Universiẗat, Diss., 2006--Frankfurt (Main).

TTFields sind eine zugelassene Therapie für die Behandlung von Glioblastom IDH-Wildtyp. Es handelt sich dabei um elektrische Wechselfelder niedriger Intensität und mittlerer Frequenz, die therapeutisch aus zwei Richtungen durch ein tragbares, nicht-invasives Gerät appliziert werden. Sie verhindern die Spindelfaserbildung während der Mitose. Die Wirkung vieler effektiver Chemotherapeutika ist im ZNS durch die Blut-Hirn-Schranke (BHS) eingeschränkt. Die BHS wird nach TTFields Applikation bei 100 kHz in einem murinen cerebEND-Zell-Modell vorübergehend geöffnet. Dieser Effekt wurde in dieser Arbeit zunächst mit Hilfe von Immunfluoreszenzmikroskopie und dann durch einen fraktionierten Western-Blot bestätigt, dass der mutmaßliche Wirkungsmechanismus von TTFields in der Delokalisierung des tight junction Proteins Claudin-5 von der Membran in das Zytoplasma liegt. TEER-Messungen zeigten, dass sich die Integrität der BHS durch 100 kHz TTFields nach 72 h verringerte und 48 h - 72 h nach Ende der Behandlung wieder normalisierte, auch wenn statt eines Behandlungsendes auf 200 kHz TTFields umgeschaltet wurde. Der zweite Teil der Untersuchung bestand darin, ein BHS-Modell aus humanen HBMVEC Zellen zu etablieren, um die Auswirkungen von TTFields im humanen System verifizieren zu können. Zunächst konnten keine Effekte von TTFields unterschiedlicher Frequenz auf eine HBMVEC-Monokultur festgestellt werden. In einer Kokultur mit Perizyten gab es eine erhöhte Expression von Claudin-5, Occludin und PECAM-1. Allerdings zeigten die TEER-Messungen und ein Permeabilitätsassay keine Unterschiede zwischen den Mono- und Kokultur-Modellen der BHS auf. Durch eine transiente Öffnung der BHS könnte eine höhere Dosis von Therapeutika, die normalerweise die BHS nicht überwinden können, im ZNS erreicht werden. Damit könnten TTFields eine innovative Methode zur Behandlung von Hirntumoren und anderen Erkrankungen des ZNS darstellen. Die hier präsentierten Daten geben erste Hinweise in diese Richtung, müssen aber noch optimiert und verifiziert werden. / TTFields are an approved therapy for the treatment of glioblastoma IDH-wildtype. They are low intensity, medium frequency alternating electric fields which are applied therapeutically from two directions by a portable, non-invasive device. TTFields prevent spindle fiber formation during mitosis by aligning the strongly polar tubulin subunits in the electrical fields. The achievement of effective chemotherapy of glioblastoma IDH-wildtype and other central nervous system (CNS) disorders is limited by the blood-brain barrier (BBB). Application of TTFields at 100 kHz at the mouse cell line cerebEND temporarily opens the BBB. This TTFields effect was observed in fluorescence microscopy. Fractionated Western-Blots revealed delocalisation of the TJ-Protein Claudin-5 from the membrane to the cytoplasm due to the application of TTFields. The integrity of the BBB has been shown in TEER measurements to be interrupted by 72 h TTFields application at 100 kHz. This effect was reversible and repeatable. In addition, if TTFields at 200 kHz were applied after BBB-opening at 100 kHz the cells recovered. The second part of this project was to establish a human cell culture BBB model (HBMVEC) to investigate TTFields effects on human cells. There were no effects of TTFields at different frequencies on HBMVEC cells detectable. HBMVEC cells had lower expression of Claudin-5, Occludin and PECAM-1 compared to their co-culture with pericytes. However, TEER measurements and permeability assays revealed no differences between such mono- and co-cultures. By overcoming the BBB a higher dose of the drugs could be achieved in a more controlled manner in the CNS. As a result, TTFields could be an innovative method for the treatment of brain tumours and other diseases of the CNS. The presented experiments provide a first rationale in this direction but require optimisation and verification.

Protocadherine spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Nervensystems und sind an Prozessen der Zellmigration und -differenzierung, sowie der Hemmung von Zellwachstum beteiligt. Um die Funktion und Regulation von Protocadherin gamma C3 (PcdhγC3) an mikrovaskulären Endothelzellen des Großhirns (cEND) und des Kleinhirns (cerebEND) zu untersuchen, wurden die PcdhγC3-Knock-out (KO) Zelllinien mit der CRISPR/Cas9 Methode etabliert. Der KO führt zu verminderten Barriereeigenschaften der Blut-Hirn-Schranke (BHS), was sich in einer erhöhten Permeabilität für Fluoreszein und einem verringerten transendothelialen elektrischen Widerstand (TEER) widerspiegelt. Es konnte eine Veränderung der Wachstumsrate und dem Adhäsionsverhalten der KO-Zellen nachgewiesen werden. Auch die Expression der Tight-Junction-Proteine, sowie einiger Komponenten des Wnt und mTOR Signalwegs wurden durch den KO von PcdhgC3 beeinflusst. / Protocadherins (Pcdhs) play an important role in neuronal development, cell migration and differentiation, as well as inhibition of cell growth. To investigate the function and regulation of Protocadherin gamma C3 (PcdhgC3) on microvascular endothelial cells of the cerebrum (cEND) and cerebellum (cerebEND), PcdhgC3 knock-out (KO) cell lines were generated, using the CRIPS/Cas9 method. The Knock-out lowers the barrier function oft he blood-brain-barrier (BBB), which can be seen in lower transendothelial electrical resistance (TEER) and higher permeabilitiy for fluorescein. We detectet a change in the growth rate and the cellular adhesion of the KO-cells. Also the expression of tight-junction proteins, as well as parts oft the Wnt and mTOR signalling pathway are altered by the KO of PcdhgC3.

Every year, stroke affects over 100 million people worldwide and the number of cases continues to grow. Ischemic stroke is the most prevalent form of stroke and rapid restoration of blood flow is the primary therapeutic aim. However, recanalization might fail or reperfusion itself induces detrimental processes leading to infarct progression. Previous studies identified platelets and immune cells as drivers of this so-called ischemia/reperfusion (I/R) injury, establishing the concept of ischemic stroke as thrombo-inflammatory disease. Reduced cerebral blood flow despite recanalization promoted the hypothesis that thrombus formation within the cerebral microcirculation induces further tissue damage. The results presented in this thesis refute this: using complementary methodologies, it was shown that infarct growth precedes the occurrence of thrombi excluding them as I/R injury-underlying cause. Blood brain barrier disruption is one of the hallmarks of ischemic stroke pathology and was confirmed as early event during reperfusion injury in the second part of this study. Abolished platelet α-granule release protects mice from vascular leakage in the early reperfusion phase resulting in smaller infarcts. Using in vitro assays, platelet α-granule-derived PDGF-AB was identified as one factor contributing to blood-brain barrier disruption. In vivo visualization of platelet activation would provide important insights in the spatio-temporal context of platelet activation in stroke pathology. As platelet signaling results in elevated intracellular Ca2+ levels, this is an ideal readout. To overcome the limitations of chemical calcium indicators, a mouse line expressing an endogenous calcium reporter specifically in platelets and megakaryocytes was generated. Presence of the reporter did not interfere with platelet function, consequently these mice were characterized in in vivo and ex vivo models. Upon ischemic stroke, neutrophils are among the first cells that are recruited to the brain. Since for neutrophils both, beneficial and detrimental effects are described, their role was investigated within this thesis. Neither neutrophil depletion nor absence of NADPH-dependent ROS production (Ncf-/- mice) affected stroke outcome. In contrast, abolished NET-formation in Pad4-/- mice resulted in reduced infarct sizes, revealing detrimental effects of NETosis in the context of ischemic stroke, which might become a potential therapeutic target. Cerebral venous (sinus) thrombosis, CV(S)T is a rare type of stroke with mainly idiopathic onset. Whereas for arterial thrombosis a critical contribution of platelets is known and widely accepted, for venous thrombosis this is less clear but considered more and more. In the last part of this thesis, it was shown that fab-fragments of the anti-CLEC-2 antibody INU1 trigger pathological platelet activation in vivo, resulting in foudroyant CVT accompanied by heavy neurological symptoms. Using this novel animal model for CVT, cooperative signaling of the two platelet receptors CLEC-2 and GPIIb/IIIa was revealed as major trigger of CVT and potential target for treatment. / Jährlich sind weltweit über 100 Millionen Menschen von einem Schlaganfall betroffen, wobei die Zahl der Fälle weiter zunimmt. Der ischämische Schlaganfall ist die häufigste Form des Schlaganfalls, und die sofortige Wiederherstellung des Blutflusses ist das oberste Therapie¬ziel. Allerdings kommt es vor, dass die Rekanalisierung des betroffenen Gefäßes fehlschlägt oder die Reperfusion selbst zu schädlichen Prozessen führt, die das Fortschreiten des Infarkts begünstigen. In vorangegangen Studien wurden Thrombozyten und Immunzellen als treibende Kräfte dieser so genannten Ischämie/Reperfusion (I/R)-Schädigung identifiziert und der ischämische Schlaganfall als thrombo-inflammatorische Erkrankung definiert. Eine verminderte zerebrale Durchblutung trotz Rekanalisation führte zu der Hypothese, dass die Bildung von Thromben in der zerebralen Mikrozirkulation zu weiteren Gewebeschäden führt. Die hier vorgestellten Ergebnisse widerlegen dies: Mit Hilfe komplementärer Methoden konnte gezeigt werden, dass das Infarktwachstum dem Auftreten von Thromben vorausgeht, was diese als Ursache für die I/R-Verletzung ausschließt. Die Störung der Blut-Hirn-Schranke ist eines der charakteristischen Kennzeichen der Pathologie des ischämischen Schlaganfalls und wurde im zweiten Teil dieser Studie als frühes Ereignis während des Reperfusionsschadens bestätigt. Mit Hilfe transgener Mäuse konnte gezeigt werden, dass die Ausschüttung von α-Granula aus Thrombozyten in der frühen Reperfusionsphase an Störungen der Blut-Hirn-Schranke beteiligt ist und somit zum Infarktwachstum beiträgt. In in-vitro-Versuchen konnte gezeigt werden, dass PDGF-AB, ein Bestandteil der α-Granula, an Prozessen, die für die Beeinträchtigung der Blut-Hirn-Schranke verantwortlich sind, beteiligt ist. Die Sichtbarmachung von aktivierten Thrombozyten in vivo, würde wichtige Erkenntnisse über den räumlichen und zeitlichen Kontext der Aktivierung von Thrombozyten im Verlauf des Schlaganfalls liefern. Da alle aktivierenden Signalwege zum Anstieg des intrazellulären Kalziumspiegels führen, ist Kalzium ein idealer Indikator der Thrombozytenaktivierung. Um die Grenzen chemischer Kalziumindikatoren zu überwinden, wurde eine transgene Mauslinie erzeugt, welche einen endogenen Kalziumreporter speziell in Thrombozyten und Megakaryozyten exprimiert. Die Anwesenheit des Reporters hatte keine Auswirkung auf die Funktionalität der Thrombozyten und die Mäuse wurden in vivo sowie ex vivo in verschiedenen Experimenten charakterisiert. In der Folge eines ischämischen Schlaganfalles gehören Neutrophile zu den am frühesten ins Gehirn einwandernden Zellen. Dabei werden Neutrophilen sowohl günstige als auch schädliche Wirkungen auf den Verlauf des ischämischen Schlaganfalls zugeschrieben. Aus diesem Grund wurde ihre Rolle in dieser Arbeit näher untersucht. Weder die Abwesenheit von Neutrophilen noch das Fehlen der NADPH-abhängigen Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (Ncf1-/- Mäuse) beeinflussen den Ausgang eines Schlaganfalls. Im Gegensatz dazu, führte die Verhinderung der NET-Bildung (NET = neutrophil extracellular traps) in Pad4-/- Mäusen zu verringerten Infarktgrößen, was auf eine schädliche Wirkung der NETose im Zusammenhang des Schlaganfalls hinweist und somit ein therapeutisches Angriffsziel darstellen könnte. Sinusvenenthrombosen sind eine seltene Form des Schlaganfalls, die meist ohne bekannte Ursache auftreten. Während für die arterielle Thrombose ein kritischer Beitrag der Thrombozyten bekannt und weithin akzeptiert ist, ist dies für venöse Thrombosen weniger klar, wird aber immer mehr in Betracht gezogen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Fab-Fragmente des anti-CLEC-2-Antikörpers INU1 in vivo eine pathologische Aktivierung von Thrombozyten auslösen, die zu einer fulminanten Sinusvenenthrombose mit schweren neurologischen Symptomen führt. Mit Hilfe dieses neuartigen Tiermodells wurde die zusammenwirkende Signalübertragung der beiden Thrombozytenrezeptoren CLEC-2 und GPIIb/IIIa als Hauptauslöser der Sinusvenenthrombose und damit potenzielles Ziel für eine Behandlung identifiziert.

Molekularbiologische Untersuchungen der Blut-Hirn-Schranke nach Subarachnoidalblutung wurden bisher nur an In-vivo-Modellen durchgeführt. In dieser Arbeit konnte erfolgreich ein In-vitro-Modell der Subarachnoidalblutung etabliert werden. Soweit bekannt, handelt es sich um das erste zellkulturbasierte In-vitro-Modell dieser Erkrankung. Nach einer Subarachnoidalblutung besteht ein erhöhtes Risiko ein sekundäres Takotsubo zu entwickeln. Es konnte gezeigt werden, dass Serum von Takotsubo-Patienten eine schädlichere Wirkung auf die zerebellären Endothelzellen, und damit auf die Barrierefunktion der Blut-Hirn-Schranke, hat, als Serum von gesunden Patienten oder von Patienten mit akutem Koronarsyndrom. Gleichzeitig konnten erhöhte Entzündungsmediatoren sowie leicht erhöhte Katecholaminkonzentrationen im Serum der Takotsubo-Patienten gemessen werden. Die bei der Takotsubo-Kardiomyopathie gemessenen Katecholaminkonzentrationen hatten weder einen schädlichen Effekt auf Endothelzellen murinen Ursprungs noch auf Endothelzellen humanen Ursprungs. Somit scheint eher die Kombination von Katecholaminen und proinflammatorischen Zytokinen für die Schädigung der Blut-Hirn-Schranke verantwortlich zu sein. Ob auch andere Blutbestandteile eine Rolle spielen, müssen weitere Untersuchungen noch zeigen. Insbesondere freie Sauerstoffradikale könnten hier eine entscheidende Rolle bei der Schädigung spielen. Unklar ist auch, ob diese Schädigung der Blut-Hirn-Schranke eine Rolle für das neurologische Outcome nach Subarachnoidalblutung mit sekundärem Takotsubo spielt. Hier sind weitere Studien mit größerer Fallzahl erforderlich. Daneben ist Takotsubo eher eine Erkrankung des älteren Patienten. Inwiefern Altersprozesse bei der Pathophysiologie dieser Erkrankung eine Rolle spielen, ist noch unklar. Eine weitere Limitation ist, dass nur ein vereinfachtes Modell der Blut-Hirn-Schranke mit nur einem Zelltyp, den Endothelzellen, verwendet wurde. Andere Zelltypen (wie Perizyten, Astrozyten, Neuronen, Mikroglia) spielen jedoch ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung und Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke. / Molecular biological investigations of the blood-brain-barrier after subarachnoid haemorrhage have so far only been carried out using in-vivo-models. In this work, an in-vitro-model of subarachnoid haemorrhage was successfully established. As far as is known, this is the first cell culture-based in-vitro-model of this disease. After a subarachnoid haemorrhage there is an increased risk of developing a secondary Takotsubo. It has been shown that serum from Takotsubo patients has a more damaging effect on cerebellar endothelial cells, (and thus on the barrier function of the blood-brain-barrier), than serum from healthy patients or patients with acute coronary syndrome. At the same time, increased inflammatory mediators and slightly increased catecholamine concentrations were measured in the serum of Takotsubo patients. The catecholamine concentrations measured in Takotsubo cardiomyopathy had neither a harmful effect on endothelial cells of murine origin nor on endothelial cells of human origin. Therefore the combination of catecholamines and proinflammatory cytokines seems to be responsible for the damage to the blood-brain-barrier. Whether other blood components also play a role remains to be seen in further studies. Free oxygen radicals in particular could play a decisive role in the damage. It is also unclear whether this damage to the blood-brain-barrier plays a role in the neurological outcome after subarachnoid haemorrhage with secondary Takotsubo. Further studies with a larger number of cases are required here. In addition, Takotsubo is more commonly a disease of older patients. The extent to which ageing processes play a role in the pathophysiology of this disease is still unclear. A further limitation is that only a simplified model of the blood-brain-barrier with only one cell type, the endothelial cells, was used. However, other cell types (such as pericytes, astrocytes, neurons, microglia) also play an important role in the stabilisation and maintenance of the blood-brain-barrier.

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine selektiv durchlässige Barriere dar, die den Austausch von Stoffen zwischen Blut und ZNS kontrolliert und so neuroprotektiv wirkt. Sie verhindert allerdings nicht nur die Passage toxischer Metaboliten, sondern verwehrt auch vielen therapeutischen Wirkstoffen den Zugang zum Gehirn. Die Forschung an Methoden zum Erreichen höherer Arzneimittelkonzentrationen im Gehirn ist deshalb essenziell für die Behandlung zerebraler Erkrankungen wie dem zerebral metastasierten Mammakarzinom. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, Wirkstoffe zu identifizieren, die die Permeabilität der BHS erhöhen. Die Substanzdatenbank LO1208 von Sigma-Aldrich wurde im Rahmen eines HTS auf ihre permeabilitätsbeeinflussenden Eigenschaften untersucht. Hierbei konnten 31 Substanzen identifiziert werden, welche die Permeabilität von BLECs um mindestens 50 % erhöhen. Aus diesen wurden 4-Amino-1,8-naphthalimid (PARP-Inhibitor) und GW2974 (TKI) für eine genauere Analyse ausgewählt. Als dritter Wirkstoff wurde Ibuilast (Inhibitor der PDE4, des MIF sowie des Toll-like-Rezeptor-4) untersucht, wobei dieser keine signifikante Veränderung der Permeabilität bewirkt. Die Messung des TEERs und der Permeabilität für Fluorescein bestätigten die Ergebnisse aus dem HTS, welches demnach zukünftig für Permeabilitätstests eingesetzt werden kann. Die Zellviabilität wird durch 4 Amino-1,8-naphthalmid nicht beeinflusst. GW2974 und Ibudilast zeigen bei 500 µM einen toxischen Einfluss auf MCF-7-Zellen. BLECs werden durch 100 µM GW2974 gehemmt. Es konnte gezeigt werden, dass die erhöhte Permeabilität mit einer Veränderung der TJ-Proteinexpression einhergeht. 4-Amino-1,8-naphthalimid senkt die Expression von Occludin auf mRNA- und Proteinebene. GW2974 vermindert zusätzlich die Expression von VE-Cadherin, Claudin-5 und ZO-1. Darüber hinaus wurde die Wirkung auf Effluxpumpen untersucht. Die Ergebnisse der mRNA- und Protein-expression weichen voneinander ab, weshalb eine genauere Untersuchung der Translationsvorgänge sinnvoll erscheint. Glut-1 wird in GW2974 behandelten Zellen überexprimiert, was auf eine erhöhte Aktivität der BLECs hinweist. GW2974 und 4-Amino-1,8-naphthalimid könnten durch ihre permeabilitätssteigernde Wirkung die Ansprechrate einer systemischen Behandlung von PatientInnen mit einem zerebral metastasierten Mammakarzinom erhöhen und somit ihre Prognose verbessern. Detaillierte Studien zu Kombinationstherapien, den notwendigen Wirkstoff-konzentrationen und eventuellen negativen neurologischen Wirkungen sollten erwogen werden. / The Blood-Brain Barrier (BBB) represents a selectively permeable barrier that controls the exchange of substances between the blood and the brain and thus has a neuroprotective effect. However, it not only prevents the passage of toxic metabolites, but also limits the access of therapeutic agents to the brain. Further research into methods to achieve higher drug concentrations in the brain is essential for the treatment of cerebral diseases such as cerebral metastatic breast cancer. The goal of this study was to identify drugs that increase the permeability of the BBB. The substance database LO1208 from Sigma-Aldrich was examined for its permeability-influencing properties as part of a high throughput drug screening (HTS). 31 of the examined substances showed an increase of the permeability on brain-like endothelial cells (BLECs) by at least 50%. Thereof 4-amino-1,8-naphthalimide (PARP inhibitor) and GW2974 (TKI) were selected for a more detailed analysis. Ibudilast (inhibitor of PDE4, MIF and Toll-like receptor-4) was found to be the third most active substance, although it did not cause any significant change in permeability. The measurement of the trans endothelial electrical resistance (TEER) and the permeability for fluorescein confirmed the results from the HTS and therefore is suggested to be used in further permeability tests in the future. Cell viability is not affected by 4 amino-1,8-naphthalmide. GW2974 and Ibudilast have a toxic effect on MCF-7 cells at a concentration of 500 µM, whereas BLECs are inhibited at a concentration of 100 µM of GW2974. The results show that the increased permeability is associated with a change in tight junction protein expression. 4-Amino-1,8-naphthalimide decreases the expression of occludin at mRNA and protein level. GW2974 also reduces the expression of VE-cadherin, claudin-5 and ZO-1. In addition to the abovementioned analysis, also the effect on efflux pumps was investigated. As the results of the mRNA and protein expression differ from each other, a more detailed analysis will be necessary to investigate the translation process. Glut-1 is overexpressed in GW2974-treated cells, which indicates an increased activity of the BLECs. GW2974 and 4-amino-1,8-naphthalimide could increase the response rate to systemic therapy of patients with cerebral metastatic breast cancer through their permeability-enhancing effect and thereby improve their prognosis. Detailed studies on combination therapies, the necessary drug concentrations and possible negative neurological effects are recommended to gain further insight.

Die Integrität der Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist bei vielen Erkrankungen des humanen zentralen Nervensystems (ZNS) beeinträchtigt. Unter verschiedenen neuroinflammatorischen Bedingungen, wie bei zerebralen Ischämien, Traumata, Hirntumoren oder der Multiplen Sklerose (MS), kommt es zum Verlust der protektiven Schrankenfunktion. Zu den ersten Anzeichen des BHS-Zusammenbruchs zählt der Verlust der Zell-Zell-Adhäsion: der Adhärens- und Occludenskontakte. Therapeutische Maßnahmen dieser Krankheiten beinhalten Behandlungen mit Glukokortikoiden (GCs), wobei der Mechanismus und die Wirkungsweise dieser Substanzen bis heute nicht vollkommen aufgeklärt sind. In der zerebralen Hirnendothelzelllinie cEND [Forster C, Silwedel C, Golenhofen N, Burek M, Kietz S, Mankertz J & Drenckhahn D. (2005). Occludin as direct target for glucocorticoid-induced improvement of blood-brain barrier properties in a murine in vitro system. J Physiol 565, 475-486] wurde eine Funktionsverbesserung der Endothelbarriere durch die Expressionerhöhung von Occludin nach GC-Behandlung bereits analysiert. Daraufhin wurden andere Kandidaten des apikalen Junktionssystems gesucht, die positiv auf GC-Gabe ansprechen. Der erste Teil der Arbeit präsentiert den positiven Einfluss der Dexamethason-Behandlung auf die Expression des Adhärenskontakt-Proteins VE- (Vascular-Endothelial) Cadherin in cEND-Zellen. Dabei wurde eine Reorganisation des Zytoskeletts, eine verstärkte Verankerung des VE-Cadherins an das Zytoskelett, sowie eine einhergehende Morphologieänderung der behandelten Zellen beobachtet. Untersuchungen der Transkriptionsaktivierung des VE-Cadherin-Promoters nach Dexamethason-Behandlung, wiesen auf einen indirekten Steroid-Effekt hin, der zu einer Erhöhung der VE-Cadherin-Proteinsynthese führte. Somit sind GCs wichtig für die Proteinsynthese und -organisation beider Kontaktproteinarten: der Adhärens- und Occludenskontakte in mikrovaskulären Hirnendothelzellen. Die Beeinträchtigung der BHS-Integrität mit Veränderungen der Occludenskontaktexpression zählt zu den frühen Ereignissen bei der Entstehung einer Inflammation des ZNS, wie beispielsweise bei der MS. Im zweiten Teil der Dissertation wurde die Herunterregulation von Occludenskontaktproteinen in der cEND-Zelllinie untersucht. Dabei wurden cEND-Zellen mit Seren von Patienten, die sich in zwei verschiedenen Stadien der MS befanden, behandelt: in der akuten Exazerbationsphase oder der Remissionsphase, und auf die Protein- und Genexpression mit und ohne Dexamethasons-Behandlung untersucht. Es konnte ein negativer Effekt auf den Barrierewiderstand und die Occludenskontaktexpression, sowie eine erhöhte MMP-9-Genexpression nach Krankheitssereninkubation gezeigt werden. Die Dexamethason-Behandlung ergab eine geringe, aber keine vollständige Rekonstitution der Barrierefunktion. Anhand dieser Studie konnte jedoch erstmals eine Erniedrigung der Protein- und mRNA-Synthese von Claudin-5 und Occludin in Remissionspatientenseren inkubierten cEND-Zellen demonstriert werden. Somit könnten diese Erkenntnisse zur Prädiagnose einer bevorstehenden Exazerbationsphase der MS eingesetzt werden. Eine Langzeit-GC-Behandlung führt zu zahlreichen Nebenwirkungen, u. a. zum Bluthochdruck, welcher aufgrund einer eingeschränkten Produktion des vasodilatativen Faktors Stickstoffmonoxid, NO, im myokardialen Endothel hervorgerufen wird. Veränderungen in der NO-Produktion, wie auch anderer Faktoren der NO-Signalkaskade in der myokardialen Endothelzelllinie MyEND unter Einfluss von Dexamethason standen im Zentrum des dritten Teils dieser Arbeit. Während keine Veränderungen in der Expression der endothelialen NO-Synthase, eNOS, nach GC-Behandlung gezeigt werden konnten, wurden repressive Einflüsse von Dexamethason auf die Enzymaktivität der eNOS in MyEND-Zellen untersucht. GC-Gabe führte zur einer herabgesetzten Synthese des essenziellen Co-Faktors der eNOS, des Tetrahydrobiopterins, BH4, sowie zu einer Herunterregulation der GTP-Cyclohydrolase-1 (GTPCH-1), des geschwindigkeitsbestimmenden Enzyms der BH4-Produktion. Im Gegensatz zu bisherigen Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen, konnte in der vorliegenden Studie belegt werden, dass die Herunterregulation der GTPCH-1 mRNA-Level auf den Liganden-abhängigen proteasomalen Abbau des Glukokortikoid-Rezeptors (GR) zurückzuführen ist. Das 26S-Proteasom moduliert die GR-abhängige Genexpression durch Kontrolle des Umsatzes und des Recyclings des Rezeptors selbst, wodurch eine regulierte Hormonresponsivität gewährleistet wird. Die Aufhebung des Liganden-abhängigen Abbaus des GR-Proteins durch gezielte Proteasominhibition, sowie durch eine Überexpression des ubiquitinylierungsdefekten GR-Konstruktes, K426A-GR, in Dexamethason-behandelten MyEND-Zellen resultierte in einer Erhöhung der GTPCH-1-Expression, sowie einer gesteigerten eNOS-Aktivität. Die hier beschriebenen Ergebnisse erlauben einen innovativen Einblick in die Erkenntnisse zur GC-vemittelten Hypertonie. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass GC-Behandlungen von mikrovaskulären Hirnendothelzellen zu einer Stabilisierung der Endothelbarriere führen. Unter pathologischen Bedingungen, wie der MS, wird der protektive GC-Effekt durch andere Faktoren beeinträchtigt / The integrity of the blood-brain barrier (BBB) is compromised in many disorders of the human central nervous system. A breakdown of the blood-brain barrier under conditions of neuroinflammation and cerebral ischemia, but also traumas, brain tumours and multiple Sclerosis (MS), leads to loss of the protective function of the barrier. In its breakdown one of the first observable changes is the loss of intercellular adhesion and concomitant an increase of permeability. Although therapeutic strategies for diseases with impaired BBB function include the treatment with glucocorticoids (GCs) but the mechanism explaining GC action still remains unclear. Recent studies showed the influence of GCs on the expression of the tight junction protein occludin in the brain capillary endothelial cell line cEND, contributing to improvement in endothelial barrier functions. In this study, we investigated GC effects on the expression of the adherens junction proteins VE- (vascular-endothelial) cadherin. It was possible to show a positive influence of dexamethasone administration on VE-cadherin protein levels as well as a rearrangement and the anchorage of VE-cadherin protein to the cytoskeleton. Investigation of transcriptional activation of the VE-cadherin promoter by dexamethasone, however, did not point to direct glucocorticoid-mediated VE-cadherin gene induction. But it rather suggested indirect steroid effects leading to increased VE-cadherin protein synthesis. We thus propose that glucocorticoid effects on VE-cadherin protein synthesis and organization are important for the formation of both adherens and tight junctions, and for improved barrier properties in microvascular brain endothelial cells. Abnormalities in the expression profile of tight junctions in cerebral endothelium constituting barrier functions occur early during neuroinflammation, as Multiple Sclerosis (MS). In the second part of this study, the disruption of tight junction proteins in the cEND cell line was analysed. cEND cells were incubated with sera from patients, which were in two different states of MS: in the acute exacerbation or the remission phase of the disease, and protein levels and gene expression of claudin-5, occludin and VE-cadherin with and without dexamethasone treatment were investigated. There arised a downregulation of claudin-5 and occludin on protein and mRNA levels and an accompanying upregulation of MMP-9 activity revealed. A minor reconstitution of barrier functions related to dexamethasone treatment could be shown. However, no reconstitution could be detected to the control level. Especially, observations in downregulation of claudin-5 and occludin in cEND cells incubated with sera from patients in remission phase of MS could not be demonstrated before. Thus, this finding is proposed to be a new useful prediagnostic tool for an early detection of upcoming exacerbation phase. One of the numerous side effects of GC therapy is hypertension arising from reduced release of the endothelium-derived vasodilator nitric oxide, NO, being in the centre of the third part of this study. While effects of dexamethasone on endothelial NO synthase, eNOS, expression itself could not be demonstrated, repressive effects of dexamethasone on eNOS enzyme activity were shown in the myocardial endothelial cell line MyEND. Following GC-treatment we observed decreased levels of the essential cofactor of eNOS, tetrahydrobiopterin, BH4. We also determined a downregulation of GTP cyclohydrolase-1, GTPCH-1, the key enzyme of BH4 synthesis. In contrast to recent data from other groups, we postulate that this downregulation of GTPCH-1 mRNA levels is not a direct downregulation effect of GC action. But it is rather a consequence of the ligand-dependent proteasomal degradation of the GC receptor, GR. The 26S-proteasome modulates GR-dependent gene transcription by regulation of its turnover and the recycling of receptor/transcriptional DNA complexes, thereby ensuring continued regulation of hormone responsivity. In this work, the inhibition of proteasome-mediated proteolysis of GR by using inhibitors of the 26S-proteasome, or overexpression of a point-mutated, ubiquitination-defective GR construct, K426A-GR, which attenuates endothelial GC responsivity, was demonstrated. The abrogation of ligand-dependent degradation of GR protein resulted in increased levels of GTPCH-1 hence expression, leading to an increased eNOS-activity. These results provide a new insight into the research of GC-induced hypertension. Taken together, these data demonstrate, that GC treatment in microvascular brain endothelial cells leads to barrier stabilisation, but under conditions of MS there are many other factors like cytokines and chemokines, which abrogate this positive action.

Over the past decades, awareness has increased of multiple health-promoting effects of diets rich in anthocyanins and proanthocyanidins and, specifically, of these compounds’ potential for conferring neuroprotection. The present study compiles evidence obtained in vitro that expands our understanding of anthocyanin and proanthocyanidin functionalities at multiple levels. Firstly, anthocyanin and anthocyanidin bioavailability was addressed using a combination of ATPase assays, dye extrusion assays and vesicular transport assays. This approach highlights the contribution made by efflux transporters MDR1 and BCRP to the absorption of berry polyphenols and to their distribution to target tissues including the central nervous system. All test compounds interacted with the BCRP transporter in vitro, seven emerged as potential BCRP substrates and 12 as potential inhibitors of BCRP. Two anthocyanidins, malvidin and petunidin, exhibited bimodal activities, serving as BCRP substrates at low micromolar concentrations and, at higher concentrations, as BCRP inhibitors. Effects on MDR1, in contrast, were weak, as only aglycones exerted mild inhibitory activity in the high micromolar range. Distinct affinities of several anthocyanins and the respective aglycones for BCRP suggest that they may be actively transported out of endothelia. Agents that interfere with BCRP activity are therefore likely to facilitate crossing of the intestinal and blood-brain barriers and to augment anthocyanin bioavailability. Secondly, novel modes of action were sought to rationalize berry polyphenols’ direct modulation of neuronal transmission as opposed to their non-specific antioxidant activities. The candidate effectors include cellular monoamine oxidases (MAO) A and B, hypoxia inducible factor (HIF), the proteasome, and phospholipase A2 (PLA2). Elevated MAO activity has long been implicated in the etiology of depression, anxiety and neurodegenerative illness. MAO inhibiting compounds may thus hold promise in the prevention of behavioral symptoms and cognitive decline. For both MAO isoforms, inhibitory effects of anthocyanins and anthocyanidins are illustrated by IC50 values in the low micromolar range whereas proanthocyanidins and phenolic metabolites were less effective inhibitors. Kinetic analyses, performed with cyanidin and cyanidin-3-glucoside, indicated a competitive interaction of cyanidin in terms of MAO A, plus a mixed competitive and non-competitive mode of interaction of cyanidin in terms of MAO B as well as of cyanidin-3-glucoside with respect to both enzyme isoforms. Thus MAO inhibition by anthocyanins and their aglycones in vitro lends support to central nervous functionalities of diets rich in berry polyphenols and opens new opportunities in the prevention of neuronal pathologies. Effects on HIF expression were examined to assess candidate compounds’ role in enhancing cellular resistance to oxidative stress. By inducing a dose-dependent increase in HIF expression, delphinidin may initiate a variety of cellular survival processes that are inhibited by free iron. This finding argues in favor of iron-chelating properties as a further means of mediating neuroprotection. Other inducers of HIF expression in neuroblastoma cells included gallic acid, cyanidin and bilberry extract, all of which may modulate HIF-dependent transcription of downstream genes. / Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurde die Vielzahl gesundheitsfördernder Effekte einer Anthocyan- und Proanthocyanidin-reichen Ernährung verstärkt wahrgenommen, insbesondere das Potenzial dieser Substanzen neuroprotektive Wirkungen zu erzielen. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit zusammengetragenen in vitro-Befunde belegen dies und erweitern unser Verständnis über die facettenreiche Funktionalität von Anthocyanen und Proanthocyanidinen. Zunächst wurde mit einer Kombination indirekter und direkter Transporter-Assays die Bioverfügbarkeit von Anthocyanen und Anthocyanidinen thematisiert. Dieser Ansatz betont, dass die Efflux-Transporter MDR1 und BCRP einen wichtigen Beitrag zur Absorption von polyphenolischen Beereninhaltsstoffen und zu deren anschließender Verteilung auf Zielgewebe, einschließlich des Zentralnervensystems, leisten können. Alle Testsubstanzen traten in vitro in Wechselwirkung mit dem BCRP-Transporter, wobei sich sieben als potenzielle BCRP-Substrate und 12 als potenzielle Inhibitoren herausstellten. Zwei Anthocyanidine, Malvidin und Petunidin, zeigten bimodale Aktivitäten, indem sie in niedrigen mikromolaren Konzentrationen als BCRP-Substrate dienten und in höheren Konzentrationen als Hemmstoffe. Im Gegensatz dazu waren die Effekte auf den MDR1-Transporter nur gering, wobei lediglich die Aglykone nur schwache hemmende Wirkungen im höheren mikromolaren Konzentrationsbereich zeigten. Die ausgeprägten Affinitäten einiger Anthocyane und Aglykone zum BCRP-Transporter legen nahe, dass diese Verbindungen aktiv aus Endothelien transportiert werden. Somit könnten Substanzen, die mit BCRP wechselwirken aller Voraussicht nach den Transport von Anthocyanen und Anthocyanidinen über die Blut-Hirn-Schranke und die gastrointestinale Barriere begünstigen und somit deren Bioverfügbarkeit steigern. Der zweite Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Suche nach neuen Wirkmechanismen, die sich für eine direkte Modulation der neuronalen Signalübertragung durch polyphenolische Beereninhaltsstoffe eignen, im Gegensatz zu bereits bekannten nicht-spezifischen antioxidativen Aktivitäten. Als mögliche Effektoren kommen hier die Monoaminoxidasen (MAO) A und B, der Hypoxie-induzierbare Faktor (HIF), das Proteasom und die Phospholipase A2 (PLA2) in Betracht. Einer erhöhten Monoaminoxidase-Aktivität wird schon seit langem eine Rolle in der Ätiologie depressiver, Angst- und neurodegenerativer Erkrankungen zugeschrieben. Somit könnten Monoaminoxidase-hemmende Stoffe vielversprechende präventive Wirkungen auf krankheitsbedingte Verhaltenssymptome und kognitive Abbauprozesse ausüben. Für beide MAO-Isoformen zeigten Anthocyane und Anthocyanidine hemmende Wirkungen im niedrigen mikromolaren Bereich, wohingegen sich Proanthocyanidine und phenolische Metabolite als weniger effektive Inhibitoren herausstellten. Mit Cyanidin und Cyanidin-3-glucosid durchgeführte Untersuchungen zur Enzymkinetik gaben Hinweise auf kompetitive Wechselwirkungen von Cyanidin bezüglich MAO A. Gemischt kompetitive und nicht-kompetitive Wechselwirkungen wurden für Cyanidin bezüglich MAO B, sowie für Cyanidin-3-glucosid hinsichtlich beider Isoenzme ermittelt. Somit befürworten diese MAO-hemmenden Eigenschaften von Anthocyanen und deren Aglykonen eine Ernährung, die reich an polyphenolischen Beereninhaltsstoffen ist, und eröffnen neue Möglichkeiten bei der Prävention neuronaler Erkrankungen. Zur Beurteilung einer Wirkung von Beereninhaltsstoffen im Hinblick auf die Steigerung der zellulären Widerstandsfähigkeit gegenüber oxidativem Stress wurden ferner Effekte der Testsubstanzen auf die HIF-Expression untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Delphinidin aufgrund konzentrationsabhängiger Erhöhung der HIF-Expression eine Reihe zellulärer Überlebensprozesse einleiten könnte, die durch freies Eisen gehemmt werden. Auf diese Weise könnten Anthocyane durch ihre Eisen-chelierenden Fähigkeiten Neuroprotektion vermitteln. Gallussäure, Cyanidin und Heidelbeerextrakt bewirkten ebenfalls eine Induktion der HIF-Expression in Neuroblastom-Zellen und gelten somit als weitere Kandidaten, welche die HIF-abhängige Transkription nachgeschalteter Gene modulieren könnten.

Laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) waren in Deutschland 2006 akute ischämische Ereignisse des Zentralen Nervensystems (ZNS) die fünfthäufigste Todesursache. Zu diesen ischämischen Ereignissen zählen Schlaganfall, Kardiopulmonale Reanimation, traumatische Hirnverletzungen, sowie perioperative ischämische Komplikationen. Aufgrund der schwerwiegenden Folgen, die ein Verlust von Nervenzellen für den Patienten bedeutet, muss die weitere medizinische Akutversorgung den sekundären neuronalen Schaden verhindern oder ihn reduzieren. Vor dieser Arbeit konnten Glukosetransporter-1 (GLUT-1) und Natrium-Glukose-Kotransporter-1 (SGLT1) an der Blut-Hirn-Schranke (BHS) identifiziert werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Expressionsverhalten der Glukosetransporter nach einem Schädel-Hirn-Trauma (SHT) in vivo und in vitro zu untersuchen, um so den Einfluss und die funktionellen Folgen durch die veränderte Expression der zerebralen Glukosetransporter in der BHS infolge eines SHT zu identifizieren und deren eventuellen Einfluss auf die Entwicklung eines sekundären Hirnödems zu erkennen. Hierfür wurde als in vivo-Modell das Controlled Cortical Impact Injury (CCII) gewählt, da bei diesem Tierversuchsmodell die Aspekte der traumatischen Kontusion und die damit verbundenen intraparenchymalen Blutungen durch ein epidurales oder subdurales Hämatom im Vordergrund stehen. Es wurden Gehirnschnitte zu fest definierten Zeitpunkten angefertigt (kein CCII (Kontrolle), 15 Minuten Überleben nach CCII (Primärschaden), 24 Stunden Überleben nach CCII und 72 Stunden Überleben nach CCII). Die Darstellung des primären Schadens im Mäusehirn erfolgte durch die Immunfluoreszenzmikroskopie. Um einen Gewebeschaden, wie es bei einem Hirntrauma der Fall ist, in vitro zu simulieren, wurde das Modell des Sauerstoff-Glukose-Entzuges (OGD) gewählt, da es bei diesem Modell neben einer Nekrose auch zur Apoptose der Nervenzellen kommt, welche ebenfalls bei einem SHT stattfindet. Als geeignetes Zellkulturmodell wurde die cerebralen Endothelzelllinie (cEND) gewählt. Bei dieser Zelllinie handelte es sich um eine Hirnendothelzelllinie aus der Maus. In den in vivo-Versuchen konnte bei GLUT-1 bereits 15 Minuten nach CCII eine gesteigerte Expression festgestellt werden. Dennoch verminderte GLUT-1 im weiteren Verlauf seine Expression auf ein Minimum, welches unterhalb des Ausgangswertes lag. SGLT1, der auch in der BHS identifiziert wurde, reagierte auf einen Primärschaden erst in den Hirnschnitten, die 24 Stunden nach CCI behandelt wurden. In den Hirnschnitten, die 15 Minuten nach CCII behandelt wurden, veränderte sich die SGLT1-Expression zunächst nicht. Erst 24 Stunden nach CCII konnte eine gesteigerte Expression von SGLT1 erkannt werden, die aber bei 72 Stunden nach CCII wieder abgenommen hatte. Ein weiterer Glukosetransporter konnte erstmals in der BHS identifiziert werden. SGLT2 zeigte erst 72 Stunden nach CCII eine gesteigerte Expression, in den Hirnschnitten ohne CCII, 15 Minuten nach CCII und 24 Stunden nach CCII konnte keine Veränderung der SGLT2-Expression festgestellt werden. Diese Expressionsreaktion, besonders der Expressions-Höhepunkt der einzelnen Glukosetransporter, konnte auch in vitro gezeigt werden. Besonders die Identifizierung von SGLT2 in der BHS und die generelle Steigerung der Expressionsrate von GLUT-1, SGLT1 und SGLT2 könnte neue Ansatzpunkte in der Pathophysiologie des diffusen Hirnödems nach einem SHT ergeben. Die genaue Rolle der Natriumgekoppelten Glukosetransporter in der BHS muss noch weiter erforscht werden. Bestätigen weitere Versuche eine zentrale Rolle der SGLTs bei der Entstehung des sekundären Hirnschadens, speziell SGLT2, als hochpotenter Glukosetransporter, so könnte über neue Therapien nachgedacht werden, durch welche spezifisch die Expression der SGLTs, besonders SGLT2, wie es bei Dapagliflozin, Canagliflozin oder Ipragliflozin der Fall wäre, unterdrücken würden. / According to the World Health Organization (WHO) the acute ischemic events of the central nervous system (CNS) were the fifth most common mortality in Germany in 2006. To this belong stroke, cardiopulmonary resuscitation, traumatic brain injuries, as well as perioperative ischemic complications. Because of the fatal consequences for a patient which means a death of nerve the medical acute care must be prevent the secondary neuronal damage. Before this work the glucose transporter 1 (GLUT-1) and sodium-glucose cotransporter-1 (SGLT1) are identified at the blood-brain barrier (BBB). The aim of this study was to analyze the expression characteristics of the glucose transporters after a traumatic brain injury (TBI) in vivo and in vitro. These results may show the influence and the functional consequences of the altered expression of cerebral glucose transporters in the BBB as a result of TBI. This allows to recognize a potential impact on the development of cerebral edema. We use for this the model of the controlled cortical impact injury (CCII) as an in vivo model. Brain trauma was induced and animals were randomly assigned to three survival groups: 15 min, 24 h and 72 h, which were compared to native – no CCII – animals. The depiction of the primary damage in mouse brain was performed by immunofluorescence microscopy. To simulate the tissue damage in vitro we use the model of oxygen-glucose deprivation (OGD). As a suitable cell culture model of the cerebral endothelial cell line (cEND) was chosen. In this cell line, there was a cerebrum endothelium cells of the capillary endothelium from the mouse brain. In summary, immunofluorescence images revealed presence of sglt1 and sglt2 in the blood-brain barrier which was inducible by CCII. Strongest expression of sglt1 in the brain endothelium was found after 24 hours and of sglt2 after 72 hours after CCII suggesting different and time dependent roles of these two transporters during edema formation. This expression, especially the expression peak of the individual glucose transporter could be also demonstrated in vitro model. In particular, the identification of SGLT2 in the BBB and the general increase of the expression of GLUT-1, SGLT1 and SGLT2 might be a new starting point in the pathophysiology of diffuse cerebral edema. Indicate further experiments a central role of SGLTs in the development of secondary brain damage, particularly SGLT2, as an highly potent glucose transporter, it could be given to new therapies through which suppress specific the expression of SGLT2.

Universiẗat, Diss., 2003--München.