The volume homeostasis of retinal glial cells is mediated by an autocrine purinergic mechanism of ion channel opening which is activated in response to a decrease in the extracellular osmolarity. Here, I show that erythropoietin (EPO) prevents the osmotic swelling of glial somata in retinal slices from control and diabetic rats, with a half-maximal effect at approximately 0.01 nM. The downstream signaling evoked by EPO includes a release of vascular endothelial growth factor from the cells which was blocked by Janus kinase and extracellular signal-regulated kinases (ERK)1/2 inhibitors. Transactivation of kinase insert domain-containing receptor/fms-like tyrosine kinase 1 (KDR/flk-1) evokes a calcium-dependent, exocytotic release of glutamate, followed by activation of group I/II metabotropic glutamate receptors which results in calcium-independent release of ATP and adenosine from the cells. The final step in this cascade is the activation of adenosine A(1) receptors which results in protein kinase A- and phosphoinositide 3-kinase-mediated opening of potassium and chloride channels. EPO receptor protein was immunohistochemically localized to the inner retina and photoreceptor inner segments. In isolated glial cells, EPO receptor protein is selectively localized to fibers which traverse the inner nuclear layer in situ. Inhibition of glial swelling might contribute to the neuroprotective action of EPO in the retina under pathological conditions.

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Yes / Breast cancer is a leading cause of cancer-related deaths. Anemia is common in breast cancer patients and can be treated with blood transfusions or with recombinant erythropoietin (EPO) to stimulate red blood cell production. Clinical studies have indicated decreased survival in some groups of cancer patients treated with EPO. Numerous tumor cells express the EPO receptor (EPOR), posing a risk that EPO treatment would enhance tumor growth, but the mechanisms involved in breast tumor progression are poorly understood. Here, we have examined the functional role of the EPO-EPOR axis in preclinical models of breast cancer. EPO induced the activation of PI3K/AKT and MAPK pathways in human breast cancer cell lines. EPOR knockdown abrogated human tumor cell growth, induced apoptosis through Bim, reduced invasiveness, and caused downregulation of MYC expression. EPO-induced MYC expression is mediated through the PI3K/AKT and MAPK pathways, and overexpression of MYC partially rescued loss of cell proliferation caused by EPOR downregulation. In a xenotransplantation model, designed to simulate recombinant EPO therapy in breast cancer patients, knockdown of EPOR markedly reduced tumor growth. Thus, our experiments in vitro and in vivo demonstrate that functional EPOR signaling is essential for the tumor-promoting effects of EPO and underline the importance of the EPO-EPOR axis in breast tumor progression. / Cancer Research UK - C10141/A9977 (TRL, MET, KKC). European Commission FP7 (EpoCan) 282551 (TRL, KBM); Invest NI RD0914223 (TRL, KBM).

A prognostic factor is a marker or a feature that can be used to estimate the risk of recurrence of disease, metastatic spread and clinical outcome. Despite intensive search for more sophisticated markers in renal cell carcinoma (RCC), few have added prognostic information to earlier described factors like stage of disease, nuclear grade, tumour type, and in metastatic disease; performance status, anaemia, hypercalcaemia and increased erythrocyte sedimentation. In the dominating tumour type, clear cell renal RCC (cRCC), hypoxia is common, leading to an up-regulation of hypoxia inducible factor (HIF). The majority of cRCC have a mutation in the von Hippel Lindau gene (VHL-gene), which regulates HIF and in turn leads to up-regulation of a number of target genes for potential growth factors. The aim of the study was to evaluate the possible prognostic information of a few factors associated to pVHL/HIF, anemia and/or hypercalcaemia in RCC; erythropoietin (EPO) and it´s receptor (EPO-R), carbonic anhydrase IX (CA IX), parathyroid hormone-related protein (PTHrP) and osteopontin (OPN). Patients diagnosed with RCC between 1982-2007 were included in the studies. The tumour tissue expressions of EPO, EPO-R and PTHrP were assessed using immunohistochemistry. Serum/plasma levels of EPO, CA IX, PTHrP and OPN were also analyzed using immunometric methods. Our study demonstrated that the expression of EPO and EPO-R were related, and the expressions differed significantly between RCC types. The serum EPO levels did not associate to the tumour expression of EPO or EPO-R, indicating that circulating EPO derives from other sources than tumour cells. Erythropietin receptor expression was more frequent in advanced stages of disease, but neither EPO, nor EPO-R, were independent prognostic factors for survival. Serum CA IX levels were higher in cRCC compared to papillary RCC (pRCC). In cRCC, the CA IX serum levels correlated positively to TNM stage, but serum CA IX did not add independent prognostic information. Parathyroid hormone-related protein is a cause of hypercalcaemia in malignancy, and we observed that circulating PTHrP related to hypercalcaemia in RCC. The tumour expression of PTHrP associated positively to serum PTHrP, but not to serum calcium. We found an association between PTHrP and OPN in plasma, and both plasma PTHrP and OPN were positively associated to TNM stage.  Neither serum/plasma PTHrP nor tumour expression of PTHrP were independent prognostic factors for survival. The serum OPN levels were higher in pRCC but no impact on survival was observed in this RCC type. In contrast, plasma/serum OPN was an independent prognostic factor for disease-specific survival in cRCC. Our results support a role for these factors in RCC. The expressions vary between tumour types, which can be explained by different gene aberrations. Some of the factors have a close relation to para-malignant symptoms like hypercalcaemia. Most of the factors correlate positively to TNM-stage, reflecting a relation to advanced disease. Although expression of EPO, EPO-R, PTHrP and CA IX did not add independent prognostic information, the results might contribute to greater understanding of important mechanisms and associations in RCC. Osteopontin is a strong independent prognostic factor in cRCC, and should be further evaluated as a tool in the clinic when treating RCC patients.

In dieser Arbeit wird das in vivo-Verhalten der murinen Erythro- und Granulopoese, einschließlich der hämatopoetischer Stammzellen, unter dem Einfluß von exogen appliziertem G-CSF und Erythropoietin mit Hilfe eines mathematischen Kompartimentmodelles untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Identifizierung von linienübergreifenden Wachstumsfaktoreffekten. Zu diesem Zweck werden experimentelle Daten mit den Modellsimulationen unter Berücksichtigung verschiedener Modellannahmen verglichen. Die experimentellen Daten für die Modellentwicklung stammen zum einem kleinen Teil aus der Literatur, hauptsächlich betrachtet wurden jedoch Daten einer kooperierenden niederländischen Arbeitsgruppe. Die beiden Wachstumsfaktoren wurden kontinuierlich und simultan mittels osmotischer Minipumpen subkutan über einen längeren Zeitraum appliziert. Die experimentellen Daten werden zunächst mit Hilfe eines nichtlinearen Regressionsmodelles analysiert und quantitativ beschrieben, wobei Interaktionseffekte zwischen den Wachstumsfaktoren besondere Berücksichtigung finden. Es wird dann ein umfassendes mathematischen Differentialgleichungsmodell der murinen Erythro- und Granulopoese unter Berücksichtigung der linienübergreifenden Wachstumsfaktoreffekte und Interaktionen aufgestellt. Es wird zunächst überprüft, ob sich die beobachteten Daten unter Simultanstimulation durch die einfache Zusammenschaltung zweier bereits existierender Einzelmodelle der Erythro- und Granulopoese ohne weitere Modellannahmen erklären lassen. Dazu werden Daten von normalen als auch splenektomierten Tieren berücksichtigt. Es zeigt sich nach Prüfung verschiedener Hypothesen, dass erst unter Annahme einer durch Erythropoietin potenzierten Amplifikation der primär G-CSF-abhängigen Zellstufe der lienalen CFU-GM die experimentell beobachteten Effekte erklärt werden können. Es wird außerdem gezeigt, daß sich mit demselben Modell und denselben Modellparametern die bei splenektomierten Tieren zu beobachtetende G-CSFabhängige Entwicklung einer EPO-resistenten Anämie gut erklärt wird. In einem zweiten Teil der Arbeit wird ein Modellkonzept erarbeitet, mit welchem sich die Effekte nach Langzeitgabe von G-CSF mittels rezeptorvermitteltem G-CSF-Abbau erklären lassen. In einem dritten Teil wird geprüft, ob sich die hämatopoetische Zellzahldynamik nach Absetzen der G-CSF-Gabe durch eine aktive Rückmigration von Progenitoren aus der Milz in das Knochenmark erklären läßt. Das in dieser Arbeit entwickelte kombinierte Modell der Erythro- und Granulopoese impliziert eine Reihe von weiteren Fragen und bedarf der Überprüfung und Weiterentwicklung anhand weiterer experimenteller Daten. Dafür werden entsprechende Vorschläge erarbeitet, die weitere Einblicke in das komplexe Systemverhalten der Hämatopoese liefern könnten.

The volume homeostasis of retinal glial cells is mediated by an autocrine purinergic mechanism of ion channel opening which is activated in response to a decrease in the extracellular osmolarity. Here, I show that erythropoietin (EPO) prevents the osmotic swelling of glial somata in retinal slices from control and diabetic rats, with a half-maximal effect at approximately 0.01 nM. The downstream signaling evoked by EPO includes a release of vascular endothelial growth factor from the cells which was blocked by Janus kinase and extracellular signal-regulated kinases (ERK)1/2 inhibitors. Transactivation of kinase insert domain-containing receptor/fms-like tyrosine kinase 1 (KDR/flk-1) evokes a calcium-dependent, exocytotic release of glutamate, followed by activation of group I/II metabotropic glutamate receptors which results in calcium-independent release of ATP and adenosine from the cells. The final step in this cascade is the activation of adenosine A(1) receptors which results in protein kinase A- and phosphoinositide 3-kinase-mediated opening of potassium and chloride channels. EPO receptor protein was immunohistochemically localized to the inner retina and photoreceptor inner segments. In isolated glial cells, EPO receptor protein is selectively localized to fibers which traverse the inner nuclear layer in situ. Inhibition of glial swelling might contribute to the neuroprotective action of EPO in the retina under pathological conditions.

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Background: Haematotoxicity of conventional chemotherapies often results in delays of treatment or reduction of chemotherapy dose. To ameliorate these side-effects, patients are routinely treated with blood transfusions or haematopoietic growth factors such as erythropoietin (EPO) or granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF). For the latter ones, pharmaceutical derivatives are available, which differ in absorption kinetics, pharmacokinetic and -dynamic properties. Due to the complex interaction of cytotoxic effects of chemotherapy and the stimulating effects of different growth factor derivatives, optimal treatment is a non-trivial task. In the past, we developed mathematical models of thrombopoiesis, granulopoiesis and erythropoiesis under chemotherapy and growth-factor applications which can be used to perform clinically relevant predictions regarding the feasibility of chemotherapy schedules and cytopenia prophylaxis with haematopoietic growth factors. However, interactions of lineages and growth-factors were ignored so far. Results: To close this gap, we constructed a hybrid model of human granulopoiesis and erythropoiesis under conventional chemotherapy, G-CSF and EPO applications. This was achieved by combining our single lineage models of human erythropoiesis and granulopoiesis with a common stem cell model. G-CSF effects on erythropoiesis were also implemented. Pharmacodynamic models are based on ordinary differential equations describing proliferation and maturation of haematopoietic cells. The system is regulated by feedback loops partly mediated by endogenous and exogenous EPO and G-CSF. Chemotherapy is modelled by depletion of cells. Unknown model parameters were determined by fitting the model predictions to time series data of blood counts and cytokine profiles. Data were extracted from literature or received from cooperating clinical study groups. Our model explains dynamics of mature blood cells and cytokines after growth-factor applications in healthy volunteers. Moreover, we modelled 15 different chemotherapeutic drugs by estimating their bone marrow toxicity. Taking into account different growth-factor schedules, this adds up to 33 different chemotherapy regimens explained by the model. Conclusions: We conclude that we established a comprehensive biomathematical model to explain the dynamics of granulopoiesis and erythropoiesis under combined chemotherapy, G-CSF, and EPO applications. We demonstrate how it can be used to make predictions regarding haematotoxicity of yet untested chemotherapy and growth-factor schedules.

In dieser Arbeit wird das in vivo-Verhalten der murinen Erythro- und Granulopoese, einschließlich der hämatopoetischer Stammzellen, unter dem Einfluß von exogen appliziertem G-CSF und Erythropoietin mit Hilfe eines mathematischen Kompartimentmodelles untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Identifizierung von linienübergreifenden Wachstumsfaktoreffekten. Zu diesem Zweck werden experimentelle Daten mit den Modellsimulationen unter Berücksichtigung verschiedener Modellannahmen verglichen. Die experimentellen Daten für die Modellentwicklung stammen zum einem kleinen Teil aus der Literatur, hauptsächlich betrachtet wurden jedoch Daten einer kooperierenden niederländischen Arbeitsgruppe. Die beiden Wachstumsfaktoren wurden kontinuierlich und simultan mittels osmotischer Minipumpen subkutan über einen längeren Zeitraum appliziert. Die experimentellen Daten werden zunächst mit Hilfe eines nichtlinearen Regressionsmodelles analysiert und quantitativ beschrieben, wobei Interaktionseffekte zwischen den Wachstumsfaktoren besondere Berücksichtigung finden. Es wird dann ein umfassendes mathematischen Differentialgleichungsmodell der murinen Erythro- und Granulopoese unter Berücksichtigung der linienübergreifenden Wachstumsfaktoreffekte und Interaktionen aufgestellt. Es wird zunächst überprüft, ob sich die beobachteten Daten unter Simultanstimulation durch die einfache Zusammenschaltung zweier bereits existierender Einzelmodelle der Erythro- und Granulopoese ohne weitere Modellannahmen erklären lassen. Dazu werden Daten von normalen als auch splenektomierten Tieren berücksichtigt. Es zeigt sich nach Prüfung verschiedener Hypothesen, dass erst unter Annahme einer durch Erythropoietin potenzierten Amplifikation der primär G-CSF-abhängigen Zellstufe der lienalen CFU-GM die experimentell beobachteten Effekte erklärt werden können. Es wird außerdem gezeigt, daß sich mit demselben Modell und denselben Modellparametern die bei splenektomierten Tieren zu beobachtetende G-CSFabhängige Entwicklung einer EPO-resistenten Anämie gut erklärt wird. In einem zweiten Teil der Arbeit wird ein Modellkonzept erarbeitet, mit welchem sich die Effekte nach Langzeitgabe von G-CSF mittels rezeptorvermitteltem G-CSF-Abbau erklären lassen. In einem dritten Teil wird geprüft, ob sich die hämatopoetische Zellzahldynamik nach Absetzen der G-CSF-Gabe durch eine aktive Rückmigration von Progenitoren aus der Milz in das Knochenmark erklären läßt. Das in dieser Arbeit entwickelte kombinierte Modell der Erythro- und Granulopoese impliziert eine Reihe von weiteren Fragen und bedarf der Überprüfung und Weiterentwicklung anhand weiterer experimenteller Daten. Dafür werden entsprechende Vorschläge erarbeitet, die weitere Einblicke in das komplexe Systemverhalten der Hämatopoese liefern könnten.

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