Proteomic analysis of ocular surface components by use of HPLC based mass spectrometric strategies

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Top Down (TD) und zwei Bottom Up (BU) MALDI/ESI Massenspektrometrie/HPLC-Methoden entwickelt mit dem Ziel Augenoberfächenkomponenten, d.h. Tränenfilm und Konjunktivalzellen zu analysieren. Dabei wurde ein detaillierter Einblick in die Entwicklungsschritte gegeben und die Ansätze auf Eignung und methodische Grenzen untersucht. Während der TD Ansatz vorwiegend Eignung zur Analyse von rohen, weitgehend unbearbeiteten Zellproben fand, konnten mittels des BU Ansatzes bearbeitete konjunktivale Zellen, aber auch Tränenfilm mit hoher Sensitivität und Genauigkeit proteomisch analysiert werden. Dabei konnten mittels LC MALDI BU-Methode mehr als 200 Tränenproteine und mittels der LC ESI Methode mehr als 1000 Tränen- sowie konjunktivale Zellproteine gelistet werden. Dabei unterschieden sich ESI- and MALDI- Methoden deutlich bezüglich der Quantität und Qualität der Ergebnisse, weshalb differente proteomische Anwendungsgebiete der beiden Methoden vorgeschlagen wurden. Weiterhin konnten mittels der entwickelten LC MALDI/ESI BU Plattform, basierend auf den Vorteilen gegenüber dem TD Ansatz, therapeutische Einflüsse auf die Augenoberfläche mit Fokus auf die topische Anwendung von Taurin sowie Taflotan® sine, untersucht werden. Für Taurin konnten entzündungshemmende Effekte, belegt durch dynamische Veränderungen des Tränenfilms, dokumentiert werden. Außerdem konnten vorteilhafte, konzentrationsabhängige Wirkweisen auch in Studien an konjunktival Zellen gezeigt werden. Für die Anwendung von konservierungsmittelfreien Taflotan® sine, konnte mittels LC ESI BU Analyse eine Regenerierung der Augenoberfläche in Patienten mit Primärem Offenwinkel Glaukom (POWG), welche unter einem “Trockenem Auge“ litten nach einem therapeutischen Wechsel von Xalatan® basierend auf dynamischen Tränenproteomveränderungen gezeigt werden. Die Ergebnisse konnten mittels Microarray (MA) Analysen bestätigt werden. Sowohl in den Taurin Studien, als auch in der Taflotan® sine Studie, konnten charakteristische Proteine der Augenoberfläche dokumentiert werden, welche eine objektive Bewertung des Gesundheitszustandes der Augenoberfläche ermöglichen. Eine Kombination von Taflotan® sine und Taurin wurde als mögliche Strategie zur Therapie des Trockenen Auges bei POWG Patienten vorgeschlagen und diskutiert.

Molecular mechanisms of shikonin and its derivatives in cancer therapy

The identification of molecular processes involved in cancer development and prognosis opened avenues for targeted therapies, which made treatment more tumor-specific and less toxic than conventional therapies. One important example is the epidermal growth factor receptor (EGFR) and EGFR-specific inhibitors (i.e. erlotinib). However, challenges such as drug resistance still remain in targeted therapies. Therefore, novel candidate compounds and new strategies are needed for improvement of therapy efficacy. Shikonin and its derivatives are cytotoxic constituents in traditional Chinese herbal medicine Zicao (Lithospermum erythrorhizin). In this study, we investigated the molecular mechanisms underlying the anti-cancer effects of shikonin and its derivatives in glioblastoma cells and leukemia cells. Most of shikonin derivatives showed strong cytotoxicity towards erlotinib-resistant glioblastoma cells, especially U87MG.ΔEGFR cells which overexpressed a deletion-activated EGFR (ΔEGFR). Moreover, shikonin and some derivatives worked synergistically with erlotinib in killing EGFR-overexpressing cells. Combination treatment with shikonin and erlotinib overcame the drug resistance of these cells to erlotinib. Western blotting analysis revealed that shikonin inhibited ΔEGFR phosphorylation and led to corresponding decreases in phosphorylation of EGFR downstream molecules. By means of Loewe additivity and Bliss independence drug interaction models, we found erlotinb and shikonin or its derivatives corporately suppressed ΔEGFR phosphorylation. We believed this to be a main mechanism responsible for their synergism in U87MG.ΔEGFR cells. In leukemia cells, which did not express EGFR, shikonin and its derivatives exhibited even greater cytotoxicity, suggesting the existence of other mechanisms. Microarray-based gene expression analysis uncovered the transcription factor c-MYC as the commonly deregulated molecule by shikonin and its derivatives. As validated by Western blotting analysis, DNA-binding assays and molecular docking, shikonin and its derivatives bound and inhibited c-MYC. Furthermore, the deregulation of ERK, JNK MAPK and AKT activity was closely associated with the reduction of c-MYC, indicating the involvement of these signaling molecules in shikonin-triggered c-MYC inactivation. In conclusion, the inhibition of EGFR signaling, synergism with erlotinib and targeting of c-MYC illustrate the multi-targeted feature of natural naphthoquinones such as shikonin and derivatives. This may open attractive possibilities for their use in a molecular targeted cancer therapy.

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Meta-analyses qualify metzincins and related genes as acute rejection markers in renal transplant patients

Definition of acute renal allograft rejection (AR) markers remains clinically relevant. Features of T-cell-mediated AR are tubulointerstitial and vascular inflammation associated with excessive extracellular matrix (ECM) remodeling, regulated by metzincins, including matrix metalloproteases (MMP). Our study focused on expression of metzincins (METS), and metzincins and related genes (MARGS) in renal allograft biopsies using four independent microarray data sets. Our own cases included normal histology (N, n = 20), borderline changes (BL, n = 4), AR (n = 10) and AR + IF/TA (n = 7). MARGS enriched in all data sets were further examined on mRNA and/or protein level in additional patients. METS and MARGS differentiated AR from BL, AR + IF/TA and N in a principal component analysis. Their expression changes correlated to Banff t- and i-scores. Two AR classifiers, based on METS (including MMP7, TIMP1), or on MARGS were established in our own and validated in the three additional data sets. Thirteen MARGS were significantly enriched in AR patients of all data sets comprising MMP7, -9, TIMP1, -2, thrombospondin2 (THBS2) and fibrillin1. RT-PCR using microdissected glomeruli/tubuli confirmed MMP7, -9 and THBS2 microarray results; immunohistochemistry showed augmentation of MMP2, -9 and TIMP1 in AR. TIMP1 and THBS2 were enriched in AR patient serum. Therefore, differentially expressed METS and MARGS especially TIMP1, MMP7/-9 represent potential molecular AR markers.

Loss of the CBX7 protein expression correlates with a more aggressive phenotype in pancreatic cancer

Polycomb group (PcG) proteins function as multiprotein complexes and are part of a gene regulatory mechanism that determines cell fate during normal and pathogenic development. Several studies have implicated the deregulation of different PcG proteins in neoplastic progression. Pancreatic ductal adenocarcinoma is an aggressive neoplasm that follows a multistep model of progression through precursor lesions called pancreatic intraepithelial neoplasia (PanIN). Aim of this study was to investigate the role of PcG protein CBX7 in pancreatic carcinogenesis and to evaluate its possible diagnostic and prognostic significance. We analysed by immunohistochemistry the expression of CBX7 in 210 ductal pancreatic adenocarcinomas from resection specimens, combined on a tissue microarray (TMA) including additional 40 PanIN cases and 40 normal controls. The results were evaluated by using receiver operating characteristic (ROC) curve analysis for the selection of cut-off scores and correlated to the clinicopathological parameters of the tumours and the outcome of the patients. Expression of E-cadherin, a protein positively regulated by CBX7, was also assessed. A significantly differential, and progressively decreasing CBX7 protein expression was found between normal pancreatic tissue, PanINs and invasive ductal adenocarcinoma. Loss of CBX7 expression was associated with increasing malignancy grade in pancreatic adenocarcinoma, whereas the maintenance of CBX7 expression showed a trend toward a longer survival. Moreover, loss of E-cadherin expression was associated with loss of CBX7 and with a trend towards worse patient survival. These results suggest that CBX7 plays a role in pancreatic carcinogenesis and that its loss of expression correlates to a more aggressive phenotype.

Matrix metalloproteinases and angiogenic factors: predictors of survival after radical prostatectomy for clinically organ-confined prostate cancer?

The aim of the present study was to investigate whether biomarkers improve the prediction of recurrence-free, disease-specific, and overall survival in patients with clinically localized prostate cancer. A tissue microarray was constructed from prostate specimens of 278 patients who underwent open radical retropubic prostatectomy for clinically localized prostate cancer. For immunohistochemical studies, antibodies were used against matrix metalloproteinase (MMP)-2, MMP-3, MMP-7, MMP-9, MMP-13, and MMP-19, as well as against vascular endothelial growth factor, hypoxia-induced factor 1 , basic fibroblast growth factor, and cluster of differentiation 31. Univariate and multivariable analyses were performed to evaluate the potential predictors of overall, disease-specific, and recurrence-free survival. In univariate analysis of patients with clinically organ-confined prostate cancer, only higher expression levels of MMP-9 (hazard ratio [0.6], 95% CI 0.45-0.8) had a protective effect in terms of overall survival. This positive effect of high MMP-9 expression was also observed for recurrence-free (HR 0.88, 95% CI 0.78-0.99) and disease-specific survival (HR 0.5, 95% CI 0.36-0.73). In multivariable analysis, none of these potential markers was found to be an independent prognostic factor of survival. Of all MMPs and angiogenic factors tested, MMP-9 expression has the potential as a prognostic marker in patients undergoing radical prostatectomy for clinically organ-confined cases of prostate cancer.

Muscle unloading potentiates the effects of acetyl-L-carnitine on the slow oxidative muscle phenotype

The effect of acetyl-L-carnitine (ALCAR) supplementation to 3-month-old rats in normal-loading and unloading conditions has been here investigated by a combined morphological, biochemical and transcriptional approach to test whether ALCAR might cause a remodeling of the metabolic/contractile phenotype of soleus muscle. Morphological assessment demonstrated an increase of type I oxidative fiber content and cross-sectional area in ALCAR-treated animals both in normal-loading and in unloading conditions. ALCAR prevented loss of mitochondrial mass in unloaded animals whereas no ALCAR-dependent increase of mitochondrial mass occurred in normal-loaded muscle. Validated microarray analysis delineated an ALCAR-induced maintenance of a slow-oxidative expression program only in unloaded soleus muscle. Indeed, the muscle adjustment of the expression profile of factors underlying mitochondrial oxidative metabolism, protein turnover, fiber type differentiation and an adaptation of voltage-gated ion channel expression was distinguishable with respect to the loading status. This selectivity may suggest a key role of muscle loading status in the manifestation of ALCAR effects. The results extend to a broader level of biological informations the previous notion on ALCAR positive effect in rat soleus muscle during unloading and point to a role of ALCAR for the maintenance of its slow-oxidative fiber character.