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Articular cartilage functions to reduce the mechanical stresses associated with diarthrodial joint movement, protecting these joints over a lifetime of use. Tissue function is maintained through the balance between synthesis and resorption (i.e., metabolism) of extracellular matrix (ECM) by articular chondrocytes (ACs). Two important hormonal regulators of cartilage metabolism are interleukin-1 (IL-1) and insulin-like growth factor-I (IGF-I). These factors have antagonistic effects on chondrocyte activity, and during the progression of osteoarthritis, IL-1 is thought to promote chondrocyte hyporesponsiveness to IGF-I. To better understand how the anabolic (IGF-I) and catabolic (IL-1) stimuli are linked within articular cartilage, we examined the mechanisms by which IL-1 regulates the IGF-I signaling system of ACs. Equine chondrocytes from non-arthritic stifle joints were multiplied over serial passages, re-differentiated in alginate beads, and stimulated with recombinant equine IL-1β. Chondrocytes were assayed for type I IGF receptor (IGF-IR), IGF binding proteins (IGFBPs), and endogenously-secreted IGF-I. Our experimental findings solidify the significance of IL-1 as a key regulator of IGF-I signaling within articular cartilage, demonstrating that regulation of the IGF-I system occurs through both direct (transcription) and indirect (proteolysis) mechanisms. These results have implications for molecular therapies (e.g., gene transfer) directed at reversing osteoarthritic cartilage deterioration. The presented research concerns not only cartilage biology but also tissue engineering strategies for cartilage repair. Alginate hydrogel culture has been reported to re-establish chondrocytic phenotype following monolayer expansion, but studies have not addressed effects on the signaling systems responsible for chondrocyte metabolism. We investigated whether chondrocyte culture history influences the IGF-I system and its regulation by IL-1. ACs expanded by serial passaging were either encapsulated in alginate beads or maintained on tissue culture plastic (TCP). Bead and TCP cells were plated at high-density, stimulated with IL-1β, and assayed for expression of IGF-I signaling mediators. Intermediate alginate culture yielded disparate basal levels of IGF-IR and IGFBP-2, which were attributed to differential transcription. The distinct mediator profiles coincided with varied effects of exogenous IL-1β and IGF-I on collagen Ia1 expression and cell growth rate. This study demonstrates that culture strategy impacts the IGF-I system of ACs, likely impacting their capability to mediate cartilage repair. / Ph. D.

Breast cancer is a leading cause of cancer death of women in the U.S. today. Members of the family of insulin-like growth factors (IGFs) are proposed to play a major role in the development and subsequent uncontrolled proliferation of breast cancer cells. Insulin-like growth factor-I (IGF-I) is known to be a potent mitogen for mammary epithelial cells. IGF-I acts by binding to cell surface receptors, thereby stimulating a cascade of events leading to cell division. In the interest of interrupting the effect of IGF-I on cancerous mammary epithelial cells, an understanding of how IGF-I behaves in the presence of other extracellular components is needed. This study examines the IGF-I response of SV40-IGF-I, an immortalized bovine mammary epithelial cell line which secretes IGF-I constitutively. The microphysiometer allows real-time sampling of cellular activity by measuring the excretion of protons from a sample of cells stimulated by IGF-I binding. The contributions of other factors in enhancing or suppressing stimulation can be compared by examining the pH response of cells exposed to IGF-I in the presence of these factors. We present data showing the stimulatory effect of IGF-I in a dose dependent manner on the SV40-IGF-I cell line. In addition, we compare IGF-I stimulation with stimulation by long R3IGF-I, a substituted analogue of IGF-I having a reduced binding affinity for the IGF binding proteins. We examine the effect of insulin-like binding protein-3 (IGFBP-3) both in the presence and absence of IGF-I, finding no IGF-I independent effect in the rapid binding experiment and no effect on stimulation of IGFBP-3 pre-incubated cells by subsequent IGF-I challenge. This is of particular interest due to recent work demonstrating an IGF-independent IGFBP-3 response in a number of cell lines. Binding studies to correlate with the rapid binding stimulation show binding of the IGFBP-3 molecule with high affinity to a small number of surface receptors on the SV40-IGF-I cell. Analysis of the extracellular environment and the components contributing to the binding of IGF-I to the cell membrane receptor will provide information for the development of interventions to slow or interrupt the process of IGF-I binding and therefore cancer growth. Optimization of the Cytosensor(r) Microphysiometer System for the (transfected) SV40-IGF-I and the (parental) MAC-T cell lines was achieved to continue comparison studies of autocrine and paracrine stimulation of bovine mammary epithelial cells by IGF-I. This work was supported by the Whitaker Foundation Biomedical Engineering Grant. / Master of Science

Endothelial cells separate the bloodstream from the underlying tissue and play a crucial role in vascular homeostasis. They also form an important barrier for vascular drug delivery. This thesis contains preliminary studies targeted at understanding the mechanisms of binding and transport across endothelial cells cultured in vitro. Specifically, the first study investigates how the recombinant source of Factor IX (FIX), a blood coagulant protein used in the treatment of Hemophilia B, impacts surface ligand binding (FIX to its specific receptors) to bovine aortic endothelial cells (BAECs). Competitive binding experiments between 125I-FIX and FIX were undertaken to quantify the interaction of recombinant and transgenic FIX with BAECs and human collagen IV and determine if there was a measurable difference in binding affinity. Results indicate limited specific binding of 125I-FIX to BAECs and no binding to human collagen IV. Concrete conclusions were not drawn from this data due to technical issues during the experimental process. The second study investigates insulin-like growth factor-I (IGF-I) transport across both BAEC and MAC-T cells, a mammary epithelial cell line, cultured on tissue culture inserts. IGF-I is a circulatory growth factor implicated in the regulation of cell division and tissue proliferation. Competitive binding experiments between 125I-IGF-I and unlabeled protein (IGF-I, Y60L-IGF-I, a mutant of IGF-I, and IGF Binding Protein-3 (IGFBP-3)) were undertaken to quantify the binding and transport of IGF-I under various experimental conditions. Results confirmed earlier work from the Williams' laboratory indicating that 125I-IGF-I transport was enhanced by incubation with its non-receptor-binding analog, Y60L-IGF-I, but cell surface associated 125I-IGF-I was decreased by its presence. Other studies were undertaken but conclusive results could not be drawn. / Master of Science

Insulin-like growth factor-I is a small growth factor known to signal in a variety of mammalian cells through the IGF-I cell surface receptor (IGF-IR). A unique feature of the IGF-I system is the regulation of this binding by soluble IGF binding proteins. Recent studies from our laboratory show that there is a pH dependence in the association of IGF-I with the cell surface in the presence of IGFBP-3 which suggested increased association of IGF-I with IGFBP-3 at low pH. We studied cell free interaction of IGF-I and IGFBP-3 as a function of pH using surface plasmon resonance (SPR) in order to understand the mechanism that causes the increased association. In our studies three different SPR instruments with different surfaces for immobilization of one of the binding partners were used: a Leica Bio-SPR 9000 with a low molecular weight carboxymethylated dextran (CMD) surface, a BIAcore 2000 with a high molecular weight CMD surface and a Leica SPR 2001 Alpha with a planar mixed self-assembled monolayer (mSAM) surface. Since the experimental system we used was transport sensitive, only the mSAM surface, under optimized conditions, produced results that fit to a single site model. Results suggest that use of CMD layers for immobilization of one partner of a high-affinity binding complex can result in transport limited binding for which simple analysis is inappropriate. Future studies are planned to expand the work with the mSAM surface to elucidate whether a significant difference between the binding parameters as a function of pH exists. / Master of Science

Las hormonas recombinantes eritropoyetina (EPO) y hormona de crecimiento (GH), prácticamente iguales a las endógenas y de corta vida media en circulación, son de difícil detección directa en el control antidopaje. Se determinaron los valores poblacionales de los biomarcadores indirectos EPO, receptor soluble de la transferrina, insulin-like growth factor-I (IGF-I) y procolágeno tipo III péptido (P-III-P), en poblaciones seleccionadas de deportistas, y el efecto del ejercicio y los distintos tipos de entrenamiento sobre su concentración sérica. La comparación de resultados obtenidos mediante distintos ensayos demostró la necesidad de una validación exhaustiva previa a su utilización. A excepción del P-III-P, los biomarcadores séricos propuestos para la detección de rhEPO y rhGH no se encuentran directamente afectados por el nivel atlético, el ejercicio o la distinta carga de entrenamiento realizada a lo largo de la temporada deportiva. La edad es la principal influencia sobre las concentraciones séricas de IGF-I y P-III-P. / Direct detection of recombinant peptidic hormones erythropoietin (EPO) and growth hormone (GH), very similar to endogen molecules and with a short half life in blood, is difficult in antidoping control. The main objective of this work is to determine indirect biomarkers' values of EPO, soluble transferrin receptor, insulin-like growth factor-I (IGF-I) and procollagen type III peptide (P-III-P), in selected populations of athletes, and the effect of exercise and different types of training on their concentration in serum. The comparison of results obtained by the different assays showed the need of extensive validation of the analytical techniques before their use in the antidoping field. Excepting P-III-P, proposed biomarkers for the detection of rhEPO and rhGH abuse are not directly influenced by the athletic level, exercise or different training workload along the sport season. Age is the main factor affecting IGF-I and P-III-P concentrations in serum.

Einfluss des Wachstumsfaktors Insulin-like growth factor-I (IGF-I) auf das Follikelwachstum beim Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus) Aus dem Veterinär-Physiologisch-Chemischen Institut der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Eingereicht im September 2010 (86 S., 16 Abb., 9 Tab., 225 Lit., 4 S. Anhang) Schlüsselwörter: Insulin-like Growth Factor-I (IGF-I), Granulosazellen, Steroidhormone (Östradiol, Progesteron), Gonadotropine (FSH, hCG) In der vorliegenden Studie wurde die Rolle von IGF-I und das Zusammenwirken mit den Gonadotropinen (FSH, hCG) auf die Sekretion der Steroidhormone (Progesteron, Östradiol) kultivierter Granulosazellen von 13 Weißbüschelaffen untersucht, um zu prüfen, ob und wie weit IGF-I die Sekretion und Reifung der Granulosazellen beeinflusst. Für die in vitro-Experimente wurden Zellkulturen mit Granulosazellen kleiner ( 0,5 - 1 mm) und präovulatorischer Follikel ( > 2 mm) von Ovarien am 7. Tag der Follikelphase verwendet. Vor jedem Versuch wurde das Wachstum der Follikel durch zwei Ultraschalluntersuchungen kontrolliert. Während der Kultur wurden drei Inkubationsintervalle von je 48 h durchgeführt. Die Zellen wurden mit IGF-I allein oder in Kombination mit FSH bzw. hCG stimuliert. Zum Teil wurden die Gonadotropine auch zur Prästimulation verwendet. Das Signifikanzniveau der Hormoneffekte lag bei p<0,05. Bei den Granulosazellen kleiner Follikel lässt sich durch die alleinige Gabe von IGF-I nur am Ende der Kultur (144 h) eine signifikante Erhöhung der Progesteronsekretion feststellen. Bei einer Kombinationsgabe von IGF-I und FSH findet sich schon am Anfang (48 h) ein signifikanter Einfluss auf die Sekretion von Progesteron und Östradiol. Bei der Progesteronsekretion ist der Effekt der Kombination signifikant höher als bei Einzelgabe beider Hormone. Dagegen ist bei der Östradiolsekretion der Effekt der Kombination zwar nicht höher als bei einer alleinigen Gabe von FSH, aber die Zellen reagieren wesentlich schneller auf IGF-I, wenn sie zusammen mit FSH stimuliert werden. Keine signifikante Wirkung in der Steroidhormonsekretion ruft die Hormonkombination IGF-I und hCG im Vergleich zur alleinigen Gabe der beiden Hormone hervor. Bei dem Vergleich beider Gonadotropine ist eine signifikante Erhöhung der Steroidhormonsekretion nur bei alleiniger Gabe von FSH zu beobachten. Bei den Experimenten mit Prästimulationen (FSH oder hCG) lässt sich nur bei der FSH-Prästimulation mit einer nachfolgenden Kombinationsgabe von hCG und IGF-I eine signifikante Erhöhung der Steroidhormonsekretion feststellen. Dies bedeutet, dass FSH die kleinen Granulosazellen auf die Wirkung von hCG sensibilisiert, wobei IGF-I diesen Vorgang unterstützt. Im Gegensatz zu den kleinen Follikeln lässt sich bei den Granulosazellen der präovulatorischen Follikel ein signifikanter Effekt von verschiedenen Hormonstimulationen schon früh beobachten. Durch alleinige IGF-I-Gabe lässt sich bereits am Anfang der Kultur (48 h) eine signifikante Erhöhung der Steroidhormonsekretion feststellen. Eine Kombinationsgabe von IGF-I und der Gonadotropine (FSH oder hCG) zeigt, dass die Kombination mit FSH zu einer signifikanten Erhöhung beider Steroide im Vergleich zur Kontrolle führt. Dagegen zeigt sich bei einer Kombination von IGF-I und hCG eine signifikante Erhöhung der Steroidhormonsekretion schon ab 48 h sowohl im Vergleich zur Kontrolle als auch zur alleinigen Gabe dieser Hormone. Bei der Untersuchung des Effekts beider Gonadotropine (FSH oder hCG) ist schon ab 48 h ein signifikanter Effekt auf beide Steroidhormone zu erkennen. Beide Gonadotropinprästimulationen (FSH oder hCG) mit nachfolgender Hormonkombination (hCG und IGF-I) führen bei den Granulosazellen der präovulatorischen Follikel zu einer signifikant geringeren Steroidhormonsekretion im Vergleich zur Gabe von hCG und IGF-I ohne Prästimulation. Die Zellen reagieren offenbar in dieser Art und Weise, um eine mögliche übermäßige Steroidgenese, und somit eine pathologische Situation, zu verhindern. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass IGF-I bei den kleinen und präovulatorischen Follikeln unterschiedliche Wirkungen hervorruft. Es scheint, dass IGF-I die Sekretion von Progesteron und Östradiol auf unterschiedliche Art und Weise beeinflusst, und dass die Granulosazellen der Weißbüschelaffen erst während der Follikelentwicklung die Fähigkeit erwerben, auf IGFI entsprechend zu reagieren. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass IGF-I bei den Granulosazellen der kleinen Follikel eine eher unterstützende Rolle für die Gonadotropine spielt, und dass IGF-I mit den Gonadotropinen bei der Reifung und der Differenzierung der Follikel mitwirkt. Möglicherweise spielt IGF-I auch während der Entwicklung und des Wachstums des präovulatorischen Follikels sowie bei der Regulierung der Progesteronsekretion eine Rolle. Die vorliegenden Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass IGF-I zusammen mit hCG die Zelldifferenzierung bei den Granulosazellen der präovulatorischen Follikel fördert. Außerdem kann vermutet werden, dass bei den Granulosazellen der präovulatorischen Follikel IGF-I zusammen mit FSH in unabhängiger Weise wirkt. Abschließend kann gesagt werden, dass ein Zusammenwirken zwischen den Gonadotropinen und IGF-I in Bezug auf die Bildung des präovulatorischen Follikels und die darauffolgende Ovulation existiert, dies gilt es auch bei pathologischen Situationen der Follikelreifung und Ovulation zu berücksichtigen.

Einfluss des Wachstumsfaktors Insulin-like growth factor-I (IGF-I) auf das Follikelwachstum beim Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus) Aus dem Veterinär-Physiologisch-Chemischen Institut der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Eingereicht im September 2010 (86 S., 16 Abb., 9 Tab., 225 Lit., 4 S. Anhang) Schlüsselwörter: Insulin-like Growth Factor-I (IGF-I), Granulosazellen, Steroidhormone (Östradiol, Progesteron), Gonadotropine (FSH, hCG) In der vorliegenden Studie wurde die Rolle von IGF-I und das Zusammenwirken mit den Gonadotropinen (FSH, hCG) auf die Sekretion der Steroidhormone (Progesteron, Östradiol) kultivierter Granulosazellen von 13 Weißbüschelaffen untersucht, um zu prüfen, ob und wie weit IGF-I die Sekretion und Reifung der Granulosazellen beeinflusst. Für die in vitro-Experimente wurden Zellkulturen mit Granulosazellen kleiner ( 0,5 - 1 mm) und präovulatorischer Follikel ( > 2 mm) von Ovarien am 7. Tag der Follikelphase verwendet. Vor jedem Versuch wurde das Wachstum der Follikel durch zwei Ultraschalluntersuchungen kontrolliert. Während der Kultur wurden drei Inkubationsintervalle von je 48 h durchgeführt. Die Zellen wurden mit IGF-I allein oder in Kombination mit FSH bzw. hCG stimuliert. Zum Teil wurden die Gonadotropine auch zur Prästimulation verwendet. Das Signifikanzniveau der Hormoneffekte lag bei p<0,05. Bei den Granulosazellen kleiner Follikel lässt sich durch die alleinige Gabe von IGF-I nur am Ende der Kultur (144 h) eine signifikante Erhöhung der Progesteronsekretion feststellen. Bei einer Kombinationsgabe von IGF-I und FSH findet sich schon am Anfang (48 h) ein signifikanter Einfluss auf die Sekretion von Progesteron und Östradiol. Bei der Progesteronsekretion ist der Effekt der Kombination signifikant höher als bei Einzelgabe beider Hormone. Dagegen ist bei der Östradiolsekretion der Effekt der Kombination zwar nicht höher als bei einer alleinigen Gabe von FSH, aber die Zellen reagieren wesentlich schneller auf IGF-I, wenn sie zusammen mit FSH stimuliert werden. Keine signifikante Wirkung in der Steroidhormonsekretion ruft die Hormonkombination IGF-I und hCG im Vergleich zur alleinigen Gabe der beiden Hormone hervor. Bei dem Vergleich beider Gonadotropine ist eine signifikante Erhöhung der Steroidhormonsekretion nur bei alleiniger Gabe von FSH zu beobachten. Bei den Experimenten mit Prästimulationen (FSH oder hCG) lässt sich nur bei der FSH-Prästimulation mit einer nachfolgenden Kombinationsgabe von hCG und IGF-I eine signifikante Erhöhung der Steroidhormonsekretion feststellen. Dies bedeutet, dass FSH die kleinen Granulosazellen auf die Wirkung von hCG sensibilisiert, wobei IGF-I diesen Vorgang unterstützt. Im Gegensatz zu den kleinen Follikeln lässt sich bei den Granulosazellen der präovulatorischen Follikel ein signifikanter Effekt von verschiedenen Hormonstimulationen schon früh beobachten. Durch alleinige IGF-I-Gabe lässt sich bereits am Anfang der Kultur (48 h) eine signifikante Erhöhung der Steroidhormonsekretion feststellen. Eine Kombinationsgabe von IGF-I und der Gonadotropine (FSH oder hCG) zeigt, dass die Kombination mit FSH zu einer signifikanten Erhöhung beider Steroide im Vergleich zur Kontrolle führt. Dagegen zeigt sich bei einer Kombination von IGF-I und hCG eine signifikante Erhöhung der Steroidhormonsekretion schon ab 48 h sowohl im Vergleich zur Kontrolle als auch zur alleinigen Gabe dieser Hormone. Bei der Untersuchung des Effekts beider Gonadotropine (FSH oder hCG) ist schon ab 48 h ein signifikanter Effekt auf beide Steroidhormone zu erkennen. Beide Gonadotropinprästimulationen (FSH oder hCG) mit nachfolgender Hormonkombination (hCG und IGF-I) führen bei den Granulosazellen der präovulatorischen Follikel zu einer signifikant geringeren Steroidhormonsekretion im Vergleich zur Gabe von hCG und IGF-I ohne Prästimulation. Die Zellen reagieren offenbar in dieser Art und Weise, um eine mögliche übermäßige Steroidgenese, und somit eine pathologische Situation, zu verhindern. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass IGF-I bei den kleinen und präovulatorischen Follikeln unterschiedliche Wirkungen hervorruft. Es scheint, dass IGF-I die Sekretion von Progesteron und Östradiol auf unterschiedliche Art und Weise beeinflusst, und dass die Granulosazellen der Weißbüschelaffen erst während der Follikelentwicklung die Fähigkeit erwerben, auf IGFI entsprechend zu reagieren. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass IGF-I bei den Granulosazellen der kleinen Follikel eine eher unterstützende Rolle für die Gonadotropine spielt, und dass IGF-I mit den Gonadotropinen bei der Reifung und der Differenzierung der Follikel mitwirkt. Möglicherweise spielt IGF-I auch während der Entwicklung und des Wachstums des präovulatorischen Follikels sowie bei der Regulierung der Progesteronsekretion eine Rolle. Die vorliegenden Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass IGF-I zusammen mit hCG die Zelldifferenzierung bei den Granulosazellen der präovulatorischen Follikel fördert. Außerdem kann vermutet werden, dass bei den Granulosazellen der präovulatorischen Follikel IGF-I zusammen mit FSH in unabhängiger Weise wirkt. Abschließend kann gesagt werden, dass ein Zusammenwirken zwischen den Gonadotropinen und IGF-I in Bezug auf die Bildung des präovulatorischen Follikels und die darauffolgende Ovulation existiert, dies gilt es auch bei pathologischen Situationen der Follikelreifung und Ovulation zu berücksichtigen.