Berlin, Humboldt-Universiẗat, Diss., 2000.

Thesis (Doctoral)--Universität Hamburg, 1982.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Extracellular vesicle (EV)-mediated intercellular communication through exosomes, microvesicles (MVs) and apoptotic bodies has been shown to be implicated in various physiological as well as pathological processes such as the development and progression of atherosclerosis. While the cellular machinery controlling EV formation and composition has been studied extensively, little is known about the underlying morphological processes. This study focuses on a detailed ultrastructural analysis of the different steps of EV formation and release in Myocardial Endothelial (MyEnd) and Aortic Endothelial (AoEnd) cells cultured under serum starvation and inflammatory stimulation with TNF-α. Detailed morphological analyses were conducted applying and comparing different high- resolution light and electron microscopic methods. In this study, we could depict all steps of MV biogenesis named in literature. However, during the study of exosome biogenesis, we discovered a yet undescribed process: Instead of a direct fusion with the plasma membrane, multivesicular bodies were incorporated into a new distinct cellular compartment bound by fenestrated endothelium first. This may present a novel step in exosome biogenesis and warrants further study. Regarding the conditions of cell cultivation, we observed that the commonly used serum starvation causes MyEnd cells, but not AoEnd cells, to enter apoptosis after 48 hours. When preparing functional EV studies, we therefore recommend assessing the morphological condition of the serum-starved cells at different cultivation points first. When evaluating MV production, a statistical analysis showed that the more time AoEnd cells spent in cultivation under serum starvation, the higher the percentage of MV producing cells. However, additional TNF-α stimulation induced a significantly higher MV production than serum starvation alone. Lastly, our results show that TNF-α stimulation of AoEnd cells in vitro leads to the upregulation of CD44, an adhesion molecule critical in the early stages of atherosclerosis. CD44 was then depicted on the surface of generated MVs and exosomes. We conclude that under inflammatory conditions, EVs can mediate the transfer of CD44 from endothelial cells to target cells. This could be a novel mechanism by which MVs contribute to the development and progression of atherosclerotic disease and should be clarified by further studies. / Extrazelluläre Vesikel (EV), darunter Exosomen, Mikrovesikel (MV) und apoptotische Körperchen, werden von fast allen Zellen des Körpers freigesetzt, transportieren zellspezifische Informationen und sind von großer Bedeutung in der Zell-Zell-Kommunikation. Sie spielen eine zentrale Rolle in verschiedensten physiologischen sowie pathologischen Vorgängen, wie etwa der Atherosklerose. Während die zellulären Mechanismen hinter der Entstehung und Komposition der EV bereits intensiv erforscht wurden, ist noch wenig über die zugrundeliegenden morphologischen Prozesse bekannt. Diese Arbeit präsentiert eine detaillierte ultrastrukturelle Analyse der Bildung und Freisetzung von EV in myokardialen (MyEnd) und aortalen Endothelzellen (AoEnd), die unter Serumentzug sowie inflammatorischer Stimulation mit TNF-α kultiviert wurden. Dazu wendeten wir verschiedene hochauflösende licht- und elektronenmikroskopische Techniken an. Wir konnten alle in der Literatur beschriebenen Schritte der MV-Biogenese darstellen. Bei der Untersuchung der exosomalen Biogenese entdeckten wir jedoch einen bisher unbekannten Prozess: Anstelle einer direkten Fusion der multivesikulären Körperchen mit der Plasmamembran, wurden diese zunächst in ein neues, von fenestriertem Endothel begrenztes, zelluläres Kompartiment integriert. Ferner stellten wir fest, dass der häufig durchgeführte Serumentzug während der Kultivierung bei MyEnd- – allerdings nicht AoEnd- – Zellen nach 48 Stunden zur Apoptose führte. Daher empfehlen wir, bei funktionellen Studien von EV zunächst eine morphologische Untersuchung der unter Serumentzug kultivierten Zellen zu verschiedenen Zeitpunkten durchzuführen. Eine statistische Analyse der MV-Produktion zeigte, dass die Zellen umso mehr MV produzierten, je länger sie sich unter Serumentzug befanden. Jedoch induzierte eine zusätzliche Stimulation mit TNF-α eine signifikant höhere MV-Produktion als der alleinige Serumentzug. Wir konnten zeigen, dass eine TNF-α Stimulation von AoEnd Zellen in vitro zu einer vermehrten Expression von CD44 führte – einem vor allem in der Frühphase der Atherosklerose bedeutendem Adhäsionsmolekül. CD44 konnte ebenso auf der Oberfläche von produzierten MV und Exosomen nachgewiesen werden. Wir schließen daraus, dass MV unter inflammatorischen Bedingungen den Transfer von CD44 von Endothelzellen zu Zielzellen vermitteln und so zur Entstehung und Progression von Atherosklerose beitragen können.

Univ., Diss.--Freiburg/Br., 1999.

This dissertation contains theoretical investigations on the morphology and statistical mechanics of vesicles. The shapes of homogeneous fluid vesicles and inhomogeneous vesicles with fluid and solid membrane domains are calculated. The influence of thermal fluctuations is investigated. The obtained results are valid on mesoscopic length scales and are based on a geometrical membrane model, where the vesicle membrane is described as either a static or a thermal fluctuating surface. The thesis consists of three parts. In the first part, homogeneous vesicles are considered. The focus in this part is on the thermally induced morphological transition between vesicles with prolate and oblate shape. With the help of Monte Carlo simulations, the free energy profile of these vesicles is determined. It can be shown that the shape transformation between prolate and oblate vesicles proceeds continuously and is not hampered by a free energy barrier. The second and third part deal with inhomogeneous vesicles which contain intramembrane domains. These investigations are motivated by experimental results on domain formation in single or multicomponent vesicles, where phase separation occurs and different membrane phases coexist. The resulting domains differ with regard to their membrane structure (solid, fluid). The membrane structure has a distinct effect on the form of the domain and the morphology of the vesicle. In the second part, vesicles with coexisting solid and fluid membrane domains are studied, while the third part addresses vesicles with coexisting fluid domains. The equilibrium morphology of vesicles with simple and complex domain forms, derived through minimisation of the membrane energy, is determined as a function of material parameters. The results are summarised in morphology diagrams. These diagrams show previously unknown morphological transitions between vesicles with different domain shapes. The impact of thermal fluctuations on the vesicle and the form of the domains is investigated by means of Monte Carlo simulations. / Die vorliegende Arbeit enthält theoretische Untersuchungen zur Morphologie und statistischen Mechanik von Vesikeln. Es wird die Gestalt homogener fluider Vesikel und inhomogener Vesikel mit fluiden und festen Membrandomänen berechnet. Der Einfluss thermischer Fluktuationen wird untersucht. Die erzielten Ergebnisse beziehen sich auf mesoskopische Längenskalen und basieren auf einem geometrischen Membranmodell, in welchem die Vesikelmembran als statische, beziehungsweise thermisch fluktuierende Fläche beschrieben wird. Die Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil werden homogene fluide Vesikel betrachtet. Das Interesse gilt dem thermisch induzierten Morphologieübergang zwischen prolaten und oblaten Vesikelformen. Mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen wird ein freies Energieprofil für diese Vesikel ermittelt. Es kann gezeigt werden, dass die Formumwandlung zwischen prolaten und oblaten Formen kontinuierlich verläuft und mit keiner freien Energiebarriere verbunden ist. Der zweite und dritte Teil beschäftigt sich mit inhomogenen Vesikeln, die intramembrane Domänen enthalten. Ausgangspunkt und Motivation der Berechnungen sind experimentelle Studien über Domänbildung in ein- oder mehrkomponentigen Vesikelmembranen, bei denen Phasentrennung stattfindet und unterschiedliche Membranphasen koexistieren. Die dabei auftretenden Domänen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Membranstruktur (fest, fluid). Diese beeinflusst die Form der Domäne und des gesamten Vesikels auf entscheidende Weise. Im zweiten Teil werden Vesikel untersucht, bei denen feste und fluide Membrandomänen koexistieren, Teil drei widmet sich Vesikeln mit zwei koexistierenden fluiden Membranphasen. In Abhängigkeit von Materialparametern werden durch Minimierung der Membranenergie die Grundzustandsformen von Vesikeln mit einfachen und komplexen Domänenformen bestimmt. Die Ergebnisse werden in Morphologiediagrammen zusammengefasst. Dabei werden bisher unbekannte Morphologieübergänge zwischen Vesikeln mit unterschiedlichen Domänformen beobachtet. Die Auswirkungen thermischer Fluktuationen auf die Vesikel und die Form ihrer Domänen werden mittels Monte-Carlo-Simulationen untersucht.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2002.

Heidelberg, Univ., Diss., 2007. / Online publiziert: 2008.

In nervous systems, synapses precisely orchestrate information transfer and memory formation. Active zones (AZ) are specialized subcellular compartments at the presynaptic mesoscale which process synaptic transmission on an ultrastructural level. The AZ cytomatrix including the essential scaffold protein Rab3 interacting molecule (RIM) enables exocytosis of synaptic vesicles. A deficiency of the locally most abundant protein isoform RIM1α diminishes long-term potentiation in a complex central mammalian synapse – the connection of hippocampal mossy fiber boutons (MFB) to cornu ammonis (CA)3 pyramidal neurons. Behaviourally, these mice present with learning impairment. The present MD thesis addresses the so far unknown three-dimensional (3D) AZ ultrastructure of MFBs in acute hippocampal slices of wild-type and RIM1α-/- mice. In a first set of experiments, a standardized protocol for near-to-native synaptic tissue preparation at MFBs using high-pressure freezing and freeze substitution and 3D modelling using electron tomography was developed and established. Based on the excellent preservation of synaptic tissue using this protocol, the AZ ultrastructure in both genotypes was quantified in detail up to an individual docked synaptic vesicle using custom-written programming scripts. The experiments demonstrate that deficiency of RIM1α leads to multidimensional alter-ation of AZ 3D ultrastructure and synaptic vesicle pools in MFBs. (Tightly) docked synaptic vesicles – ultrastructural correlates of the readily releasable pool – are reduced, decentralized, and structurally modified, whereas the more distant vesicle pool clusters more densely above larger and more heterogenous AZ surfaces with higher synaptic clefts. The present thesis contributes to a more comprehensive understanding regarding the role of RIM1α for (tight) vesicle docking and organization at MFBs. Furthermore, the precise 3D ultrastructural analysis of MFB AZs in this thesis provides the necessary mor-phological basis for further studies to correlate synaptic ultrastructure with presynaptic plasticity and memory dysfunction in RIM1α-/- mice using advanced electrophysiological and behavioral techniques. / In Nervensystemen bedürfen Informationsweitergabe und Gedächtnisformation eines präzisen Zusammenspiels von Synapsen in Zeit und Raum. Synaptische Transmission basiert strukturell auf mesoskopischen cytosolischen Kompartimenten an der präsynaptischen Membran, sogenannten Aktiven Zonen (AZ). Ihre Cytomatrix, bestehend aus zentralen Gerüstproteinen wie Rab3 interacting molecule (RIM), ermöglicht eine schnelle Freisetzung synaptischer Vesikel. Die Defizienz der lokal häufigsten Isoform RIM1α resultiert an einer komplexen zentralen Säugersynapse, die des hippocampalen Moosfaserboutons (MFB) zu im Cornu ammonis (CA)3 befindlichen Pyramidalzellen, in einer dezimierten Langzeitplastizität. Auf Verhaltensebene zeigen diese Mäuse eine reduzierte Lernfähigkeit. Die vorliegende Dissertation widmet sich grundlegend der bisher unbekannten dreidimensionalen (3D) AZ-Ultrastruktur des MFB in akuten Hippocampusschnitten der adulten Wildtyp- und RIM1α-Knock-Out-Maus (RIM1α\(^{-/-}\)). In einer methodischen Entwicklungsphase wurde ein neuartiges, anspruchsvolles Protokoll der nahezu artefaktfreien (near to native) Synapsenpräparation am MFB mittels Hochdruckgefrierung und Gefriersubstitution sowie der 3D-Modellierung mittels Elektronentomographie etabliert. In einer zweiten Experimentier- und Analysephase ermöglichte die hochwertige synaptische Gewebeerhaltung in beiden Genotypen eine standardisierte, auf Programmierskripten basierte Quantifizierung der AZ-Ultrastruktur bis auf die Ebene eines individuell gedockten synaptischen Vesikels. Dieser Dissertation gelingt der Nachweis, dass eine Defizienz von RIM1α zu einer multidimensionalen ultrastrukturellen Veränderung der AZ und ihres Vesikelpools am MFB führt. Neben einer Reduktion, Dezentralisierung und strukturellen Veränderung (eng) gedockter Vesikel – der ultrastrukturellen Messgrößen von unmittelbar freisetzungsfähigen Vesikeln – verdichtet sich der distaler lokalisierte Vesikelpool auf zugleich größeren, heterogenen AZ-Flächen mit erweitertem synaptischem Spalt. Vorliegende Untersuchungen tragen zum Verständnisgewinn über eine zentrale Rolle von RIM1α für das Docking und die Organisation von Vesikeln der AZ im MFB bei. Darüber hinaus stellen die präzisen ultrastrukturellen Analysen eine morphologische Grundlage für weiterführende Studien mit Hilfe modernster Techniken dar, beispielsweise über die Auswirkungen der geänderten RIM1α\(^{-/-}\) AZ-Ultrastruktur auf die präsynaptische Plastizität sowie in Korrelation zum Gedächtnis und Lernen der Tiere.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit zwei verschiedenen Modellsystemen, die Aufschluss über die Mechanik und die Dynamik von zellulären Systemen geben sollen. Zum Einsatz kommt zum einen der Modellorganismus Dictyostelium discoideum, dessen kollektives Migrationsverhalten analysiert wird und zum anderen wird die Mechanik von aktingefüllten Riesenvesikeln als artifizielles Modellsystem etabliert.