Every year, stroke affects over 100 million people worldwide and the number of cases continues to grow. Ischemic stroke is the most prevalent form of stroke and rapid restoration of blood flow is the primary therapeutic aim. However, recanalization might fail or reperfusion itself induces detrimental processes leading to infarct progression. Previous studies identified platelets and immune cells as drivers of this so-called ischemia/reperfusion (I/R) injury, establishing the concept of ischemic stroke as thrombo-inflammatory disease. Reduced cerebral blood flow despite recanalization promoted the hypothesis that thrombus formation within the cerebral microcirculation induces further tissue damage. The results presented in this thesis refute this: using complementary methodologies, it was shown that infarct growth precedes the occurrence of thrombi excluding them as I/R injury-underlying cause. Blood brain barrier disruption is one of the hallmarks of ischemic stroke pathology and was confirmed as early event during reperfusion injury in the second part of this study. Abolished platelet α-granule release protects mice from vascular leakage in the early reperfusion phase resulting in smaller infarcts. Using in vitro assays, platelet α-granule-derived PDGF-AB was identified as one factor contributing to blood-brain barrier disruption. In vivo visualization of platelet activation would provide important insights in the spatio-temporal context of platelet activation in stroke pathology. As platelet signaling results in elevated intracellular Ca2+ levels, this is an ideal readout. To overcome the limitations of chemical calcium indicators, a mouse line expressing an endogenous calcium reporter specifically in platelets and megakaryocytes was generated. Presence of the reporter did not interfere with platelet function, consequently these mice were characterized in in vivo and ex vivo models. Upon ischemic stroke, neutrophils are among the first cells that are recruited to the brain. Since for neutrophils both, beneficial and detrimental effects are described, their role was investigated within this thesis. Neither neutrophil depletion nor absence of NADPH-dependent ROS production (Ncf-/- mice) affected stroke outcome. In contrast, abolished NET-formation in Pad4-/- mice resulted in reduced infarct sizes, revealing detrimental effects of NETosis in the context of ischemic stroke, which might become a potential therapeutic target. Cerebral venous (sinus) thrombosis, CV(S)T is a rare type of stroke with mainly idiopathic onset. Whereas for arterial thrombosis a critical contribution of platelets is known and widely accepted, for venous thrombosis this is less clear but considered more and more. In the last part of this thesis, it was shown that fab-fragments of the anti-CLEC-2 antibody INU1 trigger pathological platelet activation in vivo, resulting in foudroyant CVT accompanied by heavy neurological symptoms. Using this novel animal model for CVT, cooperative signaling of the two platelet receptors CLEC-2 and GPIIb/IIIa was revealed as major trigger of CVT and potential target for treatment. / Jährlich sind weltweit über 100 Millionen Menschen von einem Schlaganfall betroffen, wobei die Zahl der Fälle weiter zunimmt. Der ischämische Schlaganfall ist die häufigste Form des Schlaganfalls, und die sofortige Wiederherstellung des Blutflusses ist das oberste Therapie¬ziel. Allerdings kommt es vor, dass die Rekanalisierung des betroffenen Gefäßes fehlschlägt oder die Reperfusion selbst zu schädlichen Prozessen führt, die das Fortschreiten des Infarkts begünstigen. In vorangegangen Studien wurden Thrombozyten und Immunzellen als treibende Kräfte dieser so genannten Ischämie/Reperfusion (I/R)-Schädigung identifiziert und der ischämische Schlaganfall als thrombo-inflammatorische Erkrankung definiert. Eine verminderte zerebrale Durchblutung trotz Rekanalisation führte zu der Hypothese, dass die Bildung von Thromben in der zerebralen Mikrozirkulation zu weiteren Gewebeschäden führt. Die hier vorgestellten Ergebnisse widerlegen dies: Mit Hilfe komplementärer Methoden konnte gezeigt werden, dass das Infarktwachstum dem Auftreten von Thromben vorausgeht, was diese als Ursache für die I/R-Verletzung ausschließt. Die Störung der Blut-Hirn-Schranke ist eines der charakteristischen Kennzeichen der Pathologie des ischämischen Schlaganfalls und wurde im zweiten Teil dieser Studie als frühes Ereignis während des Reperfusionsschadens bestätigt. Mit Hilfe transgener Mäuse konnte gezeigt werden, dass die Ausschüttung von α-Granula aus Thrombozyten in der frühen Reperfusionsphase an Störungen der Blut-Hirn-Schranke beteiligt ist und somit zum Infarktwachstum beiträgt. In in-vitro-Versuchen konnte gezeigt werden, dass PDGF-AB, ein Bestandteil der α-Granula, an Prozessen, die für die Beeinträchtigung der Blut-Hirn-Schranke verantwortlich sind, beteiligt ist. Die Sichtbarmachung von aktivierten Thrombozyten in vivo, würde wichtige Erkenntnisse über den räumlichen und zeitlichen Kontext der Aktivierung von Thrombozyten im Verlauf des Schlaganfalls liefern. Da alle aktivierenden Signalwege zum Anstieg des intrazellulären Kalziumspiegels führen, ist Kalzium ein idealer Indikator der Thrombozytenaktivierung. Um die Grenzen chemischer Kalziumindikatoren zu überwinden, wurde eine transgene Mauslinie erzeugt, welche einen endogenen Kalziumreporter speziell in Thrombozyten und Megakaryozyten exprimiert. Die Anwesenheit des Reporters hatte keine Auswirkung auf die Funktionalität der Thrombozyten und die Mäuse wurden in vivo sowie ex vivo in verschiedenen Experimenten charakterisiert. In der Folge eines ischämischen Schlaganfalles gehören Neutrophile zu den am frühesten ins Gehirn einwandernden Zellen. Dabei werden Neutrophilen sowohl günstige als auch schädliche Wirkungen auf den Verlauf des ischämischen Schlaganfalls zugeschrieben. Aus diesem Grund wurde ihre Rolle in dieser Arbeit näher untersucht. Weder die Abwesenheit von Neutrophilen noch das Fehlen der NADPH-abhängigen Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (Ncf1-/- Mäuse) beeinflussen den Ausgang eines Schlaganfalls. Im Gegensatz dazu, führte die Verhinderung der NET-Bildung (NET = neutrophil extracellular traps) in Pad4-/- Mäusen zu verringerten Infarktgrößen, was auf eine schädliche Wirkung der NETose im Zusammenhang des Schlaganfalls hinweist und somit ein therapeutisches Angriffsziel darstellen könnte. Sinusvenenthrombosen sind eine seltene Form des Schlaganfalls, die meist ohne bekannte Ursache auftreten. Während für die arterielle Thrombose ein kritischer Beitrag der Thrombozyten bekannt und weithin akzeptiert ist, ist dies für venöse Thrombosen weniger klar, wird aber immer mehr in Betracht gezogen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Fab-Fragmente des anti-CLEC-2-Antikörpers INU1 in vivo eine pathologische Aktivierung von Thrombozyten auslösen, die zu einer fulminanten Sinusvenenthrombose mit schweren neurologischen Symptomen führt. Mit Hilfe dieses neuartigen Tiermodells wurde die zusammenwirkende Signalübertragung der beiden Thrombozytenrezeptoren CLEC-2 und GPIIb/IIIa als Hauptauslöser der Sinusvenenthrombose und damit potenzielles Ziel für eine Behandlung identifiziert.

Durch die Interleukin 1ß Neutralisierung mittels eines Antikörpers soll versucht werden, das Outcome nach einem Schädelhirntrauma zu verbessern und den erlittenen Schaden zu minimieren / With the support of antibodies, interleukin 1 beta neutralisation attempts to improve the outcome after suffering from a traumatic brain injury and to limit the damage suffered

Die Integrität der Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist bei vielen Erkrankungen des humanen zentralen Nervensystems (ZNS) beeinträchtigt. Unter verschiedenen neuroinflammatorischen Bedingungen, wie bei zerebralen Ischämien, Traumata, Hirntumoren oder der Multiplen Sklerose (MS), kommt es zum Verlust der protektiven Schrankenfunktion. Zu den ersten Anzeichen des BHS-Zusammenbruchs zählt der Verlust der Zell-Zell-Adhäsion: der Adhärens- und Occludenskontakte. Therapeutische Maßnahmen dieser Krankheiten beinhalten Behandlungen mit Glukokortikoiden (GCs), wobei der Mechanismus und die Wirkungsweise dieser Substanzen bis heute nicht vollkommen aufgeklärt sind. In der zerebralen Hirnendothelzelllinie cEND [Forster C, Silwedel C, Golenhofen N, Burek M, Kietz S, Mankertz J & Drenckhahn D. (2005). Occludin as direct target for glucocorticoid-induced improvement of blood-brain barrier properties in a murine in vitro system. J Physiol 565, 475-486] wurde eine Funktionsverbesserung der Endothelbarriere durch die Expressionerhöhung von Occludin nach GC-Behandlung bereits analysiert. Daraufhin wurden andere Kandidaten des apikalen Junktionssystems gesucht, die positiv auf GC-Gabe ansprechen. Der erste Teil der Arbeit präsentiert den positiven Einfluss der Dexamethason-Behandlung auf die Expression des Adhärenskontakt-Proteins VE- (Vascular-Endothelial) Cadherin in cEND-Zellen. Dabei wurde eine Reorganisation des Zytoskeletts, eine verstärkte Verankerung des VE-Cadherins an das Zytoskelett, sowie eine einhergehende Morphologieänderung der behandelten Zellen beobachtet. Untersuchungen der Transkriptionsaktivierung des VE-Cadherin-Promoters nach Dexamethason-Behandlung, wiesen auf einen indirekten Steroid-Effekt hin, der zu einer Erhöhung der VE-Cadherin-Proteinsynthese führte. Somit sind GCs wichtig für die Proteinsynthese und -organisation beider Kontaktproteinarten: der Adhärens- und Occludenskontakte in mikrovaskulären Hirnendothelzellen. Die Beeinträchtigung der BHS-Integrität mit Veränderungen der Occludenskontaktexpression zählt zu den frühen Ereignissen bei der Entstehung einer Inflammation des ZNS, wie beispielsweise bei der MS. Im zweiten Teil der Dissertation wurde die Herunterregulation von Occludenskontaktproteinen in der cEND-Zelllinie untersucht. Dabei wurden cEND-Zellen mit Seren von Patienten, die sich in zwei verschiedenen Stadien der MS befanden, behandelt: in der akuten Exazerbationsphase oder der Remissionsphase, und auf die Protein- und Genexpression mit und ohne Dexamethasons-Behandlung untersucht. Es konnte ein negativer Effekt auf den Barrierewiderstand und die Occludenskontaktexpression, sowie eine erhöhte MMP-9-Genexpression nach Krankheitssereninkubation gezeigt werden. Die Dexamethason-Behandlung ergab eine geringe, aber keine vollständige Rekonstitution der Barrierefunktion. Anhand dieser Studie konnte jedoch erstmals eine Erniedrigung der Protein- und mRNA-Synthese von Claudin-5 und Occludin in Remissionspatientenseren inkubierten cEND-Zellen demonstriert werden. Somit könnten diese Erkenntnisse zur Prädiagnose einer bevorstehenden Exazerbationsphase der MS eingesetzt werden. Eine Langzeit-GC-Behandlung führt zu zahlreichen Nebenwirkungen, u. a. zum Bluthochdruck, welcher aufgrund einer eingeschränkten Produktion des vasodilatativen Faktors Stickstoffmonoxid, NO, im myokardialen Endothel hervorgerufen wird. Veränderungen in der NO-Produktion, wie auch anderer Faktoren der NO-Signalkaskade in der myokardialen Endothelzelllinie MyEND unter Einfluss von Dexamethason standen im Zentrum des dritten Teils dieser Arbeit. Während keine Veränderungen in der Expression der endothelialen NO-Synthase, eNOS, nach GC-Behandlung gezeigt werden konnten, wurden repressive Einflüsse von Dexamethason auf die Enzymaktivität der eNOS in MyEND-Zellen untersucht. GC-Gabe führte zur einer herabgesetzten Synthese des essenziellen Co-Faktors der eNOS, des Tetrahydrobiopterins, BH4, sowie zu einer Herunterregulation der GTP-Cyclohydrolase-1 (GTPCH-1), des geschwindigkeitsbestimmenden Enzyms der BH4-Produktion. Im Gegensatz zu bisherigen Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen, konnte in der vorliegenden Studie belegt werden, dass die Herunterregulation der GTPCH-1 mRNA-Level auf den Liganden-abhängigen proteasomalen Abbau des Glukokortikoid-Rezeptors (GR) zurückzuführen ist. Das 26S-Proteasom moduliert die GR-abhängige Genexpression durch Kontrolle des Umsatzes und des Recyclings des Rezeptors selbst, wodurch eine regulierte Hormonresponsivität gewährleistet wird. Die Aufhebung des Liganden-abhängigen Abbaus des GR-Proteins durch gezielte Proteasominhibition, sowie durch eine Überexpression des ubiquitinylierungsdefekten GR-Konstruktes, K426A-GR, in Dexamethason-behandelten MyEND-Zellen resultierte in einer Erhöhung der GTPCH-1-Expression, sowie einer gesteigerten eNOS-Aktivität. Die hier beschriebenen Ergebnisse erlauben einen innovativen Einblick in die Erkenntnisse zur GC-vemittelten Hypertonie. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass GC-Behandlungen von mikrovaskulären Hirnendothelzellen zu einer Stabilisierung der Endothelbarriere führen. Unter pathologischen Bedingungen, wie der MS, wird der protektive GC-Effekt durch andere Faktoren beeinträchtigt / The integrity of the blood-brain barrier (BBB) is compromised in many disorders of the human central nervous system. A breakdown of the blood-brain barrier under conditions of neuroinflammation and cerebral ischemia, but also traumas, brain tumours and multiple Sclerosis (MS), leads to loss of the protective function of the barrier. In its breakdown one of the first observable changes is the loss of intercellular adhesion and concomitant an increase of permeability. Although therapeutic strategies for diseases with impaired BBB function include the treatment with glucocorticoids (GCs) but the mechanism explaining GC action still remains unclear. Recent studies showed the influence of GCs on the expression of the tight junction protein occludin in the brain capillary endothelial cell line cEND, contributing to improvement in endothelial barrier functions. In this study, we investigated GC effects on the expression of the adherens junction proteins VE- (vascular-endothelial) cadherin. It was possible to show a positive influence of dexamethasone administration on VE-cadherin protein levels as well as a rearrangement and the anchorage of VE-cadherin protein to the cytoskeleton. Investigation of transcriptional activation of the VE-cadherin promoter by dexamethasone, however, did not point to direct glucocorticoid-mediated VE-cadherin gene induction. But it rather suggested indirect steroid effects leading to increased VE-cadherin protein synthesis. We thus propose that glucocorticoid effects on VE-cadherin protein synthesis and organization are important for the formation of both adherens and tight junctions, and for improved barrier properties in microvascular brain endothelial cells. Abnormalities in the expression profile of tight junctions in cerebral endothelium constituting barrier functions occur early during neuroinflammation, as Multiple Sclerosis (MS). In the second part of this study, the disruption of tight junction proteins in the cEND cell line was analysed. cEND cells were incubated with sera from patients, which were in two different states of MS: in the acute exacerbation or the remission phase of the disease, and protein levels and gene expression of claudin-5, occludin and VE-cadherin with and without dexamethasone treatment were investigated. There arised a downregulation of claudin-5 and occludin on protein and mRNA levels and an accompanying upregulation of MMP-9 activity revealed. A minor reconstitution of barrier functions related to dexamethasone treatment could be shown. However, no reconstitution could be detected to the control level. Especially, observations in downregulation of claudin-5 and occludin in cEND cells incubated with sera from patients in remission phase of MS could not be demonstrated before. Thus, this finding is proposed to be a new useful prediagnostic tool for an early detection of upcoming exacerbation phase. One of the numerous side effects of GC therapy is hypertension arising from reduced release of the endothelium-derived vasodilator nitric oxide, NO, being in the centre of the third part of this study. While effects of dexamethasone on endothelial NO synthase, eNOS, expression itself could not be demonstrated, repressive effects of dexamethasone on eNOS enzyme activity were shown in the myocardial endothelial cell line MyEND. Following GC-treatment we observed decreased levels of the essential cofactor of eNOS, tetrahydrobiopterin, BH4. We also determined a downregulation of GTP cyclohydrolase-1, GTPCH-1, the key enzyme of BH4 synthesis. In contrast to recent data from other groups, we postulate that this downregulation of GTPCH-1 mRNA levels is not a direct downregulation effect of GC action. But it is rather a consequence of the ligand-dependent proteasomal degradation of the GC receptor, GR. The 26S-proteasome modulates GR-dependent gene transcription by regulation of its turnover and the recycling of receptor/transcriptional DNA complexes, thereby ensuring continued regulation of hormone responsivity. In this work, the inhibition of proteasome-mediated proteolysis of GR by using inhibitors of the 26S-proteasome, or overexpression of a point-mutated, ubiquitination-defective GR construct, K426A-GR, which attenuates endothelial GC responsivity, was demonstrated. The abrogation of ligand-dependent degradation of GR protein resulted in increased levels of GTPCH-1 hence expression, leading to an increased eNOS-activity. These results provide a new insight into the research of GC-induced hypertension. Taken together, these data demonstrate, that GC treatment in microvascular brain endothelial cells leads to barrier stabilisation, but under conditions of MS there are many other factors like cytokines and chemokines, which abrogate this positive action.

Over the past decades, awareness has increased of multiple health-promoting effects of diets rich in anthocyanins and proanthocyanidins and, specifically, of these compounds’ potential for conferring neuroprotection. The present study compiles evidence obtained in vitro that expands our understanding of anthocyanin and proanthocyanidin functionalities at multiple levels. Firstly, anthocyanin and anthocyanidin bioavailability was addressed using a combination of ATPase assays, dye extrusion assays and vesicular transport assays. This approach highlights the contribution made by efflux transporters MDR1 and BCRP to the absorption of berry polyphenols and to their distribution to target tissues including the central nervous system. All test compounds interacted with the BCRP transporter in vitro, seven emerged as potential BCRP substrates and 12 as potential inhibitors of BCRP. Two anthocyanidins, malvidin and petunidin, exhibited bimodal activities, serving as BCRP substrates at low micromolar concentrations and, at higher concentrations, as BCRP inhibitors. Effects on MDR1, in contrast, were weak, as only aglycones exerted mild inhibitory activity in the high micromolar range. Distinct affinities of several anthocyanins and the respective aglycones for BCRP suggest that they may be actively transported out of endothelia. Agents that interfere with BCRP activity are therefore likely to facilitate crossing of the intestinal and blood-brain barriers and to augment anthocyanin bioavailability. Secondly, novel modes of action were sought to rationalize berry polyphenols’ direct modulation of neuronal transmission as opposed to their non-specific antioxidant activities. The candidate effectors include cellular monoamine oxidases (MAO) A and B, hypoxia inducible factor (HIF), the proteasome, and phospholipase A2 (PLA2). Elevated MAO activity has long been implicated in the etiology of depression, anxiety and neurodegenerative illness. MAO inhibiting compounds may thus hold promise in the prevention of behavioral symptoms and cognitive decline. For both MAO isoforms, inhibitory effects of anthocyanins and anthocyanidins are illustrated by IC50 values in the low micromolar range whereas proanthocyanidins and phenolic metabolites were less effective inhibitors. Kinetic analyses, performed with cyanidin and cyanidin-3-glucoside, indicated a competitive interaction of cyanidin in terms of MAO A, plus a mixed competitive and non-competitive mode of interaction of cyanidin in terms of MAO B as well as of cyanidin-3-glucoside with respect to both enzyme isoforms. Thus MAO inhibition by anthocyanins and their aglycones in vitro lends support to central nervous functionalities of diets rich in berry polyphenols and opens new opportunities in the prevention of neuronal pathologies. Effects on HIF expression were examined to assess candidate compounds’ role in enhancing cellular resistance to oxidative stress. By inducing a dose-dependent increase in HIF expression, delphinidin may initiate a variety of cellular survival processes that are inhibited by free iron. This finding argues in favor of iron-chelating properties as a further means of mediating neuroprotection. Other inducers of HIF expression in neuroblastoma cells included gallic acid, cyanidin and bilberry extract, all of which may modulate HIF-dependent transcription of downstream genes. / Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurde die Vielzahl gesundheitsfördernder Effekte einer Anthocyan- und Proanthocyanidin-reichen Ernährung verstärkt wahrgenommen, insbesondere das Potenzial dieser Substanzen neuroprotektive Wirkungen zu erzielen. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit zusammengetragenen in vitro-Befunde belegen dies und erweitern unser Verständnis über die facettenreiche Funktionalität von Anthocyanen und Proanthocyanidinen. Zunächst wurde mit einer Kombination indirekter und direkter Transporter-Assays die Bioverfügbarkeit von Anthocyanen und Anthocyanidinen thematisiert. Dieser Ansatz betont, dass die Efflux-Transporter MDR1 und BCRP einen wichtigen Beitrag zur Absorption von polyphenolischen Beereninhaltsstoffen und zu deren anschließender Verteilung auf Zielgewebe, einschließlich des Zentralnervensystems, leisten können. Alle Testsubstanzen traten in vitro in Wechselwirkung mit dem BCRP-Transporter, wobei sich sieben als potenzielle BCRP-Substrate und 12 als potenzielle Inhibitoren herausstellten. Zwei Anthocyanidine, Malvidin und Petunidin, zeigten bimodale Aktivitäten, indem sie in niedrigen mikromolaren Konzentrationen als BCRP-Substrate dienten und in höheren Konzentrationen als Hemmstoffe. Im Gegensatz dazu waren die Effekte auf den MDR1-Transporter nur gering, wobei lediglich die Aglykone nur schwache hemmende Wirkungen im höheren mikromolaren Konzentrationsbereich zeigten. Die ausgeprägten Affinitäten einiger Anthocyane und Aglykone zum BCRP-Transporter legen nahe, dass diese Verbindungen aktiv aus Endothelien transportiert werden. Somit könnten Substanzen, die mit BCRP wechselwirken aller Voraussicht nach den Transport von Anthocyanen und Anthocyanidinen über die Blut-Hirn-Schranke und die gastrointestinale Barriere begünstigen und somit deren Bioverfügbarkeit steigern. Der zweite Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Suche nach neuen Wirkmechanismen, die sich für eine direkte Modulation der neuronalen Signalübertragung durch polyphenolische Beereninhaltsstoffe eignen, im Gegensatz zu bereits bekannten nicht-spezifischen antioxidativen Aktivitäten. Als mögliche Effektoren kommen hier die Monoaminoxidasen (MAO) A und B, der Hypoxie-induzierbare Faktor (HIF), das Proteasom und die Phospholipase A2 (PLA2) in Betracht. Einer erhöhten Monoaminoxidase-Aktivität wird schon seit langem eine Rolle in der Ätiologie depressiver, Angst- und neurodegenerativer Erkrankungen zugeschrieben. Somit könnten Monoaminoxidase-hemmende Stoffe vielversprechende präventive Wirkungen auf krankheitsbedingte Verhaltenssymptome und kognitive Abbauprozesse ausüben. Für beide MAO-Isoformen zeigten Anthocyane und Anthocyanidine hemmende Wirkungen im niedrigen mikromolaren Bereich, wohingegen sich Proanthocyanidine und phenolische Metabolite als weniger effektive Inhibitoren herausstellten. Mit Cyanidin und Cyanidin-3-glucosid durchgeführte Untersuchungen zur Enzymkinetik gaben Hinweise auf kompetitive Wechselwirkungen von Cyanidin bezüglich MAO A. Gemischt kompetitive und nicht-kompetitive Wechselwirkungen wurden für Cyanidin bezüglich MAO B, sowie für Cyanidin-3-glucosid hinsichtlich beider Isoenzme ermittelt. Somit befürworten diese MAO-hemmenden Eigenschaften von Anthocyanen und deren Aglykonen eine Ernährung, die reich an polyphenolischen Beereninhaltsstoffen ist, und eröffnen neue Möglichkeiten bei der Prävention neuronaler Erkrankungen. Zur Beurteilung einer Wirkung von Beereninhaltsstoffen im Hinblick auf die Steigerung der zellulären Widerstandsfähigkeit gegenüber oxidativem Stress wurden ferner Effekte der Testsubstanzen auf die HIF-Expression untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Delphinidin aufgrund konzentrationsabhängiger Erhöhung der HIF-Expression eine Reihe zellulärer Überlebensprozesse einleiten könnte, die durch freies Eisen gehemmt werden. Auf diese Weise könnten Anthocyane durch ihre Eisen-chelierenden Fähigkeiten Neuroprotektion vermitteln. Gallussäure, Cyanidin und Heidelbeerextrakt bewirkten ebenfalls eine Induktion der HIF-Expression in Neuroblastom-Zellen und gelten somit als weitere Kandidaten, welche die HIF-abhängige Transkription nachgeschalteter Gene modulieren könnten.

Das Schädel-Hirn-Trauma (SHT) entsteht durch äußere Gewalteinwirkung auf den Kopf und verursacht mechanisch eine Schädigung des Hirngewebes. Zusätzlich tragen sekundäre Pathomechanismen, wie Entzündungsprozesse und die Schädigung der Blut-Hirn-Schranke (BHS), dazu bei, dass sich das initial geschädigte Läsionsareal im Laufe der Zeit vergrößert. Vor allem bei jungen Erwachsenen ist das SHT eine der häufigsten Ursachen für bleibende Behinderungen und Todesfälle. Aufgrund der schweren Auswirkungen des SHT und der bislang fehlenden Therapieoptionen ist die Identifizierung neuer Zielstrukturen für eine kausale Therapie von größter Bedeutung. Ausgehend von tierexperimentellen Studien ist das Kallikrein-Kinin-System (KKS) ein besonders erfolgversprechender Angriffspunkt zur Behandlung des SHT. Die Aktivierung des KKS über den Gerinnungsfaktor XII (FXII) und die darauf folgende Bildung von Bradykinin sind mit dem Entstehen von Hirnödemen und Entzündungsreaktionen assoziiert. Vorangegangene Studien haben weiterhin die Frage aufgeworfen, ob und in welchem Maße thrombotische Prozesse einen Einfluss auf die Pathophysiologie und die sekundären Hirnschädigungen nach SHT haben. Da FXII sowohl das KKS als auch die intrinsische plasmatische Gerinnungskaskade initiiert und somit zur Fibrinbildung beiträgt, stand FXII im Mittelpunkt der Untersuchungen dieser Dissertation. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Fragen, (I) inwiefern FXII eine Rolle bei der sekundären Hirnschädigung nach Trauma spielt und (II) ob thrombotische Prozesse ein pathophysiologisches Merkmal nach Trauma darstellen. In zwei unterschiedlichen Trauma-Modellen wurden FXII-defiziente Tiere und mit einem spezifischen Inhibitor des aktivierten FXII (FXIIa) behandelte Tiere gegen Kontrolltiere nach SHT verglichen. Die Analyse der funktionellen Ausfallerscheinungen und des Ausmaßes an neuronaler Degeneration zeigte, dass FXII-Defizienz und FXIIa-Inhibition vor den Auswirkungen eines SHT schützen. Als zugrundeliegende Mechanismen wurden die Reduktion von thrombotisch verschlossenen Gefäßen in der Mikrovaskulatur des Gehirns sowie der Schutz vor BHS-Störungen und verringerte inflammatorische Prozesse identifiziert. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Blockade der intrinsischen Gerinnungskaskade über FXII keine intrazerebralen Blutungen auslöst. In Gewebeproben von Patienten mit SHT wurde gezeigt, dass Thrombozytenaggregate auch im klinischen Verlauf auftreten und sich somit die tierexperimentellen Befunde auf die humane Situation übertragen lassen. Insgesamt tragen die Ergebnisse dazu bei, die komplexen und vielfältigen Pathomechanismen nach SHT besser zu verstehen und vor allem die Relevanz thrombo-inflammatorischer Prozesse nach SHT aufzuzeigen. Die gezielte Blockade des FXII(a) könnte als therapeutisches Prinzip zur Abschwächung der Sekundärschaden nach SHT geeignet sein. / Traumatic brain injury (TBI) is the result of an outside force causing mechanical disruption of the brain tissue. In addition, delayed pathogenic events, like inflammatory processes and blood-brain barrier damage occur, which collectively exacerbate the injury. In young adults, TBI is one of the main reasons for permanent disability and death. Because of its severe consequences and the lack of causal treatment, the identification of novel therapeutic options is of utmost importance. Based on animal studies, the kallikrein-kinin-system (KKS) is a very promising target to treat secondary injury processes following TBI. The activation of the KKS via coagulation factor XII (FXII) and the subsequent formation of bradykinin are tightly associated with the development of brain edema and inflammation. Recent studies have raised the question to what extent thrombotic processes might influence the pathophysiology and secondary injury processes following TBI. As FXII is not only the starting point of the KKS, but also the initiator of the intrinsic coagulation cascade which leads to fibrin formation, FXII was the center of interest for this dissertation. The work presented here deals with the issue, (I) whether FXII plays a role in the development and aggravation of secondary injury processes after trauma and (II) if thrombotic processes display a pathophysiological feature in TBI. In two different models of brain trauma, FXII-deficient mice and mice treated with a specific inhibitor of activated FXII (FXIIa) were compared to their respective control groups after trauma induction. The analyses of the functional outcome and the amount of neurodegenerative processes showed a distinct amelioration in favor of the genetically modified and treated animals. As underlying mechanisms, the reduction of thrombotic vessels in the brain microvasculature and additionally, protection from blood-brain barrier damages and less inflammation were identified. Moreover, it was observed that interference with the intrinsic coagulation cascade via FXII does not lead to the formation of intracerebral bleedings. The evaluation of human brain tissue surgically obtained following TBI demonstrated that platelet aggregates occur regularly in the course of brain trauma and that they seem to contribute to the secondary injury processes and the ischemia-like injury pattern. Taken together, the results contribute to the understanding of the highly complex and heterogeneous pathomechanisms following TBI, especially concerning thrombo-inflammatory processes. The targeted pharmacological blocking of FXII(a) could be a useful therapeutic principle in the treatment of TBI-associated pathologic processes.

Fragestellung: Gegenstand dieser Untersuchung ist der diagnostische Nutzen der Neuro-Biomarker S100B-Protein und Neuronenspezifische Enolase (NSE) bei leichten Schädel-Hirn-Verletzungen im Kindesalter. Es wird untersucht, ob anhand der posttraumatischen S100B- und NSE-Serum-Konzentrationen Kinder mit einer Schädelprellung und einem leichten Schädel-Hirn-Trauma (SHT) differenziert werden können. Material und Methode: In einer prospektiven, klinischen Studie werden die posttraumatischen S100B- und NSE-Serum-Konzentrationen von Kindern im Alter zwischen 6 Monaten und 15 Jahren mit einer Schädelprellung oder einem leichten SHT untersucht. Kinder mit extrakraniellen Begleitverletzungen und Begleiterkrankungen sind ausgeschlossen. Die Blutentnahme erfolgt innerhalb von 6 Stunden nach dem Trauma. Es werden 2 diagnostische Gruppen definiert: Gruppe 1: asymptomatische Schädelprellungen (Glasgow-Coma-Scale [GCS] 15 Punkte), Gruppe 2: leichte SHT (GCS 13-15 Punkte) mit klinischen Zeichen einer Gehirnerschütterung (kurze Bewusstlosigkeit, Amnesie, Übelkeit, Erbrechen, Somnolenz, Kopfschmerzen, Schwindel, Sehstörungen, Kreislaufreaktion). Die S100B- und NSE- Konzentrationen werden zwischen beiden Diagnosegruppen verglichen. Die Korrelation zwischen S100B und NSE sowie zwischen den Markern und dem Alter der Kinder, dem Zeitraum zwischen Trauma und Blutentnahme, dem GCS-Wert und dem Vorhandensein von Kopfplatzwunden wird analysiert. Ergebnisse: 148 Kinder sind in die Studie eingeschlossen (53 Kinder mit einer Schädelprellung und 95 mit einem leichten SHT). Nach Adjustierung der gemessenen Marker-Konzentrationen auf Unterschiede im Alter und Zeitraum zwischen Trauma und Blutentnahme unterscheiden sich die S100B- und NSE-Konzentrationen nicht signifikant zwischen Kindern mit einer Schädelprellung und einem leichten SHT. Zwischen den S100B- und NSE-Konzentrationen besteht eine signifikant positive Korrelation. Beide Marker korrelieren signifikant negativ mit dem Alter und dem Entnahmezeitraum. Der GCS-Wert und das Vorhandensein von Kopfplatzwunden zeigen keinen Effekt auf die Marker-Konzentrationen. Schlussfolgerung: Die posttraumatischen S100B- und NSE-Serum-Konzentrationen zeigen keinen diagnostischen Nutzen bei der Differenzierung zwischen Kindern mit einer Schädelprellung und Kindern mit einem leichten SHT. S100B und NSE sind altersabhängige Marker.

Background: Impaired homocysteine metabolism is associated with a number of vasculopathies including extracranial aneurysms. We analyzed the possible association of nine genetic variants of homocysteine metabolism with the occurrence of intracranial aneurysms. Methods: Caucasian patients (n = 255) treated at two German hospitals for intracranial aneurysms and local controls (n = 348) were genotyped for the following polymorphisms: methionine synthase (MTR) c.2756A→G, methylenetetrahydrofolate reductase (MTHFR) c.677C→T, MTHFR c.1298A→C, cystathionine β-synthase (CBS) c.844_855ins68, CBS c.833T→C, dihydrofolate reductase (DHFR) c.594 + 59del19bp, glutathione S-transferase Ω-1 (GSTO1) c.428C→A, reduced folate carrier 1 (RFC1) c.80G→A and transcobalamin 2 (Tc2) c.776C→G. Results: The G-allele of the missense polymorphism Tc2 c.777C→G was found to be underrepresented in patients, suggesting that this variant may protect from the formation of cerebral aneurysms [odds ratio per two risk alleles (OR) 0.48; 95% confidence interval (CI) 0.30–0.77; p = 0.002]. We obtained borderline results for the G-allele of RFC1 c.80G→A (OR 1.64; 95% CI 1.01–2.65; p = 0.051) and the insertion allele of DHFR c.594 + 59del19bp (OR 1.61; 95% CI 1.00–2.60; p = 0.059), which were found to be overrepresented in patients. Conclusion: Polymorphisms of homocysteine metabolism are possible risk factors for the formation of intracranial aneurysms. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Universiẗat, Diss., 2003--München.

Der ischämische Schlaganfall gehört wegen seiner Folgen wie beispielsweise persistierenden Lähmungen und Sprachstörungen bis hin zum Versterben des Patienten angesichts der hohen Inzidenz zu den derzeit sozioökonomisch bedeutsamsten Krankheitsbildern (Ward et al. 2005, Kolominsky-Rabas et al. 2006). Die Möglichkeiten der Akutbehandlung sind trotz intensiver Forschungsbemühungen während der letzten Jahrzehnte nicht zufriedenstellend, da hierfür nur ein vergleichsweise geringer Anteil der Patienten in Frage kommt. Der Einsatz von neuroprotektiven Substanzen stellt eine vielversprechende Option dar, auch wenn bisher kein Neuroprotektivum den regelhaften klinischen Einsatz erreicht hat. Die vorliegende tierexperimentelle Arbeit an Ratten analysierte den Einfluss der beiden intravenös applizierten Faktoren pigment epithelium-derived factor (PEDF) und epidermal growth factor (EGF) auf die Bestandteile der Blut-Hirn-Schranke (BHS) bei zerebraler Ischämie. Diese Arbeit basiert ganz wesentlich auf der Studie von Pillai et al. (2013), in der intravenös appliziertes PEDF im Schlaganfall-Tiermodell zum Einsatz kam: Beide Faktoren verkleinerten nach einstündigem filamentären Verschluss der Arteria cerebri media und anschließender Reperfusion die mittels Magnetresonanztomographie (MRT) bestimmte ischämische Läsionsgröße. Darüber hinaus führten sie im geschädigten Gebiet - verglichen mit der Kontrollgruppe - zu einer verringerten Ödembildung. Dabei erzielte die Intervention durch PEDF stärkere Effekte gegenüber der Behandlung mit EGF, im Besonderen wurde in der PEDF- Gruppe die weitere Zunahme des Ödems im Infarktareal und dem unmittelbar angrenzenden Gewebe nach 48 Stunden verringert. Beiträge zur Aufklärung hierfür verantwortlicher molekularer Mechanismen durch histochemische Untersuchungen des Hirngewebes waren Ziel der vorliegenden Arbeit. Hierzu wurde den Tieren das Hirngewebe an Tag 7 nach induziertem Infarkt entnommen und für die immunhistochemische Analyse aufgearbeitet. Mit einem Gefrierschnittmikrotom wurden 30 μm dicke Frontalschnitte der Paraformaldehyd- fixierten Vorderhirnblöcke von 26 Tieren angefertigt. Als Regions of Interest (ROI) innerhalb der Schnitte wurden die striatale Ischämiezone (Infarktkern), eine ipsilateral striatal gelegene, weniger Ischämie-betroffene Zone (Grenzzone), das kontralaterale Striatum (Kontrolle) sowie ein ischämisches Kortexareal festgelegt. Qualitative Analysen umfassten neben wichtigen zellulären Komponenten der BHS, den Astrozyten und Endothelzellen, auch Mikroglia/Makrophagen sowie das azelluläre Basalmembranprotein Kollagen IV. Alle Versuchsgruppen zeigten eine deutliche Hochregulierung von Kollagen IV im zentralen Infarktgebiet, verglichen mit der kontralateralen Hirnregion. Andere Arbeiten hatten diese Überexpression von Kollagen IV zu früheren Zeitpunkten nach Schlaganfall bereits beschrieben (Beaten und Akassoglou 2011, Ji und Tsirka 2012, Summers et al. 2013); neu ist die Persistenz der Hochregulierung bis mindestens Tag 7 nach fokaler zerebraler Ischämie. Im gleichen Ischämie-beeinflussten Gebiet konnten morphologische Zeichen eines veränderten Aktivitätszustandes von Mikroglia/Makrophagen festgestellt werden. In den Regionen, die nicht direkt von der Ischämie betroffen waren (z.B. dem kontralateralen Striatum), stellten sich ramifizierte Mikrogliazellen in mäßiger Dichte dar. Im Gegensatz dazu akkumulierten amöboide Mikroglia/Makrophagen im Infarktareal. In der Übergangszone zwischen geschädigtem Gewebe und nicht direkt Ischämie-betroffenen Regionen zeigte sich in allen Tieren die Ausprägung einer Astroglianarbe, bestehend aus einer dichten Formation von stark GFAP-markierten Astrozyten. Bei der semiquantitativen Gegenüberstellung der einzelnen Untersuchungsgruppen wiesen die mit PEDF behandelten Ratten in Relation zur Kontrollgruppe eine um den Faktor 3 geringere Hochregulierung von Kollagen IV im Infarktgebiet auf. Im Areal der Infarktpenumbra war die Intensität des GFAP-Immunsignals der PEDF-Gruppe im Vergleich zur EGF-Gruppe verdoppelt. Darüber hinaus schienen die Faktoren keinen Einfluss auf die Akkumulation/Morphologie von Mikroglia/Makrophagen im Infarktgebiet zu haben. Hervorzuheben ist die in PEDF-behandelten Ratten gegenüber EGF-behandelten Tieren und Kontrolltieren verringerte Kollagen IV-Hochregulierung im Infarktgebiet und die verstärkte Bildung einer GFAP-immunopositiven Astroglianarbe in der ischämischen Grenzzone. Beide Befunde eignen sich zur Erklärung der durch Pillai et al. (2013) erzielten Ergebnisse. Hinweise für den molekularen Mechanismus, der der Verringerung der BHS-Permeabilität zugrunde liegt, finden sich in vorausgegangenen Studien, die einen antiangiogenetischen Effekt von PEDF über eine Abschwächung des VEGF-Pathways beschrieben haben (Dawson 1999, Liu et al. 2004, Zhang et al. 2006). Die Wirkung von intravenös appliziertem PEDF als neuroprotektive Therapieoption des Hirninfaktes benötigt weitere Untersuchungen um die in beiden Arbeiten festgestellten Effekte zu bestätigen. Hierbei erscheint ein Tiermodell sinnvoll, das – analog zur klinischen Situation – rekanalisierende Therapien wie die Thrombolyse oder mechanische Rekanalisation berücksichtigt. Zusätzliche Mehrfachmarkierungen ermöglichten neue qualitative Aussagen zur zerebralen Ischämie im Rattenmodell, die Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen bieten. Die nähere Charakterisierung von Gefäßveränderungen nach fokaler zerebraler Ischämie gelang durch eine Dreifachmarkierung von STL, Kollagen IV und Fibronektin. Hier zeigte sich neben der bereits oben beschriebenen Hochregulation von Kollagen IV auch eine verstärkte Expression von Fibronektin im Bereich des Infarktkerns, kolokalisiert mit STL-markierten Mikroglia/Makrophagen. Das Areal mit deutlicher Fibronektinmarkierung war flächenmäßig erheblich größer als der Kollagen IV-immunpositive Bereich. Die Analyse der Basalmembranbestandteile kann neue Erkenntnisse zum Mechanismus der ischämischen Schädigung der BHS bei fokaler zerebraler Ischämie im Tiermodell liefern und bietet sich möglicherweise als Indikator für das Schädigungsausmaß an. Darüber hinaus waren im stark Kollagen IV-markierten ischämischen Kernbereich Aquaporin 4 (AQP4)-immunpositive Astrozytenfortsätzen fast vollständig eliminiert. Mit größerer Entfernung vom ischämischen Kern nahm in der Grenzzone die AQP4-Dichte zu, während die Kollagen IV-Immunmarkierung schwächer wurde. Dieser Befund deutet auf eine Regulation der Kollagen IV-Expression durch einen intakten Endothelzell-Astrozytenendfuß-Kontakt hin, der in der Ischämiezone aufgehoben scheint. Ein Verlust von Astrozytenendfuß-Endothelzell-Kontakten im Schlaganfall- Tiermodell wurde in einer vorangegangenen Arbeit bereits beschrieben (Ito et al. 2011). Zudem fanden Kwon et al. (2009) eine positive Korrelation zwischen der Anzahl von intakten Astrozyten-Basalmembran-Kontakten zur Dicke der BM im striatalen Kapillargebiet von Ratten. Darüber hinaus konnten Yang und Rosenberg (2011) zeigen, dass in der frühen Phase der zytotoxischen Ödemformation nach Schlaganfall Tiere mit Deletion von AQP4 eine verringerte Ödembildung aufwiesen, wogegen in einer späteren Phase, in der das vasogene Ödem dominiert, AQP4 als passives Wasserkanalprotein die Beseitigung des Ödems beschleunigte (Zador et al. 2007). Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit legen die pathophysiologische Bedeutung AQP4- positiver Astrozytenfortsätze und ihrer Gefäßkontakte speziell im Periinfarktgebiet nahe, sodass diese Strukturen in weiterführenden Studien hinsichtlich ihrer therapeutischen Modulierbarkeit fokussiert werden sollten.:1 Einleitung 1.1 CharakterisierungdesSchlaganfalls 1.1.1 Begriffsdefinition 1.1.2 Epidemiologie 1.2 Blut-Hirn-Schranke (BHS) und Neurovaskuläre Einheit (NVU) 1.2.1 Zelluläre und azelluläre Bestandteile der BHS 1.2.2 DiffusionundaktiverTransport 1.2.3 ElektrolyteundWasserhomöostase 1.2.4 Astrozyten 1.2.5 MikrogliaundMakrophagen 1.2.6 Perizyten 1.3 PathophysiologiedesSchlaganfalls 1.3.1 PerfusionundexzitatorischeReaktion 1.3.2 Zelluläre und molekulare Mechanismen der Inflammation 1.4 TherapiedesSchlaganfalls 1.4.1 ThrombolysemittelsAlteplase(rtPA) 1.4.2 IntraarterielleBehandlung 1.4.3 Basistherapie 1.5 Experimentelle Grundlagen der vorliegenden Arbeit 2 Zielstellung 3 Studiendesign, Material und Methoden 3.1 Studiendesign 3.2 Material 3.2.1 UntersuchtesGewebe 3.2.2 Chemikalien 3.2.3 Lösungen 3.2.4 Mehrfachmarkierungen 3.3 Methoden 3.3.1 OperativesVorgehen 3.3.2 Behandlung mit EGF und PEDF 3.3.3 Gewebevorbereitung 3.3.4 Fluoreszenzmarkierungen 3.3.5 Ausschlusskriterien 3.4 Auswertung 3.4.1 Fluoreszenzmikroskopie 3.4.2 Semiquantitative Analyse von Kollagen IV, GFAP und Iba 3.4.3 QualitativeAnalysen 4 Ergebnisse 5 Diskussion 5.1 Tiermodell 5.2 OperativesVerfahren;tMCAO 5.3 VEGFundAQP4 5.4 KollagenIVundFibronektin 5.5 DetektionvonAstroglia 5.6 DarstellungvonMikrogliaundMakrophagen 5.7 PEDFundEGFalsNeuroprotektiva 6 Zusammenfassung der Arbeit

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Motilitätsverhalten von Blut-Hirn Schranken-Endothelzellen unter ischämischen Bedingungen an Hand der cerebEND-Zelllinie untersucht. Da es bisher noch kein Modell für diese Fragestellung gab, wurde zunächst ein solches mit Hilfe des kommerziellen Motilitätsassay der Firma ibidi® etabliert. Danach konnte der Einfluss von ischämischen Bedingungen, von Astrozyten konditioniertem Medium (C6-Zelllinie) und letztendlich der therapeutische Ansatz durch Modulation des NMDA-Rezeptors untersucht werden. Dabei zeigte sich durch das C6-konditionierte Medium eine deutliche Zunahme der Motilität. Diese verstärkte Motilität konnte durch den NMDA-Rezeptor-Antagonisten MK801 verhindert werden. Trotz Analyse einiger an der Proliferation und Migration beteiligter Botenstoffe wie VEGF und MMPs konnte keine Regulation dieser durch MK801 nachgewiesen werden. / In this work, the motility behavior of blood-brain barrier endothelial cells under ischemic conditions was investigated using the cerebEND cell line. As there was no model for this question available until now, a model was first established using the commercial motility assay of the company ibidi®. Subsequently, the influence of ischemic conditions, astrocyte conditioned medium (C6-cell line) and finally the therapeutic approach by modulation of the NMDA receptor could be investigated. The C6-conditioned medium showed a significant increase in motility. This increased motility could be prevented by the NMDA receptor antagonist MK801. Despite analysis of some messenger substances involved in the proliferation and migration such as VEGF and MMPs, no regulation of these substances by MK801 could be detected.