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.

Bisphosphonat-assoziierte Osteonekrose der Kiefer : In-vitro-Untersuchungen zur Pathologie und zu möglichen Therapieansätzen

Die Bisphosphonat-assoziierte Osteonekrose der Kiefer (BP-ONJ) stellt eine ernstzunehmende Nebenwirkung der Therapie mit stickstoffhaltigen Bisphosphonaten (N-BP) dar, deren Ätiologie bisher noch nicht vollständig geklärt ist. Da entzündliche Prozesse eine wichtige Rolle zu spielen scheinen, wurde der Einfluss verschiedener Bisphosphonate auf die Mechanismen der granulozytären Erregerabwehr untersucht. Die N-BP Ibandronat, Pamidronat und Zoledronat steigerten die Phagozytose und den oxidativen Burst signifikant. Die fMLP-stimulierte Chemotaxis wurde durch Ibandronat und Zoledronat signifikant reduziert. Das stickstofffreie Clodronat zeigte keinen Effekt auf die getesteten Abwehrmechanismen. Auf der Suche nach therapeutischen Optionen gegen die BP-ONJ wurden die Isoprenoide Farnesol, Geranylgeraniol, Eugenol, Menthol, Limonene und Squalene auf deren Fähigkeit untersucht, die schädigenden Effekte Zoledronats auf verschiedene Zelllinien zu antagonisieren. Geranylgeraniol zeigte als einzige Verbindung eine protektive Wirkung auf gingivale Fibroblasten, Endothelzellen und Osteoblasten. Desweiteren kam es unter Zoledronat zum Anstieg der kleinen GTPasen RhoA und RhoB in gingivalen Fibroblasten. Auch der Gehalt an GTP-gebundenem RhoA stieg nach Zoledronat-Inkubation. Der Einfluss des N-BPs ließ sich auch auf Proteinebene durch Geranylgeraniol antagonisieren und nicht durch Farnesol. Die Tatsache, dass N-BP die granulozytäre Abwehr beeinflussen, unterstützt die Bedeutung keimreduzierender Maßnahmen im Rahmen der Nekroseprophylaxe und -therapie. Außerdem untermauern die Ergebnisse der Arbeit das Potential Geranylgeraniols als neue therapeutische Option.

Expanding the scope of poly(ethylene glycol)s for bioconjugation to squaric acid-mediated PEGylation and pH-sensitivity

Poly(ethylene glycol) (PEG) is used in a broad range of applications due to its unique combination of properties and is approved use in formulations for body-care products, edibles and medicine. This thesis aims at the synthesis and characterization of novel heterofunctional PEG structures and the establishment of diethyl squarate as a suitable linker for the covalent attachment to proteins. Chapter 1 is an introduction on the properties and applications of PEG as well as the fascinating chemistry of squaric acid derivatives. In Chapter 1.1, the synthesis and properties of PEG are described, and the versatile applications of PEG derivatives in everyday products are emphasized with a focus on PEG-based pharmaceuticals and nonionic surfactants. This chapter is written in German, as it was published in the German Journal Chemie in unserer Zeit. Chapter 1.2 deals with PEGs major drawbacks, its non-biodegradability, which impedes parenteral administration of PEG conjugates with polyethers exceeding the renal excretion limit, although these would improve blood circulation times and passive tumor targeting. This section gives a comprehensive overview of the cleavable groups that have been implemented in the polyether backbone to tackle this issue as well as the synthetic strategies employed to accomplish this task. Chapter 1.3 briefly summarizes the chemical properties of alkyl squarates and the advantages in protein conjugation chemistry that can be taken from its use as a coupling agent. In Chapter 2, the application of diethyl squarate as a coupling agent in the PEGylation of proteins is illustrated. Chapter 2.1 describes the straightforward synthesis and characterization of squaric acid ethyl ester amido PEGs with terminal hydroxyl functions or methoxy groups. The reactivity and selectivity of theses activated PEGs are explored in kinetic studies on the reactions with different lysine and other amino acid derivatives, followed by 1H NMR spectroscopy. Further, the efficient attachment of the novel PEGs to a model protein, i.e., bovine serum albumin (BSA), demonstrates the usefulness of the new linker for the PEGylation with heterofunctional PEGs. In Chapter 2.3 initial studies on the biocompatibility of polyether/BSA conjugates synthesized by the squaric acid mediated PEGylation are presented. No cytotoxic effects on human umbilical vein endothelial cells exposed to various concentrations of the conjugates were observed in a WST-1 assay. A cell adhesion molecule - enzyme immunosorbent assay did not reveal the expression of E-selectin or ICAM-1, cell adhesion molecules involved in inflammation processes. The focus of Chapter 3 lies on the syntheses of novel heterofunctional PEG structures which are suitable candidates for the squaric acid mediated PEGylation and exhibit superior features compared to established PEGs applied in bioconjugation. Chapter 3.1 describes the synthetic route to well-defined, linear heterobifunctional PEGs carrying a single acid-sensitive moiety either at the initiation site or at a tunable position in the polyether backbone. A universal concept for the implementation of acetal moieties into initiators for the anionic ring-opening polymerization (AROP) of epoxides is presented and proven to grant access to the degradable PEG structures aimed at. The hydrolysis of the heterofunctional PEG with the acetal moiety at the initiating site is followed by 1H NMR spectroscopy in deuterium oxide at different pH. In an exploratory study, the same polymer is attached to BSA via the squarate acid coupling and subsequently cleaved from the conjugate under acidic conditions. Furthermore, the concept for the generation of acetal-modified AROP initiators is demonstrated to be suitable for cholesterol, and the respective amphiphilic cholesteryl-PEG is cleaved at lowered pH. In Chapter 3.2, the straightforward synthesis of α-amino ω2-dihydroxyl star-shaped three-arm PEGs is described. To assure a symmetric length of the hydroxyl-terminated PEG arms, a novel AROP initiator is presented, who’s primary and secondary hydroxyl groups are separated by an acetal moiety. Upon polymerization of ethylene oxide for these functionalities and subsequent cleavage of the acid-labile unit no difference in the degree of polymerization is seen for both polyether fragments.

Chaperone BiP: Master regulator of the unfolded protein response (UPR) and its role in regulation of angiogenesis

Verschiedene Krankheiten gehen mit einer fehlerhaften Vaskularisierung einher. Allerdings ist der Erfolg der derzeitig vorhandenen Therapieansätze, die sich z.B. auf VEGF fokussieren, beschränkt. Aus diesem Grund ist es wichtig, neue Strategien zur Regulation der Angiogenese zu entwickeln. Hierbei stehen neue Signaltransduktions-wege im Fokus, die sich als vielversprechend erweisen, um Angiogenese zu fördern oder zu inhibieren. Die Blutgefäßneubildung ist ein hochregulierter Prozess, der mit einer hohen Proteinsyntheserate verknüpft ist. Die Angiogenese wurde bereits mit dem ER-Stress Signaltransduktionsweg, der Unfolded Protein Response (UPR), in Verbindung gebracht (Zeng et al., 2013; Bouvier et al., 2012). Eine im Rahmen der vorliegenden Studie durchgeführte histologische Untersuchung konnte eine Fehlregulierung der Expression von UPR beteiligten Proteinen in vivo unter pathologischen Bedingungen gezeigt werden. Bemerkenswerter Weise war BiP, der Hauptsensor der UPR, in Endothelzellen von Angiosarkomen sehr stark exprimiert. In in vitro Experimenten wurde gezeigt, dass das Herunterregulieren von BiP mittels RNAi Einfluss auf die inflammatorische Antwort und die Bildung angiogener Strukturen in Endothelzellen nimmt. Das Herunterregulieren des Proteins BiP verstärkte die inflammatorische Antwort von HUVEC, was sich in einer gesteigerten Bildung von IL-8 und ICAM-1 äußerte und wurde auf die Aktivierung der UPR durch die verringerte Menge an BiP zurückgeführt. Der Phänotyp BiP-herunterregulierter Zellen entsprach dem untransfizierter Zellen, welcher durch das Cytoskelett und die Expression des endothelspezifischen Markers CD31 charakterisiert wurde. Im Gegensatz dazu änderte sich der Grad der Glykosylierung in transfizierten Zellen. Im Hinblick auf die Blutgefäßbildung, zeigten sich eine gehemmte Migration und eine inhibierte Bildung Gefäß-ähnlicher Strukturen in BiP-herunterregulierten Zellen. In diesen Zellen war die Expression von KDR auffallend stark inhibiert, wohingegen die Flt-1 Expression sich als gleichbleibend herausstellte, was ebenfalls auf die Aktivierung der UPR zurückgeführt werden konnte. Alternativ wäre der reduzierte Level des Proteins BiP im Hinblick auf die Funktion als Helferenzym in der Proteinfaltung eine mögliche Erklärung für die gehemmte Expression von KDR. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass stabile Spiegel von BiP die Regulierung der Angiogenese durch die Kontrolle der UPR in physiologischen Prozessen unterstützen könnte. Eine Fehlregulierung von BiP durch Unterdrückung der UPR, wie z.B. in malignen Tumoren, könnte Tumorzellen und beteiligten Endothelzellen einen Vorteil verschaffen und zu einer gestörten Vaskularisierung führen. Somit stellt das Stresssensorprotein BiP und die UPR einen potentiellen Angriffspunkt für die Regulation der Angiogenese dar.

Blood-CNS barriers in neurodegenerative diseases

The blood-brain barrier (BBB) and the blood-spinal cord barrier (BSCB) separate the brain and the spinal cord from the circulating blood and are important for the maintenance of the CNS homeostasis. They build a physical barrier thereby protecting the CNS from pathogens and toxic agents, and their disruption plays a crucial role in the pathogenesis of several CNS disorders. In this thesis, the blood-CNS-barriers were studied via in vitro models in two case studies for neurodegenerative disorders, in particular Alzheimer’s disease (AD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The first model evaluates treatment possibilities of AD using nanotechnology-based strategies. Since the toxic amyloid-β42 (Aβ42) peptide plays a crucial role in the pathogenesis of AD, reduced generation or enhanced clearance of Aβ42 peptides are expected to modify the disease course in AD. Therefore, several Aβ42-lowering drugs like flurbiprofen had been tested in clinical trials, but most of them failed due to their low brain penetration. Here, flurbiprofen was embedded in polylactide (PLA) nanoparticles and its transport was examined in an in vitro BBB model. The embedding of flurbiprofen into the nanoparticles disguised its cytotoxic potential and enabled the administration of higher drug concentrations which resulted in a sufficient transport of the drug across an endothelial cell monolayer. These results demonstrate that non-permeable drugs can be transported efficiently via nanoparticles and that these nanotechnology-based strategies are a promising tool to generate novel therapeutic options for AD and other CNS diseases. rnThe focus of the second project was to investigate the impaired integrity of the BSCB in a mouse model for ALS. About 20% of all familial ALS cases are associated with missense mutations or small deletions in the gene that encodes Cu/Zn-superoxide dismutase 1 (SOD1). To date, the molecular mechanisms resulting in ALS are still unknown, but there is evidence that the disruption of the BSCB is one of the primary pathological events. In both familial and sporadic ALS patients, loss of endothelial integrity and endothelial cell damage was observed, and studies with SOD1 transgenic mice demonstrated that the BSCB disruption was found prior to motor neuron degeneration and neurovascular inflammation. Thus, an in vitro model for ALS endothelial cells was generated which exhibited comparable integrity characteristics and tight junction (TJ) protein expression profiles as isolated primary endothelial cells of the BSCB of SOD1 transgenic mice. In this, an alteration of the βcat/AKT/FoxO1 pathway, which regulates the expression of the TJ protein claudin-5, could be observed. These data furthermore indicate that ALS is a neurovascular disease, and understanding of the primary events in ALS pathogenesis will hopefully provide ideas for the development of new therapeutic strategies. rn

Einfluss des Calcium-sensitiven Rezeptors auf knochenspezifische Metastasierungsprozesse des Nierenzellkarzinoms

Der Grund für die schlechte Prognose beim Nierenzellkarzinom (NZK) stellt nicht der Primärtumor dar sondern ist vielmehr der häufigen Ausbildung von Fernmetastasen geschuldet. Etwa 30 % aller Patienten mit fortgeschrittenem NZK bilden dabei Metastasen in den Knochen aus. Das Knochenmilieu scheint, aufgrund der hohen Frequenz der knochenspezifischen Metastasierung, einen idealen Wachstumslokus für die Nierenkarzinomzellen dazustellen und rückte in der jüngsten Vergangenheit in den Fokus der Forschung. Dabei konnte der Calcium-sensitive Rezeptor (CaSR), der im gesunden Gewebe die Konzentration der extrazellulären Calcium-Ionen reguliert und besonders in der Niere von Bedeutung ist, mit der Metastasierung in die Knochen in Zusammenhang gebracht werden. Die Knochen stellen im Körper das Organ mit der höchsten Calcium-Konzentration dar. Durch ständigen Knochenmetabolismus werden Calcium-Ionen freigesetzt, welche CaSR-exprimierende Zellen aktivieren können. Aus diesem Grund wurden im Zusammenhang mit dieser Arbeit Nierenkarzinomzellen (786 O) sowie gesunde Nierenzellen (HEK 293) mit dem Gen des CaSR transfiziert und anschließend unter dem Einfluss von Calcium (10 mM – 30 Min.), einem CaSR-Aktivator (Cinacalcet (10 µM – 1 Std.)), sowie einem CaSR-Inhibitor (NPS2143 (10 µM – 1 Std.)) auf Unterschiede im zellulären Verhalten hin untersucht.rnBereits ohne Calcium-Behandlung zeigten die CaSR-transfizierten 786 O-Zellen ein gesteigertes Migrationsverhalten (durchgeführt in einer Boyden Kammer, Fibronektin als Chemotaxin) und ein erhöhtes Adhäsionspotential (zum einen an Kompo¬nenten der EZM (Fibronektin und Kollagen I) und zum anderen an HUVEC). Bei den CaSR-transfizierten HEK 293-Zellen wurde nur die Migration positiv beeinflusst. Nach einer 30-minütigen Behandlung mit Calcium zeigten die CaSR-transfizierten 786 O-Zellen eine starke Zunahme des Adhäsions- und Proli¬ferations-verhaltens, sowie eine verstärkte Migration bei Verwendung von Calcium als Chemotaxin. CaSR-transfizierte HEK 293-Zellen hingegen zeigten keine Migration und nach Calcium-Behandlung nur geringfügige Änderungen in Adhäsion und Proliferation. Konsistent mit diesen Ergebnissen war die Auswertung der intrazellulären Signalwege mit Hilfe von Western Blot-Analysen. In CaSR-expri-mierenden 786 O-Zellen waren die Signalwege AKT, ERK, JNK und p38α nach Calcium-Behandlung deutlich erhöht. In den HEK 293-Zellen kam es zu einer Zunahme der Proteinmenge aktivierter ERK-, JNK-, Paxillin- und SHC-Moleküle. Mit Hilfe einer Kombinationsbehandlung aus NPS2143 und Calcium konnte der Calcium-bedingte Effekt in durchweg allen Untersuchungen wieder bis auf das Kontrollniveau gesenkt werden. Die Verwendung von Cinacalcet und Calcium führte zwar erneut zu deutlichen Steigerungen der zellulären Vorgänge, lag aber immer unter dem Calcium-abhängigen Maximum.rnDurch die Simulation der Vorgänge, die während einer Metastasierung ablaufen, konnte gezeigt werden, dass der CaSR in Nierenkarzinomzellen die Knochen-metastasierung induziert. Sollten sich diese Zusammenhänge in vivo im Mausmodell bestätigen, könnte der CaSR zukünftig als Marker für eine Früherkennung von Knochenmetastasen fungieren. Zudem könnten indivi¬dual¬isierte Therapieansätze entwickelt werden, die knochenmetastasierende Zellen bereits vor Metastasierung effizient bekämpfen können.rn

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

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

Pulsatile shear and Gja5 modulate arterial identity and remodeling events during flow-driven arteriogenesis

In the developing chicken embryo yolk sac vasculature, the expression of arterial identity genes requires arterial hemodynamic conditions. We hypothesize that arterial flow must provide a unique signal that is relevant for supporting arterial identity gene expression and is absent in veins. We analyzed factors related to flow, pressure and oxygenation in the chicken embryo vitelline vasculature in vivo. The best discrimination between arteries and veins was obtained by calculating the maximal pulsatile increase in shear rate relative to the time-averaged shear rate in the same vessel: the relative pulse slope index (RPSI). RPSI was significantly higher in arteries than veins. Arterial endothelial cells exposed to pulsatile shear in vitro augmented arterial marker expression as compared with exposure to constant shear. The expression of Gja5 correlated with arterial flow patterns: the redistribution of arterial flow provoked by vitelline artery ligation resulted in flow-driven collateral arterial network formation and was associated with increased expression of Gja5. In situ hybridization in normal and ligation embryos confirmed that Gja5 expression is confined to arteries and regulated by flow. In mice, Gja5 (connexin 40) was also expressed in arteries. In the adult, increased flow drives arteriogenesis and the formation of collateral arterial networks in peripheral occlusive diseases. Genetic ablation of Gja5 function in mice resulted in reduced arteriogenesis in two occlusion models. We conclude that pulsatile shear patterns may be central for supporting arterial identity, and that arterial Gja5 expression plays a functional role in flow-driven arteriogenesis.

Ephrin-B2 controls VEGF-induced angiogenesis and lymphangiogenesis

In development, tissue regeneration or certain diseases, angiogenic growth leads to the expansion of blood vessels and the lymphatic vasculature. This involves endothelial cell proliferation as well as angiogenic sprouting, in which a subset of cells, termed tip cells, acquires motile, invasive behaviour and extends filopodial protrusions. Although it is already appreciated that angiogenesis is triggered by tissue-derived signals, such as vascular endothelial growth factor (VEGF) family growth factors, the resulting signalling processes in endothelial cells are only partly understood. Here we show with genetic experiments in mouse and zebrafish that ephrin-B2, a transmembrane ligand for Eph receptor tyrosine kinases, promotes sprouting behaviour and motility in the angiogenic endothelium. We link this pro-angiogenic function to a crucial role of ephrin-B2 in the VEGF signalling pathway, which we have studied in detail for VEGFR3, the receptor for VEGF-C. In the absence of ephrin-B2, the internalization of VEGFR3 in cultured cells and mutant mice is defective, which compromises downstream signal transduction by the small GTPase Rac1, Akt and the mitogen-activated protein kinase Erk. Our results show that full VEGFR3 signalling is coupled to receptor internalization. Ephrin-B2 is a key regulator of this process and thereby controls angiogenic and lymphangiogenic growth.

Differential expression of the bone and the liver tissue non-specific alkaline phosphatase isoforms in brain tissues

The enzyme tissue non-specific alkaline phosphatase (TNAP) belongs to the ectophosphatase family. It is present in large amounts in bone in which it plays a role in mineralization but little is known about its function in other tissues. Arguments are accumulating for its involvement in the brain, in particular in view of the neurological symptoms accompanying human TNAP deficiencies. We have previously shown, by histochemistry, alkaline phosphatase (AP) activity in monkey brain vessels and parenchyma in which AP exhibits specific patterns. Here, we clearly attribute this activity to TNAP expression rather than to other APs in primates (human and marmoset) and in rodents (rat and mouse). We have not found any brain-specific transcripts but our data demonstrate that neuronal and endothelial cells exclusively express the bone TNAP transcript in all species tested, except in mouse neurons in which liver TNAP transcripts have also been detected. Moreover, we highlight the developmental regulation of TNAP expression; this also acts during neuronal differentiation. Our study should help to characterize the regulation of the expression of this ectophosphatase in various cell types of the central nervous system.

Critical roles for Rac GTPases in T-cell migration to and within lymph nodes

Naive T cells continuously recirculate between secondary lymphoid tissue via the blood and lymphatic systems, a process that maximizes the chances of an encounter between a T cell and its cognate antigen. This recirculation depends on signals from chemokine receptors, integrins, and the sphingosine-1-phosphate receptor. The authors of previous studies in other cell types have shown that Rac GTPases transduce signals leading to cell migration and adhesion; however, their roles in T cells are unknown. By using both 3-dimensional intravital and in vitro approaches, we show that Rac1- and Rac2-deficient T cells have multiple defects in this recirculation process. Rac-deficient T cells home very inefficiently to lymph nodes and the white pulp of the spleen, show reduced interstitial migration within lymph node parenchyma, and are defective in egress from lymph nodes. These mutant T cells show defective chemokine-induced chemotaxis, chemokinesis, and adhesion to integrin ligands. They have reduced lateral motility on endothelial cells and transmigrate in-efficiently. These multiple defects stem from critical roles for Rac1 and Rac2 in transducing chemokine and sphingosine-1-phosphate receptor 1 signals leading to motility and adhesion.

A transgenic model for conditional induction and rescue of portal hypertension reveals a role of VEGF-mediated regulation of sinusoidal fenestrations

Portal hypertension (PH) is a common complication and a leading cause of death in patients with chronic liver diseases. PH is underlined by structural and functional derangement of liver sinusoid vessels and its fenestrated endothelium. Because in most clinical settings PH is accompanied by parenchymal injury, it has been difficult to determine the precise role of microvascular perturbations in causing PH. Reasoning that Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) is required to maintain functional integrity of the hepatic microcirculation, we developed a transgenic mouse system for a liver-specific-, reversible VEGF inhibition. The system is based on conditional induction and de-induction of a VEGF decoy receptor that sequesters VEGF and preclude signaling. VEGF blockade results in sinusoidal endothelial cells (SECs) fenestrations closure and in accumulation and transformation of the normally quiescent hepatic stellate cells, i.e. provoking the two processes underlying sinusoidal capillarization. Importantly, sinusoidal capillarization was sufficient to cause PH and its typical sequela, ascites, splenomegaly and venous collateralization without inflicting parenchymal damage or fibrosis. Remarkably, these dramatic phenotypes were fully reversed within few days from lifting-off VEGF blockade and resultant re-opening of SECs' fenestrations. This study not only uncovered an indispensible role for VEGF in maintaining structure and function of mature SECs, but also highlights the vasculo-centric nature of PH pathogenesis. Unprecedented ability to rescue PH and its secondary manifestations via manipulating a single vascular factor may also be harnessed for examining the potential utility of de-capillarization treatment modalities.

A prokaryotic S1P lyase degrades extracellular S1P in vitro and in vivo: implication for treating hyperproliferative disorders

Sphingosine-1-phosphate (S1P) regulates a broad spectrum of fundamental cellular processes like proliferation, death, migration and cytokine production. Therefore, elevated levels of S1P may be causal to various pathologic conditions including cancer, fibrosis, inflammation, autoimmune diseases and aberrant angiogenesis. Here we report that S1P lyase from the prokaryote Symbiobacterium thermophilum (StSPL) degrades extracellular S1P in vitro and in blood. Moreover, we investigated its effect on cellular responses typical of fibrosis, cancer and aberrant angiogenesis using renal mesangial cells, endothelial cells, breast (MCF-7) and colon (HCT 116) carcinoma cells as disease models. In all cell types, wild-type StSPL, but not an inactive mutant, disrupted MAPK phosphorylation stimulated by exogenous S1P. Functionally, disruption of S1P receptor signaling by S1P depletion inhibited proliferation and expression of connective tissue growth factor in mesangial cells, proliferation, migration and VEGF expression in carcinoma cells, and proliferation and migration of endothelial cells. Upon intravenous injection of StSPL in mice, plasma S1P levels rapidly declined by 70% within 1 h and then recovered to normal 6 h after injection. Using the chicken chorioallantoic membrane model we further demonstrate that also under in vivo conditions StSPL, but not the inactive mutant, inhibited tumor cell-induced angiogenesis as an S1P-dependent process. Our data demonstrate that recombinant StSPL is active under extracellular conditions and holds promise as a new enzyme therapeutic for diseases associated with increased levels of S1P and S1P receptor signaling.