München, Techn. Univ., Diss., 2004.

München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Cardiovascular diseases represent the leading cause of death worldwide, with myocardial infarction and strokes being the most common complications. In both cases, the appearance of an enlarged artery wall as a consequence of a growing plaque is responsible for the disturbance of the blood flow. The formation of plaques is driven by a chronic inflammatory condition known as atherosclerosis, characterized by an initial step of endothelial cell (EC) dysfunction followed by the recruitment of circulating immune cells into the tunica intima of the vessel. Accumulation of lipids and cells lead to the formation of atheromatous plaques that will define the cardiovascular outcome of an individual. The role of the immune system in the progression of atherosclerosis has been widely recognized. By far, macrophages constitute the most abundant cell type in lesions and are known to be the major source of the lipid-laden foam cell pool during the course of the disease. However, other immune cells types, including T cells, dendritic cells (DCs) or mast cells, among others, have been described to be present in human and mouse plaques. How these populations can modulate the atherogenic process is dependent on their specialized function. DCs constitute a unique population with the ability to bridge innate and adaptive immune responses, mainly by their strong capacity to present antigens bound to a major histocompatibility complex (MHC) molecule. Given their ability to polarize T cells and secrete cytokines, their role in atherosclerosis has gained attention for the development of new therapeutic approaches that could impact lesion growth. Hence, knowing the effect of a specific subset is an initial key step to evaluate its potential for clinical purposes. For example, the basic leucine zipper ATF-like 3 transcription factor (Batf3) controls the development of conventional dendritic cells type 1 (cDCs1), characterized by the expression of the surface markers CD8 and CD103. Initially, they were described to promote both T-helper 1 (Th1) and regulatory T cell (Treg) responses, known to accelerate and to protect against atherosclerosis, respectively. The first part of this thesis aimed to elucidate the potential role of Batf3-dependent DCs in atherosclerosis and concluded that even though systemic immune responses were mildly altered they do not modify the course of the disease and may not represent an attractive candidate for clinical studies. DCs also have the ability to impact lesion growth through the release of a broad range of cytokines, which can either directly impact atherosclerotic plaques by modulating resident cells, or by further polarizing T cell responses. Among others, interleukin (IL) 23, a member of the IL-12 family of cytokines, has received much attention during the past year due to its connection to autoimmunity. IL-23 is known to induce pathogenicity of Th17 cells and is responsible for the development of several autoimmune diseases including multiple sclerosis, psoriasis or rheumatoid arthritis. Interestingly, these patients often present with an accelerated course of atherosclerosis and thus, are at higher risk of developing cardiovascular events. Several epidemiological studies have pointed toward a possible connection between IL-23 and its receptor IL-23R in atherosclerosis, although their exact contribution remains to be elucidated. The second part of this thesis showed that resident antigen-presenting cells (APCs) in the aorta produced IL-23 during the steady state but this secretion was greatly enhanced after incubation with oxidized low-density lipoprotein (oxLDL). Furthermore, disruption of the IL-23R signaling led to decreased relative necrotic plaque area in lesions of Ldlr-/-Il23r-/- mice fed a high-fat diet (HFD) for 6 and 12 weeks compared to Ldlr-/- controls. A proposed mechanism involves that increased IL-23 production in the context of atherosclerosis may promote the pathogenicity of IL-23-responding T cells, especially IL-23R+ γδ T cells in the aortic root. Response to IL-23 might increase the release of granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) and IL-17 and alter the pro- and anti-inflammatory balance of cytokines in the aortic root. Altogether, these data showed that the IL-23 / IL-23R axis play a role in plaque stability. / Kardiovaskuläre Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache, wobei Myokardinfarkt und Schlaganfall die häufigsten Komplikationen darstellen. In beiden Fällen ist das Auftreten einer verbreiterten Arterienwand als Folge eines wachsenden Plaques für die Störung des Blutflusses verantwortlich. Die Bildung von Plaques wird durch einen chronischen Entzündungszustand, bekannt als Atherosklerose, ausgelöst. Zunächst kommt es dabei zur Entstehung einer endothelialen Dysfunktion, die zur Rekrutierung zirkulierender Immunzellen in die Tunica Intima des Gefäßes führt. Die Akkumulation von Lipiden und Zellen wiederum führt zur Bildung von atheromatösen Plaques, die den kardiovaskulären Gefäßstatus eines Individuums bestimmen. Die Rolle des Immunsystems bei der Progression der Atherosklerose wurde weithin anerkannt. Makrophagen stellen bei weitem den häufigsten Zelltyp innerhalb der Läsionen dar und sind bekanntermaßen die Hauptquelle des mit Lipid beladenen Schaumzellpools im Verlauf der Erkrankung. Es wurde jedoch auch beschrieben, dass andere Arten von Immunzellen, einschließlich der T-Zellen, dendritischen Zellen (DCs) und Mastzellen, in humanen und murinen Plaques vorhanden sind. Wie diese Populationen den atherogenen Prozess modulieren können, hängt von ihrer spezialisierten Funktion ab. DCs bilden eine einzigartige Population, der es möglich ist, angeborene und adaptive Immunartworten zu überbrücken. Dies geschieht hauptsächlich aufgrund ihrer ausgeprägten Fähigkeit, Antigene zu präsentieren, die an einen Haupthistokompatibilitätskomplex gebunden sind. Angesichts ihrer Rolle in der Polarisierung von T-Zellen und der Sezernierung von Zytokinen haben sie bisher Aufmerksamkeit bei der Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze zur Beeinflussung des Läsionswachstums erlangt. Die Kenntnis der Wirkung einer bestimmten Subpopulation ist ein erster wichtiger Schritt, um ihr Potenzial für klinische Zwecke zu bewerten. Zum Beispiel steuert der Transkriptionsfaktor „basic leucine zipper ATF-like 3“ (Batf3) die Entwicklung von herkömmlichen dendritischen Zellen Typ 1, welche durch die Expression der Oberflächenmarker CD8 und CD103 gekennzeichnet sind. Anfänglich wurde beschrieben, dass sie sowohl die Antworten von T-Helfer 1 als auch von regulatorischen T-Zellen fördern, welche je nach Zellfunktion die Atherosklerose beschleunigen oder vorbeugen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die potentielle Rolle von Batf3-abhängigen DCs für die Entstehung der Atherosklerose aufgeklärt. Trotz diese einer leichten Veränderungen der systemischen Immunantwort den Krankheitsverlauf nicht beeinflussen und daher keine attraktiven Kandidaten für klinische Studien darstellen. DCs haben auch die Fähigkeit das Läsionswachstum durch Freisetzung einer breiten Palette an Zytokinen zu beeinflussen, die atherosklerotische Plaques entweder direkt durch Modulation von ortsständigen residenten Zellen oder durch weiteres Polarisieren von T-Zell-Reaktionen beeinflussen können. Unter anderem hat interleukin (IL) 23, ein Mitglied der IL-12-Zytokinfamilie, aufgrund seines Zusammenhangs mit Auto-immunität im vergangenen Jahr viel Aufmerksamkeit erhalten. Es ist bekannt, dass IL-23 die Pathogenität von Th17-Zellen induziert und für die Entwicklung von mehreren Autoimmunkrankheiten einschließlich multipler Sklerose, Psoriasis oder rheumatoider Arthritis verantwortlich ist. Interessanterweise haben alle diese Erkrankungen gemeinsam, dass sie die Entstehung einer Atherosklerose beschleunigen. Die betroffenen Patienten haben ein höheres Risiko für ein kardiovaskuläres Ereignis. Mehrere epidemiologische Studien haben auf einen möglichen Zusammenhang zwischen IL-23 und seinem Rezeptor IL-23R bei Atherosklerose hingewiesen, auch wenn die genaue Relevanz dieser Hinweise noch zu klären ist. Im zweiten Teil dieser Arbeit konnte es gezeigt werden, dass ortsständige antigenpräsentierende Zellen in der Aorta IL-23 zwar bereits im Steady State produzieren, diese Sekretion jedoch nach Inkubation mit oxLDL stark erhöht ist. Darüber hinaus führte eine Störung der IL-23R-Signalgebung nach 6 bis 12 Wochen einer fettreichen Diät (HFD) zu einer verringerten relativen nekrotischen Plaque-Fläche in Läsionen von Ldlr-/-Il23r-/- Mäusen verglichen mit Ldlr-/- Mäusen. In Bezug auf den zugrunde liegenden Mechanismus wurde diskutiert, dass eine erhöhte IL-23-Produktion im Zusammenhang mit Atherosklerose die Pathogenität von IL-23R-reaktiven T-Zellen, insbesondere von IL-23R+ γδ T-Zellen in der Aortenwurzel, fördern kann. Reaktionen auf IL-23 könnten die Freisetzung von Granulozyten-Monozyten-Kolonie-stimulierendem Faktor und IL-17 erhöhen und das pro- und antiinflammatorische Gleichgewicht von Zytokinen innerhalb der Aortenwurzel verändern. Insgesamt zeigen diese Daten, dass die IL-23 / IL-23R Achse eine wichtige Rolle in der Etablierung der Plaquestabilität einnimmt.

Die nicht-invasive Gefäßdiagnostik stellt einen wichtigen Pfeiler in der Prävention von Herz-Kreislauferkrankungen dar. Während lange Zeit die sonographische Messung der cIMT, als morphologisches Korrelat der Gefäßalterung, als Goldstandard galt, ist in den letzten Jahren in Gestalt der Pulswellenanalyse/PWV-Messung eine Technik weiterentwickelt worden, die, als funktionelles Korrelat der Gefäßalterung, aufgrund der leichteren Durchführbarkeit und geringerer Untersucherabhängigkeit und Kosten vielversprechend ist. So erlaubt die Messung der Pulswelle mittels gewöhnlicher Blutdruckmanschetten, genau wie die cIMT, die Berechnung des individuellen Gefäßalters und die Diagnostik für das Vorliegen eines Endorganschadens der Blutgefäße. Um die Messergebnisse der beiden Untersuchungen miteinander zu vergleichen, wurden beide in der EUROASPIRE-IV Studie an Patienten mit koronarer Herzkrankheit durchgeführt. Die Auswertung der Messergebnisse der mit dem Vascular Explorer durchgeführten Pulswellenanalyse/PWV-Messung ergab überraschenderweise, dass die Mehrheit der herzkranken Patienten weder eine vaskuläre Voralterung noch einen Endorganschaden der Blutgefäße aufweisen. Im Falle der cIMT-Messung war Gegenteiliges der Fall, was trotz der medikamentösen Therapie der Patienten so zu erwarten war. Weiterhin zeigte sich lediglich eine geringe Korrelation zwischen den Messergebnissen beider Untersuchungen. Die Determinanten der einzelnen Messwerte aus cIMT und Pulswellenanalyse/PWV-Messung waren deckungsgleich mit den in der Literatur beschriebenen Faktoren, wenn auch viele der sonst signifikanten Regressoren das Signifikanzniveau in unserer Auswertung nicht unterschritten. Eine Limitation der funktionellen Gefäßdiagnostik liegt derzeit darin, dass die Messergebnisse stark von dem verwendeten Messgerät abhängen. Es liegen noch zu wenig Vergleichsstudien vor, um die Messergebnisse, speziell von neueren Geräten wie dem Vascular Explorer, auf andere zu übertragen. Bei der Berechnung des Gefäßalters sollten daher optimalerweise gerätespezifische Normwerte vorliegen, was beim Vascular Explorer nicht der Fall ist. Gleiches gilt für die Verwendung des PWVcf-Grenzwerts für die Diagnose eines Endorganschadens der Blutgefäße. Analog hat auch die Messung der cIMT gewisse Einschränkungen. So wäre eine weitere Standardisierung der Messorte (A. carotis communis vs Bulbus vs A. carotis interna), zwischen denen sich die durchschnittliche cIMT erheblich unterscheidet, sowie der Messparameter (Minimal- vs Maximal- vs Mittelwert) wünschenswert. Die universelle Anwendung eines cIMT-Grenzwerts zur Diagnose eines Endorganschadens der Blutgefäße ist daher kritisch zu sehen. Dies zeigt sich auch darin, dass in den neuesten Leitlinien der bislang geltende Grenzwert angezweifelt und kein aktuell gültiger Grenzwert mehr genannt wird. Wir interpretieren unsere Ergebnisse dahingehend, dass unsere Messung der cIMT die zu erwartende pathologische Gefäßalterung bei Patienten mit koronarer Herzkrankheit besser widerspiegelt als die Messung der Pulswelle mit dem Vascular Explorer. Welche der beiden Untersuchungen hinsichtlich der prognostischen Wertigkeit überlegen ist, muss im Rahmen von Längsschnittstudien geklärt werden. / Non-invasive vascular diagnostics play an important role in the prevention of cardiovascular diseases. For a long time, sonographic measurement of the cIMT was considered the gold standard. Yet, by continually developing the PWA/PWV measurement, a promising technique is available, that is easy to handle and has better inter-examiner reproducibility at lower costs. Just like the cIMT examination, recording and analysing the pulse wave via blood pressure cuffs allows the determination of the individual vascular age and to diagnose end organ damage of the arteries. In order to compare the results of both examinations, they were performed during the EUROASPIRE IV-study in patients with coronary artery disease. Despite being under medication, we expected to find early vascular aging in most patients. Surprisingly, according to the results of the PWA/PWV measurement with the Vascular Explorer device, most of the study population neither showed early vascular aging nor met the criteria for end organ damage of the arteries. cIMT measurements delivered the opposite results. Moreover, we found only poor correlation between the measured values of both examinations. Regression analysis yielded determinants of cIMT and PWA/PWV measurement, which were largely congruent with those described in literature. The most apparent weakness of evaluating the vascular status by means of PWA/PWV measurement lies in the poor inter-device comparability. Due to a lack of comparative studies with large sample sizes, measured values of different devices are currently not transferable. Nonetheless, reference values used for vascular age determination with the Vascular Explorer are available in a study using a different device. Furthermore, the PWV threshold for diagnosing end organ damage is applied regardless of the technique/device used for measurement, although an adjustment is urgently needed. Similarly, the cIMT measurement has certain limitations as efforts can still be made to better standardise examination protocols (e.g. sites of measurement (Common Carotid Artery vs Bulb vs Internal Carotid artery), obtained values (minimum vs maximum vs mean)). The formerly valid cIMT threshold is currently being called into question by the latest guidelines, as there is evidence of its underestimation. Ultimately, cIMT measurement better reflects the expected early vascular aging in patients with coronary artery disease than PWA/PWV measurement with the Vascular Explorer. However, longitudinal studies are necessary to further evaluate the prognostic value of both examinations.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen zählen zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Ein ihr zugrundeliegender pathologischer Prozess ist die Atherosklerose. Die Ruptur eines atheroskelrotischen Plaques kann lebensbedrohlich sein. Derzeit existieren weder ein evaluierter Biomarker noch eine Bildgebungstechnik, die das Risiko einer solchen Plaqueruptur und eines nachfolgenden akuten kardiovaskulären Ereignisses vorhersagen können. Um die bildgebenden Verfahren zur Detektion der Atherosklerose zu optimieren, wurde in dieser Dissertationsarbeit untersucht, ob der PET/CT-Tracer 68Ga-Pentixafor im Vergleich zu 18F-FDG bessere Ergebnisse in der Diagnostik der Atherosklerose erzielen kann. Insgesamt wurden 144 onkologische Patienten in die Studie einbezogen, bei denen die 18F-FDG-PET/CT sowie 68Ga-Pentifaxor-PET/CT aus klinischen Gründen indiziert waren. Befunde, bei denen eine gegenüber dem Hintergrund vermehrte Speicherung ohne physiologische Erklärung nachgewiesen werden konnte, wurden als positiv bewertet. Um Unterschiede zwischen den Patienten außer Acht lassen zu können, wurde die target-to-background-ratio (TBR) berechnet. Zur Beschreibung der Speicherintensität einer Läsion wurde der standardized uptake value (SUV) bestimmt. Nach Auswertung der Daten zeigte sich eine mäßige Korrelation der Anzahl von 68Ga-Pentixafor-positiven Läsionen mit der Anzahl der 18F-FDG positiven Läsionen. Die CXCR4-gerichtete Bildgebung mit 68Ga-Pentixafor identifizierte mehr Läsionen als die 18F-FDG-PET/CT. Bezüglich ihres Verteilungsmusters wiesen die beiden Tracer eine geringe Korrelation auf. Die Aufnahmeintensität beider Tracer korrelierte umgekehrt mit dem Ausmaß der Verkalkung. Stark verkalkte Plaques zeigten die niedrigste Traceraufnahme für beide PET-Tracer. Weitere Studien zur Aufklärung der zugrunde liegenden biologischen Mechanismen und Quellen der CXCR4-Positivität sind in hohem Maße gerechtfertigt. / Cardiovascular diseases are among the most common causes of death worldwide. A pathological process underlying these diseases is atherosclerosis. The rupture of an atherosclerotic plaque can be life-threatening. Currently, there is neither an evaluated biomarker nor an imaging technique that can predict the risk of such a plaque rupture and subsequent acute cardiovascular event. To optimize imaging methods for the detection of atherosclerosis, this dissertation investigated whether the PET/CT tracer 68Ga-Pentixafor can achieve better diagnostic results for atherosclerosis compared to 18F-FDG. A total of 144 oncological patients were included in the study, for whom 18F-FDG-PET/CT and 68Ga-Pentixafor-PET/CT were clinically indicated. Lesions showing increased uptake compared to the background without physiological explanation were rated as positive. To disregard differences between patients, the target-to-background ratio (TBR) was calculated. To describe the uptake intensity of a lesion, the standardized uptake value (SUV) was determined. After evaluating the data, a moderate correlation was observed between the number of 68Ga-Pentixafor-positive lesions and the number of 18F-FDG-positive lesions. CXCR4-targeted imaging with 68Ga-Pentixafor identified more lesions than 18F-FDG-PET/CT. Regarding their distribution patterns, the two tracers showed a low correlation. The uptake intensity of both tracers inversely correlated with the extent of calcification. Highly calcified plaques exhibited the lowest tracer uptake for both PET tracers. Further studies to elucidate the underlying biological mechanisms and sources of CXCR4 positivity are highly warranted.

Atherosklerose ist eine chronisch inflammatorische Erkrankung der Gefäßwände, bei der sowohl die angeborene als auch die erworbene Immunantwort beteiligt ist. Von Monozyten abstammende Makrophagen spielen eine Schlüsselrolle bei der Entstehung atherosklerotischer Läsionen. Durch die Aufnahme modifizierte Lipide (z.B. oxLDL) werden sie zu Schaumzellen, sezernieren inflammatorische Zytokine und befeuern somit die vaskuläre Entzündungsreaktion. Makrophagen können jedoch auch schützende Funktionen wahrnehmen, bspw. durch die antiinflammatorische Aufnahme apoptotischer Zellen, die Efferozytose. Um den Einfluss CD8+ T-Zellen auf Makrophagen zu bestimmen, wurde ein in vitro Model gewählt, in dem aktivierte CD8+ T-Zellen mit aus Knochenmark isolierten Makrophagen kokultiviert wurden. Zunächst konnte gezeigt werden, dass CD8+ T-Zellen die oxLDL Aufnahme und Schaumzellbildung der Makrophagen fördern, assoziiert mit der gesteigerten Expression des oxLDL Rezeptors CD36 und verminderten Expression des reversen Cholesterintransporters ABCA1. Zusätzlich reduzierten CD8+ T-Zellen die Phagozytose apoptotischer Zellen und die Sekretion des antiinflammatorischen Zytokins IL-10 als Antwort auf die Aufnahme apoptotischer Zellen, was auf eine verminderte Efferozytose hindeutet. Zudem förderten CD8+ T-Zellen die Expression des proinflammatorischen M1-Polarisationsmarker iNOS in Makrophagen und die Sekretion des proatherogenen Chemokins CCL2. Durch die Zugabe neutralisierender Antikörper in die in vitro Kultur konnte gezeigt werden, dass die aufgeführten Prozesse teilweise von den klassischen Effektorzytokinen der CD8+ T-Zellen, INFγ und TNFα, abhängen. Zusammenfassend zeigen unsere Daten, dass CD8+ T-Zellen die Ausbildung eines proatherogenen Phänotyps der Makrophagen, durch die Steigerung der Schaumzellbildung und Förderung der proinflammatorischen Makrophagenpolarisation, sowie die Inhibierung der antiinflammatorischen Efferozytosefunktion, bewirken. / Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease of the vessel wall involving innate and adaptive immune responses. Monocyte-derived macrophages play a key role in atherosclerotic lesion formation, by developing into foam cells upon modified lipid (e.g. oxLDL) ingestion and secreting inflammatory cytokines to further fuel vascular inflammation. However, macrophages also have protective functions such as the anti-inflammatory disposal of apoptotic cells by efferocytosis. To determine the influence of CD8+ T cells on macrophages, we used an in vitro model system where activated CD8+ T cells were co-cultured with bone marrow derived macrophages. We first demonstrated that CD8+ T cells promoted macrophage oxLDL uptake and foam cell formation associated with increased expression of the oxLDL receptor CD36, and decreased expression of the reverse cholesterol transporter ABCA1. CD8+ T cells also reduced macrophage apoptotic cell phagocytosis and anti-inflammatory IL-10 release in response to apoptotic cell engulfment, indicating diminished efferocytosis. Finally, CD8+ T cells promoted expression of the pro-inflammatory M1 polarization marker iNOS in macrophages, as well as secretion of the pro-atherogenic chemokine CCL2. These processes were partially dependent on the CD8+ T cell effector cytokines IFNγ and TNFα, as revealed by the addition of neutralizing antibodies in our in vitro co-culture system. In conclusion, our data shows that CD8+ T cells promote a pro-atherogenic phenotype in macrophages in vitro, increasing their foam cell formation and pro-inflammatory potential while inhibiting efferocytosis.

Das regulatorische Gerüst-Protein LASP1, welches aus der Krebsforschung bekannt ist, wurde 2012 in humanen Makrophagen, den Protagonisten der Atherosklerose nachgewiesen. LASP1 ist durch seine Lokalisation an dynamischen Aktinskelettkonstruktionen (vgl. Invadopodien, Podosomen), nachweislich an Zellmigration, Proliferation und Invasionsfähigkeit bestimmter Tumorzellen beteiligt. Aufgrund einer großen Schnittmenge der Entstehungsmechanismen und zugrundeliegenden Signalwegen von Krebserkrankungen und Atherosklerose wurde LASP1 im Zusammenhang der Atherosklerose untersucht. In einem 16 Wochen Hochfettdiätversuch zeigten LASP1.Ldlr-/--Mäuse mehr atherosklerotische Läsionen in der Gesamtaorta als Ldlr-/--Tiere, was eine athero-protektive Rolle von LASP1 nahelegt. Passend hierzu führte Stimulation mit oxLDL in Makrophagen zu einer Hochregulation von LASP1. Zusätzlich internalisierten LASP1-/--Makrophagen signifikant mehr oxLDL im Vergleich zu LASP1-exprimierenden Zellen. Analog zu den Daten aus der Krebsforschung konnte eine reduzierte endotheliale Adhäsion sowie chemotaktische Migration von Ldlr.LASP1-/--Monozyten im Vergleich zu Ldlr-/-- Monozyten festgestellt werden. Dies ließe isoliert betrachtet eine pro-atherogene Rolle von LASP1 vermuten. Ein Nachweis von LASP1 im Zellkern von BMDMs konnte, zusätzlich zum fehlenden Shuttelproteinpartner ZO-2, nicht erbracht werden. Die Interaktion von LASP1 mit Transkriptionsfaktoren scheint daher unwahrscheinlich. Kongruent mit diesen Ergebnissen zeigte sich keine Veränderung der Transkription, der Proteinexpression sowie Sekretion von TNF! und ADAM17 durch den LASP1-KO. Insgesamt kommt LASP1 eine zweifellos komplexe Rolle in der Atherogenese zu. Die Ergebnisse der HFD-Versuche legen nahe, dass die primär anti-atherosklerotischen Einflüsse von LASP1 in vivo gegenüber den eher pro-atherosklerotischen Effekten des Proteins in vitro überwiegen. / As of today, the regulatory scaffold protein LASP1 is mainly known from cancer research. Through its localization at dynamic actin skeletal constructs (cf. invadopodia, podosomes), LASP1 has been shown to be involved in cell migration, proliferation, and invasiveness of certain tumor cells. In 2012, LASP1 was detected in human macrophages, the protagonists of atherosclerosis. Because of a large intersection of mechanisms and signaling pathways of cancer and atherosclerosis, we further explored the role of LASP1 in the context of atherosclerosis. In a 16-week high-fat diet experiment, LASP1.Ldlr-/- mice showed more atherosclerotic lesions in the total aorta than Ldlr-/- animals, suggesting an athero-protective role of LASP1. In vitro, LASP1-/- macrophages internalized significantly more oxLDL than LASP1 positive cells. LASP1 did not shuttle in the nucleus of bone marrow derived macrophages. Thus, the interaction of LASP1 with transcription factors seems unlikely. Congruent with these results, LASP1-KO had no effects on the transcription, protein expression, or secretion of TNFα and ADAM17. In accordance with the data from cancer research, reduced endothelial adhesion as well as chemotactic migration of Ldlr.LASP1-/- monocytes was detected compared to Ldlr-/-- monocytes. These findings on the other hand would suggest a pro-atherogenic role of LASP1. Overall, LASP1 undoubtedly has a complex role in atherogenesis. The results of the HFD experiments suggest that the primarily anti-atherosclerotic influences of LASP1 in vivo predominate over the more pro-atherosclerotic effects of the protein in vitro.

Atherosklerotisch bedingte kardiovaskuläre Erkrankungen sind trotz großer wissenschaftlicher Fortschritte immer noch die führende Ursache für Mortalität und Morbidität. Jedoch ist weder die genaue Pathophysiologie noch der Anteil genetischer Komponente bei Atherosklerose und kardiovaskulären Erkrankungen vollständig verstanden. Das Protein LASP1 ist bereits seit vielen Jahren in der Tumorforschung etabliert und steht bei verschiedenen Krebsarten in Assoziation mit Proliferation, Migration und Tumorprogression. 2012 wurde LASP1 erstmals als Bestandteil der Ringstruktur von Podosomen in primären humanen Makrophagen nachgewiesen. Da Makrophagen eine Schlüsselrolle in der Atherogenese spielen und in allen Stadien der Atherosklerose involviert sind, wurde am Institut für Experimentelle Biomedizin II des Universitätsklinikums Würzburg erstmals der Zusammenhang zwischen Lasp1 und Atherosklerose in vivo untersucht. Nach zwölfwöchiger HFD von sechs Ldlr-/- und sieben Ldlr.Lasp1-/- Mäusen zeigten sich signifikant mehr atherosklerotische Plaqueläsionen in der Gesamtaorta der Ldlr.Lasp1-/- Mäuse. Lasp1 scheint in vivo atheroprotektiv zu wirken. Im Kontrast dazu wurden signifikant erniedrigte Cholesterinkonzentrationen im Serum der Mäuse mit Ldlr.Lasp1-/- gemessen. Ziel dieser Arbeit war es, mögliche Erklärungsansätze für die vermehrten atherosklerotischen Läsionen in der Aorta und die im Kontrast dazu erniedrigten Cholesterinkonzentrationen im Serum der Ldlr.Lasp1-/- Mäuse zu finden. Nachdem ein Shift der Lipoproteinfraktionen hin zum proatherosklerotischen LDL mittels HPLC ausgeschlossen wurde, ist die aktuelle Hypothese, dass die vermehrten atherosklerotischen Läsionen in der Aorta und die erniedrigten Cholesterinkonzentrationen im Serum voneinander unabhängig sind und deshalb auch getrennt voneinander erklärt werden müssen. Für die vermehrte atherosklerotische Plaquebildung im Ldlr.Lasp1-/- existieren mehrere Erklärungsansätze. Neben erniedrigten Cholesterinkonzentrationen im Serum wurden auch signifikant erhöhte NEFA-Konzentrationen im Serum der Ldlr.Lasp1-/- Mäuse gemessen. Erhöhte NEFA-Konzentrationen sind mit endothelialer Dysfunktion, einer der ersten Schritte der Atherosklerose, assoziiert und könnten somit die vermehrte Atherosklerose in den Ldlr.Lasp1-/- Mäusen erklären. Lasp1 könnte als Bestandteil von Podosomen in Makrophagen direkten Einfluss auf die Cholesterinhomöostase in Makrophagen haben und dadurch die Entwicklung atherosklerotische Plaques beeinflussen. Im Rahmen qRT-PCR-Analysen zeigte sich in unstimulierten BMDM mit Ldlr.Lasp1-/- eine signifikante Hochregulierung des Transporters Cd36 auf mRNA-Ebene, die zu einer gesteigerten Aufnahme von oxLDL in Makrophagen und folglich zur intrazellulären Ansammlung von Cholesterin führt. Trotz verschiedener intrazellulärer Gegenregulationen mit Hochregulation der mRNA-Expression von Lal und Nceh1 und Downregulierung der Acat1-Expression konnte auf mRNA-Ebene kein gesteigerter Cholesterin-Efflux in BMDM mit Ldlr.Lasp1-/- nachgewiesen, sodass die Makrophagen nicht effektiv vor der Umwandlung zu Schaumzellen geschützt werden können. Die Umwandlung von Makrophagen zu Schaumzellen stellt einen Schlüsselschritt der Atherogenese dar und könnte somit auch die gesteigerte Plaquebildung in den Ldlr.Lasp1-/- Mäusen erklären. Die erniedrigten Cholesterinkonzentrationen im Serum der Ldlr.Lasp1-/- Mäuse können durch eine verminderte endogene Cholesterinsynthese, eine gesteigerte hepatobiliäre oder nicht-biliäre Cholesterinausscheidung sowie eine reduzierte intestinale Cholesterinabsorption bedingt sein. Zur weiteren Analyse wurden alle wichtigen Enzyme und Transporter des Cholesterinmetabolismus in Leber und Duodenum auf mRNA-Ebene und zum Teil auch auf Proteinebene untersucht. Es konnte keine verminderte endogene Cholesterinbiosynthese im Ldlr.Lasp1-/- festgestellt werden. Auch eine vermehrte direkte oder indirekte hepatobiliäre Cholesterinausscheidung in die Fäzes sowie eine gesteigerte nicht-biliäre Ausscheidung von Cholesterin mittels TICE ist auf Grundlage unserer Daten unwahrscheinlich. Die intestinale Cholesterinaufnahme in die Enterozyten ist primär von der Lokalisation des NPC1L1-Transporters abhängig. In Abhängigkeit der intrazellulären Cholesterinkonzentration kommt es bei Cholesterinmangel über Aktivierung des PI3K/AKT-Signalweges zur Translokation des NPC1L1-Transporters vom ERC zur apikalen Enterozytenmembran und die intestinale Cholesterinaufnahme wird gefördert. Da LASP1 durch Bindung an AKT dessen Phosphorylierung erleichtert und den PI3K/AKT-Signalweg in verschiedenen Krebszellen aktiviert, könnte LASP1 auch die intestinale Cholesterinabsorption steigern. Bei LASP1-/- hingegen ist die Aktivierung des PI3K/AKT-Signalweges über AKT vermindert, sodass weniger NPC1L1-Transporter an die apikale Enterozytenmembran wandern und somit weniger Cholesterin über NPC1L1 aufgenommen wird. Dies könnte die erniedrigten Cholesterinkonzentration im Serum der Ldlr.Lasp1-/- Mäuse erklären. Im Rahmen nachfolgender Experimente konnten bereits einige Hypothesen der vorliegenden Arbeit bestätigt werden. Auf Grundlage aller Daten sind die vermehrten Plaqueläsionen im Ldlr.Lasp1-/- und die gleichzeitig erniedrigten Cholesterinkonzentrationen im Serum der Ldlr.Lasp1-/- Mäuse wahrscheinlich unabhängiger Genese. Mit Hilfe einer Knochenmarktransplantation könnte der Einfluss eines Lasp1-/- auf Makrophagen und Enterozyten in chimären Mäusen getrennt voneinander betrachtet werden. / Despite significant scientific advances, atherosclerotic cardiovascular diseases remain the leading cause of mortality and morbidity. The precise pathophysiology and genetic contributions to atherosclerosis and cardiovascular diseases are not yet fully under-stood. The protein LASP1, established in tumor research, is associated with proliferation, migration and tumor progression in various types of cancer. In 2012, LASP1 was detected as a component of the ring structure of podosomes in primary human macrophages. Given that macrophages are the key players in atherogenesis and are involved in all stages of atherosclerosis, the relationship between Lasp1 and atherosclerosis was investigated at the Institute for Experimental Biomedicine II at the University Hospital of Würzburg. In this study, six Ldlr-/- mice and seven Ldlr.Lasp1-/- mice were fed a HFD. After twelve weeks, significantly more atherosclerotic plaque lesions were observed in Ldlr.Lasp1-/- mice compared to Ldlr-/- mice, suggesting that Lasp1 may have an atheroprotective effect in vivo. Conversely, lower serum cholesterol levels were measured in Ldlr.Lasp1-/- mice. After ruling out a shift of lipoprotein fractions towards proatherosclerotic LDL via HPLC, it is currently hypothesized that the increased atherosclerotic lesions in the aorta and the reduced serum cholesterol concentrations are independent phenomena and should be explained independently. Several factors may explain the increased atherosclerotic plaque formation in Ldlr.Lasp1-/- mice. In addition to lower serum cholesterol concentrations, significantly higher serum NEFA concentrations were also measured in Ldlr.Lasp1-/- mice. Elevated NEFA levels are associated with endothelial dysfunction, one of the first steps of atherosclerosis, potentially explaining the increased development of atherosclerosis in Ldlr.Lasp1-/- mice. Lasp1, as a component of podosomes in macrophages, could direct-ly affect cholesterol homeostasis in macrophages and thereby influence the develop-ment of atherosclerotic plaques. qRT-PCR analyses of non-stimulated BMDM with Ldlr.Lasp1-/- revealed a significant upregulation of the transporter Cd36 at mRNA level, enhancing uptake of oxLDL and promoting cholesterol accumulation within macrophages. Despite the upregulation of genes such as Lal and Nceh1 and downregulation of Acat1, no increased cholesterol efflux was observed on the mRNA level in Ldlr.Lasp1-/- BMDM compared to Ldlr-/- BMDM. Consequently, macrophages are not adequately shielded from transforming into foam cells, a critical process in atherogenesis and could therefore explain the increased plaque formation in Ldlr.Lasp1-/- mice. The observed decrease in serum cholesterol in Ldlr.Lasp1-/- mice might result from reduced endogenous cholesterol synthesis, increased hepatobiliary or nonbiliary cholesterol excretion or reduced intestinal cholesterol absorption. Further analysis of important enzymes and transporters involved in cholesterol metabolism in the liver and duodenum revealed no decrease in cholesterol biosynthesis at mRNA and protein level. Similarly, increased direct or indirect hepatobiliary cholesterol excretion and non-biliary cholesterol excretion TICE appeared unlikely. Intestinal cholesterol uptake into the enterocytes is dependent on the NPC1L1 transporter’s localization. Cholesterol deficiency activates the PI3K/AKT signaling pathway and leads to translocation of the NPC1L1 transporter from the ERC to the apical enterocyte membrane promoting intestinal cholesterol absorption. Since LASP1 binds to AKT facilitating the phosphorylation of AKT and activates the PI3K/AKT pathway in various cancer cells, LASP1 could also enhance intestinal cholesterol absorption. LASP1-/- though leads to reduced activation of the PI3K/AKT pathway via AKT, resulting in fewer NPC1L1 transporters relocating the apical enterocyte membrane and therefore less cholesterol absorption via NPC1L1. This could explain the reduced serum cholesterol levels in Ldlr.Lasp1-/- mice. Subsequent experiments have confirmed some of these hypotheses. Overall, the data suggest that the increased atherosclerotic plaque formation and the concurrent decreased serum cholesterol in Ldlr.Lasp1-/- mice are likely of independent origin. Bone marrow transplantation studies could further elucidate the distinct impact of Lasp1-/- on macrophages and enterocytes in chimeric mice.

Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Rolle der endothelialen Stickstoff-Monoxid-Synthase (eNOS) für die Endothelaktivierung. Für diese Untersuchungen wurde die MLEC-Zellkulturtechnik (murine lung endothelial cells) und die Gegenüberstellung des Wiltyp- und eNOS-Knockout-Genotyps verwendet. Die MLEC-Kulturen wurden aus dem mikrovaskulären Stromgebiet der Lungen von C57Bl6-Wildtyp-Mäusen (WT) und von eNOS-Knockout-Mäusen (KO) angelegt und immunomagnetisch (Anti-CD102) zweifach selektioniert. Die Reinheit der Kulturen für Endothelzellen nach zwei Selektionen lag bei über 95%. WT-Endothelzellen produzieren eine basale Menge an Stickstoff-Monoxid (NO). Sie steigern ihre NO-Produktion nach Stimulation mit VEGF (vascular endothelium growth factor), mit dem Kalzium-Ionophor Ionomycin sowie unter Scherkraftexposition. Die eNOS-Proteinexpression erhöht sich dementsprechend nach 12 Stunden Scherkraftexposition. WT- und eNOS-KO-Endothelzellen unterscheiden sich unter basalen Bedingungen nicht in ihrer Oberflächenexpression der Adhäsionsmoleküle ICAM-1, E-Selektin, P-Selektin und VCAM-1. Nach Zytokin-Stimulation erhöhen beide Genotypen ihr Adhäsionsmolekülprofil in gleicher Weise. Sowohl WT- als auch eNOS-KO-Endothelzellen verfügen zudem über einen schnellen Mechanismus, der die Hochregulation der P-Selektin-Oberflächenexpression nach Stimulation mit Thrombin oder Menadion in gleicher Weise ermöglicht. Auf Stimulation mit Thrombin oder Menadion reagieren WT-Zellen mit einem signifikanten Anstieg der Produktion von freien Sauerstoff-Radikalen (ROS, rapid oxygen species). eNOS-KO-Zellen zeigen eine im Vergleich zum WT erhöhte basale ROS-Produktion. Diese lässt sich auch nach Stimulation nicht weiter steigern. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die MLEC-Zellkulturtechnik ein verlässliches Modell für Untersuchungen an Gefäßendothelzellen darstellt. eNOS-KO-Zellen exprimieren nicht automatisch mehr Adhäsionsmoleküle an der Zelloberfläche als WT-Zellen. Allerdings ist die basale Produktion von ROS in eNOS-KO-Zellen vermehrt. Folglich ist in diesem Modell eNOS nicht für die konstitutive Suppression der endothelialen Aktivierung verantwortlich. Der NO-Effekt kann nicht in einer direkten und kontinuierlichen Unterdrückung der endothelialen Oberflächenaktivierung liegen. Das Fehlen von NO führt vielmehr zu einer Verschiebung des Gleichgewichts zwischen dem Radikalfänger NO und O2- (Superoxid) zugunsten von O2-. Aufgrund dieses Ungleichgewichts ist die basale ROS-Produktion von eNOS-KO-Zellen vermutlich erhöht. Damit wird die Endothelzelle empfindlicher gegenüber zusätzlichem oxidativen Stress. Die eNOS-KO-Zellen können die höhere ROS-Belastung in den durchgeführten Untersuchungen kompensieren. Es ist aber denkbar, dass bei zusätzlichem oxidativen Stress ein erhöhtes Maß an O2- das Startsignal für die Abläufe der endothelialen Aktivierung darstellt. / The objective of this study was the role of the endothelial nitric oxide synthase (eNOS) in endothelial activation. To do this we used MLEC cell cultures (murine lung endothelial cells) and the comparison between wildtype- and eNOS-knockout-genotype. MLECs were generated from microvascular lung tissue from C57Bl6-wildtype-mice (WT) and from eNOS-knockout-mice (KO) by immunomagnetic bead selection (anti-CD102). The endothelial cell cultures purity after twofold selection was > 95%. WT-endothelial cells produced a baseline amount of nitric oxide (NO). After stimulation with VEGF (vascular endothelium growth factor), with the calcium-ionophore ionomycin or after exposure to shear stress, WT-endothelial cells produced significantly higher amounts of NO. Simultaneously eNOS-protein expression was upregulated after 12 hours of shear stress exposure. Resting WT- and eNOS-KO-endothelial cells showed no difference in their surface expression of the adhesion molecules ICAM-1, E-Selektin, P-Selektin- and VCAM-1. Stimulation with cytokines led to an equally strong increase of the adhesion molecule expression in both genotypes. WT- as well as eNOS-KO-endothelial cells show a rapid mechanism to upregulate the surface expression of P-Selektin in a similar way after stimulation with thrombin or menadione. WT-endothelial cells showed a significant increase in the generation of rapid oxygen species (ROS) following stimulation with thrombin or menadione. The baseline level of ROS generation in eNOS-KO-endothelial cells is higher than in WT-cells and cannot even be increased upon stimulation. The results show that the MLEC-cell culture technique is a valid model for experimental research in vascular endothelial cells. eNOS-KO-cells do not automatically express a higher amount of adhesion molecules on their surface. However the baseline generation of ROS in eNOS-KO-cells is increased. Therefore eNOS is not responsible for the constitutive suppression of endothelial activation in this model. eNOS-derived NO is not required for the direct and continuous suppression of endothelial surface activation. The absence of NO leads to an imbalance between the scavenger NO and O2- (superoxide) in favour of O2-. It is probably because of this imbalance that the baseline ROS-generation in eNOS-KO-cells is increased. This causes endothelial cells to be more sensitive to oxidative stress. In our experiments the eNOS-KO-cells can compensate for the higher baseline ROS-level. It is however conceivable that an increased level of O2- as an additive oxidative stress may lead to starting signals for endothelial activation.

Isomalt ist ein niedrig-glykämischer Zuckeraustausschstoff. In dieser offenen Studie wurde untersucht, wie sich ein Austausch glykämischer Zutaten wie Glukose und Saccharose durch Isomalt auf kardiovaskuläre Risikoparameter und Adipositas assoziierte Parameter bei Patienten mit Diabetes mellitus Typ 2 auswirkt. Über 12 Wochen erhielten 33 Patienten mit Typ 2 Diabetes zusätzlich zu ihrer gewohnten Kost 30g/d Isomalt und wurden angewiesen auf weiter süße Lebensmittel zu verzichten. Vor Beginn der Studie, nach 6 Wochen und nach 12 Wochen wurden Blutproben und 24-Stundenurin entnommen und auf kardiovaskuläre und Adipositas assoziierte Parameter, sowie Mannitgehalt untersucht. 31 Patienten beendeten die Studie. Die Diät wurde gut akzeptiert und toleriert. Die 12-wöchige Intervention erwies sich mit Ausnahme auf eine signifikante Reduktion der Serumtriglyceride weitestgehend neutral auf die Blutlipide Gesamtcholesterin, LDL und HDL. Einzig in einer Subgruppe von 7 Patienten mit pathologisch erhöhtem Gesamtcholesterin konnten signifikant reduzierte Serumspiegel nachgewiesen werden. Weiterhin waren die nicht-veresterten freien Fettsäuren signifikant reduziert. Vor allem die Teilnehmerinnen profitierten von dieser Reduktion. Auch für oxLDL konnten im 12-wöchigen Verlauf eine signifikante Reduktion nachgewiesen werden. Bei den Gerinnungsfaktoren waren Fibrinogen unbeeinflusst, PAI-1 leichtgradig, t-PA signifikant reduziert. Das CRP war unbeeinflusst. Bei den Adipositas assoziierten Parametern war eine tendenzielle nicht signifikante Abnahme des Adiponektin- und Leptinspiegels bei Männern und Frauen zu beobachten. Die gezeigte Studie ist in Übereinstimmung mit den Beobachtungen früherer Studien, die unter niedrig-glykämischer Ernährung nur geringe Effekte auf die Blutlipide zeigten. Günstige Effekte waren auf kardiovaskuläre Risikofaktoren wie NEFA und oxLDL nachzuweisen. Auch die in früheren Studien gezeigte Verbesserung der Fibrinolyseaktivität konnte bestätigt werden. / Isomalt is a low-glycaemic sugar replacer. In this open study was examined, what does an exchange of glycaemic ingredients like glucose/saccharose instead of isomalt effects on cardiovasculäre riskfactors and adipositas associated parameters in patients with diabetes mellitus type 2. 33 patients with type 2 diabetes received over 12 weeks in addition to their usual food 30g/d isomalt and were instructed to refrain from additional sweetened foods. Before start, after 6 weeks and 12 weeks blood samples and 24-hours urin were taken and analysed for cardiovasculär and adipositas associated parameters as well as the concentration of mannit. 31 patients completed the study. The test diet was well accepted and tolerated. The 12-week intervention was in except of a significant decrease by TAG levels nearly neutral on bloodlipid as well as total-cholesterol, LDL- and HDL-cholesterol. Only in a subgroup of 7 patients with pathological elevated total-cholesterol was a significant reduction measured. Furthermore NEFA were sifnificant reducted. Above all the femal patients had the most profit. In addition a significant reduction of oxLDL could be proved. Fibrinogen was not influenced, PAI-1 was slight, t-PA significant reduced. CRP was not influenced. For the adipositas associated parameters were a slight, but not significant reduction of adiponektin and leptin for male and female noticed. The shown study is in agreement with findings of previous studies which also present low effects on bloodlipids with low-glycaemic diet. Positive effects could be shown on cardiovascular riskfactors like NEFA and oxLDL. The improvement of fbrinolytic aktivity, which is shown in previous studies, could be considered.