Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The structure and function of brain shows sexual dimorphism in the vertebrates. Sexual differentiation is divided into brain sexual differentiation and gonad sexual differentiation. Brain sexual differentiation is resulted from the neural development. In the present study, the neurosphere cloned from tilapia, Oreochromis mossambicus, was used. The characteristics of neurosphere derived from both primary- and sub- culture, were studied. The effects of epidermal growth factor (EGF), basic fibroblast growth factor (bFGF, FGF2), and temperature on the neurosphere cloned from both primary culture and subculture, were investigated. These results show that the neurospheres, cloned form both primary- and sub- culture, is consist of the nestin-immunoreactive cell. Furthermore, the cell of the neurosphere shows an ability of differentiation. And the diameter of neurosphere in the subculture is significantly larger than that of primary culture. On the other hand, both FGF and temperature have an effect to increase the diameter of neurosphere in the primary culture.

This thesis deals with the determination of biological activity of adiponectin, a recombinant protein using cell culture. First it was important to acquire the working skills for the cell culture of cell line 3T3-L1. An optimal concentration of inactivated fetal bovine serum in cell culture media was determined. A stimulation of the cell proliferation by HB-EGF, PDGF-BB and bFGF growth factors was observed at various concentration levels. Afterwards the biological activity of adiponectin was determined as an inhibition of growth stimulation with 5 ng/ml PDGF-BB. This biological activity assay for adiponectin was also conducted with lyophilized adiponectin and a growth factor bFGF (0.1 ng/ml). The lyophilization did not affect the biological activity of adiponectin.

Cultured bovine aortic endothelial (BAE) cells were found to synthesize and secrete heparan sulfate proteoglycans (HSPG), which bound basic fibrobalst growth factor (bFGF). bFGF is a known mitogen for vascular smooth muscle cells, and is indicated to have a role in some proliferative vascular disorders. In the present study, we have purified proteoglycans from BAE cells conditioned media (BAE PG), and further separated the PG into two fractions, PG-I and PG-II, by ion exchange chromatography on a Q-Sepharose column using a linear salt gradient (0.15 M to 1.2 M). PG-I and PG-II elute at 0.85M salt and 0.1M salt respectively. BAE PG is primarily composed of heparan sulfate, which is accessible to the digestion of Heparinase I/III and nitrous acid treatment; and a small amount of chondroitin sulfate, which can be digested by Chondroitinase ABC. Gel filtration chromatography (Sepharose CL-2B and CL-4B columns) showed that BAE PG consisted of two different sized peaks, and had an average molecular weight of approximately 5 x 10⁵ Da. SDS-PAGE with silver staining indicated that BAE PG had two core proteins with estimated sizes of 300kDa and 320kDa, which corresponded to the core protein of PG-I and PG-II respectively. Western blotting with anti-perlecan primary antibody recognized the core proteins of BAE PG. Size exclusion chromatography (Sepharose CL-6B column) following β-elimination showed that BAE PG had GAG chains with an estimated size less than 2 x 10⁵ Da. A protocol to investigate the cell free binding of bFGF with purified BAE PG was established using the BioRad Bio-Dot apparatus - the cationic filtration assay (CAFAS). Using a simple monovalent binding model, we obtained values for the equilibrium dissociation constant, K_D, of (1.6 ± 0.8) x 10⁻¹⁰ M; the dissociation rate constant, k_r, of 0.01 min⁻¹; the association rate constant, k_f, of 6.2 x 10⁷ M⁻¹min⁻¹ and the total binding sites of the proteoglycan, R_T, of 0.1~0.2 (# of site)/(molecule of PG). The comparison of experimental data with model predictions indicates that when the number of binding sites provided by the PG is similar or greater than that of bFGF, the monovalent binding model is valid. When the number of binding sites is less than that of bFGF, one possibility is that the binding might not be the described simple monovalent reaction, and bFGF might bind to the PG as dimers or oligomers. In addition, a model is proposed for BAE PG, in which 5 ~ 10 BAE PG molecules form a high affinity binding site for bFGF. Experimentally we find that exogenous heparan sulfate competes with BAE PG for binding with bFGF, while chondroitin sulfate seems to facilitate the binding. This result may be a useful consideration when we want to design possible pharmaceutical compounds. / Master of Science

Einleitung: Die Ausbildung eines Netzhautödems ist eine Hauptursache für die Verschlechterung des Sehvermögens bei ischämisch-hypoxischen und inflammatorischen Netzhauterkrankungen. Neben der erhöhten Permeabilität der Blut-Retina-Schranke trägt eine Wasserakkumulation in Netzhautzellen zur Ausbildung eines Netzhautödems bei. Müllerzellen regulieren die retinale Ionen- und Osmohomöostase, indem sie einen transzellulären Ionen- und Wassertransport vermitteln. Zudem kontrollieren Müllerzellen die Größe des Extrazellularraumes, indem sie bei neuronaler Aktivität eine Zellkörperschwellung – ausgelöst durch eine Verkleinerung der extrazellulären Osmolarität – verhindern. Unter pathologischen Bedingungen ist die Volumenregulation gestört, sodass Müllerzellen bei Hypoosmolarität anschwellen. Diese Müllerzellschwellung und eine Glutamat-induzierte Schwellung retinaler Neurone tragen zur Ausbildung eines zytotoxischen Netzhautödems bei. Neuroprotektive Faktoren wie BDNF (brain-derived neurotrophic factor) und bFGF (basic fibroblast growth factor) stimulieren das Überleben retinaler Neurone und verzögern so die retinale Degeneration. Zielstellung: Es war zu zu ermitteln, ob BDNF die zytotoxische Schwellung von Müller- und Bipolarzellen der Rattennetzhaut verhindert. Material und Methoden: Es wurden Netzhautschnitte und isolierte Müller- und Bipolarzellen von 55 adulten Long-Evans-Ratten (durchschnittlich 8-15 Zellen pro Versuchsreihe) verwendet. Eine osmotische Schwellung von Müller- und Bipolarzellen wurde durch eine Superfusion der Schnitte oder der Zellen mit einer 60%igen hypoosmolaren Lösung in Ab- oder Anwesenheit von Bariumchlorid induziert. Die maximale Querschnittsfläche von Müller- und Bipolarzellsomata wurde vor und nach einer vierminütigen Superfusion mit einem konfokalen Laserscanningmikroskop aufgezeichnet. Die nach der Superfusion ermittelte Querschnittsfläche wurde zu den anfänglich gemittelten Kontrollwerten in Beziehung gesetzt und prozentual als Mittelwert mit Standardfehler bestimmt. Mit Hilfe des Prism-Statistikprogramms (Graphpad) wurden die Ergebnisse mittels einem one-way ANOVA Test und einem nachfolgenden Bonferroni\'s multiple comparison Test sowie durch einen Mann-Whitney U Test statistisch analysiert. Ergebnisse: Bei Anwesenheit von BDNF wurde die osmotische Schwellung von Müllerzellen konzentrationsabhängig sowohl in Netzhautschnitten als auch in isolierten Zellen inhibiert. Ebenso inhibierte BDNF konzentrationsabhängig die Schwellung von Bipolarzellen in Netzhautschnitten, jedoch nicht in isolierten Zellen. In Schnitten von postischämischen Netzhäuten bewirkte BDNF eine Schwellungsinhibition von Müllerzellen, nicht aber von Bipolarzellen. Mit pharmakologischen Blockern wurde die durch BDNF induzierte Signalkaskade untersucht. Die BDNF-Schwellungsinhibition von Müllerzellen wurde durch eine Aktivierung von TrkB bewirkt. Die TrkB-Aktivierung führte in Müllerzellen zu einer Transaktivierung von FGF-Rezeptoren sowie zu einer Aktivierung einer glutamatergen-purinergen Signalkaskade, von der bekannt ist, dass sie die osmotische Müllerzellschwellung unterdrückt. Da bFGF die osmotische Müllerzellschwellung inhibiert, wird die Transaktivierung der FGF-Rezeptoren wahrscheinlich durch eine BDNF-induzierte Freisetzung von bFGF aus Müllerzellen vermittelt. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass BDNF indirekt auf Bipolarzellen wirkt, indem es eine Freisetzung von Faktoren wie bFGF aus Müllerzellen induziert. Schlussfolgerungen: Die Schwellungsinhibition von Müller- und Bipolarzellen könnte ein neuroprotektiver Mechanismus von BDNF in der Netzhaut darstellen. Während BDNF direkt TrkB auf Müllerzellen aktiviert, ist die Inhibition der Bipolarzellschwellung indirekt und durch die Ausschüttung von glialen Faktoren wie bFGF vermittelt. Der Verlust des Effektes von BDNF auf die Bipolarzellschwellung in ischämischen Netzhäuten könnte darauf zurückzuführen sein, dass gliotische Müllerzellen keine glialen Faktoren mehr in Reaktion auf BDNF freisetzen. Der Verlust des glialen Einflusses auf die Bipolarzellvolumenhomöostase könnte zur Neurodegeneration in der ischämischen Netzhaut beitragen. / Introduction: Tissue edema is a major blinding complication of ischemic-hypoxic and inflammatory retinal diseases. In addition to the hyperpemeability of the blood-retinal barrier, water accumulation in retinal cells resulting in cellular swelling may contribute to the development of retinal edema. Müller glial cells regulate the retinal ion and water homeostasis by allowing transcellular ion and water fluxes. During neuronal activity Müller cells control the extracellular space volume by autocrine inhibition of cellular swelling caused by the reduction of extracellular osmolarity. However, under pathological conditions, Müller cells are not capable to regulate their volume so that they swell rapidly under hypoosmolarity. The osmotic swelling of Müller glial cells and the glutamate induced swelling of retinal neurons contribute to the development of cytotoxic retinal edema. Various neuroprotective factors including brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and basic fibroblast growth factor (bFGF) stimulate the survival of retinal neurons and thus delay the retinal degeneration. Objective: The objective of the study is to determine whether BDNF inhibits the osmotic swelling of Müller and bipolar cells of the rat retina. Material and Methods: Retinal slices and freshly isolated Müller and bipolar cells of 55 adult Long-Evans rats (in average 8-15 cells per trial) were used. Osmotic swelling of Müller and bipolar cells was induced by superfusion of retinal slices or isolated cells with a 60% hypoosmotic extracellular solution in the absence or presence of barium chloride. The maximal cross-sectional area of Müller and bipolar cell somata was recorded before and after a four minute-long superfusion by using a laser scanning microscope. To determine the extent of cell soma swelling, the cross-sectional area of the cell body extent after superfusion was related to the former averaged cross-sectional area. Results were given as means with standard error as percent values. Statistical analysis was made with Prism (Graphpad) and the significance was determined by the One-way ANOVA test followed by Bonferroni\'s multiple comparison test and the Mann-Whitney U test, respectively. Results: We found that BDNF inhibits dose-depending the osmotic swelling of Müller cells in retinal slices and of isolated cells. BDNF also inhibited dose-depending the osmotic swelling of bipolar cells in retinal slices; however, it did not inhibit the osmotic swelling in isolated bipolar cells. In slices of postischemic retinas, BDNF inhibited the swelling of Müller cells but not the swelling of bipolar cells. The BDNF induced signal transduction cascade was examined by simultaneous administration of blocking agents with the receptor agonists in the hypoosmotic solution. The BDNF-induced inhibition of the osmotic Müller cell swelling was mediated by activation of TrkB. Activation of TrkB in Müller cells results in transactivation of FGF receptors and in an activation of a glutamatergic-purinergic signal transduction cascade which is known to inhibit the osmotic swelling of the cells. Since bFGF also inhibits the osmotic swelling of Müller cells, it can be assumed that the transactivation of FGF receptors is mediated by a BDNF-induced release of bFGF from Müller cells. The results suggest that the effect of BDNF on bipolar cells is indirect by inducing a subsequent release of glial factor from Müller cells such as bFGF. Conclusion: The results show that BDNF inhibits the osmotic swelling of Müller and bipolar cells. The inhibition of cytotoxic cell swelling may contribute to the neuroprotective action of BDNF in the retina. While BDNF acts directly in Müller cells, the BDNF-induced inhibition of the bipolar cell swelling is indirect and mediated by the release of glial factors such as bFGF from Müller cells. The abrogation of the BDNF-induced inhibition of the osmotic bipolar cell swelling in the postischemic retina could be explained with the impairment of the release of glial factors by Müller cells. The abrogation of the Müller cell-mediated regulation of the bipolar cell volume could contribute to the neuronal degeneration in the ischemic retina.

Einleitung: Die Ausbildung eines Netzhautödems ist eine Hauptursache für die Verschlechterung des Sehvermögens bei ischämisch-hypoxischen und inflammatorischen Netzhauterkrankungen. Neben der erhöhten Permeabilität der Blut-Retina-Schranke trägt eine Wasserakkumulation in Netzhautzellen zur Ausbildung eines Netzhautödems bei. Müllerzellen regulieren die retinale Ionen- und Osmohomöostase, indem sie einen transzellulären Ionen- und Wassertransport vermitteln. Zudem kontrollieren Müllerzellen die Größe des Extrazellularraumes, indem sie bei neuronaler Aktivität eine Zellkörperschwellung – ausgelöst durch eine Verkleinerung der extrazellulären Osmolarität – verhindern. Unter pathologischen Bedingungen ist die Volumenregulation gestört, sodass Müllerzellen bei Hypoosmolarität anschwellen. Diese Müllerzellschwellung und eine Glutamat-induzierte Schwellung retinaler Neurone tragen zur Ausbildung eines zytotoxischen Netzhautödems bei. Neuroprotektive Faktoren wie BDNF (brain-derived neurotrophic factor) und bFGF (basic fibroblast growth factor) stimulieren das Überleben retinaler Neurone und verzögern so die retinale Degeneration. Zielstellung: Es war zu zu ermitteln, ob BDNF die zytotoxische Schwellung von Müller- und Bipolarzellen der Rattennetzhaut verhindert. Material und Methoden: Es wurden Netzhautschnitte und isolierte Müller- und Bipolarzellen von 55 adulten Long-Evans-Ratten (durchschnittlich 8-15 Zellen pro Versuchsreihe) verwendet. Eine osmotische Schwellung von Müller- und Bipolarzellen wurde durch eine Superfusion der Schnitte oder der Zellen mit einer 60%igen hypoosmolaren Lösung in Ab- oder Anwesenheit von Bariumchlorid induziert. Die maximale Querschnittsfläche von Müller- und Bipolarzellsomata wurde vor und nach einer vierminütigen Superfusion mit einem konfokalen Laserscanningmikroskop aufgezeichnet. Die nach der Superfusion ermittelte Querschnittsfläche wurde zu den anfänglich gemittelten Kontrollwerten in Beziehung gesetzt und prozentual als Mittelwert mit Standardfehler bestimmt. Mit Hilfe des Prism-Statistikprogramms (Graphpad) wurden die Ergebnisse mittels einem one-way ANOVA Test und einem nachfolgenden Bonferroni\''s multiple comparison Test sowie durch einen Mann-Whitney U Test statistisch analysiert. Ergebnisse: Bei Anwesenheit von BDNF wurde die osmotische Schwellung von Müllerzellen konzentrationsabhängig sowohl in Netzhautschnitten als auch in isolierten Zellen inhibiert. Ebenso inhibierte BDNF konzentrationsabhängig die Schwellung von Bipolarzellen in Netzhautschnitten, jedoch nicht in isolierten Zellen. In Schnitten von postischämischen Netzhäuten bewirkte BDNF eine Schwellungsinhibition von Müllerzellen, nicht aber von Bipolarzellen. Mit pharmakologischen Blockern wurde die durch BDNF induzierte Signalkaskade untersucht. Die BDNF-Schwellungsinhibition von Müllerzellen wurde durch eine Aktivierung von TrkB bewirkt. Die TrkB-Aktivierung führte in Müllerzellen zu einer Transaktivierung von FGF-Rezeptoren sowie zu einer Aktivierung einer glutamatergen-purinergen Signalkaskade, von der bekannt ist, dass sie die osmotische Müllerzellschwellung unterdrückt. Da bFGF die osmotische Müllerzellschwellung inhibiert, wird die Transaktivierung der FGF-Rezeptoren wahrscheinlich durch eine BDNF-induzierte Freisetzung von bFGF aus Müllerzellen vermittelt. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass BDNF indirekt auf Bipolarzellen wirkt, indem es eine Freisetzung von Faktoren wie bFGF aus Müllerzellen induziert. Schlussfolgerungen: Die Schwellungsinhibition von Müller- und Bipolarzellen könnte ein neuroprotektiver Mechanismus von BDNF in der Netzhaut darstellen. Während BDNF direkt TrkB auf Müllerzellen aktiviert, ist die Inhibition der Bipolarzellschwellung indirekt und durch die Ausschüttung von glialen Faktoren wie bFGF vermittelt. Der Verlust des Effektes von BDNF auf die Bipolarzellschwellung in ischämischen Netzhäuten könnte darauf zurückzuführen sein, dass gliotische Müllerzellen keine glialen Faktoren mehr in Reaktion auf BDNF freisetzen. Der Verlust des glialen Einflusses auf die Bipolarzellvolumenhomöostase könnte zur Neurodegeneration in der ischämischen Netzhaut beitragen.:Inhaltsverzeichnis ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS IX ABBILDUNGSVERZEICHNIS XI TABELLENVERZEICHNIS XIV 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 3 2.1 Sehorgan - Das Auge 3 2.2 Retina beim Mensch und Tier – Aufbau und Funktionalitäten 4 2.2.1 Bildprozessor der Tierwelt – Die Retina 10 2.2.2 Die Sehbahn – Visuelle Verarbeitung 10 2.2.3 Die Müllerzelle – Vorkommen und Funktion 13 2.2.4 Tierartlicher Vergleich der Müllerzelle 14 2.2.5 Netzhaut als Modellgewebe 16 2.3 Ödembildung: Netzhautödem – Hirnödem 17 2.3.1 Allgemein: Die Pathogenese des Ödems 17 2.3.2 Das Gehirnödem – Ursachen und Folge 17 2.3.3 Das Netzhautödem – Ursachen und Folge 18 2.3.4 Volumen- und Osmohomöostase der Retina 19 2.3.5 Osmotische Schwellung und Osmoregulation der Müllerzelle 19 2.4 Neuroprotektion durch Neurotrophine und Wachstumsfaktoren 21 2.4.1 Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) 21 2.4.2 Basic Fibroblastic Growth Factor (bFGF) 22 2.4.3 Neuroprotektive Effekte von BDNF und bFGF in der Retina 23 2.5 Zielstellung 24 2.6 Veterinärmedizinische Relevanz 25 2.6.1 Augenerkrankungen in der Klein- und Großtiermedizin 25 2.6.2 Schlussfolgerung für die Tiermedizin 31 3 TIERE, MATERIAL UND METHODEN 32 3.1 Versuchstiere 32 3.2 Material 32 3.2.1 Chemikalien und Reagenzien 32 3.2.2 Lösungen 33 3.2.3 Testsubstanzen 33 3.2.4 Pharmakologische Blocker 33 3.2.5 Antikörper 35 3.3 Verwendete Materialien und Geräte 36 3.4 Versuchsaufbau und Durchführung von Schwellungsversuchen 37 3.4.1 Gewebspräparation: Retina 37 3.4.2 Zellschwellungsversuche 39 3.4.3 Aufnahmetechnik 40 3.4.4 Superfusion von Retinaschnitten 40 3.4.5 Superfusion von isolierten retinalen Zellen 41 3.4.6 Das Physiologie-Modell: Isoosmolarität – Hypoosmolarität 42 3.4.7 Das Pathologie-Modell mit Barium 42 3.4.8 Tiermodell der retinalen Ischämie – Reperfusion 43 3.5 Auswertungsverfahren 43 3.5.1 Morphometrie der Somata 44 3.5.2 Statistische Analyse 44 3.6 Immunozytochemische Färbungen 45 4 ERGEBNISSE 46 4.1 Zellidentifikation in Retinaschnitten 46 4.1.1 Färbemethodik – MitoTracker Orange 47 4.1.2 Morphologie der Müllerzelle 47 4.1.3 Morphologie der Bipolarzelle 48 4.1.4 Identifikation von Müller- und Bipolarzellen 48 4.1.5 Morphologie isolierter Müller – und Bipolarzellen 49 4.2 Kontrollversuche 50 4.3 Untersuchung des Schwellungsverhaltens mit Testsubstanzen 51 4.4 Untersuchung des Schwellungsverhalten unter BDNF 52 4.4.1 Morphologie der Müllerzellen in Retinaschnitte unter BDNF 52 4.4.2 Wirkung von BDNF auf Müllerzellen in Retinaschnitten 53 4.4.3 Wirkung von BDNF auf die Schwellung von isolierten Müllerzellen 57 4.4.4 Wirkung von BDNF auf die osmotische Schwellung von Bipolarzellen in Retinaschnitten 58 4.4.5 Konzentrationsabhängigkeit der Wirkung von BDNF auf die osmotische Schwellung von Bipolarzellen in Retinaschnitten 59 4.4.6 Wirkung von BDNF auf die Schwellung von isolierten Bipolarzellen 61 4.4.7 Wirkung von BDNF auf die osmotische Müller- und Bipolarzellschwellung in der postischämischen Retina 62 4.5 Untersuchung der osmotischen Schwellung von retinalen Zellen unter bFGF 63 4.5.1 Wirkung von bFGF auf Müllerzellen in Retinaschnitten 63 4.5.2 bFGF-induzierte Transaktivierung metabotroper Glutamatrezeptoren in Müllerzellen 65 4.5.3 Wirkung von bFGF auf die Schwellung von Bipolarzellen in Retinaschnitten 65 4.6 Immunozytochemischer Nachweis von BDNF und TrkB in Müller- und Bipolarzellen 66 4.6.1 Kontrollaufnahmen 66 4.6.2 Immunzytochemischer Nachweis von BDNF und TrkB in isolierten Müllerzellen 67 4.6.3 Immunzytochemischer Nachweis von BDNF und TrkB in isolierten Bipolarzellen 69 5 DISKUSSION 71 5.1 Osmotische Volumenregulation bei Müller- und Bipolarzellen 71 5.2 Immunozytochemische Lokalisation von BDNF und TrkB 73 5.3 Inhibition der osmotischen Schwellung von Müller- und Bipolarzellen durch BDNF 75 5.4 TrkB-Aktivierung in Müllerzellen durch BDNF 77 5.5 Abhängigkeit des BDNF-Effekts von einer Transaktivierung von FGF-Rezeptoren 78 5.6 Indirekte Wirkung von BDNF auf die Bipolarzellschwellung durch gliale Faktoren 79 5.7 Abhängigkeit der BDNF-Wirkung von der Transaktivierung weiterer Rezeptoren 80 5.8 BDNF-induzierte Aktivierung von Ionenkanälen in Müllerzellen 81 5.9 BDNF-induzierte Signalkaskade der Inhibition der retinalen Zellschwellung 82 5.10 Neuroprotektive Wirkung von BDNF 84 6 ZUSAMMENFASSUNG 86 7 SUMMARY 88 8 BILDQUELLENVERZEICHNIS 90 9 LITERATURVERZEICHNIS 91 DANKSAGUNG 109 / Introduction: Tissue edema is a major blinding complication of ischemic-hypoxic and inflammatory retinal diseases. In addition to the hyperpemeability of the blood-retinal barrier, water accumulation in retinal cells resulting in cellular swelling may contribute to the development of retinal edema. Müller glial cells regulate the retinal ion and water homeostasis by allowing transcellular ion and water fluxes. During neuronal activity Müller cells control the extracellular space volume by autocrine inhibition of cellular swelling caused by the reduction of extracellular osmolarity. However, under pathological conditions, Müller cells are not capable to regulate their volume so that they swell rapidly under hypoosmolarity. The osmotic swelling of Müller glial cells and the glutamate induced swelling of retinal neurons contribute to the development of cytotoxic retinal edema. Various neuroprotective factors including brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and basic fibroblast growth factor (bFGF) stimulate the survival of retinal neurons and thus delay the retinal degeneration. Objective: The objective of the study is to determine whether BDNF inhibits the osmotic swelling of Müller and bipolar cells of the rat retina. Material and Methods: Retinal slices and freshly isolated Müller and bipolar cells of 55 adult Long-Evans rats (in average 8-15 cells per trial) were used. Osmotic swelling of Müller and bipolar cells was induced by superfusion of retinal slices or isolated cells with a 60% hypoosmotic extracellular solution in the absence or presence of barium chloride. The maximal cross-sectional area of Müller and bipolar cell somata was recorded before and after a four minute-long superfusion by using a laser scanning microscope. To determine the extent of cell soma swelling, the cross-sectional area of the cell body extent after superfusion was related to the former averaged cross-sectional area. Results were given as means with standard error as percent values. Statistical analysis was made with Prism (Graphpad) and the significance was determined by the One-way ANOVA test followed by Bonferroni\''s multiple comparison test and the Mann-Whitney U test, respectively. Results: We found that BDNF inhibits dose-depending the osmotic swelling of Müller cells in retinal slices and of isolated cells. BDNF also inhibited dose-depending the osmotic swelling of bipolar cells in retinal slices; however, it did not inhibit the osmotic swelling in isolated bipolar cells. In slices of postischemic retinas, BDNF inhibited the swelling of Müller cells but not the swelling of bipolar cells. The BDNF induced signal transduction cascade was examined by simultaneous administration of blocking agents with the receptor agonists in the hypoosmotic solution. The BDNF-induced inhibition of the osmotic Müller cell swelling was mediated by activation of TrkB. Activation of TrkB in Müller cells results in transactivation of FGF receptors and in an activation of a glutamatergic-purinergic signal transduction cascade which is known to inhibit the osmotic swelling of the cells. Since bFGF also inhibits the osmotic swelling of Müller cells, it can be assumed that the transactivation of FGF receptors is mediated by a BDNF-induced release of bFGF from Müller cells. The results suggest that the effect of BDNF on bipolar cells is indirect by inducing a subsequent release of glial factor from Müller cells such as bFGF. Conclusion: The results show that BDNF inhibits the osmotic swelling of Müller and bipolar cells. The inhibition of cytotoxic cell swelling may contribute to the neuroprotective action of BDNF in the retina. While BDNF acts directly in Müller cells, the BDNF-induced inhibition of the bipolar cell swelling is indirect and mediated by the release of glial factors such as bFGF from Müller cells. The abrogation of the BDNF-induced inhibition of the osmotic bipolar cell swelling in the postischemic retina could be explained with the impairment of the release of glial factors by Müller cells. The abrogation of the Müller cell-mediated regulation of the bipolar cell volume could contribute to the neuronal degeneration in the ischemic retina.:Inhaltsverzeichnis ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS IX ABBILDUNGSVERZEICHNIS XI TABELLENVERZEICHNIS XIV 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 3 2.1 Sehorgan - Das Auge 3 2.2 Retina beim Mensch und Tier – Aufbau und Funktionalitäten 4 2.2.1 Bildprozessor der Tierwelt – Die Retina 10 2.2.2 Die Sehbahn – Visuelle Verarbeitung 10 2.2.3 Die Müllerzelle – Vorkommen und Funktion 13 2.2.4 Tierartlicher Vergleich der Müllerzelle 14 2.2.5 Netzhaut als Modellgewebe 16 2.3 Ödembildung: Netzhautödem – Hirnödem 17 2.3.1 Allgemein: Die Pathogenese des Ödems 17 2.3.2 Das Gehirnödem – Ursachen und Folge 17 2.3.3 Das Netzhautödem – Ursachen und Folge 18 2.3.4 Volumen- und Osmohomöostase der Retina 19 2.3.5 Osmotische Schwellung und Osmoregulation der Müllerzelle 19 2.4 Neuroprotektion durch Neurotrophine und Wachstumsfaktoren 21 2.4.1 Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) 21 2.4.2 Basic Fibroblastic Growth Factor (bFGF) 22 2.4.3 Neuroprotektive Effekte von BDNF und bFGF in der Retina 23 2.5 Zielstellung 24 2.6 Veterinärmedizinische Relevanz 25 2.6.1 Augenerkrankungen in der Klein- und Großtiermedizin 25 2.6.2 Schlussfolgerung für die Tiermedizin 31 3 TIERE, MATERIAL UND METHODEN 32 3.1 Versuchstiere 32 3.2 Material 32 3.2.1 Chemikalien und Reagenzien 32 3.2.2 Lösungen 33 3.2.3 Testsubstanzen 33 3.2.4 Pharmakologische Blocker 33 3.2.5 Antikörper 35 3.3 Verwendete Materialien und Geräte 36 3.4 Versuchsaufbau und Durchführung von Schwellungsversuchen 37 3.4.1 Gewebspräparation: Retina 37 3.4.2 Zellschwellungsversuche 39 3.4.3 Aufnahmetechnik 40 3.4.4 Superfusion von Retinaschnitten 40 3.4.5 Superfusion von isolierten retinalen Zellen 41 3.4.6 Das Physiologie-Modell: Isoosmolarität – Hypoosmolarität 42 3.4.7 Das Pathologie-Modell mit Barium 42 3.4.8 Tiermodell der retinalen Ischämie – Reperfusion 43 3.5 Auswertungsverfahren 43 3.5.1 Morphometrie der Somata 44 3.5.2 Statistische Analyse 44 3.6 Immunozytochemische Färbungen 45 4 ERGEBNISSE 46 4.1 Zellidentifikation in Retinaschnitten 46 4.1.1 Färbemethodik – MitoTracker Orange 47 4.1.2 Morphologie der Müllerzelle 47 4.1.3 Morphologie der Bipolarzelle 48 4.1.4 Identifikation von Müller- und Bipolarzellen 48 4.1.5 Morphologie isolierter Müller – und Bipolarzellen 49 4.2 Kontrollversuche 50 4.3 Untersuchung des Schwellungsverhaltens mit Testsubstanzen 51 4.4 Untersuchung des Schwellungsverhalten unter BDNF 52 4.4.1 Morphologie der Müllerzellen in Retinaschnitte unter BDNF 52 4.4.2 Wirkung von BDNF auf Müllerzellen in Retinaschnitten 53 4.4.3 Wirkung von BDNF auf die Schwellung von isolierten Müllerzellen 57 4.4.4 Wirkung von BDNF auf die osmotische Schwellung von Bipolarzellen in Retinaschnitten 58 4.4.5 Konzentrationsabhängigkeit der Wirkung von BDNF auf die osmotische Schwellung von Bipolarzellen in Retinaschnitten 59 4.4.6 Wirkung von BDNF auf die Schwellung von isolierten Bipolarzellen 61 4.4.7 Wirkung von BDNF auf die osmotische Müller- und Bipolarzellschwellung in der postischämischen Retina 62 4.5 Untersuchung der osmotischen Schwellung von retinalen Zellen unter bFGF 63 4.5.1 Wirkung von bFGF auf Müllerzellen in Retinaschnitten 63 4.5.2 bFGF-induzierte Transaktivierung metabotroper Glutamatrezeptoren in Müllerzellen 65 4.5.3 Wirkung von bFGF auf die Schwellung von Bipolarzellen in Retinaschnitten 65 4.6 Immunozytochemischer Nachweis von BDNF und TrkB in Müller- und Bipolarzellen 66 4.6.1 Kontrollaufnahmen 66 4.6.2 Immunzytochemischer Nachweis von BDNF und TrkB in isolierten Müllerzellen 67 4.6.3 Immunzytochemischer Nachweis von BDNF und TrkB in isolierten Bipolarzellen 69 5 DISKUSSION 71 5.1 Osmotische Volumenregulation bei Müller- und Bipolarzellen 71 5.2 Immunozytochemische Lokalisation von BDNF und TrkB 73 5.3 Inhibition der osmotischen Schwellung von Müller- und Bipolarzellen durch BDNF 75 5.4 TrkB-Aktivierung in Müllerzellen durch BDNF 77 5.5 Abhängigkeit des BDNF-Effekts von einer Transaktivierung von FGF-Rezeptoren 78 5.6 Indirekte Wirkung von BDNF auf die Bipolarzellschwellung durch gliale Faktoren 79 5.7 Abhängigkeit der BDNF-Wirkung von der Transaktivierung weiterer Rezeptoren 80 5.8 BDNF-induzierte Aktivierung von Ionenkanälen in Müllerzellen 81 5.9 BDNF-induzierte Signalkaskade der Inhibition der retinalen Zellschwellung 82 5.10 Neuroprotektive Wirkung von BDNF 84 6 ZUSAMMENFASSUNG 86 7 SUMMARY 88 8 BILDQUELLENVERZEICHNIS 90 9 LITERATURVERZEICHNIS 91 DANKSAGUNG 109

Die Studien der vorliegenden Habilitationsschrift hatten die Untersuchung der Abhängigkeit diffuser und tumorförmiger Hypervaskularisationen der Plazenta von angiogenen Wachstumsfaktoren zum Ziel. Kernaussagen sind, daß in Chorangiomen eine höhere Expression der Angiopoietine - 1 und - 2 vorliegt, bei morphologisch gleicher Rezeptorausstattung. Keine Differenzen zeigte die Expression von PDGF sowie seinem Rezeptor PDGF-ß. Bei Differenzierung solitärer und multipler Chorangiome (Chorangiomatosen) hinsichtlich klinischer Parameter sowie der Expression der angiogenen Wachstumsfaktoren Angiopoietin-1 und bFGF sowie hinsichtlich der Proliferationsrate konnten Unterschiede zwischen den plazentaren Läsionen deutlich werden. Die Expression der Wachstumsfaktoren war jeweils in Chorangiomatosen kräftiger als in solitären Veränderungen. Das Auftreten von Chorangiomatosen steht offensichtlich in Zusammenhang mit einer verstärkten Expression dieser Wachstumsfaktoren, die damit noch die ohnehin in Chorangiomen - gegenüber ortholog gereiftem Plazentaparenchym - gesteigerte Expression übertrifft. So deutet diese Studie nunmehr verstärkt auf eine Korrelation zwischen der Höhe der Wachstumsfaktorexpression und dem quantitativen Auftreten lokalisierter Angiopathien hin. Zudem ließen sich klinische Korrelationen aufzeigen. So lag das mütterliche Alter beim Auftreten lokalisierter hypervakularisierter Veränderungen deutlich über der bei unauffälligen Plazenten, ein Ergebnis, das vorherige Untersuchungen bestätigte. Geringe Differenzen das maternale Alter betreffend bestanden zwischen Chorangiomen und Chorangiomatosen. Hinsichtlich der Schwangerschaftskomplikationen fanden sich keine Unterschiede zwischen Chorangiomen und Chorangiomatosen. Begleitende Reifungsstörungen fanden sich auch in diesem Studienkollektiv, dahingehend, daß Chorangiome und häufiger noch Chorangiomatosen kombiniert mit diesen Auftreten. Untersuchungen zur Apoptose- und Proliferationsrate in Chorangiomen mit differierendem histologischen Subtyp erbrachten keinen Hinweis auf den Einfluß der Apoptose auf das Wachstum dieser tumorartigen Läsionen. In Chorangiomen zeigte sich im Vergleich zu regelhaft entwickeltem reifem Plazentagewebe eine leicht gesteigerte Proliferationsrate. Auffällig war einzig, daß Chorangiome endotheliomatösen Subtyps die höchste Proliferationsrate aufwiesen. Studien intrauteriner Todesfällen der frühen und mittleren Fetalperiode konnten zeigen, das diffuse Hypervaskularisationen offensichtlich reaktiver Natur sind. Untersuchungen zur Expression angiogener Wachstumsfaktoren zeigten, daß diese exprimiert werden und damit bereits an der Gefäßentwicklung der Plazenta in der Fetalperiode beteiligt sind. Unterschiede hinsichtlich der Expression der Wachstumsfaktoren in Plazenten mit Hypervaskularisationen und Kontrollproben fanden sich jedoch morphologisch nicht. Die gesteigerte Gefäßbildung in der frühen Fetalperiode ist offenbar eine reaktive Anpassung der Zotten auf die Hypoxie. Falldarstellungen zweier weiterer Plazentatumoren, eines inzidentellen Chorangiokarzinoms sowie eines Angiomyxoms der Nabelschnur erbrachten hinsichtlich der Gefäßkomponente in diesen Tumoren keine Abhängigkeit von den untersuchten Wachstumsfaktoren. Eine Studie von 136 Chorangiomen aus 22439 Plazenten ließen aussagefähigen Analysen der Häufigkeit, morphologischer Charakteristika und Korrelationen zwischen Chorangiomen und klinischen Befunden zu. So zeigten sich signifikante Abhängigkeiten zwischen dem Auftreten eines Chorangioms und dem mütterlichen Alter, der gestationsbedingten Hochdrucksymptomatik, der Parität, dem kindlichen Geschlecht und begleitender Reifungsstörungen der Plazenta. Insbesondere die Reifungsstörungen in Kombination zum Auftreten eines Chorangioms waren zuvor nie Gegenstand einer größeren wissenschaftlichen Studie. Einzelne Parameter fanden zwar sporadisch in einzelnen Publikationen mit wenigen Chorangiomen wissenschaftlich Beachtung, doch die dort publizierten Ergebnisse widersprachen sich vielfach. So ist die jetzt vorliegende Untersuchung in ihrer Größe und damit Aussagekraft sehr relevant. / The studies had the investigation of the dependence of vague and tumoric hypervascularisation of the placenta on angiogenic growth factors as a goal. Core statements are that in chorangiomas a higher expression of Angiopoietin-1 and - 2 is present, during morphologically same receptor equipment. The expression of PDGF as well as ist receptor did not show differences PDGF - beta. With differentiation of solitär and multiple chorangiomas (chorangiomatoses) regarding clinical parameters as well as the expression of the angiogenic growth factors Angiopoietin-1 and bFGF as well as regarding the proliferation rate could become clear differences between the placental lesions. The expression of the growth factors was in each case in chorangiomatoses stronger than in single changes. The occurrence of chorangiomatoses stands obviously in connection with a strengthened expression of these growth factors, which exceeds thereby still anyway the expression increased in chorangiomas - opposite ortholog matured placental tissue. Thus this study points now strengthened on a correlation between the height of the expression on growth factors and the quantitative occurrence of located angiopathia. Besides clinical correlations could be pointed out. Thus the maternal age was clearly with the occurrence of located such changes over with inconspicuous placentas, a result, which confirmed previous investigations. Small differences concerning the maternal age existed between chorangiomas and chorangiomatoses. Regarding the pregnancy complications were no differences between chorangiomas and chorangiomatoses. Accompanying maturing disturbances were in such a way also in this study collective, that chorangiomas combines and more frequently still chorangiomatoses with this occurrence. Investigations to the apoptoses and proliferation rate in chorangiomas with differing histological subtyp did not furnish a reference to the influence of the apoptoses on the growth of these tumor-like lesions. To chorangiomas an easily increased proliferation rate pointed itself compared with regularly developed ripe placental tissue. Remarkably it was only that chorangiomas with endotheliomatos subtyp the highest proliferation rate exhibited. Studies of intrauterin deaths of the early and middle fetal periode could show, which are vague hypervascularisation of obviously reactive nature. Investigations to the expression of angiogenic growth factors showed the fact that these are exprime and so that in the container development of the placenta in the fetal periode is involved already. Differences regarding the expression of the growth factors in plazentas with hypervascularisationen and inspection samples were not however morphologically. The increased container formation in the early fetal periode is obviously a reactive adjustment of the villous trees on the hypoxia. Drop representations of two further placenta tumors, a incidentially chorangiocarcinoma as well as a angiomyxoma of the umbilical cord did not furnish dependence on the examined growth factors regarding the container component in these tumors. Expressive analyses of the frequency, morphologic characteristics and correlations between chorangiomas and clinical findings permitted a study of 136 chorangiomas from 22439 plazentas. Thus significant dependence between the occurrence of a chorangioma and the maternal age, the gestational high pressure symptomatology, the parity, the childlike sex showed up and accompanying maturing disturbances of the placenta.

Intimal hyperplasia (IH) is defined as the abnormal migration and proliferation of smooth muscle cells with associated deposition of extracellular matrix in the intimal layer. It is a natural response to endovascular injury induced by procedures such as angioplasty, stent implantation, or atherectomy. Research on the molecular pathways and mediators has led to the discovery of a variety of substances aimed to interrupt or attenuate IH. Heparin, low-molecular-weight heparin, aspirin, corticoids, angiotensin-converting enzyme inhibitors, cyclosporin, vascular endothelial growth factor (VEGF) and other agents have been investigated. However, none of these agents has been used with marked success at the clinical level. Therapeutic angiogenesis studies have demonstrated the potential of heparin binding angiogenic growth factors such as VEGF and basic fibroblast growth factor (bFGF/FGF-2) to treat ischemic heart diseases. Studies on endothelial nitric oxide synthase (eNOS) gene transfer in vivo showed attenuated IH caused by constitutive generation of nitric oxide (NO) via the NOS pathway. FGF-2 increased VEGF mRNA levels in single-cultures of rabbit smooth muscle cells (SMC) and also promoted NO production from endothelial cells (EC). Therefore, we hypothesize that FGF-2 mediates SMC inhibition through the NOS pathway. In order to elucidate the influence of these growth factors, we employed an appropriate SMC-EC co-culture system.Studies on SMC-EC interactions have been established in various in vitro co-culture systems. However, there exist only few co-culture systems in which the structure of a vessel wall is imitated. A direct co-culture model was used in this study to determine the effect of growth factors on the SMC and EC proliferation. In the following study we investigate the effects of VEGF, FGF-2 and FGF-2+VEGF on porcine aorta smooth muscle and endothelial cells. Addition of the higher concentrations (>10 ng/ml) of FGF-2 to the SMC-EC direct co-culture greatly reduced smooth muscle cell numbers and cell cycle S-phase, as judged by propidium iodide DNA analysis using flow cytometry. We also observed that coadministration of FGF-2 with VEGF did not show any difference on SMC proliferation compared to control. These data demonstrate the potent regulatory capabilities of FGF-2 on smooth muscle cell inhibition. Nitric oxide which is generated by the enzyme NOS is hindered by the addition of NOS inhibitor, NG-Methyl-L-arginine acetate (L-NMMA). Utilizing L-NMMA we found that FGF-2 mediated smooth muscle cell inhibition does not follow the NOS pathway. This study is intended to understand the interactions of combination of therapeutic growth factors on vascular cells. The current study is a first step towards an overall goal of setting up an in vivo porcine model for clinical treatment of IH using FGF-2.

<p>This thesis investigated the predictive and the prognostic powers of angiogenesis related markers in both operable and inoperable non-small cell lung cancer (NSCLC) patients.</p><p>In the first and second study, we investigated the serological fractions of vascular endothelial growth factor (VEGF) and basic fibroblast growth factor (bFGF) in 2 cohorts of patients with either operable or inoperable NSCLC. </p><p>Regarding operable NSCLC, we demonstrated significant correlations between VEGF and tumour volume and overall survival. Regarding bFGF, significant correlations with recurrent disease and survival were demonstrated. VEGF and bFGF correlated to each other and with platelet counts. In multivariate analysis, bFGF proved to be a significantly independent prognostic factor.</p><p>Regarding inoperable NSCLC, we demonstrated that patients with elevated bFGF levels before any treatment and during chemotherapy had a significantly poorer survival. During chemotherapy, each rise of one unit of bFGF (ng/L) corresponded to a 4 times increased risk of death. Regarding VEGF, elevated levels after radiotherapy corresponded with better survival. All prognostic information demonstrated in this study concerned patients with a, co-sampled, normal platelet count.</p><p>In the third study, three putative markers, HER-2, EGFR and COX-2, suitable for targeted therapies in resected NSCLC were investigated in a panel of 53 tumours and further investigated for a possible correlation with microvessel density. We demonstrated that HER-2 and COX-2 were mainly expressed in adenocarcinomas, whereas EGFR was only expressed in squamous cell carcinomas. COX-2 showed a trend towards a correlation with microvesssel density. The expression profile, HER-2+/EGFR-, was significantly correlated to poorer survival. </p><p>In the fourth study, a predictive model for recurrences consisting of p53, CD34 and CD105, and circulating serum fractions of VEGF and bFGF, was investigated. The two endothelial markers correlated with each other. CD105 expression correlated with p53 expression. No other significant correlations between markers could be demonstrated. A significant correlation between p53 overexpression and recurrent disease was demonstrated. The mutational status could not confirm the immunohistochemical correlation between p53 and recurrences. </p><p> In conclusion, the present thesis demonstrates that the angiogenic factors VEGF and bFGF analysed in sera have both predictive and prognostic information when measured in operable and inoperable NSCLC. Since HER-2 is overexpressed in NSCLC and linked with prognostic information, this marker might be a suitable target for therapy in NSCLC. Furthermore, in patients with operable NSCLC, p53 expression status was linked with recurrent disease and mean MVD. </p>

This thesis investigated the predictive and the prognostic powers of angiogenesis related markers in both operable and inoperable non-small cell lung cancer (NSCLC) patients. In the first and second study, we investigated the serological fractions of vascular endothelial growth factor (VEGF) and basic fibroblast growth factor (bFGF) in 2 cohorts of patients with either operable or inoperable NSCLC. Regarding operable NSCLC, we demonstrated significant correlations between VEGF and tumour volume and overall survival. Regarding bFGF, significant correlations with recurrent disease and survival were demonstrated. VEGF and bFGF correlated to each other and with platelet counts. In multivariate analysis, bFGF proved to be a significantly independent prognostic factor. Regarding inoperable NSCLC, we demonstrated that patients with elevated bFGF levels before any treatment and during chemotherapy had a significantly poorer survival. During chemotherapy, each rise of one unit of bFGF (ng/L) corresponded to a 4 times increased risk of death. Regarding VEGF, elevated levels after radiotherapy corresponded with better survival. All prognostic information demonstrated in this study concerned patients with a, co-sampled, normal platelet count. In the third study, three putative markers, HER-2, EGFR and COX-2, suitable for targeted therapies in resected NSCLC were investigated in a panel of 53 tumours and further investigated for a possible correlation with microvessel density. We demonstrated that HER-2 and COX-2 were mainly expressed in adenocarcinomas, whereas EGFR was only expressed in squamous cell carcinomas. COX-2 showed a trend towards a correlation with microvesssel density. The expression profile, HER-2+/EGFR-, was significantly correlated to poorer survival. In the fourth study, a predictive model for recurrences consisting of p53, CD34 and CD105, and circulating serum fractions of VEGF and bFGF, was investigated. The two endothelial markers correlated with each other. CD105 expression correlated with p53 expression. No other significant correlations between markers could be demonstrated. A significant correlation between p53 overexpression and recurrent disease was demonstrated. The mutational status could not confirm the immunohistochemical correlation between p53 and recurrences. In conclusion, the present thesis demonstrates that the angiogenic factors VEGF and bFGF analysed in sera have both predictive and prognostic information when measured in operable and inoperable NSCLC. Since HER-2 is overexpressed in NSCLC and linked with prognostic information, this marker might be a suitable target for therapy in NSCLC. Furthermore, in patients with operable NSCLC, p53 expression status was linked with recurrent disease and mean MVD.