Epithelial to mesenchymal transition (EMT), the transdifferentation of an epithelial cell into a mesenchymal fibroblast, is a cellular process necessary for embryonic development and wound healing. However, uncontrolled EMT can result in accumulation of myofibroblasts and excessive deposition of ECM, contributing to the pathological progression of fibrotic diseases such as pulmonary fibrosis. The ability to control EMT is important for development of novel therapeutics for fibrotic pathologies and for designing novel biomaterials for tissue engineering applications seeking to promote EMT for development of complex tissues. EMT is a highly orchestrated process involving the integration of biochemical signals from specific integrin-mediated interactions with extracellular matrix (ECM) proteins and soluble growth factors such as TGFβ. TGFβ, a potent inducer of EMT, is activated via cell contraction-mediated mechanical release of the growth factor from a macromolecular latency complex. Thus TGFβ activity and subsequent EMT may be influenced by the biochemical and biophysical state of the surrounding ECM. Based on these knowns, it was hypothesized that both changes in integrin engagement and increases in substrate rigidity would modulate EMT due to changes in epithelial cell contraction and TGFβ activation. Here we show that integrin-specific interactions with fibronectin (Fn) fragments displaying both the RGD and PHSRN binding sites facilitate cell binding through α5β1 and α3β1 integrins, and lead to maintenance of epithelial phenotype, while Fn fragments displaying only the RGD site facilitate cell binding through αv integrins and lead to EMT. An in depth investigation into α3β1 binding to Fn fragments indicates that binding is dependent on both the presence and orientation of the PHSRN site. Studies investigating the contribution of ECM stiffening on EMT responses show that increasingly rigid Fn substrates are sufficient to induce spontaneous EMT. Analysis of TGFβ-responsive genes implicate TGFβ-expression, activation or signaling as a mechanism for the observed EMT responses. Together these results suggest that the ECM micromechanical environment is a significant contributor to the onset of EMT responses and provide insights into the design of biomaterial-based microenvironments for the control of epithelial cell phenotype.

Cell adhesion to extracellular matrix (ECM) is critical to various cellular processes like cell spreading, migration, growth and apoptosis. At the tissue level, cell adhesion is important in the pathological and physiological processes that regulate the tissue morphogenesis. Cell adhesion to the ECM is primarily mediated by the integrin family of receptors. The receptors that are recruited to the surface are reinforced by structural and signaling proteins at the adhesive sites forming focal adhesions that connect the cytoskeleton to further stabilize the adhesions. The functional roles of these focal adhesions extend beyond stabilizing adhesions and transduce mechanical signals at the cell-ECM interface in various signaling events. The objective of this research is to analyze the role of the spatial distribution of the focal adhesions in stabilizing the cell adhesion to the ECM in relation to cell's internal force balance. The central hypothesis was that peripheral focal adhesions stabilize cell adhesion to ECM by providing for maximum mechanical advantage for resisting detachment as explained by the membrane peeling mechanism. Micropatterning techniques combined with robust hydrodynamic shear assay were employed to test our hypothesis. However, technical difficulties in microcontact printing stamps with small and sparse features made it challenging to analyze the role of peripheral focal adhesions in stabilizing cell adhesion. To overcome this limitation, the roof collapse phenomenon in stamps with small and sparse features (low fill factor stamps) that was detrimental to the reproduction of the adhesive geometries required to test the hypothesis was analyzed. This analysis lead to the valuable insight that the non-uniform pressure distribution during initial contact caused by parallelism error during manual microcontact printing prevented accurate replication of features on the substrate. To this end, the template of the stamp was modified so that it included an annular column around the pattern zone that acted as a collapse barrier and prevented roof collapse propagation into the pattern zone. Employing this modified stamp, the required geometries for the cell adhesion analysis were successfully reproduced on the substrates with high throughput. Adhesive areas were engineered with circular and annular patterns to discern the contribution of peripheral focal adhesions towards cell adhesion strength. The patterns were engineered such that two distinct geometries with either constant adhesive area or constant spreading area were obtained. The significance of annular patterns is that for the same total adhesive area as the circular pattern, the annular pattern provided for greater cell spreading thereby increasing the distance of the focal adhesions from the cell's center. The adhesion strength analysis was accomplished by utilizing hydrodynamic shear flow in a spinning disk device that was previously developed. The results indicate that for a constant total adhesive area, the annular patterns provide for greater adhesion strength by enhancing cell spreading area and providing for greater moment arm in resisting detachment due to shear. The next examination was the effect of the cell's internal force balance in stabilizing the cell adhesion. The working hypothesis was that microtubules provide the necessary forces to resist the tensile forces expressed by the cell contractile machinery, thereby stabilizing cell adhesion. Since microtubule disruption is known to enhance cell contractility, its effect on the cell adhesion strength was examined. Moreover, the force balance in cells was altered by engineering adhesive areas so that the cells were either spherical or completely spread and then disrupted microtubules to understand the significance of the force balance in modulating the cell adhesion strength. The results indicated that disruption of microtubules in cells on adhesive islands resulted in a 10 fold decrease in adhesion strength compared to untreated controls whereas no significant change was observed in completely spread cells between treated and untreated controls. This is in surprising contrast to the previous contractility inhibition studies which indicate a less pronounced regulation of adhesion strength for both micropatterned and spread cells. Taken together, these findings suggest that the internal force balance regulated by cell shape strongly modulates the adhesion strength though the microtubule network. In summary, this project elucidates the role of peripheral focal adhesions in regulating the cell adhesion strength. Furthermore, this study also establishes the importance of the internal force balance towards stabilizing the cell adhesion to the ECM through the microtubule network.

<p>Intervertebral disc (IVD) disorders can cause pain and disability for affected individuals. A subset of IVD disorders are thought to originate in the nucleus pulposus (NP) region of the IVD, due to alterations in tissue structure and composition with age and injury. Cells of the NP undergo a phenotypic and behavioral shift with age, changes that are thought to disrupt tissue homeostasis and lead to disc degeneration. There is significant interest in developing biomaterials and strategies to revert adult degenerate NP cells to healthy, young NP cell phenotypes with increased biosynthesis and cell clustering. Studies demonstrate that healthy porcine NP cells interact with laminin proteins through specific integrin subunits on soft substrates in a process that regulates cell morphology and biosynthesis. The central hypothesis of this dissertation is that the engagement of cell-surface adhesion receptors, using laminin-mimetic peptides on a controlled stiffness material, can revert adult degenerate NP cellular phenotype and behaviors to their healthy, biosynthetically active form.</p><p>In the first part of this dissertation, integrin subunits used by adult degenerate human NP cells to attach to laminin were revealed using flow cytometric analyses, function blocking antibodies, and immunohistochemistry. Secondly, NP cell recognition peptides were identified by screening laminin-mimetic peptides for cell attachment. Finally, human NP cells were cultured on peptide functionalized polyacrylamide gels to examine the effect of ligand and substrate stiffness in regulating adult human NP cell phenotype and biosynthesis. </p><p>Findings reveal that adult human NP cells express and utilize integrin subunits α3, α5, and β1 to attach to laminins, in contrast to integrin α6β1 found previously for healthy porcine NP cells. This difference between current and previous findings likely arises from aging-associated difference in NP cells between human and porcine tissues. Select laminin-mimetic peptides, chosen from the literature and informed by NP cell integrin expression, were found to promote significant NP cell attachment in a concentration dependent manner. Finally, a subset of laminin mimetic peptides were found to promote a young NP cell phenotype by increasing cell clustering on soft (0.3 kPa) and stiff (14 kPa) substrates as well as increasing proteoglycan synthesis on soft substrates. </p><p>The studies presented in this dissertation demonstrate that adult degenerate human NP cells attach to laminin proteins in an integrin dependent manner. Furthermore, laminin-mimetic peptides are able to mediate human NP cell attachment at levels comparable to full-length laminin, increase cell clustering when presented on soft and stiff substrates, and can increase NP cell biosynthesis when presented on soft substrates. Utilizing laminin-mimetic peptides may allow for the design of biomaterials that promote a healthy young NP phenotype for a variety of disc therapies.</p> / Dissertation

Non-hematopoietic stromal cells (SCs) promote and regulate adaptive immunity through numerous direct and indirect mechanisms. SCs construct and support the secondary lymphoid organs (SLOs) in which lymphocytes crawl on stromal networks and inspect antigen-presenting cells for surface-display of cognate antigens. SCs also secrete survival factors and chemotactic cues that recruit, organize, and facilitate interactions among these leukocytes. They influence antigen access by secreting and ensheathing extracellular matrix-based conduit networks that rapidly convey small, soluble lymph-borne molecules to the SLO core. Furthermore, lymph node stromal cells (LNSCs) directly induce \(CD8^+\) T cell tolerance to peripheral tissue restricted antigens and constrain the proliferation of newly activated T cells in these sites. Thus, stromal-hematopoietic interactions are crucial for the normal functioning of the immune system. LNSCs are extremely rare and difficult to isolate, hampering the thorough study of their biology. In order to better understand these stromal subsets, we sorted fibroblastic reticular cells (FRCs), lymphatic endothelial cells, blood endothelial cells, and podoplanin \(^−CD31^−\) cells (double negative stromal cells; DNCs) to high purity from resting and inflamed murine lymph nodes. We meticulously analyzed the transcriptional profiles of these freshly isolated LNSCs as part of the Immunological Genome Project Consortium. Analysis of the transcriptional profiles of these LNSC subsets indicated that SCs express key immune mediators and growth factors, and provided important insights into the lymph node conduit network, FRC-specialization, and the DNC identity. Examination of hematopoietic and stromal transcription of ligands and cognate receptors suggested complex crosstalk among these populations. Interestingly, FRCs dominated cytokine and chemokine transcription among LNSCs, and were also enriched for higher expression of these genes when compared with skin and thymic fibroblasts, consistent with FRC-specialization. LNSCs that were isolated from inflamed lymph nodes robustly upregulated expression of genes encoding cytokines, chemokines, antigen-processing and presentation machinery, and acute-phase response molecules. Little-explored DNCs showed many transcriptional similarities to FRCs, but importantly did not transcribe interleukin-7. We identified DNCs as consisting largely of myofibroblastic pericytes that express integrin \(\alpha 7\). Together these data comprehensively describe the transcriptional characteristics of four major LNSC subsets isolated from resting and inflamed SLOs, offering many avenues for future study.

In the current thesis, spatio-temporal evaluation of the endogenous angiogenic response to ischemia was perfomed. After vascular occlusion, ischemic angiogenesis is an important reparative mechanism and can ameliorate the outcome of ischemic disease. Diabetic foot ulcers affect almost 15% of diabetic patients and are the leading cause of amputations worldwide (Yoon et al., 2005). Diminished blood flow because of atherosclerotic occlusive disease of the peripheral arteries of diabetic patients, in conjunction with anatomic and functional microcirculatory impairments contribute to development of trophic ulcerations, infections and gangrene of the lower extremities, frequently requiring amputation of the leg (Sasso et al., 2005). Numerous studies have confirmed the impaired post-ischemic angiogenesis in diabetes (Yoon et al., 2005; Sasso et al., 2005). Consequently, wound healing patterns are disturbed in diabetes mainly due to decreased ischemia-driven angiogenesis (Yoon et al., 2005). Integrin ανβ3 is a promising imaging target of angiogenic activity which is up-regulated on activated endothelial cells (ECs) but not on quiescent ones. Molecular imaging (MI) of ανβ3 integrin expression with the aid of a dedicated high resolution gamma camera, is a very sensitive imaging approach for the evaluation of angiogenesis in the rabbit hindlimb ischemia model. Furthermore, diabetes mellitus (DM) was induced, to study the effects of this pathology on the spatio-temporal distribution of angiogenesis. In order to evaluate the whole spectrum of endogenous process of collateralization after occlusion of an artery, Digital Subtraction Angiography (DSA) was also used for the visualization of larger collaterals. During the first part of the study DM experimental protocol was investigated in order to find the appropriate protocol for the induction of long-term diabetic animal model, as it is a methodology that has not yet been standardized. At the same time a cohort of animals underwent endovascular embolization for the establishment of hindlimb ischemia and were imaged with the aid of a MI radiotracer technique in order to deal with unresolved issues and establish the imaging protocol. The study included seven New Zealand White (NZW) rabbits that underwent unilateral percutaneous endovascular embolization of the femoral artery, for the establishment of hindlimb ischemia that triggers the endogenous process of collateralization. The contralateral limb was not embolized and served as a control. The employed radiotracer for angiogenesis imaging, was a 99mTc labeled cyclic RGD peptide [c RGDfk-His]-99mTc that binds specifically to ανβ3 integrin via the three amino acid sequence Arginine-Glycine-Aspartic acid or RGD. Image acquisition was performed with a high resolution gamma camera and all animals underwent molecular imaging on the 3rd and the 9th day post-embolization. In all animals DSA was performed on the 9th day post-embolization. The acquired images demonstrated that retention of the radiotracer at the ischemic tissue is remarkably increased compared to the non-ischemic hindlimb (normal limb) (16020 ± 2309 vs. 13139 ± 2493 on day 3; p=0.0014 and 21616 ± 2528 vs. 13362 ± 2529 on day 9; p<0.0001, respectively). In addition, radiotracer retention in normal limbs seems to be increased at day 9 in normal limbs compared to day 3 (p=0.0112). DSA at day 9, demonstrated that the mean vessel length detected was significantly superior in the normal compared to the ischemic limb (mean value 3680 ± 369.8 vs.2772 ± 267.7; p< 0.0001, respectively). Angiogenesis was successfully detected using a 99mTc labeled cyclic RGD peptide MI technique and was significantly more pronounced in the ischemic compared to normal limbs, both at day 3 and day 9 after embolization. The peak of the phenomenon was detected at day 9. Increased mean vessel length in the normal compared to the ischemic limb demonstrates that although angiogenesis is pronounced in day 9, arteriogenesis is not sufficiently pronounced and that the phenomenon of arteriogenesis has just initiated. The study of the angiogenic response to ischemia, has not yet been completed as MI of diabetic animals with hindlimb ischemia is underway and not completed due to many difficulties and delay in different phases of the experiment. With the conclusion of the MI of diabetic animals with hindlimb ischemia, the study will be completed and we expect to demonstrate the effect of DM on the spatio-temporal pattern of angiogenesis, providing a valuable tool in clinical practice for the precise and early diagnosis and therapy assessment of the ‘diabetic foot’. / Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η χωρο-χρονική εκτίμηση της ενδογενούς αγγειογενετικής διαδικασίας ως απόκριση στο ερέθισμα της προκλητής ισχαιμίας. Μετά από απόφραξη αρτηρίας, η επαγόμενη αγγειογένεση είναι ένα σημαντικός μηχανισμός αποκατάστασης που μπορεί να περιορίσει το αποτέλεσμα της ισχαιμίας. Το έλκος του ‘διαβητικού ποδιού’ εμφανίζεται στο 15% περίπου των ασθενών που πάσχουν από διαβήτη και αποτελεί την κύρια αιτία ακρωτηριασμού του κάτω άκρου, μετά τα ατυχήματα (Yoon et al., 2005). Η μειωμένη αιματική ροή λόγω της αποφρακτικής αρτηριοπάθειας που οφείλεται στην αθηροσκληρωτική προσβολή των περιφερικών αρτηριών των διαβητικών, σε συνδυασμό με ανατομική και λειτουργική φθορά του αγγειακού δικτύου της μικροκυκλοφορίας, οδηγούν στην ανάπτυξη ελκών, μολύνσεων και γάγγραινας των κάτω άκρων που πολύ συχνά οδηγεί στον ακρωτηριασμό του ποδιού (Sasso et al., 2005). Πολυάριθμες μελέτες όμως έχουν δείξει ότι η αγγειογένεση που επάγεται από κρίσιμη ισχαιμία, στην παθολογία του διαβήτη δεν είναι φυσιολογική (Yoon et al., 2005; Sasso et al., 2005). Συνεπώς στον διαβήτη και ο μηχανισμός επούλωσης πληγών δεν συμβαίνει φυσιολογικά κυρίως λόγω ελαττωματικής ενδογενούς αγγειογένεσης ως απόκριση στην ισχαιμία (Yoon et al., 2005). Το μόριο της ιντεγκρίνης ανβ3 υπερεκφράζεται στα ενεργοποιημένα ενδοθηλιακά κύτταρα που συμμετέχουν στην αγγειογενετική διαδικασία αλλά όχι στο ανενεργό ή αλλιώς «σιωπηλό» ενδοθήλιο. Συνεπώς αποτελεί έναν πολύ καλό μοριακό στόχο για απεικόνιση και δείκτη της αγγειογενετικής δραστηριότητας. Η Μοριακή Απεικόνιση (ΜΑ) του επιπέδου έκφρασης του μορίου ιντεγκρίνης ανβ3 με τη χρήση ραδιοϊσοτοπικών τεχνικών έχει το πλεονέκτημα υψηλής ευαισθησίας ανίχνευσης πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων του ραδιοϊχνηθέτη σε σχέση με τις συμβατικές τεχνικές (x-ray computed tomography (CT) angiography, contrast-enhanced ultrasound και high-resolution magnetic resonance angiography). Ο σκοπός της μελέτης μας ήταν να ερευνήσουμε τις δυνατότητες της ΜΑ με την βοήθεια γ-κάμερας υψηλής διακριτικής ικανότητας και πειραματικού μοντέλου κονίκλου με ίσχαιμο οπίσθιο άκρο. Επιπλέον ένα σημαντικό μέρος της μελέτης αφορούσε την εφαρμογή του πρωτοκόλλου για τη πρόκληση διαβήτη ώστε να γίνει μελέτη της επίδρασης της συγκεκριμένης παθολογίας στην χωρο-χρονική κατανομή της αγγειογένεσης. Προκειμένου να αποδοθεί μία συνολική εκτίμηση του ενδογενούς μηχανισμού αποκατάστασης του αγγειακού δικτύου, εφαρμόστηκε Ψηφιακή Αφαιρετική Αγγειογραφία για την εκτίμηση της δημιουργίας παράπλευρου δικτύου. Στη πρώτη φάση της μελέτης, έγινε διερεύνηση του πρωτοκόλλου πρόκλησης διαβήτη δεδομένου ότι η μεθοδολογία παρουσιάζει έλλειψη προτυποποίησης. Παράλληλα εφαρμόστηκε το πρωτόκολλο ισχαιμίας σε μια ομάδα λευκών κονίκλων Νέας Ζηλανδίας για την διερεύνηση του πρωτοκόλλου ΜΑ. Στην μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν συνολικά επτά κόνικλοι Νέας Ζηλανδίας οι οποίοι υπεβλήθησαν σε εμβολισμό της μηριαίας αρτηρίας ενός από τα δύο οπίσθια άκρα για την πρόκληση οξείας ισχαιμίας. Στους κόνικλους έγινε ενδοφλέβια έγχυση του κυκλικού επισημασμένου πεπτιδίου [c RGDfk-His]-99mTc που περιέχει την αλληλουχία τριών αμινοξέων Αργινίνης-Γλυκίνης-Ασπαρτικού οξέος (Arginine-Glycine-Aspartic acid or RGD), μέσω της οποίας δεσμεύεται το πεπτίδιο στο μόριο της ιντεγκρίνης ανβ3. Η απεικόνιση του επιπέδου έκφρασης του μορίου ιντεγκρίνης ανβ3 πραγματοποιήθηκε με γ-κάμερα υψηλής διακριτικής ικανότητας την 3η και την 9η ημέρα μετά την απόφραξη της μηριαίας αρτηρίας. Ψηφιακή Αφαιρετική Αγγειογραφία πραγματοποιήθηκε την 9η ημέρα μετά την απόφραξη της μηριαίας αρτηρίας. Τα δεδομένα από την ποσοτικοποίηση των απεικονιστικών δεδομένων, έδειξαν ότι υπάρχει αυξημένη πρόσληψη του ραδιοϊχνηθέτη στη περιοχή ισχαιμίας σε σχέση με τη περιοχή φυσιολογικής αιμάτωσης του ετερόπλευρου άκρου (16020 ± 2309 έναντι 13139 ± 2493 την 3η ημέρα, p=0.0014 και 21616 ± 2528 έναντι 13362 ± 2529 την 9η ημέρα, p<0.0001, αντίστοιχα). Επιπλέον η πρόσληψη του ραδιοϊχνηθέτη στα φυσιολογικά άκρα φαίνεται να είναι αυξημένη την 9η ημέρα σε σχέση με την 3η ημέρα (p=0.0112), γεγονός που μπορεί να αποδοθεί στην σταδιακή συγκέντρωση ενεργοποιημένου ενδοθηλίου και στους φυσιολογικούς ιστούς. Η Ψηφιακή Αφαιρετική Αγγειογραφία έδειξε ότι την 9η ημέρα που έγινε η λήψη δεδομένων, το μέσο μήκος αγγείων στα φυσιολογικά άκρα ήταν αρκετά μεγαλύτερο σε σχέση με τα ίσχαιμα άκρα (μέση τιμή 3680 ± 369.8 έναντι 2772 ± 267.7, p< 0.0001, αντίστοιχα). Η ραδιοϊσοτοπική τεχνική που εφαρμόστηκε για την απεικόνιση του επιπέδου έκφρασης του μορίου ιντεγκρίνης ανβ3 στη παρούσα μελέτη, έδειξε ότι υπάρχει αυξημένη πρόσληψη του ραδιοϊχνηθέτη στη περιοχή ισχαιμίας σε σχέση με τη περιοχή φυσιολογικής αιμάτωσης του ετερόπλευρου άκρου, την 3η ημέρα και την 9η ημέρα μετά την απόφραξη της μηριαίας αρτηρίας. Τα πειραματικά δεδομένα δείχνουν επίσης ότι το φαινόμενο της αγγειογένεσης κορυφώνεται την 9η ημέρα μετά την πρόκληση ισχαιμίας. Επιπλέον τα δεδομένα από τη Ψηφιακή Αφαιρετική Αγγειογραφία την 9η ημέρα, δείχνουν ότι ο ενδογενής μηχανισμός σχηματισμού παράπλευρου δικτύου αν και έχει πυροδοτηθεί δεν έχουν σχηματιστεί ακόμα μεγαλύτερα αγγεία και γι αυτό το λόγο η αρτηριογένεση υπολείπεται της αγγειογένεσης σε αυτή τη φάση. Για την ολοκλήρωση της μελέτης, εκκρεμεί η απεικόνιση των διαβητικών κονίκλων με ίσχαιμο οπίσθιο άκρο η οποία καθυστέρησε λόγω επιμέρους δυσκολιών στη διαδικασία των πειραμάτων. Η ΜΑ δεικτών της αγγειογένεσης σε άκρο που πάσχει από ισχαιμία παρουσία διαβήτη, δύναται να έχει τεράστια εφαρμογή στην κλινική πράξη για την ιατρική παρακολούθηση του ‘διαβητικού ποδιού’.

Η πλειοτροπίνη αποτελεί έναν αυξητικό παράγοντα με ποικίλες δράσεις και σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των όγκων και την αγγειογένεση. Η ερευνητική μας ομάδα έχει δείξει σε προηγούμενη μελέτη ότι η πλειοτροπίνη επάγει τη μετανάστευση ενδοθηλιακών κυττάρων, μέσω πρόσδεσής της στον υποδοχέα της RPTPβ/ζ. Στην παρούσα μελέτη δείξαμε ότι μονοκλωνικό αντίσωμα έναντι της ιντεγκρίνης ανβ3, αλλά όχι έναντι της α5β1, ανέστειλε την επαγόμενη από την πλειοτροπίνη μετανάστευση ανθρώπινων ενδοθηλιακών κυττάρων με δοσο-εξαρτώμενο τρόπο. Η πλειοτροπίνη βρέθηκε να αλληλεπιδρά με την ιντεγκρίνη ανβ3 και η αλληλεπίδραση αυτή είναι ανεξάρτητη από τη θέση δέσμευσης της αλληλουχίας RGD της ιντεγκρίνης. Αντίθετα, ένα συνθετικό πεπτίδιο το οποίο αντιστοιχεί στην κυστεϊνική θηλιά (177CYDMKTTC184) στο εξωκυτταρικό τμήμα της υπομονάδας β3 ανέστειλε την αλληλεπίδραση της πλειοτροπίνης με την ιντεγκρίνη ανβ3 και την επαγόμενη από την πλειοτροπίνη μετανάστευση των ενδοθηλιακών κυττάρων. Επιπλέον, η ιντεγκρίνη ανβ3 βρέθηκε να αλληλεπιδρά και με τον υποδοχέα RPTPβ/ζ, ενώ η επαγόμενη από την πλειοτροπίνη φωσφορυλίωση της τυροσίνης 773 της ιντεγκρίνης β3 διαμεσολαβείται μέσω του RPTPβ/ζ και της καθοδικής αυτού κινάσης c-Src, η οποία επιπλέον αλληλεπιδρά και με την ιντεγκρίνη β3. Η midkine βρέθηκε ότι αλληλεπιδρά με τον υποδοχέα RPTPβ/ζ, αλλά όχι με την ιντεγκρίνη ανβ3, ενώ προκάλεσε μια μικρή, αλλά στατιστικά σημαντική αναστολή στη μετανάστευση των ενδοθηλιακών κυττάρων. Στο ίδιο πλαίσιο, η πλειοτροπίνη ανέστειλε τη μετανάστευση διαφορετικών κυτταρικών σειρών γλοιώματος τα οποία εκφράζουν τον RPTPβ/ζ, αλλά όχι την ιντεγκρίνη ανβ3¬, ενώ προκάλεσε επαγωγή της μετανάστευσης στα κύτταρα U87MG, που εκφράζουν την ιντεγκρίνη ανβ3 στην κυτταρική τους μεμβράνη. Υπερέκφραση της ιντεγκρίνης β3 σε κύτταρα γλοιώματος είχε ως αποτέλεσμα την επαγωγική δράση της πλειοτροπίνης στην κυτταρική μετανάστευση. Παρόμοια, η πλειοτροπίνη δεν είχε καμία δράση στη μετανάστευση κυττάρων CHO που δεν εκφράζουν την ιντεγκρίνη β3, ενώ προκάλεσε σημαντική επαγωγή στη μετανάστευση των ίδιων κυττάρων σταθερά διαμολυσμένων ώστε να υπερεκφράζουν την ιντεγκρίνη β3. Σε κύτταρα CHO σταθερά διαμολυσμένα ώστε να υπερεκφράζουν μία μεταλλαγμένη μορφή της ιντεγκρίνης β3, στην οποία οι τυροσίνες 773 και 785 έχουν αντικατασταθεί με φαινυλαλανίνη, η πλειοτροπίνη δεν είχε καμία δράση, γεγονός που υποδηλώνει ότι η φωσφορυλίωση της τυροσίνης 773 είναι απαραίτητη για τη μεταγωγή του σήματος της πλειοτροπίνης που οδηγεί σε κυτταρική μετανάστευση. Το γεγονός ότι και η midkine προκάλεσε επαγωγή της φωσφορυλίωσης της τυροσίνης 773 δείχνει επιπλέον ότι η φωσφορυλίωση αυτή από μόνη της δεν είναι ικανή να οδηγήσει σε επαγωγή της κυτταρικής μετανάστευσης. Συνοπτικά, τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι η ιντεγκρίνη ανβ3 είναι ένα μόριο που καθορίζει την επαγωγική ή ανασταλτική δράση της πλειοτροπίνης στην κυτταρική μετανάστευση. Επιπλέον, στα πλαίσια της παρούσας εργασίας εξιχνιάσθηκε ο μηχανισμός δράσης ενός πεπτιδίου που αντιστοιχεί στα 26 τελευταία αμινοξέα του καρβοξυτελικού άκρου της πλειοτροπίνης (πεπτίδιο S1), και το οποίο έχει βρεθεί να αναστέλλει την αγγειογένεση in vivo και την επαγωγική δράση της πλειοτροπίνης στη μετανάστευση και το σχηματισμό αυλών των ενδοθηλιακών κυττάρων in vitro. Το πεπτίδιο S1 βρέθηκε ότι αναστέλλει την αλληλεπίδραση της πλειοτροπίνης με την ιντεγκρίνη ανβ3, ενώ δεν επηρεάζει την αλληλεπίδρασή της με τον RPTPβ/ζ στα ενδοθηλιακά κύτταρα. Η ανταγωνιστική δράση μεταξύ της πλειοτροπίνης και του πεπτιδίου S1 για πρόσδεση στην ιντεγκρίνη ανβ3 θα μπορούσε να εξηγήσει την ανασταλτική δράση του πεπτιδίου στις επαγόμενες από την πλειοτροπίνη βιολογικές δράσεις, αλλά το κυριότερο, δείχνει ότι η το καρβοξυτελικό άκρο της πλειοτροπίνης είναι υπεύθυνο τμήμα για τη δέσμευσή της στην ιντεγκρίνη ανβ3. Επιπλέον, ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη μορίων που θα αναστέλλουν τις δράσεις της πλειοτροπίνης μέσω της ιντεγκρίνης ανβ3 και θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν θεραπευτικά σε καταστάσεις, στις οποίες η αλληλεπίδραση αυτή παίζει σημαντικό ρόλο. / Pleiotrophin is a growth factor that among other functions, plays a significant role on tumor growth and angiogenesis. Our group has previously shown that pleiotrophin is able to induce migration of endothelial cells through binding to its receptor protein tyrosine phosphatase β/ζ (RPTPβ/ζ). In the present study we show that a monoclonal antibody against ανβ3 but not α5β1 integrin abolished pleiotrophin-induced human endothelial cell migration in a concentration-dependent manner. Integrin ανβ3 was found to directly interact with pleiotrophin in an RGD-independent manner, whereas a synthetic peptide corresponding to the specificity loop of the β3 integrin extracellular domain (177CYDMKTTC184) inhibited pleiotrophin-ανβ3 interaction and totally abolished pleiotrophin-induced endothelial cell migration. Interestingly, ανβ3 was also found to directly interact with RPTPβ/ζ, and pleiotrophin-induced Y773 phosphorylation of β3 integrin was dependent on both RPTPβ/ζ and the downstream c-Src kinase activation, which furthermore interacts with β3 integrin. Midkine was found to interact with RPTPβ/ζ, but not with ανβ3, and caused a small but statistically significant decrease in cell migration. In the same line, pleiotrophin decreased migration of different glioma cell lines that express RPTPβ/ζ but do not express ανβ3, while it stimulated migration of U87MG cells that express ανβ3 on their cell membrane. Overexpression of β3 in glioma cells stimulated the effect of pleiotrophin on cell migration. In the same line, pleiotrophin had no effect on migration of CHO cells that do not express β3, while it induced proliferation of the same cells, stably transfected to over-express wild-type β3. In cells over-expressing mutant β3 with replacement of cytoplasmic tyrosines 773 and 785 to phenylalanines, PTN had no effect on migration, suggesting that PTN-induced phosphorylation of tyrosine 773 is required for PTN-induced cell migration. However, the fact that midkine also induces phosphorylation of tyrosine 773 suggests that it is not sufficient by itself to transducer the stimulatory effect of PTN. Collectively, these data suggest that ανβ3 is a key molecule that determines the stimulatory or inhibitory effect of pleiotrophin on cell migration. Furthermore, the mode of action of a synthetic peptide that corresponds to the last 26 aminoacids of the C-terminal region of pleiotrophin (S1 peptide) and has inhibitory effects on angiogenesis in vivo and on pleiotrophin-induced endothelial cell migration and tube formation in vitro was further clarified. The peptide was found to inhibit pleiotrophin binding to ανβ3 integrin whereas it did not affect pleiotrophin binding to RPTPβ/ζ in human endothelial cells. These data explain the inhibitory effects of peptide S1 on pleiotrophin-induced biological activities and clarify that the C-terminal region of pleiotrophin is the domain responsible for the interaction with ανβ3 integrin. Finally, peptide S1 can be used to develop effective molecules in inhibiting actions of pleiotrophin through integrin ανβ3, in order to be used for treating pathologies where pleiotrophin seems to have significant role.

Ο αυξητικός παράγοντας πλειοτροπίνη (Pleiotrophin, PTN) έχει μοριακή μάζα 18 kDa και ανήκει σε μια διακριτή οικογένεια αυξητικών παραγόντων που δεσμεύονται στην ηπαρίνη και σχετίζονται με αγγειογένεση και καρκινική ανάπτυξη. Στην παρούσα εργασία, μελετήσαμε τη συμμετοχή των ενδοκυτταρικών κινασών FAK και ILK στην επαγόμενη από PTN κυτταρική μετανάστευση σε ανθρώπινα ενδοθηλιακά κύτταρα από φλέβα ομφάλιου λώρου (HUVEC). Εξωγενής χορήγηση ΡΤΝ επάγει τη φωσφορυλίωση της κινάσης FAK στις τυροσίνες 397 και 925, ενώ μειώνει τη φωσφορυλίωση της κινάσης FAK στη τυροσίνη 576. Η κινάση ILK φαίνεται να εμπλέκεται στη διεγερτική δράση της PTN στη μετανάστευση των κυττάρων HUVEC, αφού μείωση της έκφρασης της κινάσης ILK με παρεμβαλλόμενο RNA στα κύτταρα HUVEC, οδήγησε σε αναστολή της επαγόμενης από ΡΤΝ κυτταρικής μετανάστευσης. Επιπλέον, διέγερση των κυττάρων HUVEC με PTN είχε ως αποτέλεσμα την επαγωγή της ενεργοποίησης της κινάσης ILK. Με σκοπό να διερευνηθεί η θέση της κινάσης ILK στο μονοπάτι μεταγωγής σήματος που ενεργοποιείται από τη PTN στα κύτταρα HUVEC, μελετήσαμε την πιθανή αλληλεπίδραση της ILK με μόρια που είναι γνωστό ότι συμμετέχουν σε αυτό το μονοπάτι. Παρατηρήθηκε ότι η κινάση ILK αλληλεπιδρά σε μεγάλο βαθμό με την κινάση FAK, ενώ μικρού βαθμού αλληλεπίδραση φαίνεται και με τις ιντεγκρίνη β3 και κινάση c-Src. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η διέγερση με PTN των κυττάρων HUVEC αυξάνει την αλληλεπίδραση μεταξύ των κινασών FAK και ILK. Τέλος, με δεδομένο ότι η β-κατενίνης εμπλέκεται στη κυτταρική μετανάστευση, ερευνήσαμε κατά πόσο η PTN και η κινάση ILK εμπλέκονται στο σηματοδοτικό μονοπάτι της β-κατενίνης στα κύτταρα HUVEC. Η ΡΤΝ αυξάνει με δοσο-εξαρτώμενο και χρονο-εξαρτώμενο τρόπο τη φωσφορυλίωση της β-κατενίνης σε κύτταρα HUVEC, φαινόμενο που αναστέλλεται μετά τη μείωση της έκφρασης της κινάσης ILK με siRNA. Συμπερασματικά, στην παρούσα εργασία καταδεικνύεται ότι η ΡΤΝ έχει διαφορική δράση στη φωσφορυλίωση τυροσινών της κινάσης FAK διαφορετικών θέσεων και ότι η κινάση ILK συμμετέχει στη διεγερτική δράση της PTN στη μετανάστευση των κυττάρων. / Pleiotrophin (PTN) is an 18 kDa secreted growth factor that displays high affinity for heparin. A growing body of evidence indicates that PTN is involved in cell proliferation, migration and differentiation. In the present work, we studied the possible role of two intracellular kinases, focal adhesion kinase (FAK) and integrin-linked kinase (ILK), in the PTN-induced migration of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC). Exogenous administration of PTN significantly increased the phosphorylation of FAK kinase in tyrosines 397 and 925 and decreased phosphorylation in tyrosine 576. ILK seems to be involved in PTN-induced migration of HUVEC, since suppression of the ILK kinase using small interfering RNA (siRNA) abolished the stimulatory effect of PTN in migration of HUVEC. In addition, stimulation of HUVEC with PTN increased the ILK kinase activity. In order to determine which other signaling mediators are involved in the PTN signaling pathway, we studied the interaction of ILK with other proteins that have been implicated in the PTN-induced signal transduction. ILK strongly interacted with FAK kinase and to a lesser extent with c-src kinase and integrin ανβ3. Interestingly, PTN increased the degree of interaction between ILK and FAK kinases. Finally, it has been well described that β-catenin is involved in cell migration and that PTN increases β-catenin phosphorylation. We therefore investigated whether PTN affects β-catenin phosphorylation in HUVEC through activation of ILK kinase. PTN significantly increased phosphorylation of β-catenin in a concentration and time dependent manner, which seemed to be abolished after suppression of the ILK kinase using siRNA. Collectively, these results suggest a role of FAK and ILK kinases in the PTN-related signaling cascade which leads to cell migration both human endothelial cells.

No description available.

Integrin-linked kinase (ILK) is an important mechanoreceptor that mediates many cellular signaling pathways. Its dysregulation causes dilated cardiomyopathy and other complications in the heart. Restoration of ILK improves cardiac function and survival, but the exact mechanism is unknown. Recent studies in our lab suggest that the cardioprotective properties of ILK may be related to its regulation of sarco/endoplasmic reticulum calcium ATPase (SERCA2a). The protein expressions of ILK and SERCA2a are positively correlated based on adenoviral transduction of ILK and siRNA targeting ILK in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. From analysis of their calcium transients, ILK transduction resulted in increased beat rate and faster calcium clearance while siRNA knockdown produced the opposite effect. The use of SERCA-specific inhibitor thapsigargin nullified the observed effects of ILK transduction. Based on these results, we conclude that ILK’s cardioprotective properties are partly related to improving calcium handling in cardiomyocytes through the regulation of SERCA2a.

Integrin-linked kinase (ILK) is an important mechanoreceptor that mediates many cellular signaling pathways. Its dysregulation causes dilated cardiomyopathy and other complications in the heart. Restoration of ILK improves cardiac function and survival, but the exact mechanism is unknown. Recent studies in our lab suggest that the cardioprotective properties of ILK may be related to its regulation of sarco/endoplasmic reticulum calcium ATPase (SERCA2a). The protein expressions of ILK and SERCA2a are positively correlated based on adenoviral transduction of ILK and siRNA targeting ILK in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. From analysis of their calcium transients, ILK transduction resulted in increased beat rate and faster calcium clearance while siRNA knockdown produced the opposite effect. The use of SERCA-specific inhibitor thapsigargin nullified the observed effects of ILK transduction. Based on these results, we conclude that ILK’s cardioprotective properties are partly related to improving calcium handling in cardiomyocytes through the regulation of SERCA2a.