This thesis investigates the applicability of novel approaches designed to study the molecular mechanisms required for the initiation of organogenesis within the early endoderm. The endoderm is the germ layer that gives rise to the gut-tube and associated organs including the thyroid, lung, liver and pancreas. Our laboratory focuses on understanding the molecular mechanisms governing the developmental transition from endoderm to liver and pancreas. Several signaling pathways including Wnt, Retinoic Acid (RA), Bone Morphogenetic Protein (BMP) and Transforming Growth Factor-β (TGFβ) have been implicated in the emergence of the liver bud from the endoderm in the mouse or other vertebrate species. However, neither the exact signals nor the precise roles during budding process have been identified, due to the complexity of specifically altering these essential pathways using traditional genetic approaches during the earliest stages of endoderm organogenesis. These traditional techniques include transgenic, knockout or conditional knockouts strategies. To overcome the difficulties of genetic accessibility, our laboratory has optimized two complementary approaches, electroporation and addition of activators or inhibitors directly to the culture media, to study the earliest stages of organ formation using an ex vivo culture system (whole embryo culture), that allow us for normal embryonic development for up to two days. This ex-vivo technique also provides the opportunity to access and manipulate the endoderm, specifically the liver and pancreas precursor cells, prior to organ specification. Because the endoderm undergoes normal liver and pancreas specification in our ex vivo system by 24 hours after culture begin, we reason that it is possible to manipulate gene expression at the onset of culture. We then determine the effects of this manipulation on liver or pancreas development by molecular and morphological analysis after culture. The first approach we developed is the use of directional electroporation of nucleic acids to manipulate a specific region of the endoderm, particularly on liver and pancreas developmental processes. The second method is global inhibition or activation using inhibitors or growth factors activators, focusing on the TGFβ signaling pathway. These techniques will be performed prior to, or concurrent with, liver and pancreas specification, followed by embryo culture until after the onset of organogenesis. The combination of these techniques constitutes a practical approach to stage-manage the endoderm in a temporally and spatially distinct manner. In addition, it will allow us to alter specific signaling pathways without the labor-intensive generation of genetically modified animals. Indeed, establishment of these methodologies may provide a robust tool for rapid screening of candidate genes and signaling molecules underlying organogenesis in any endodermally derived organ in mouse embryos.

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The purpose of this research was to uncover factors responsible for the prolific growth of various filamentous microorganisms in the bulking activated sludge at the Hoechst Celanese wastewater treatment plant. First, futile attempts were made to isolate the filamentous bacterium, <i>Nostocoida limicola II</i>, from activated sludge for purposes of its characterization. Chemostat and batch experiments were also performed in an effort to determine conditions favoring its growth, but the filament’s growth could not be sustained in any of the conditions provided. Second, several CSTRs were operated in which single cationic concentrations were varied to try to isolate the actual effects of the different cations on activated sludge microorganisms. Though the objectives of these CSTR experiments were not accomplished because bulking conditions could not be maintained in the reactors, insight was gained as to possible factors significantly impacting filamentous growth. A full-scale study followed, in which microbial population shifts in the activated sludge at the Hoechst Celanese wastewater treatment plant were tracked with changes in the operating conditions at the plant. The results of this study suggested the existence of relationships between the abundances of certain filaments and DO concentration and/or F/M ratio in the activated sludge environment. To isolate the individual effects of these two factors on activated sludge microorganisms, two modified batch studies were performed. The results of these studies indicated that the growth of most of the filaments present in the Hoechst Celanese activated sludge is primarily affected by F/M ratio, though DO concentration strongly impacts the growth of some. The findings in the DO and F/M experiments were combined with the findings in the full-scale study to estimate DO concentration and/or F/M ratio ranges in which growth of the following activated sludge filamentous organisms may be favored: <i>Haliscomenobacter hydrossis</i>, <i>Microthrix parvicella</i>, <i>Nocardia species</i>, <i>Nostocoida limicola II</i>, and Types 0041, 0581, 1851, and 1863. / Master of Science

In der vorliegenden Arbeit wurden einige Aspekte der Angiogenese unter besonderer Berücksichtigung des Wachstumsfaktors Angiogenin untersucht. In der Sektion I der Arbeit wird ein standardisiertes Tiermodell in der Ratte vorgestellt, das die Wirkung angiogenetischer Faktoren zur Stimulierung der Angiogenese in ischämischen Geweben quantitativ erfaßt. Damit wurde ein in vivo Modell geschaffen, das die quantitative Beurteilung der therapeutischen Effekte von lokal applizierten Wachstumsfaktoren zur indirekten Revaskularisation ischämischer Gewebe erlaubt. Bereits 1,9 ng des Wachstumsfaktors Angiogenin, lokal appliziert, stimulierten 07 Tage nach Ischämieinduktion die Angiogenese signifikant. Gesamtgefäßanzahl und Kapillaren pro mm 2 waren nach Angiogeningabe signifikant höher. Langzeitbeobachtungen bis 70 Tage nach Ischämieinduktion zeigten, daß die Regulation der Angiogenese einer gedämpften sinusförmigen Schwingung entspricht, deren Amplitude und Frequenz durch Angiogeninapplikation im Vergleich zu den Kontrollen deutlich gesteigert wurde. Dieser Trend ließ sich abgeschwächt auch bei alleiniger lokaler Applikation von Collagen I ohne Gabe eines Wachstumsfaktors nachweisen. Bei dem Vergleich der Dosis-Wirkungsbeziehung von Angiogenin und basischem Fibroblasten-Wachstumsfaktor (bFGF) erwies sich Angiogenin zur Stimulation der indirekten Revaskularisation 2,5-mal potenter. 10 ng Angiogenin stimulierten signifikant die Angiogenese 07 Tage nach Applikation. 250 ng bFGF und 100 ng Angiogenin stimulierten jeweils hoch signifikant die Gefäßneubildung. Der initiale angiogenetische Effekt von bFGF und Angiogenin beruht auf der Neubildung haupt-sächlich von Kapillaren. In der Sektion II wird eine Methode zur Beschichtung kleinkalibriger Gefäßprothesen mit Wachstumsfaktoren beschrieben und ein Tiermodell in White New Zealand Kaninchen zur Testung der Offenheitsrate der Gefäßprothesen in vivo vorgestellt. Die "patency rate" der im-plantierten 5 cm langen und im Durchmesser 2 mm messenden PTFE-Prothesen war auch mit angiogenetischer Beschichtung für klinische Zwecke nicht ausreichend. Offenheitsraten von 24 Stunden wurden mit der kombinierten angiogenetischen Beschichtung der Prothesen mit 1 µg bFGF und 285 µg Angiogenin erreicht. Alle anderen Beschichtungen zeigten eine wesentlich kürzere Offenheitsrate. Prothesen mit alleiniger Angiogeninbeschichtung (285 µg) blieben 8 Stunden offen. Prothesen mit alleiniger Beschichtung mit bFGF (1 µg) waren bereits nach 6 Stunden verschlossen. Die schlechteste Offenheitsrate mit nur 2 Stunden bzw. nur 1 Stunde wiesen die nur mit Heparin (100 E) bzw. nur mit Gelatine beschichteten Prothesen auf. Die Verwendung des Matrixfaktors Gelatine als Träger der Angiogenesefaktoren zur Beschichtung der Prothesen war aufgrund seiner hohen Thrombogenität hauptsächlich für die schlechte Offenheitsrate verantwortlich. In der Sektion III wird eine Methode zur Herstellung modifizierten Angiogenins vorgestellt. Durch Phosphorylierung der Aminosäure Serin im Angiogeninmolekül durch Proteinkinase C, ließ sich ein weniger kationisches Angiogenin in vitro herstellen, daß im alkalischen Milieu (bei pH 8) instabil war. Mit der Phosphorylierung durch Proteinkinase C ließen sich Phosphorylie-rungsraten für Angiogenin von bis zu 49 % erzielen. Höhere Phosphorylierungs-raten wurden mit der Proteinkinase C bei der Phosphorylierung von Histon V S mit über 50 % und von bFGF mit 84 % erzielt. Die spezifische Aktivität der Proteinkinase C betrug 2,7 µmol/min/mg bei Histon V S als Substrat. Die Michaelis-Konstanten wurden für Angiogenin mit km = 50 µM, für bFGF mit km = 3,3 µM und für Histon V S mit km = 10,0 µM be-stimmt. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit lag dabei für die Phosphorylierung von Angiogenin bei vmax = 120 pmol/min/mg, von bFGF bei vmax = 100 pmol/min/mg und von Histon V S bei vmax = 66,7 nmol/min/mg. Die im Abschnitt 3 formulierten Fragen 1 12 lassen sich zusammenfassend wie folgt beantworten: 1. Ist die Wirkung angiogenetischer Faktoren in einem standardisierten Tiermodell quantifizierbar? Ja. Das an männlichen Lewis Inzuchtratten standardisierte Tiermodell erlaubt die quantitative Untersuchung der angiogenetischen Potenz von Wachstumsfaktoren zur indirekten Revaskularisierung ischämischer Gewebe in vivo. 2. Welche Langzeitwirkung hat Angiogenin in vivo bei der Revaskularisierung ischämischer Gewebe im standardisierten Tiermodell? Die initiale Stimulation der Angiogenese 07 14 Tage nach Applikation von Angiogenin besteht in der Neubildung von Kapillaren. Im weiteren Verlauf tritt die Zunahme der Prä-kapillaren in den Vordergrund. 3. Über welchen Zeitraum lassen sich im standardisierten Tiermodell in vivo angiogenetische Effekte von lokal appliziertem Angiogenin nachweisen? 1,9 ng Angiogenin stimulierten die Angiogenese 07 Tage nach Applikation signifikant (p £ 0,05). Bis 70 Tage nach der Gabe von Angiogenin war im Vergleich zu den Kontrollen eine Stimulation der Angiogenese erkennbar. 4. Gibt es für die angiogenetische Wirkung von Angiogenin und bFGF in vivo eine Dosis-Wirkungsbeziehung? Ja. Im vorliegenden Tiermodell betrug die optimale Dosis zur Stimulation der Angiogenese für bFGF 250 ng. Für Angiogenin lag die optimale Dosis zwischen 10 und 100 ng. 5. Sind Angiogenin und bFGF in ihrer angiogenetischen Potenz gleich? Wenn nicht, worin unterscheiden sie sich? Angiogenin erwies sich als 2,5-mal stärker gefäßneubildend als bFGF im vorliegenden Tiermodell. Beide Wachstumsfaktoren stimulierten in optimaler Dosis die Angiogenese 07 Tage nach Ischämieinduktion hoch signifikant (P < 0,002). Der initiale Effekt beider Wachstumsfaktoren bestand in einer Stimulierung der Neubildung von Kapillaren. 6. Lassen sich die angiogenetische Wirkung von bFGF und Angiogenin zur indirekten Vaskularisierung nutzen? Die Anwendung von rekombinantem humanem Angiogenin und bFGF wies für beide Wachstumsfaktoren eine ausgeprägte Stimulation der indirekten Revaskularisation im verwendeten Tiermodell nach. Eine gleichartige, jedoch möglicherweise nicht gleich starke Reaktion ist bei der Anwendung dieser humanen Wachstumsfaktoren am Menschen zu er-warten. Ein Ausnutzen der angiogenetischen Potenz dieser Faktoren zur gezielten therapeutischen Stimulation der indirekten Revaskularisation beim Menschen, z. B. bei Durchblutungsstörungen des Herzens oder anderer Körperregionen erscheint sinnvoll und vielversprechend. 7. Sind angiogenetische Faktoren, insbesondere Angiogenin und bFGF allein oder in Kombination zur Verbesserung der Biokompatibilität schmallumiger synthetischer, nicht biologischer Gefäßprothesen geeignet? Bei insgesamt für klinische Zwecke noch unbefriedigender Offenheitsrate der angiogenetisch beschichteten PTFE-Prothesen mit einem Durchmesser von 2 mm war eindeutig zu erkennen, daß die Kombination von Angiogenin und bFGF der alleinigen Beschichtung mit nur einem Wachstumsfaktor oder nur mit Heparin überlegen ist. 8. Ist mit angiogenetisch beschichteten Gefäßprothesen eine Endothelialisierung der Prothese in vivo und in situ möglich? Die erzielten Resultate mit angiogenetisch beschichteten Gefäßprothesen ließen keine in vivo/in situ Endothelialisierung an den implantierten Prothesen aufgrund der schlechten Offenheitsrate von maximal 24 Stunden nachweisen. Weitere Untersuchungen mit weniger thrombogenen Matrixfaktoren in der Kombination auch mit anderen Wachstumsfaktoren werden sicher neue Erkenntnisse bringen. 9. Ist die Modifizierung des Angiogeninmoleküls durch Phosphorylierung mit Proteinkinase C in vitro möglich? Ja. Proteinkinase C war in einem optimierten Phosphorylierungsansatz unter Verwendung ihrer Stimulatoren Ca 2+ , Phosphatidylserin und Diolein in der Lage Angiogenin mit einer Effektivität von bis zu 50 % in vitro zu phosphorylieren. 10. Mit welchen Methoden läßt sich phosphoryliertes Angiogenin nachweisen? Mit der SDS-PAGE ist bei Verwendung von (g-32 P)ATP als Phosphatdonator der Phos-phorylierungsreaktion phosphoryliertes Angiogenin als 32 P-Angiogenin qualitativ und quantitativ nachweisbar. 11. Welche Methoden sind geeignet phosphoryliertes Angiogenin zu isolieren und zu reinigen? Zur Separation von niedermolekularen Verunreinigungen und von überschüssigem Phosphor sind für präparative Zwecke die SEPHADEX G25 Molekularsiebsäulenzentrifugation und die CENTRICON 10 Membranfilterzentrifugation geeignet. Mit der sauren Proteinfällung ließ sich am einfachsten die quantitative Bestimmung phosphorylierten Angiogenins durchführen. 12. Stellt die Phosphorylierung von Angiogenin durch PKC möglicherweise eine physiologische Reaktion in der Wirkungskette von Angiogenin dar? Zur Beantwortung dieser Frage sind weitere Versuche in vivo und in vitro erforderlich. Bisherige Hinweise auf die zentrale Funktion der Proteinkinase C in vielen intra/extra-zellulären Informationsübertragungsprozessen ("second messenger" Reaktionen und "signalling" Prozesse) führen aufgrund der guten Phosphorylierbarkeit von Angiogenin durch PKC zu der Vermutung, daß die Phosphorylierung von Angiogenin durch PKC auch in vivo eine Rolle spielt. Möglicherweise stellt die Phosphorylierung von Angiogenin im molekularen Wirkungsmechanismus von Angiogenin auf der zellulären Ebene z. B. bei der extra/intrazellulären Informationsübertragung, oder bei der Modifizierung der biologischen Aktivität, evtl. auch bei der Inaktivierung von Angiogenin eine zentrale Schlüsselreaktion dar. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, daß Angiogenin ein potenter Stimulator der indirekten Revaskularisierung in vivo ist und die Wirkung im standardisierten Tiermodell an der Ratte quantitativ untersucht werden kann. Die Offenheitsrate kleinkalibriger (Æ 2 mm) PTFE-Gefäßprothesen läßt sich im entwickelten Tiermodell an White New Zealand Kaninchen in vivo testen. Die angiogenetische Beschichtung der Prothesen mit dem Matrixfaktor Gelatine als Trägersubstanz der Angiogenesefaktoren und mit Heparin, Angiogenin und bFGF als Mitogenen zeigte keine für klinische Fragestellungen akzeptable Offenheitsrate. Mit der Phosphorylierung von Angiogenin durch Proteinkinase C in vitro unter Verwendung ihrer Stimulatoren Ca 2+ , Phospholipid und Diolein konnten Phosphorylierungsraten von bis zu 50 % erzielt werden. Mit phosphoryliertem Angiogenin steht nun ein weiterer molekular veränderter Wachstumsfaktor für Untersuchungen seiner biologischen Eigenschaften und der angiogenetischen Potenz in vivo und in vitro zur Verfügung. / The growth of new vessels is called angiogenesis. Special growth factors e.g. basic fibroblast growth factor (bFGF), vascular endothelial growth factor (VEGF) are potent stimulators of angiogenesis in vivo and in vitro. Angiogenin another angiogenic protein was isolated first by Fett et al. 1985 from human carcinoma cells. Part I: The effect of angiogenin to stimulate angiogenesis in ischemic hind legs of inbred male Lewis rats is described. In this new animal model ischemia was induced by the ligature of the femoral artery. To stimulate angiogenesis angiogenic proteins (bFGF, angiogenin) were locally applied and compared to untreated ischemic animals. Already 1.9 ng locally applied angiogenin significantly stimulated the growth of collaterals in ischemic rat hind legs which could be demonstrated already 7 days after the application of angiogenin. The best stimulation of angiogenesis was achieved by the local application of 100 ng angiogenin which was 2.5-fold more angiogenic than 250 ng bFGF in the ischemic rat legs. The angiogenic effect of angiogenin as well as of bFGF was dependent on the applied dose reaching an optimum concerning angiogenin between 10 and 100 ng and for bFGF at 250 ng. Part II: The patency of PTFE vascular grafts with different angiogenic luminal coatings was tested in an animal model. In White New Zealand rabbits the abdominal aorta was replaced by a 5 cm long PTFE vascular graft 2 mm in diameter. Angiogenin and bFGF luminal coated PTFE grafts were 24 hours patent. Angiogenin coated grafts were after 8 hours occluded by a small distal thrombus. bFGF coated grafts were occluded after 6 hours. Heparine coated grafts were totally occluded by a thrombus after only 2 hours and gelatine coated grafts were already occluded after 1 hour. Part III: Protein Kinase C (PKC) isolated from rat brain was able to phosphorylat angiogenin with an effiency reaching 49% using Ca2+, Phospholipids and Dioleins as stimulators of the reaction. Histone V S was phosphorylated to 50% and bFGF to 84% by the same PKC. The determined Michaelis-Menten- Factor was concerning angiogenin km = 50 µM, bFGF km = 3.3 µM and Histone V S km = 10 µM. The separation of phosphorylated angiogenin was possible with the method of Sephadex G25 molecular sieve centrifugation as well as with the Centricon 10 membran centrifugation. The presented results demonstrate that angiogenin is a potent angiogenic protein stimulating the formation of new collaterals which was quantitatively evaluated in a new standardized rat animal model. The stimulation of indirect revascularization by angiogenin may be of therapeutical value in the treatment of ischemic cardio-vascular diseases. The patency of PTFE vascular prostheses 2 mm in diameter can successfully be tested in an animal model in White New Zealand rabbits by replacing the abdominal aorta by a 5 cm long PTFE vascular graft. Testing variant angiogenic luminal coatings of these PTFE grafts showed that a combination of bFGF/angiogenin had the best patency. Phosphorylation of angiogenin with PKC in vitro was possible reaching an effiency of 49% by using the stimulators Ca2+, Phospholipids and Dioleins for the reaction. Phosphorylated angiogenin may be a valuable modified angiogenic protein to study its biological and angiogenic activity in vivo and in vitro and could be helpful in the evaluation of its cellular pathways and receptors. © Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

Thesis (PhD)-- Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: Exposure to harmful stimuli can render vascular endothelial cells dysfunctional, characterised by reduced nitric oxide (NO) bioavailibility. Endothelial dysfunction (ED) is a reversible precursor of ischaemic heart disease (IHD), and understanding the mechanisms underlying the development of ED could lead to clinical strategies in preventing/treating IHD. Very little is known about the responses of cardiac microvascular endothelial cells (CMECs) to pro-ED stimuli, as most studies are conducted on macrovascular endothelial cells. The current dissertation set out to comprehensively investigate the responses of cultured primary adult rat CMECs to known harmful stimuli, viz. hypoxia and tumor necrosis factor-alpha (TNF-α; proinflammatory cytokine). We were interested to investigate whether this distinct endothelial cell type would develop classical features of ED, and if so, what the underlying mechanisms were. First we aimed to establish a baseline characterization of the CMECs under control conditions. Next, we developed a model of hypoxia-induced cell injury and measured apoptosis/necrosis, intracellular NO and reactive oxygen species (ROS), expression and activation of signalling proteins involved with NObiosynthesis, hypoxia and apoptosis, and differential regulation of proteins. Finally, we characterised CMEC responses to treatment with TNF-α. We assessed apoptosis/necrosis, intracellular NO and ROS levels, NO-biosynthesis pathway proteins and large-scale differential protein regulation. The above measurements were performed by morphological assessment (light and fluorescence microscopy), FACS analysis, western blotting and large-scale proteomic analyses. Data showed that CMECs shared many baseline features with other endothelial cell types, including morphological appearance, LDL-uptake, NO-production, and expression of eNOS protein. In a novel observation, proteomic analysis revealed the expression of 1387 proteins. Another novel finding was the high abundance of structural mitochondrial proteins, suggesting that CMECs require mitochondria for non-respiration purposes as well. High expression of vesicle, glycolytic and RAS signalling proteins were other features of the baseline CMECs. CMECs exposed to hypoxia responded by increased apoptosis/necrosis and expression of the hypoxia-marker, HIF-1α. Interestingly, hypoxic CMECs showed increased eNOS-NO biosynthesis, associated with increased mitochondrial ROS and reduced anti-oxidant systems, suggestive of oxidative stress. In accordance with the literature, several glycolytic proteins were up-regulated. A novel finding was the up-regulation of proteins involved with protein synthesis, not usually described in hypoxic cell studies. The CMECs responded to TNF-α-treatment by exhibiting hallmarks of ED, namely attenuated biosynthesis of PKB/Akt-eNOSderived NO and the development of outspoken response to oxidative stress as indicated by the up-regulation of several anti-oxidant systems. The data showed that TNF-α treatment elicited classical TNF-Receptor 1-mediated signalling characterized by the dual activation of pro-apoptotic pathways (BID and caspase-3) as well as the protective, pro-inflammatory IKB-alpha–NF-KB pathway. In conclusion, this is the first study of its kind to describe a comprehensive characterisation of CMECs under baseline and injury-inducing conditions. On the whole, although it appeared as if the CMECs shared many responses and mechanisms with more frequently researched endothelial cell types, the data also supplied several novel additions to the literature, particularly with the application of proteomics. We believe that this dissertation has provided more insights into endothelial heterogeneity in the vascular system and into the mechanisms adopted by CMECs when exposed to stimuli typically associated with cardiovascular risk. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Blootstelling aan skadelike stimuli kan tot disfunksionaliteit van vaskulêre endoteelselle lei wat deur verlaagde biobeskikbaarheid van stikstofoksied (NO) gekenmerk word. Endoteeldisfunksie (ED) is ‘n omkeerbare voorganger van isgemiese hartsiekte (IHD), en ‘n beter begrip van die onderliggende meganismes van ED kan lei tot die ontwikkeling van kliniese strategieë vir die voorkoming/behandeling van IHD. Baie min is bekend oor die respons wat in kardiale mikrovaskulêre endoteelselle (CMECs) uitgelok word na blootstelling aan pro-ED stimuli, omdat meeste studies op makrovaskulêre endoteelselle uitgevoer word. Die huidige proefskrif het daarna gemik om die respons van primêre kulture van volwasse rot CMECs op bekende skadelike stimuli, nl. hipoksie en tumor nekrose faktor-alfa (TNF-α; pro-inflammatoriese sitokien) in diepte te ondersoek. Ons was veral geïnteresseerd om vas te stel of hierdie spesifieke endoteelseltipe die klassieke kenmerke van ED sou ontwikkel, en indien wel, wat die onderliggende meganismes sou wees. Eerstens het ons beoog om ‘n basislyn karaterisering van CMECs onder kontrole toestande daar te stel. Vervolgens het ons ‘n model van hipoksie-geïnduseerde selskade gevestig en apoptose/nekrose, intrasellulêre NO en reaktiewe suurstofspesies (ROS), sowel as die uitdrukking en aktivering van proteine betrokke by NO-biosintese, hipoksie en apoptose en differensiële regulering van proteine gemeet. Laastens het ons die respons van CMECs op behandeling met TNF-α gekarakteriseer. Ons het apoptose/nekrose, intrasellulêre NO en ROS vlakke, NO-biosintese-seintransduksieproteïene en grootskaalse differensiele regulering van proteïene gemeet. Bg. metings is uitgevoer deur gebruik te maak van morfologiese evaluasie (lig -en fluoressensiemikroskopie), vloeisitometriese analises, western blot analises en proteomiese analises. Data het getoon dat die basislyn eienskappe van CMECs grootliks met dié van ander endoteelseltipes ooreenstem, insluitende morfologiese voorkoms, LDL-opname, NO-produksie en die uitdrukking van eNOS proteïen. In ‘n nuwe waarneming, het die proteomiese data die uitdrukking van 1387 proteïene aangetoon. ‘n Ander nuwe bevinding was die voorkoms van ‘n groot aantal strukturele mitokondriale proteïene, wat daarop dui dat die CMECs mitokondria ook vir nie-respiratoriese doeleindes gebruik. ‘n Hoë uitdrukking van vesikulêre, glikolitiese en RAS-seintransduksie proteïene was ook kenmerkend van die basislyn CMECs. CMECS wat aan hipoksie blootgestel is, het reageer met ‘n verhoging in apoptose / nekrose en verhoogde uitdrukking van die hipoksie merker, HIF-1α. ‘n Interressante bevinding was dat eNOS-NO biosintese sterk toegeneem het in die hipoksiese CMECs wat met verhoogde mitokondriale ROS en verlaagde anti-oksidant sisteme (aanduidend van oksidatiewe stres) gepaardgegaan het. In ooreenstemming met die literatuur, is verskeie glikolitiese proteïene opgereguleer. ‘n Nuwe waarneming was die opregulering van proteïene wat betrokke is by proteïensintese, iets wat nie normaalweg in hipoksie-studies beskryf word nie. Die CMECs het op TNF-α behandeling gerespondeer deur tekens van ED te toon, naamlik ‘n afname in die NO afkomstig van PKB/Akt-eNOS biosintese en die ontwikkeling van uitgesproke reaksie op oksidatiewe stres soos aangedui deur die opregulering van verskeie anti-oksidant sisteme. Die data het ook aangedui dat TNF-α behandeling tot klassieke TNF-reseptor 1 bemiddelde seintransduksie gelei het, wat gekenmerk was deur die tweeledige aktivering van pro-apoptotiese seintransduksiepaaie (BID en kaspase-3) sowel as die beskermende, pro-inflammatoriese IKB-alpha-NF-KB seintransduksiepad. Ten slotte: hierdie is die eerste studie van sy soort wat die kenmerke en response van CMECs onder basislyn en pro-besering omstandighede in diepte beskryf. Alhoewel dit oor die algemeen wil voorkom asof die CMECs baie in gemeen het met ander, beter nagevorste endoteelseltipes, het die data egter ook verskeie nuwe bevindinge tot die bestaande literatuur gevoeg, spesifiek die data afkomstig van die proteomiese analises. Ons glo dat hierdie proefskrif meer insig verleen t.o.v. die heterogeniteit van vaskulêre endoteelselle asook t.o.v. die megansimes wat deur CMECs aangewend word wanneer hulle aan skadelike stimuli (geassosieer met kardiovaskulêre risiko) blootgestel word.

Η HARP (Heparin Affin Regulatory Peptide) είναι ένας αυξητικός παράγοντας που δεσμεύεται στην ηπαρίνη και εμπλέκεται στη ρύθμιση της κυτταρικής διαφοροποίησης, του κυτταρικού πολλαπλασιασμού καθώς και της αγγειογένεσης. Υψηλές συγκεντρώσεις του αυξητικού παράγοντα HARP έχουν βρεθεί σε ανθρώπινους καρκινικούς όγκους, σε καρκινικές κυτταρικές σειρές, όπως επίσης και σε ορό ασθενών με διάφορους τύπους καρκίνου. Επιπλέον, είναι γνωστό ότι η HARP αποτελεί υπόστρωμα για διάφορα πρωτεολυτικά ένζυμα του κυτταρικού μικροπεριβάλλοντος, με αποτέλεσμα την παραγωγή ενεργών πεπτιδίων που μπορούν να έχουν παρόμοιες ή και αντίθετες δράσεις από το ολικό μόριο. Η HARP ασκεί τις βιολογικές τις δράσεις ύστερα από πρόσδεση στους διαμεμβρανικούς υποδοχείς SDC3, RPTPβ/ζ και ALK. Παρά την ταυτοποίηση του υποδοχέα ALK ως λειτουργικού υποδοχέα της HARP, μέχρι σήμερα υπάρχουν αντικρουόμενες απόψεις αναφορικά με την αλληλεπίδρασή του με τη HARP. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η αλληλεπίδραση του αυξητικού παράγοντα HARP και του υποδοχέα ALK σε καρκινικά κύτταρα PC3 ανθρώπινου προστάτη. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η HARP επάγει τη φωσφορυλίωση του ALK σε κύτταρα PC3, ωστόσο δεν είχε καμία επίδραση στην ενεργοποίηση του συγκεκριμένου υποδοχέα σε κύτταρα PC3 στα οποία είχε μειωθεί η συσσώρευση του RPTPβ/ζ. Παράλληλα χρησιμοποιήθηκαν ανασυνδυασμένα πεπτίδια που είχαν εκφραστεί ως πρωτεΐνες σύντηξης με τη θειοτρανσφεράση της γλουταθειόνης (GST) και αντιστοιχούσαν σε περιοχές του αυξητικού παράγοντα HARP [P(9-110), P(9-59), P(60-110)] που προκύπτουν ύστερα από πέψη με πλασμίνη. Ύστερα από πειράματα συγκατακρήμνισης βρέθηκε ότι ο ALK αλληλεπιδρά ισχυρά με το πεπτίδιο P(60-110) αποτέλεσμα το οποίο προέκυψε και ύστερα από μεωρύθμιση των επιπέδων έκφρασης του RPTPβ/ζ. Συμπερασματικά, στην παρούσα εργασία καταδεικνύεται η έμμεση αλληλεπίδραση του υποδοχέα ALK και του αυξητικού παράγοντα HARP, η οποία βρέθηκε ότι διαμεσολαβείται από τον υποδοχέα RPTPβ/ζ. Αποδεικνύεται επίσης ότι παρόλο που η αλληλεπίδραση των δύο αυτών μορίων δεν είναι ικανή να οδηγήσει στη φωσφορυλίωση του υποδοχέα ALK, τα δύο αυτά μόρια αλληλεπιδρούν βιοχημικά καθώς η αλληλουχία 60-110 των αμινοξέων της HARP αλληλεπιδρά ισχυρά και με τις δύο μορφές του υποδοχέα, με μοριακό βάρος 220 και 140 kDa αντίστοιχα. / HARP (Heparin Affin Regulatory Peptide) is a heparin-binding growth factor, involved in the regulation of cell differentiation, cell proliferation as well as in angiogenesis. Elevated concentrations of HARP have been detected in malignancies, in cancer cell lines, as well as in the plasma of patients with different types of cancer. It is also known that HARP is substrate for different proteases of the cell microenvironment, leading to the production of biological active peptides which can exert similar or even opposite biological activities to HARP. HARP exerts its biological actions after binding to the transmembrane receptors SDC3, RPTPβ/ζ and ALK. Even though ALK has been defined as a functional HARP receptor, contradictory results have been published concerning HARP-ALK interaction. In the present work, we studied the interaction of HARP growth factor with ALK transmembrane receptor using PC3 prostate cancer cells. It was shown that HARP induces the phosphorylation of ALK in PC3 cells, however no effect on ALK activation was observed in PC3 cells after RPTPβ/ζ knockdown. We also used recombinant gst-fused peptides corresponding to various fragments of HARP [P(9-110), P(9-59), P(60-110)] which result after cleavage with plasmin. After GST pull-down assays it was shown that ALK strongly binds to the P(60-110), result that was also taken after RPTPβ/ζ knockdown. Cumulatively, our results indicate that HARP-induced ALK phosphorylation is mediated by RPTPβ/ζ. It is also demonstrated that HARP interacts biochemically with ALK, since P(60-110) strongly binded both species of ALK (220 and 140 kDa).

<p>The aim of this study was to increase the understanding of the mechanisms regulating cell proliferation and recombinant protein production in serum-free cultures of Trichoplusia ni (T. ni) insect cells.</p><p>Conditioned medium (CM) was shown to contain both stimulatory and inhibitory factors (CM factors) influencing cell growth. Metalloproteinase (MP) activity was the major factor responsible for the growth stimulating effect of CM as shown by using the specific MP inhibitor DL-thiorphan. MPs may exist in several different molecular mass forms due to autoproteolysis. Although the main band of the MP was determined to be around 48 kDa, precursor forms above 48 kDa as well as autocatalytic degradation products below the main band could be observed. It is not clear whether all forms of the MP or just the main band is involved in the growth regulation. Further, a proteinase inhibitor could be identified in the inhibitory fraction. Thus, we speculate that the proteinase inhibitor may be part of an autocrine system regulating cell proliferation.</p><p>Analysis of the cell cycle phase distribution revealed a high proportion of cells in the G1 (80-90 %) and a low proportion of cells in the S and G2/M phases (10-20 %) during the whole culture, indicating that S and G2/M are short relative to G1. After inoculation, a drastic decrease in the S phase population together with a simultaneous increase of cells in G1 and G2/M could be observed as a lagphase on the growth curve and this may be interpreted as a temporary replication stop. When the cells were released from the initial arrest, the S phase population gradually increased again. This was initiated earlier in CM-supplemented cultures, and agrees with the earlier increase in cell concentration. Thus, these data suggests a correlation between CM factors and the cell cycle dynamics.</p><p>In cultures supplied with CM, a clear positive effect on specific productivity was observed, with a 30 % increase in per cell productivity. The specific productivity was also maintained at a high level much longer time than in fresh-medium cultures. The positive effect observed after 20 h coincided with the time a stimulatory effect on cell growth first was seen. Thus, the productivity may be determined by the proliferation potential of the culture. A consequence of this would be that the secreted MP indirectly affects productivity.</p><p>Finally, the yeast extract from Express Five SFM contains factors up to 35 kDa which are essential for T. ni cell growth. The optimal concentration was determined to be 2.5-fold that in normal medium, while higher concentrations were inhibitory. However although vital, they were not solely responsible for the growth-enhancing effect, as some other, more general, component present in yeast extract was needed for proliferation as well.</p>

Les « Facteurs de croissance des fibroblastes» (FGF) agissent comme des régulateurs locaux sur la qualité des follicules et sont connus pour promouvoir la prolifération des cellules de granulosa, réduire l’apoptose et la stéroïdogenèse. Parmi la sous-famille FGF8, FGF18 est une exception puisqu’il semblerait avoir une fonction pro-apoptotique alors que FGF8 n’a pas été jusqu’à présent rapporté comme altérant la viabilité des cellules de la granulosa. Ces deux ligands ont un mode d’activation similaire et il pourrait être proposé que toute la sous-famille FGF8 ait la même réponse. L’objectif de cette étude était de déterminer si FGF8 et FGF18 activaient la même réponse précoce de gènes dans des cultures de granulosa bovine. Pour répondre à cette question, nous avons cultivé des cellules de la granulosa dans du milieu de culture sans sérum pendant 5 jours. Le jour 5, les cellules ont été traitées avec FGF8 ou FGF18. Nous avons eu recours à une approche de « puce à ADN » afin d’identifier la réponse précoce de gènes induite par FGF8 et FGF18, et les données ont été confirmées par des PCRs en temps réel lors d’une expérience in vitro où les cellules de granulosa ont été traitées avec FGF8 et FGF18 pendant différents temps. L’analyse du puce à ADN a identifié 12 gènes surexprimés par FGF8, incluant SPRY2, NR4A1, XIRP1, BAMBI, EGR1, FOS et FOSL1. A l’inverse, FGF18 n’a régulé aucun gène de manière significative. Les analyses de PCR ont confirmé l’augmentation d’ARNm codant pour EGR1, EGR3, FOS, XIRP1, FOSL1, SPRY2, NR4A1 et BAMBI après 2 h de traitement. FGF18 a entrainé seulement une augmentation de l’expression de EGR1 après 2 h de traitement parmi tous les gènes testés. Ces résultats démontrent donc que FGF8 et FGF18, malgré leur similarité dans le mode d’activation de leurs récepteurs, agissent sur les cellules de la granulosa via différentes voies de signalisation. FGF8 et FGF18, sont donc tous les deux capables de stimuler l’expression de EGR1, mais les voies de signalisation induites par la suite divergent. / Fibroblast growth factors (FGF) act as local regulators of follicular health and are known to increase granulosa cell (GC) proliferation, reduce apoptosis and decrease steroidogenesis. One exception is FGF18, which appears to be a pro apoptotic member of the FGF8-subfamily while FGF8 has not been reported to alter GC health. These two ligands have similar activation patterns and it could be proposed that all FGF8-subfamilies would have the same response. The objective of this study was to determine if FGF8 and FGF18 activate the same early response genes in cultured bovine GC. To address this we cultured GC in serum free medium for five days. On day 5, cells were challenged with FGF8 or FGF18. We used a microarray approach to identify early response genes altered by FGF8 and FGF18, and data were confirmed by real-time PCR in an independent time-course experiment. Microarray identified 12 genes up-regulated by FGF8, including SPRY2, NR4A1, XIRP1, BAMBI, EGR1, FOS and FOSL1. In contrast FGF18 did not result in significant regulation of any gene. PCR analysis confirmed the stimulation of abundance of mRNA encoding EGR1, EGR3, FOS, XIRP1, FOSL1, SPRY2, NR4A1 and BAMBI after 2 hours of challenge. FGF18 resulted in an increase of EGR1 mRNA abundance at 2 h, but not of the other genes tested. These results demonstrate that FGF8 and FGF18, despite reportedly similar receptor activation patterns, act on granulosa cells through different intracellular pathways. Both FGF8 and FGF18 stimulate EGR1 expression, but thereafter their signaling pathways diverge.

Résumé: La Scoliose Idiopathique de l’Adolescent (SIA) est une condition débilitante qui peut avoir comme résultat une douleur importante, une altération du fonctionnement quotidien et une détérioration de la qualité de vie. Pour les patients qui ne répondent pas au traitement conservateur, la fusion vertébrale, en utilisant des greffes osseuses, est devenue un traitement de choix pour stabiliser la colonne. Des connaissances plus pointues à propos des facteurs impliqués dans l’ostéogénèse et la formation de l’os peuvent raccourcir le processus de guérison et permettre aux patients de réintégrer leurs activités dans un laps de temps plus court. Les plaquettes peuvent jouer un rôle important dans la première étape de la guérison des fractures car elles sont une source autologue de plusieurs facteurs de croissance qui soutiennent la prolifération et la différenciation des ostéoblastes in vivo et in vitro. Au cours des dernières années, plusieurs tentatives ont été réalisées afin de trouver des traitements additionnels pour : 1) Raccourcir le temps de guérison des fractures relativement long ; 2) Obtenir une plus courte période de convalescence pour les patients qui ont besoin de prothèses ; 3) Corriger plus facilement plusieurs maladies congénitales; 4) Améliorer le processus de fusion vertébrale et 5) Développer de nouvelles approches thérapeutiques, notamment au niveau des processus régularisant le remodelage osseux et la régénération des tissus osseux. Dans le cadre de la présente étude, j’ai étudié la contribution possible du facteur de croissance de l’insuline (IGF) et du facteur vasculaire endothélial de croissance (VEGF) sur la maturation de l’ostéoblaste scoliotique dans des cultures cellulaires in vitro et j’ai comparé les résultats avec celles obtenues dans les mêmes conditions mais en stimulant les ostéoblastes avec de la mélatonine. Cette étude préliminaire a été réalisée sur des échantillons d’os récoltés de quatre patients atteints par la Scoliose Idiopathique de l‘Adolescent (SIA), ainsi que sur des échantillons d’os issus de quatre sujets témoins (cas traumatiques). Les résultats montrent que l’IGFs et le VEGFs possèdent une action d’inhibition sur la prolifération d’ostéoblastes scoliotiques et non scoliotiques, et que cette action est proportionnelle à la concentration de ces facteurs. Les ostéoblastes scoliotiques tendent à avoir une prolifération cellulaire plus rapide et plus élevée que les témoins non scoliotiques. De façon générale les ostéoblastes provenant de patients scoliotiques ont une ostéogénèse in vitro plus accélérée que le sujet non scoliotique. De plus, il semble que la mélatonine joue un rôle physiologique dans la différenciation de l’ostéoblaste scoliotique et elle semble aider à avoir une différenciation plus précoce que chez les non traités. Les ostéoblastes scoliotiques expriment un défaut d’expression de l’IGF 1 et d’IGF 1R en présence de la mélatonine. En conclusion, le VEGF A et l’IGF 1 peuvent également promouvoir la différenciation et la prolifération des ostéoblastes humains scoliotiques en culture primaire. / Abstract: The Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) is a debilitating condition and as a result often produces significant pain, impaired daily functioning and a deterioration of the quality of life. For patients who do not respond to conservative treatment, spinal fusion using bone grafts has become a treatment of choice to stabilize the spine. The more accurate knowledge of the factors involved in osteogenesis and the bone formation can shorten the healing process and reintegrate patients into their daily activities in a shorter period of time. Platelets can play an important role in the first stage of the healing of fractures and they are a source of several autologous growth factors that support the proliferation and differentiation of osteoblasts in vivo and in vitro. A wide variety of techniques and approaches have been investigated for performing spinal fusion, yet surgeons continue to investigate alternative methods with the goal of improving surgical outcome and minimizing morbidity. We can use these methods to: 1.Reduce the relatively long time needed for healing fractures 2. Patients with prosthesis could benefit of a shorter convalescent time 3. Several congenital diseases could be easier to correct and 4. We could stimulate the vertebral fusion 5. Develop new therapeutic techniques, including that of the processes regulating bone remodelling and regeneration of bone tissue. In the present study, we tried to find whether the insulin growth factor (IGF) and the vascular endothelial growth factor (VEGF) have an influence on the scoliotic osteoblasts in vitro cell cultures and we compared the results with those obtained in the same condition but by stimulating osteoblasts with melatonin. This preliminary study was performed on osteoblasts cultured from four patients affected by Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) and four controls. In all cases of AIS, bone specimens were obtained from the vertebral body or spinous process (in accordance with the surgical procedure performed). Our results show that IGFs as well as VEGF have an inhibitive effect on the proliferation of scoliotic and non-scoliotic cells and the effect is proportional with the growth factor concentration. In general osteoblasts cultured from scoliotic patients have an in vitro osteogenesis quicker than the subject without scoliosis. Moreover, it appears that melatonin plays a physiological role in the differentiation of scoliotic osteoblasts and it appears to help differentiate earlier than in the untreated group. We found that the expression of IGF 1 and IGF 1R in scoliotic osteoblasts was impaired in the presence of melatonin. In conclusion, VEGF A and IGF both can influence the cell differentiation and proliferation of human scoliotic osteoblasts in primary cell culture.

Les « Facteurs de croissance des fibroblastes» (FGF) agissent comme des régulateurs locaux sur la qualité des follicules et sont connus pour promouvoir la prolifération des cellules de granulosa, réduire l’apoptose et la stéroïdogenèse. Parmi la sous-famille FGF8, FGF18 est une exception puisqu’il semblerait avoir une fonction pro-apoptotique alors que FGF8 n’a pas été jusqu’à présent rapporté comme altérant la viabilité des cellules de la granulosa. Ces deux ligands ont un mode d’activation similaire et il pourrait être proposé que toute la sous-famille FGF8 ait la même réponse. L’objectif de cette étude était de déterminer si FGF8 et FGF18 activaient la même réponse précoce de gènes dans des cultures de granulosa bovine. Pour répondre à cette question, nous avons cultivé des cellules de la granulosa dans du milieu de culture sans sérum pendant 5 jours. Le jour 5, les cellules ont été traitées avec FGF8 ou FGF18. Nous avons eu recours à une approche de « puce à ADN » afin d’identifier la réponse précoce de gènes induite par FGF8 et FGF18, et les données ont été confirmées par des PCRs en temps réel lors d’une expérience in vitro où les cellules de granulosa ont été traitées avec FGF8 et FGF18 pendant différents temps. L’analyse du puce à ADN a identifié 12 gènes surexprimés par FGF8, incluant SPRY2, NR4A1, XIRP1, BAMBI, EGR1, FOS et FOSL1. A l’inverse, FGF18 n’a régulé aucun gène de manière significative. Les analyses de PCR ont confirmé l’augmentation d’ARNm codant pour EGR1, EGR3, FOS, XIRP1, FOSL1, SPRY2, NR4A1 et BAMBI après 2 h de traitement. FGF18 a entrainé seulement une augmentation de l’expression de EGR1 après 2 h de traitement parmi tous les gènes testés. Ces résultats démontrent donc que FGF8 et FGF18, malgré leur similarité dans le mode d’activation de leurs récepteurs, agissent sur les cellules de la granulosa via différentes voies de signalisation. FGF8 et FGF18, sont donc tous les deux capables de stimuler l’expression de EGR1, mais les voies de signalisation induites par la suite divergent. / Fibroblast growth factors (FGF) act as local regulators of follicular health and are known to increase granulosa cell (GC) proliferation, reduce apoptosis and decrease steroidogenesis. One exception is FGF18, which appears to be a pro apoptotic member of the FGF8-subfamily while FGF8 has not been reported to alter GC health. These two ligands have similar activation patterns and it could be proposed that all FGF8-subfamilies would have the same response. The objective of this study was to determine if FGF8 and FGF18 activate the same early response genes in cultured bovine GC. To address this we cultured GC in serum free medium for five days. On day 5, cells were challenged with FGF8 or FGF18. We used a microarray approach to identify early response genes altered by FGF8 and FGF18, and data were confirmed by real-time PCR in an independent time-course experiment. Microarray identified 12 genes up-regulated by FGF8, including SPRY2, NR4A1, XIRP1, BAMBI, EGR1, FOS and FOSL1. In contrast FGF18 did not result in significant regulation of any gene. PCR analysis confirmed the stimulation of abundance of mRNA encoding EGR1, EGR3, FOS, XIRP1, FOSL1, SPRY2, NR4A1 and BAMBI after 2 hours of challenge. FGF18 resulted in an increase of EGR1 mRNA abundance at 2 h, but not of the other genes tested. These results demonstrate that FGF8 and FGF18, despite reportedly similar receptor activation patterns, act on granulosa cells through different intracellular pathways. Both FGF8 and FGF18 stimulate EGR1 expression, but thereafter their signaling pathways diverge.