Abwehrzellen durch kostimulatorische Signale notwendig ist und über die Tumorantigenbindung Mechanismen wie ADCC (antibody-dependent cellular cytotoxicity) zum Tragen kommen. Die Experimente mit gleichzeitiger Gabe von trifunktionalen Antikörpern und Immunsuppressiva haben gezeigt, dass eine Kombination beider Agenzien möglich ist. Die Konzentrationen sind jedoch sorgfältig derart zu wählen, dass die Zytokinausschüttung und die damit verbundenen Nebenwirkungen reduziert sind, ohne dass die anti-tumorale Wirkung der Antikörper maßgeblich beeinflusst wird. T-Zellen bedienen sich nach Aktivierung für die rasche Proliferation einer gesteigerten aeroben Glykolyse. Unter Behandlung der Kokulturen mit catumaxomab konnte im Vergleich zu anderen immunstimulatorischen Agenzien die größte Steigerung der Laktatproduktion bzw. der Azidifizierungs- und Sauerstoffverbrauchsrate detektiert werden. Diese Effekte weisen auf eine metabolische Aktivierung der PBMC durch catumaxomab hin. Das von den Tumorzellen abgegebene Laktat kann die Immunzellen jedoch inhibieren. Daher wäre die Kombination mit Glykolyseinhibitoren ein möglicher Ansatz, um die Therapieeffizienz weiter zu steigern. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine Komedikation der trifunktionalen Antikörper mit Chemotherapeutika zu einer gesteigerter Wirkung führte. Insgesamt liegt die Zukunft der Immuntherapien wohl in der Kombination mit anderen Wirkstoffklassen, die anti-tumorale Effekte verstärken oder immunsupprimierende Mechanismen inhibieren.

Entwicklung eines pharmakologischen Modells zur Prüfung immuntherapeutischer Antikörper mit dreidimensionalen Tumorzellkulturen in vitro

In den letzten Jahren hat die Tumorbehandlung mit immunologischen Präparaten an Bedeutung gewonnen. Der allgemeine Ablauf der Testung eines Arzneimittelkandidaten sieht vor, zunächst in Zellkulturversuchen und Tierversuchen Wirkweise und Sicherheit, sowie voraussichtliche Abbauwege und mögliche Gefahren so beurteilen zu können, dass sie für einen Einsatz im Menschen in Frage kommen. Zur präklinischen in vitro-Testung werden dabei in der Regel Monolayer-Zellkulturen oder Einzelzellsuspensionen eingesetzt. Der Einsatz von 3D-Zellkulturmodellen, welche den Aufbau von Mikrometastasen oder intervaskuläre Areale in Tumoren exakter widerspiegeln, führt zu wesentlich besseren Voraussagen bezüglich der klinischen Wirksamkeit neuer Präparate. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung und Anwendung eines neuen 3D-Zellkulturbasierten Systems zur Testung trifunktionaler bispezifischer Antikörper für die Tumorbehandlung, welches sich auch auf andere vergleichbare Präparate übertragen lässt.rnIn meiner Arbeit konnte ich mehrere humane Tumorzelllinien definieren, mit denen es gelang, stabile Co-Kulturen von Multi Cellular Tumour Spheroids (MCTS) mit Peripheral Blood Mononuclear Cells (PBMC) in miniaturisierten Spinner-Flaschen zu etablieren. Spinner-Flaschen, in denen die im Kulturmedium befindlichen Immunzellen, MCTS und Therapeutika ständig frei zirkulieren, sind besonders für eine wirklichkeitsnahe Nachbildung der in vivo-Simulation mit disseminierten Tumorzellen oder mit malignem Aszites geeignet. Diese Art der Kultivierung erlaubte Beobachtungszeiten von ≥20 Tagen für eine große Bandbreite Analysemethoden. Zu den mit dem erstellten Protokoll standardmäßig durchführbaren Analysemethoden zählen unter anderem immunhistochemische Färbungen an Sphäroid-Gefrierschnitten, Vitalitätstest, Untersuchung der Plattierungs-Effizienz, Bestimmung der Sphäroidvolumina, Zytokinbestimmungen aus dem Medienüberstand mit Cytokine Bead Arrays, PCR-Analysen immunzellspezifischer Antigene, sowie durchflusszytometrische Analysen. Diese Methodenkombination erlaubt einen sehr detaillierten Einblick in die Wirkweise und Effizienz neuer Immuntherapeutika aus verschiedensten Blickwinkeln und stellt ein reproduzierbares Testsystem zur präklinischen Testung von Immuntherapeutika dar, das zukünftig als Bindeglied zwischen Monolayer-Zellkulturen und klinischen Prüfungen einen festen Platz einnehmen könnte.rnMit dem beschriebenen 3D-Zellkultur-System wurden in der vorliegenden Arbeit die trifunktionalen bispezifischen Antikörper catumaxomab (unter dem Handelsnamen Removab® für die Behandlung maligner Ascites zugelassen) und ertumaxomab (derzeit in klinischen Prüfungen) hinsichtlich ihrer Wirkweise untersucht. Die Antikörper besitzen im Gegensatz zu herkömmlichen monoklonalen Antikörpern zwei verschiedene Bindungsarme, einer gegen CD3 auf T-Zellen, der zweite gegen EpCAM respektive Her2/neu - beides weit verbreitete Tumorantigene - gerichtet. An ihrem Fc-Teil besitzen sie eine dritte Bindungskapazität, über welche sie an Fcγ RI, -IIa und -III positive akzessorische Zellen binden. Diese Kombination ermöglicht theoretisch die Ausbildung eines Tri-Zell-Komplexes aus T-Zelle, Tumorzelle und akzessorischer Zelle. Dies stellt eine wirkungsvolle Therapieoption unter Ausnutzung der körpereigenen, immunologischen Abwehr dar. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass beide Antikörper eine Größenreduktion der Sphäroide mit den entsprechenden Tumorantigenen in gleichem Maße bewirkten und die Plattierungseffizienz durch ertumaxomab dosisabhängig reduziert wurde. Mit dem erstellten Testsystem konnte der Wirkmechanismus von catumaxomab auf Sphäroide der Zelllinie FaDu (Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom) detaillierter gezeigt werden: catumaxomab wirkte dosisabhängig auf die Reduktion der Sphäroidvolumina und die zunehmende Infiltration von CD45+ Zellen, die als T-, NK- und/oder dendritische Zellen identifiziert wurden. Des Weiteren rief die catumaxomab-Gabe eine verstärkte Ausschüttung der Zytokine IL-2, IFN-γ und TNF-α hervor. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass catumaxomab die zelluläre Immunantwort aktiviert.rnDie Standard-Tumorbehandlung beinhaltet die Gabe von Chemotherapeutika. Oft werden dafür Zytostatika mit dem unerwünschten Nebeneffekt auch gesunde proliferierende Zellen anzugreifen verwendet. Dies kann prinzipiell auch die Wirksamkeit der Antikörper-Therapie beeinflussen. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit zusätzlich vergleichende Kombinations-Versuche mit catumaxomab und einem gängigen Zytostatikum - Cisplatin - durchgeführt. Mit Untersuchungen der Sphäroidvolumina, Vitalitätstests und Plattierungseffizienz konnte gezeigt werden, dass die Wirkung von catumaxomab bei gleichzeitiger Anwendung beider Therapeutika aufrecht erhalten bleibt und diese sogar additiv verstärkt wird. Eine Kombinationstherapie im Menschen ist daher denkbar.rnrn

Role of outgrowth endothelial cells for applications in tissue engineering

Co-culture systems, consisting of outgrowth endothelial cells (OEC) and primary osteoblasts (pOB), represent a prom¬ising instrument to mimick the natural conditions in bone repair processes and provide a new concept to develop constructs for bone replacement. Furthermore, co-culture of OEC and pOB could provide new insights into the molecular and cellular mechanisms that control essential processes during bone repair. The present study described several advantages of the co-culture of pOB and OEC for bone tissue engineering applications, including beneficial effects on the angiogenic activation of OEC, as well as on the assembly of basement membrane matrix molecules and factors involved in vessel maturation and stabilization. The ongoing angiogenic process in the co-culture system proceeded during the course of co-cultivation and correlated with the upregulation of essential angiogenic factors, such as VEGF, angiopoietins, basement membrane molecules and mural cell-specific markers. Furthermore the co-culture system appeared to maintain osteogenic differentiation capacity.rnrnAdditional treatment of co-cultures with growth factors or morphogens might accelerate and improve bone formation and furthermore could be useful for potential clinical applications. In this context, the present study highlights the central role of the morphogen, sonic hedgehog, which has been shown to affect angiogenic activation as well as osteogenic differentiation in the co-culture model of OEC and pOB. Treatment of co-cultures with sonic hedgehog resulted in an increased formation of microvessel-like structures as early as after 24 hours. This proangiogenic effect was induced by the upregulation of the proangiogenic factors, VEGF, angiopoietin1 and angiopoietin 2. In contrast to treatment with a commonly used proangiogenic agent, VEGF, Shh stimulation induced an increased expression of factors associated with vessel maturation and stabilization, mediated through the upregulation of growth factors that are strongly involved in pericyte differentiation and recruitment, including PDGF-BB and TGFbeta. In addition, Shh treatment of co-cultures also resulted in an upregulation of osteogenic differentiation markers like alkaline phosphatase, osteocalcin, osteonectin and osteopontin, as well as an increased matrix calcification. This was a result of upregulation of the osteogenic differentiation regulating factors, BMP2 and RUNX2 which could be assessed in response to Shh treatment. rn

Volatile anesthetics influence blood-brain barrier integrity by modulation of tight junction protein expression in traumatic brain injury

Disruption of the blood-brain barrier (BBB) results in cerebral edema formation, which is a major cause for high mortalityrnafter traumatic brain injury (TBI). As anesthetic care is mandatory in patients suffering from severe TBI it may be importantrnto elucidate the effect of different anesthetics on cerebral edema formation. Tight junction proteins (TJ) such as zonularnoccludens-1 (ZO-1) and claudin-5 (cl5) play a central role for BBB stability. First, the influence of the volatile anestheticsrnsevoflurane and isoflurane on in-vitro BBB integrity was investigated by quantification of the electrical resistance (TEER) inrnmurine brain endothelial monolayers and neurovascular co-cultures of the BBB. Secondly brain edema and TJ expression ofrnZO-1 and cl5 were measured in-vivo after exposure towards volatile anesthetics in native mice and after controlled corticalrnimpact (CCI). In in-vitro endothelial monocultures, both anesthetics significantly reduced TEER within 24 hours afterrnexposure. In BBB co-cultures mimicking the neurovascular unit (NVU) volatile anesthetics had no impact on TEER. In healthyrnmice, anesthesia did not influence brain water content and TJ expression, while 24 hours after CCI brain water contentrnincreased significantly stronger with isoflurane compared to sevoflurane. In line with the brain edema data, ZO-1 expressionrnwas significantly higher in sevoflurane compared to isoflurane exposed CCI animals. Immunohistochemical analysesrnrevealed disruption of ZO-1 at the cerebrovascular level, while cl5 was less affected in the pericontusional area. The studyrndemonstrates that anesthetics influence brain edema formation after experimental TBI. This effect may be attributed tornmodulation of BBB permeability by differential TJ protein expression. Therefore, selection of anesthetics may influence thernbarrier function and introduce a strong bias in experimental research on pathophysiology of BBB dysfunction. Futurernresearch is required to investigate adverse or beneficial effects of volatile anesthetics on patients at risk for cerebral edema.

Tissue engineering strategies for biomaterial-based anticancer drug delivery and enhancement of angiogenesis in tumor-resected bone

Patienten, die an Osteosarkom leiden werden derzeit mit intravenös applizierten krebstherapeutischen Mitteln nach Tumorresektion behandelt, was oftmals mit schweren Nebenwirkungen und einem verzögerten Knochenheilungsprozess einhergeht. Darüber hinaus treten vermehrt Rezidive aufgrund von verbleibenden neoplastischen Zellen an der Tumorresektionsstelle auf. Erfolgreiche Knochenregeneration und die Kontrolle von den im Gewebe verbleibenden Krebszellen stellt eine Herausforderung für das Tissue Engineering nach Knochenverlust durch Tumorentfernung dar. In dieser Hinsicht scheint der Einsatz von Hydroxyapatit als Knochenersatzmaterial in Kombination mit Cyclodextrin als Medikamententräger, vielversprechend. Chemotherapeutika können an Biomaterial gebunden und direkt am Tumorbett über einen längeren Zeitraum freigesetzt werden, um verbliebene neoplastische Zellen zu eliminieren. Lokal applizierte Chemotherapie hat diverse Vorteile, einschließlich der direkten zytotoxischen Auswirkung auf lokale Zellen, sowie die Reduzierung schwerer Nebenwirkungen. Diese Studie wurde durchgeführt, um die Funktionsfähigkeit eines solchen Arzneimittelabgabesystems zu bewerten und um Strategien im Bereich des Tissue Engineerings zu entwickeln, die den Knochenheilungsprozess und im speziellen die Vaskularisierung fördern sollen. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur Krebszellen von der chemotherapeutischen Behandlung betroffen sind. Primäre Endothelzellen wie zum Beispiel HUVEC zeigten eine hohe Sensibilität Cisplatin und Doxorubicin gegenüber. Beide Medikamente lösten in HUVEC ein tumor-unterdrückendes Signal durch die Hochregulation von p53 und p21 aus. Zudem scheint Hypoxie einen krebstherapeutischen Einfluss zu haben, da die Behandlung sensitiver HUVEC mit Hypoxie die Zellen vor Zytotoxizität schützte. Der chemo-protektive Effekt schien deutlich weniger auf Krebszelllinien zu wirken. Diese Resultate könnten eine mögliche chemotherapeutische Strategie darstellen, um den Effekt eines zielgerichteten Medikamenteneinsatzes auf Krebszellen zu verbessern unter gleichzeitiger Schonung gesunder Zellen. Eine erfolgreiche Integration eines Systems, das Arzneimittel abgibt, kombiniert mit einem Biomaterial zur Stabilisierung und Regeneration, könnte gesunden Endothelzellen die Möglichkeit bieten zu proliferieren und Blutgefäße zu bilden, während verbleibende Krebszellen eliminiert werden. Da der Prozess der Knochengeweberemodellierung mit einer starken Beeinträchtigung der Lebensqualität des Patienten einhergeht, ist die Beschleunigung des postoperativen Heilungsprozesses eines der Ziele des Tissue Engineerings. Die Bildung von Blutgefäßen ist unabdingbar für eine erfolgreiche Integration eines Knochentransplantats in das Gewebe. Daher ist ein umfangreich ausgebildetes Blutgefäßsystem für einen verbesserten Heilungsprozess während der klinischen Anwendung wünschenswert. Frühere Experimente zeigen, dass sich die Anwendung von Ko-Kulturen aus humanen primären Osteoblasten (pOB) und humanen outgrowth endothelial cells (OEC) im Hinblick auf die Bildung stabiler gefäßähnlicher Strukturen in vitro, die auch effizient in das mikrovaskuläre System in vivo integriert werden konnten, als erfolgreich erweisen. Dieser Ansatz könnte genutzt werden, um prä-vaskularisierte Konstrukte herzustellen, die den Knochenheilungsprozess nach der Implantation fördern. Zusätzlich repräsentiert das Ko-Kultursystem ein exzellentes in vitro Model, um Faktoren, welche stark in den Prozess der Knochenheilung und Angiogenese eingebunden sind, zu identifizieren und zu analysieren. Es ist bekannt, dass Makrophagen eine maßgebliche Rolle in der inflammatorisch-induzierten Angiogenese spielen. In diesem Zusammenhang hebt diese Studie den positiven Einfluss THP-1 abgeleiteter Makrophagen in Ko-Kultur mit pOB und OEC hervor. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anwendung von Makrophagen als inflammatorischer Stimulus im bereits etablierten Ko-Kultursystem zu einer pro-angiogenen Aktivierung der OEC führte, was in einer signifikant erhöhten Bildung blutgefäßähnlicher Strukturen in vitro resultierte. Außerdem zeigte die Analyse von Faktoren, die in der durch Entzündung hervorgerufenen Angiogenese eine wichtige Rolle spielen, eine deutliche Hochregulation von VEGF, inflammatorischer Zytokine und Adhäsionsmoleküle, die letztlich zu einer verstärkten Vaskularisierung beitragen. Diese Resultate werden dem Einfluss von Makrophagen zugeschrieben und könnten zukünftig im Tissue Engineering eingesetzt werden, um den Heilungsprozess zu beschleunigen und damit die klinische Situation von Patienten zu verbessern. Darüber hinaus könnte die Kombination der auf Ko-Kulturen basierenden Ansätze für das Knochen Tissue Engineering mit einem biomaterial-basierenden Arzneimittelabgabesystem zum klinischen Einsatz kommen, der die Eliminierung verbliebener Krebszellen mit der Förderung der Knochenregeneration verbindet.

Oxidative stress and inflammation response after nanoparticle exposure: differences between human lung cell monocultures and an advanced three-dimensional model of the human epithelial airways

Combustion-derived and manufactured nanoparticles (NPs) are known to provoke oxidative stress and inflammatory responses in human lung cells; therefore, they play an important role during the development of adverse health effects. As the lungs are composed of more than 40 different cell types, it is of particular interest to perform toxicological studies with co-cultures systems, rather than with monocultures of only one cell type, to gain a better understanding of complex cellular reactions upon exposure to toxic substances. Monocultures of A549 human epithelial lung cells, human monocyte-derived macrophages and monocyte-derived dendritic cells (MDDCs) as well as triple cell co-cultures consisting of all three cell types were exposed to combustion-derived NPs (diesel exhaust particles) and to manufactured NPs (titanium dioxide and single-walled carbon nanotubes). The penetration of particles into cells was analysed by transmission electron microscopy. The amount of intracellular reactive oxygen species (ROS), the total antioxidant capacity (TAC) and the production of tumour necrosis factor (TNF)-alpha and interleukin (IL)-8 were quantified. The results of the monocultures were summed with an adjustment for the number of each single cell type in the triple cell co-culture. All three particle types were found in all cell and culture types. The production of ROS was induced by all particle types in all cell cultures except in monocultures of MDDCs. The TAC and the (pro-)inflammatory reactions were not statistically significantly increased by particle exposure in any of the cell cultures. Interestingly, in the triple cell co-cultures, the TAC and IL-8 concentrations were lower and the TNF-alpha concentrations were higher than the expected values calculated from the monocultures. The interplay of different lung cell types seems to substantially modulate the oxidative stress and the inflammatory responses after NP exposure.

Macrophages and dendritic cells express tight junction proteins and exchange particles in an in vitro model of the human airway wall

The human airway epithelium serves as structural and functional barrier against inhaled particulate antigen. Previously, we demonstrated in an in vitro epithelial barrier model that monocyte derived dendritic cells (MDDC) and monocyte derived macrophages (MDM) take up particulate antigen by building a trans-epithelial interacting network. Although the epithelial tight junction (TJ) belt was penetrated by processes of MDDC and MDM, the integrity of the epithelium was not affected. These results brought up two main questions: (1) Do MDM and MDDC exchange particles? (2) Are those cells expressing TJ proteins, which are believed to interact with the TJ belt of the epithelium to preserve the epithelial integrity? The expression of TJ and adherens junction (AJ) mRNA and proteins in MDM and MDDC monocultures was determined by RT-PCR, and immunofluorescence, respectively. Particle uptake and exchange was quantified by flow cytometry and laser scanning microscopy in co-cultures of MDM and MDDC exposed to polystyrene particles (1 μm in diameter). MDM and MDDC constantly expressed TJ and AJ mRNA and proteins. Flow cytometry analysis of MDM and MDDC co-cultures showed increased particle uptake in MDDC while MDM lost particles over time. Quantitative analysis revealed significantly higher particle uptake by MDDC in co-cultures of epithelial cells with MDM and MDDC present, compared to co-cultures containing only epithelial cells and MDDC. We conclude from these findings that MDM and MDDC express TJ and AJ proteins which could help to preserve the epithelial integrity during particle uptake and exchange across the lung epithelium.

TNFα inhibits the development of osteoclasts through osteoblast-derived GM-CSF

Inflammatory cytokines such as tumor necrosis factor-alpha (TNFα) are potent stimulators of osteoclast formation and bone resorption and are frequently associated with pathologic bone metabolism. The cytokine exerts specific effects on its target cells and constitutes a part of the cellular microenvironment. Previously, TNFα was demonstrated to inhibit the development of osteoclasts in vitro via an osteoblast-mediated pathway. In the present study, the molecular mechanisms of the inhibition of osteoclastogenesis were investigated in co-cultures of osteoblasts and bone marrow cells (BMC) and in cultures of macrophage-colony stimulating factor (M-CSF) dependent, non-adherent osteoclast progenitor cells (OPC) grown with M-CSF and receptor activator of NF-κB ligand (RANKL). Granulocyte-macrophage colony stimulating factor (GM-CSF), a known inhibitor of osteoclastogenesis was found to be induced in osteoblasts treated with TNFα and the secreted protein accumulated in the supernatant. Dexamethasone (Dex), an anti-inflammatory steroid, caused a decrease in GM-CSF expression, leading to partial recovery of osteoclast formation. Flow cytometry analysis revealed that in cultures of OPC, supplemented with 10% conditioned medium (CM) from osteoblasts treated with TNFα/1,25(OH)(2)D(3), expression of RANK and CD11c was suppressed. The decrease in RANK expression may be explained by the finding, that GM-CSF and the CM from wt osteoblasts were found to suppress the expression of c-Fos, Fra-1, and Nfatc-1. The failure of OPC to develop into CD11c(+) dendritic cells suggests that cell development is not deviated to an alternative differentiation pathway, but rather, that the monocytes are maintained in an undifferentiated, F4/80(+), state. The data further implies possible interactions among inflammatory cytokines. GM-CSF induced by TNFα acts on early hematopoietic precursors, inhibiting osteoclastogenesis while acting as the growth factor for M-CSF independent inflammatory macrophages. These in turn may condition a microenvironment enhancing osteoclast differentiation and bone resorption upon migration of the OPC from circulation to the bone/bone marrow compartment.

Pulmonary surfactant coating of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) influences their oxidative and pro-inflammatory potential in vitro

Background Increasing concern has been expressed regarding the potential adverse health effects that may be associated with human exposure to inhaled multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). Thus it is imperative that an understanding as to the underlying mechanisms and the identification of the key factors involved in adverse effects are gained. In the alveoli, MWCNTs first interact with the pulmonary surfactant. At this interface, proteins and lipids of the pulmonary surfactant bind to MWCNTs, affecting their surface characteristics. Aim of the present study was to investigate if the pre-coating of MWCNTs with pulmonary surfactant has an influence on potential adverse effects, upon both (i) human monocyte derived macrophages (MDM) monocultures, and (ii) a sophisticated in vitro model of the human epithelial airway barrier. Both in vitro systems were exposed to MWCNTs either pre-coated with a porcine pulmonary surfactant (Curosurf) or not. The effect of MWCNTs surface charge was also investigated in terms of amino (−NH2) and carboxyl (−COOH) surface modifications. Results Pre-coating of MWCNTs with Curosurf affects their oxidative potential by increasing the reactive oxygen species levels and decreasing intracellular glutathione depletion in MDM as well as decreases the release of Tumour necrosis factor alpha (TNF-α). In addition, an induction of apoptosis was observed after exposure to Curosurf pre-coated MWCNTs. In triple cell-co cultures the release of Interleukin-8 (IL-8) was increased after exposure to Curosurf pre-coated MWCNTs. Effects of the MWCNTs functionalizations were minor in both MDM and triple cell co-cultures. Conclusions The present study clearly indicates that the pre-coating of MWCNTs with pulmonary surfactant more than the functionalization of the tubes is a key factor in determining their ability to cause oxidative stress, cytokine/chemokine release and apoptosis. Thus the coating of nano-objects with pulmonary surfactant should be considered for future lung in vitro risk assessment studies. Keywords: Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); Pulmonary surfactant (Curosurf); Macrophages; Epithelial cells; Dendritic cells; Triple cell co-culture; Pro-inflammatory and oxidative reactions

Tumor necrosis factor-alpha: alternative role as an inhibitor of osteoclast formation in vitro

TNFalpha is known to stimulate the development and activity of osteoclasts and of bone resorption. The cytokine was found to mediate bone loss in conjunction with inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis or chronic aseptic inflammation induced by wear particles from implants and was suggested to be a prerequisite for the loss of bone mass under estrogen deficiency. In the present study, the regulation of osteoclastogenesis by TNFalpha was investigated in co-cultures of osteoblasts and bone marrow or spleen cells and in cultures of bone marrow and spleen cells grown with CSF-1 and RANKL. Low concentrations of TNFalpha (1 ng/ml) caused a >90% decrease in the number of osteoclasts in co-cultures, but did not affect the development of osteoclasts from bone marrow cells. In cultures with p55TNFR(-/-) osteoblasts and wt BMC, the inhibitory effect was abrogated and TNFalpha induced an increase in the number of osteoclasts in a dose-dependent manner. Osteoblasts were found to release the inhibitory factor(s) into the culture supernatant after simultaneous treatment with 1,25(OH)(2)D(3) and TNFalpha, this activity, but not its release, being resistant to treatment with anti-TNFalpha antibodies. Dexamethasone blocked the secretion of the TNFalpha-dependent inhibitor by osteoblasts, while stimulating the development of osteoclasts. The data suggest that the effects of TNFalpha on the differentiation of osteoclast lineage cells and on bone metabolism may be more complex than hitherto assumed and that these effects may play a role in vivo during therapies for inflammatory diseases.

Dendritic cells and macrophages form a transepithelial network against foreign particulate antigens

Fine particles (0.1-2.5 microm in diameter) may cause increased pulmonary morbidity and mortality. We demonstrate with a cell culture model of the human epithelial airway wall that dendritic cells extend processes between epithelial cells through the tight junctions to collect particles in the "luminal space" and to transport them through cytoplasmic processes between epithelial cells across the epithelium or to transmigrate through the epithelium to take up particles on the epithelial surface. Furthermore, dendritic cells interacted with particle-loaded macrophages on top of the epithelium and with other dendritic cells within or beneath the epithelium to take over particles. By comparing the cellular interplay of dendritic cells and macrophages across epithelial monolayers of different transepithelial electrical resistance, we found that more dendritic cells were involved in particle uptake in A549 cultures showing a low transepithelial electrical resistance compared with dendritic cells in16HBE14o cultures showing a high transepithelial electrical resistance 10 min (23.9% versus 9.5%) and 4 h (42.1% versus 14.6%) after particle exposition. In contrast, the macrophages in A549 co-cultures showed a significantly lower involvement in particle uptake compared with 16HBE14o co-cultures 10 min (12.8% versus 42.8%) and 4 h (57.4% versus 82.7%) after particle exposition. Hence we postulate that the epithelial integrity influences the particle uptake by dendritic cells, and that these two cell types collaborate as sentinels against foreign particulate antigen by building a transepithelial interacting cellular network.

Diesel exhaust particles modulate the tight junction protein occludin in lung cells in vitro

ABSTRACT: BACKGROUND: Using an in vitro triple cell co-culture model consisting of human epithelial cells (16HBE14o-), monocyte-derived macrophages and dendritic cells, it was recently demonstrated that macrophages and dendritic cells create a transepithelial network between the epithelial cells to capture antigens without disrupting the epithelial tightness. The expression of the different tight junction proteins in macrophages and dendritic cells, and the formation of tight junction-like structures with epithelial cells has been demonstrated. Immunofluorescent methods combined with laser scanning microscopy and quantitative real-time polymerase chain reaction were used to investigate if exposure to diesel exhaust particles (DEP) (0.5, 5, 50, 125 mug/ml), for 24 h, can modulate the expression of the tight junction mRNA/protein of occludin, in all three cell types. RESULTS: Only the highest dose of DEP (125 mug/ml) seemed to reduce the occludin mRNA in the cells of the defence system however not in epithelial cells, although the occludin arrangement in the latter cell type was disrupted. The transepithelial electrical resistance was reduced in epithelial cell mono-cultures but not in the triple cell co-cultures, following exposure to high DEP concentration. Cytotoxicity was not found, in either epithelial mono-cultures nor in triple cell co-cultures, after exposure to the different DEP concentrations. CONCLUSION: We concluded that high concentrations of DEP (125 mug/ml) can modulate the tight junction occludin mRNA in the cells of the defence system and that those cells play an important role maintaining the epithelial integrity following exposure to particulate antigens in lung cells.

Cellular and network mechanisms of rhythm generation in spinal cord circuits

The generation of rhythmic electrical activity is a prominent feature of spinal cord circuits that is used for locomotion and also for circuit refinement during development. The mechanisms involved in rhythm generation in spinal cord networks are not fully understood. It is for example not known whether spinal cord rhythms are driven by pacemaker neurons and if yes, which neurons are involved in this function. We studied the mechanisms involved in rhythm generation in slice cultures from fetal rats that were grown on multielectrode arrays (MEAs). We combined multisite extracellular recordings from the MEA electrodes with intracellular patch clamp recordings from single neurons. We found that spatially restricted oscillations of activity appeared in most of the cultures spontaneously. Such activity was based on intrinsic activity in a percentage of the neurons that could activate the spinal networks through recurrent excitation. The local oscillator networks critically involved NMDA, AMPA and GABA / glycine receptors at subsequent phases of the oscillation cycle. Intrinsic spiking in individual neurons (in the absence of functional synaptic coupling) was based on persistent sodium currents. Intrinsic firing as well as persistent sodium currents were increased by 5-HT through 5-HT2 receptors. Comparing neuronal activity to muscle activity in co-cultures of spinal cord slices with muscle fibers we found that a percentage of the intrinsically spiking neurons were motoneurons. These motoneurons were electrically coupled among each other and they could drive the spinal networks through cholinergic recurrent excitation. These findings open the possibility that during development rhythmic activity in motoneurons is not only involved in circuit refinement downstream at the neuromuscular endplates but also upstream at the level of spinal cord circuits.