Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

Control of Steroid 21-oic Acid Synthesis by Peroxisome Proliferator-activated Receptor and Role of the Hypothalamic-Pituitary-Adrenal Axis

A previous study identified the peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARalpha) activation biomarkers 21-steroid carboxylic acids 11beta-hydroxy-3,20-dioxopregn-4-en-21-oic acid (HDOPA) and 11beta,20-dihydroxy-3-oxo-pregn-4-en-21-oic acid (DHOPA). In the present study, the molecular mechanism and the metabolic pathway of their production were determined. The PPARalpha-specific time-dependent increases in HDOPA and 20alpha-DHOPA paralleled the development of adrenal cortex hyperplasia, hypercortisolism, and spleen atrophy, which was attenuated in adrenalectomized mice. Wy-14,643 activation of PPARalpha induced hepatic FGF21, which caused increased neuropeptide Y and agouti-related protein mRNAs in the hypothalamus, stimulation of the agouti-related protein/neuropeptide Y neurons, and activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis, resulting in increased adrenal cortex hyperplasia and corticosterone production, revealing a link between PPARalpha and the HPA axis in controlling energy homeostasis and immune regulation. Corticosterone was demonstrated as the precursor of 21-carboxylic acids both in vivo and in vitro. Under PPARalpha activation, the classic reductive metabolic pathway of corticosterone was suppressed, whereas an alternative oxidative pathway was uncovered that leads to the sequential oxidation on carbon 21 resulting in HDOPA. The latter was then reduced to the end product 20alpha-DHOPA. Hepatic cytochromes P450, aldehyde dehydrogenase (ALDH3A2), and 21-hydroxysteroid dehydrogenase (AKR1C18) were found to be involved in this pathway. Activation of PPARalpha resulted in the induction of Aldh3a2 and Akr1c18, both of which were confirmed as target genes through introduction of promoter luciferase reporter constructs into mouse livers in vivo. This study underscores the power of mass spectrometry-based metabolomics combined with genomic and physiologic analyses in identifying downstream metabolic biomarkers and the corresponding upstream molecular mechanisms.

Effects of TLR agonists on the hypoxia-regulated transcription factor HIF-1alpha and dendritic cell maturation under normoxic conditions

Dendritic cells (DC) are professional antigen presenting cells that represent an important link between innate and adaptive immunity. Danger signals such as toll-like receptor (TLR) agonists induce maturation of DC leading to a T-cell mediated adaptive immune response. In this study, we show that exogenous as well as endogenous inflammatory stimuli for TLR4 and TLR2 induce the expression of HIF-1alpha in human monocyte-derived DC under normoxic conditions. On the functional level, inhibition of HIF-1alpha using chetomin (CTM), YC-1 and digoxin lead to no consistent effect on MoDC maturation, or cytokine secretion despite having the common effect of blocking HIF-1alpha stabilization or activity through different mechanisms. Stabilization of HIF-1alpha protein by hypoxia or CoCl(2) did not result in maturation of human DC. In addition, we could show that TLR stimulation resulted in an increase of HIF-1alpha controlled VEGF secretion. These results show that stimulation of human MoDC with exogenous as well as endogenous TLR agonists induces the expression of HIF-1alpha in a time-dependent manner. Hypoxia alone does not induce maturation of DC, but is able to augment maturation after TLR ligation. Current evidence suggests that different target genes may be affected by HIF-1alpha under normoxic conditions with physiological roles that differ from those induced by hypoxia.

'Pergularain e I'--a plant cysteine protease with thrombin-like activity from Pergularia extensa latex

Pergularain e I, a cysteine protease with thrombin-like activity, was purified by ion exchange chromatography from the latex of Pergularia extensa. Its homogeneity was characterized by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE), native PAGE and reverse-phase high-performance liquid chromatography (RP-HPLC). The molecular mass of pergularain e I by matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight (MALDI-TOF) was found to be 23.356 kDa and the N-terminal sequence is L-P-H-D-V-E. Pergularain e I is a glycoprotein containing approximately 20% of carbohydrate. Pergularain e I constituted 6.7% of the total protein with a specific activity of 9.5 units/mg/min with a 2.11-fold increased purity. Proteolytic activity of the pergularain e I was completely inhibited by iodoacetic acid (IAA). Pergularain e I exhibited procoagulant activity with citrated plasma and fibrinogen similar to thrombin. Pergularain e I increases the absorbance of fibrinogen solution in concentration-dependent and time-dependent manner. At 10 microg concentration, an absorbance of 0.48 was reached within 10 min of incubation time. Similar absorbance was observed when 0.2 NIH units of thrombin were used. Thrombin-like activity of pergularain e I is because of the selective hydrolysis of A alpha and B beta chains of fibrinogen and gamma-chain was observed to be insusceptible to hydrolysis. Molecular masses of the two peptide fragments released from fibrinogen due to the hydrolysis by pergularain e I at 5-min incubation time were found to be 1537.21 and 1553.29 and were in close agreement with the molecular masses of 16 amino acid sequence of fibrinopeptide A and 14 amino acid sequence of fibrinopeptide B, respectively. Prolonged fibrinogen-pergularain e I incubation releases additional peptides and their sequence comparison of molecular masses of the released peptides suggested that pergularain e I hydrolyzes specifically after arginine residues.

Mixture of periodontopathogenic bacteria influences interaction with KB cells

INTRODUCTION: The purpose of this study was to investigate the adhesion and invasion of periodontopathogenic bacteria in varied mixed infections and the release of interleukins from an epithelial cell line (KB cells). METHODS: KB cells were co-cultured with Porphyromonas gingivalis ATCC 33277 and M5-1-2, Tannerella forsythia ATCC 43037, Treponema denticola ATCC 35405 and Fusobacterium nucleatum ATCC 25586 in single and mixed infections. The numbers of adherent and internalized bacteria were determined up to 18 h after bacterial exposure. Additionally, the mRNA expression and concentrations of released interleukin (IL)-6 and IL-8 were measured. RESULTS: All periodontopathogenic bacteria adhered and internalized in different numbers to KB cells, but individually without any evidence of co-aggregation also to F. nucleatum. High levels of epithelial mRNA of IL-6 and IL-8 were detectable after all bacterial challenges. After the mixed infection of P. gingivalis ATCC 33277 and F. nucleatum ATCC 25586 the highest levels of released interleukins were found. No IL-6 and IL-8 were detectable after the mixed infection of P. gingivalis M5-1-2 and F. nucleatum ATCC 25586 and the fourfold infection of P. gingivalis ATCC 33277, T. denticola ATCC 35405, T. forsythia ATCC 43037 and F. nucleatum ATCC 25586. CONCLUSION: Anaerobic periodontopathogenic bacteria promote the release of IL-6 and IL-8 by epithelial cells. Despite a continuous epithelial expression of IL-8 mRNA by all bacterial infections these effects are temporary because of the time-dependent degradation of cytokines by bacterial proteases. Mixed infections have a stronger virulence potential than single bacteria. Further research is necessary to evaluate the role of mixed infections and biofilms in the pathogenesis of periodontitis.