Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

Die Migration von Tumorzellen im Bindegewebe erfordert adhäsive Zell-Matrix-Interaktionen, die durch Integrine und andere Adhäsionsmoleküle auf der Zelloberfläche vermittelt werden. In 3DKollagenmatrices benötigen hochinvasive MV3-Melanomzellen überwiegend &#945;2&#946;1-Integrine zur Elongation, Adhäsion an den Kollagenfasern und zur Faserbündelung, sowie zur Kraftgenerierung und Migration. Wir haben untersucht, ob die Migration von Tumorzellen in 3D-Kollagenmatrices vollständig durch die Blockade der Integrinfunktion inhibierbar ist, oder ob es kompensatorische Mechanismen gibt, die zur Migration beitragen. Die &#946;1-Integrinfunktion wurde durch verschiedene Methoden reduziert: a) durchflusszytometrische Sortierung der Zellen in Subgruppen mit niedriger und hoher &#946;1-Integrin-Oberflächenexpression; b) Adhäsionsblockade mit monoklonalem anti &#946;1-Antikörper 4B4 oder Rhodocetin, einem selektiven &#945;2&#946;1-Integrininantagonist; und c) Expression von dominant-negativen Peptiden zur Blockade der Funktion der &#946;1-Integrin-zytoplasmatischen Domäne. Alle &#946;1-Integrin-Interferenzstrategien induzierten einen Übergang der konstitutiv vorhandenen mesenchymalen Migration in einen neuen, amöboiden Migrationstyp (Mesenchymal-Amoeboid Transition, MAT), ähnlich der Migrationsweise von Monozyten oder Lymphozyten. Der Übergang zu amöboider Migration ging einher mit dem Verlust der zellvermittelten Kollagenkontraktion und -reorganisation. Subtotale Inhibition der Integrinfunktion (ca. 50%) durch Antikörper 4B4 ergab eine schnelle (0,3-0,4 >m/min) amöboide Migration, während 90-95%ige Absättigung des &#946;1-Integrin- Epitops zu langsamer amöboider Migration (0,03-0,2 >m/min) führte. Induzierte amöboide Migration verursachte eine gleichmäßige Verteilung der &#946;1-Integrine auf der Zelloberfläche, ein diffuses kortikales Aktin-Zytoskelett, und war mit einer ausgeprägten Formanpassung der Zelle an die Matrixstrukturen verbunden, die von kleinen Filopodien oder Oberflächenblebs getragen wurde. Die Befunde wurden für &#946;1-Integrin-defiziente murine embryonale Fibroblasten (MEF) und murine embryonale Stammzellen (GD25) bestätigt. &#946;1-Integrin-defiziente Fibroblasten zeigten eine schnelle, und GD25 ES-Zellen eine langsame amöboide Migration. Somit erfolgte die amöboide Migration ohne &#946;1-Integrin-vermittelte Zell-Matrix-Interaktionen. Weil keine vollständige Immobilisierung der Zellen erzielt wurde, haben wir alternative Mechanismen von Zell-Matrix-Interaktionen untersucht, die zur Restaktivität der amöboiden Migration beitragen. Als potentielle Kandidaten wurden &#945;v-Integrine, die an denaturiertes Kollagen binden, und Oberflächen-Glycokonjugate getestet. Es wurden keine promigratorischen Funktionen RGDabhängiger Integrine (&#945;v oder &#946;3) mittels zyklischer Arginin-Glycin-Asparaginsäure (cRGD)beobachtet. Um herauszufinden, welche Rolle die Oberfächen-Glycokalyx bei der Zellmigration spielen, wurden verschiedene Methoden angewandt: a) Die an die Proteine gebundenen Glycokonjugate wurden mit Hilfe von N- und O-Glycosidasen von der Oberfläche der lebenden Zellen enzymatisch abgespalten; b) um die Sulfatierung der Glycokonjugate zu verhindern, wurden die Zellen in sulfatfreiem Medium kultiviert. Durch beide Methoden wurde die Bindung von Rutheniumrot an die Zelloberfläche(Glycokalyx) um 60% bzw. die von Heparansulfat der Zelloberfläche um 60% bis 100% reduziert. Nicht die Desulfatierung führte zur Ablösung der Zellen vom Kulturflaschenboden, sondern allein dieBehandlung mit N- und O-Glycosidasen. Die gleichzeitige Behandlung von MV3 Melanomzellen mit N-, O- Glycosidase mit Inhibition der &#946;1-, &#945;v&#946;3-Integrine führten zur Abrundung der Mehrzahl der Zellen, gefolgt von oszillierender Immobilität (‚Running on the spot’) bzw. sehr langsamer Restmigration (<0,1 >m/min). Dagegen war die Migration der MV3-Zellen nach Kultivierung in sulfatfreiem Medium unverändert. Eine ähnliche Hemmung der Migration erfolgte in &#946;1-/- MEFs nach Glycanverdau. Folglich sind &#946;1-Integrine essentiell für fokalisierte Zell-Matrix-Interaktionen, für die mesenchymale Migration und den Matrixumbau, während amöboide Migration ohne Beteiligung von &#946;1-Integrinen erfolgt, aber durch niedrigaffine, diffuse Zell-Matrix-Interaktionen von Oberflächenglycanen vermittelt wird. Somit ist die Glycokalyx ein alternatives Adhäsionssystem für die integrinunabhängige Zellmigration. / Cancer cell migration through connective tissue requires adhesive cell matrix interactions mediated by surface integrins and other adhesion molecules. We investigated whether invasive migration in 3D ECM environments is fully abrogated by blocking integrin functions and whether compensation mechanisms might support migratory rescue. Within 3D collagen matrices, highly invasive MV3 melanoma cells preferentially utilize &#945;2&#946;1 integrins for elongation, adhesion to collagen fibers, fiber bundling, force generation, and migration. &#946;1 integrin function was reduced by a) flow cytometric sorting for subsets expressing low integrin levels; b) blocking anti &#946;1 mAb 4B4 at different concentrations or using rhodocetin, a selective &#945;2&#946;1 integrin inhibitor; and c) expression of dominantnegative peptides to compete with the &#946;1 integrin cytoplasmatic domain function. For migration in 3D collagen lattices, all &#946;1 integrin-lowering strategies uniformly resulted in conversion from constitutive mesenchymal migration to a novel amoeboid type of migration resembling monocytes or lymphocytes. The conversion to amoeboid movement was accompanied by abrogation of cell-mediated collagen contraction and reorganisation. Inhibition of integrin function by blocking antibody by approximately 50% led to fast (0.3-0.4 >m/min) but near-100% amoeboid migration, whereas 90 to 95% epitope saturation let to slow (0.03-0.2 >m/min) amoeboid migration. Induced amoeboid migration was accompanied by cell shape changes supported by small filopodia and/or surface blebs, uniform distribution of surface integrins and the lack of focalization of the cytoskeleton. Results were corroborated in &#946;1-deficient murine embryonic fibroblasts (MEFs)and murine embryonic stem cells (GD25). &#946;1-/- MEFs displayed a fast, and GD25 ES cells a slow amoeboid migration. Thus, migration could be sustained without &#946;1 integrin-mediated cell-matrix interactions. Because no complete immobilization was achieved, alternative cell-matrix interaction mechanisms underlying residual amoeboid migration were investigated. As candidates, &#945;v integrins binding denatured collagen and the surface glycoconjugates were tested, yet no promigratory role of RGD dependent integrins (&#945;v or &#946;3) was found using cyclic tripeptide arginine-glycine-aspartic acid (cRGD). To investigate the role of surface glycoconjugates, we a) enzymatically removed protein-bound glycoconjugates of the living cells using N-and O-glycosidases and b) prevented sulphation of glycoconjugates by culturing cells in sulphate-free medium. Both methods reduced surface Ruthenium red binding by 60% and heparan sulphate surface levels by 60 and 100% respectively, however only N- and O-glycosidase treatment but not desulphation caused cell detachment from the culture flask. Simultaneous treatment of MV3 melanoma cells with N- and O-glycosidase and inhibition of &#946;1, &#945;v&#946;3 integrins resulted in complete loss of polarity, cell rounding of most cells and oscillating immobility (“running on the spot”), or extremely slow residual migration below 0.1 >m/min. Sulphate-depleted medium alone did not yield any migration reduction in MV3 cells. Similar inhibition after N- und O-glycosidase treatment was obtained in &#946;1-/- MEFs. In conclusion, &#946;1 integrins are sufficient to maintain focalized cell-matrix interactions, mesenchymal migration, and matrix remodelling the abrogation of with supports transition to amoeboid migration mediated by low affinity interactions via surface glycans but not sulphated residues. Thus, the surface glycocalyx provides an alternative adhesion system sustaining integrin-independent amoeboid migration, which may approximate the minimal requirements of cell migration in an interstitial 3D tissue.

Der Gram-positive Erreger Staphylococcus aureus ist ein Bestandteil der normalen Haut und Schleimhautflora des Menschen, kann aber auch ein weites Spektrum von Krankheitsbildern hervorrufen. Ein besonderes Charakteristikum dieses Pathogens besteht in der Expression von Oberflächenstrukturen, welche eine hohe Affinität für Proteine der extrazellulären Matrix (ECM) von eukaryontischen Organismen aufweisen und die kollektiv als MSCRAMM (microbial surface components recognizing adhesive matrix molecules) bezeichnet werden. Das auf der Bakterienoberfläche gebundene Fn kann in der Folge als eine Art molekulare Brücke zwischen FnBP exprimierenden S. aureus und dem Fn-Rezeptor auf der Wirtszellseite, dem Integrin 51, dienen. Neben der Anheftung an das Wirtsgewebe kann die indirekte Assoziation mit Integrin 51 die Aufnahme der Bakterien durch die eukaryontische Zelle auslösen. Wie die bakterielle Adhäsion an Integrin 51 und die Aggregation der Integrine durch die mit Fn-beschichteten Bakterien in ein Signal zur Aufnahme der Pathogene durch die Zelle umgesetzt wird, ist nicht vollständig geklärt und sollte im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde ein neues und effektives Protokoll zur fluoreszenzmikroskopischen Differenzierung von extra- und intrazellulären Bakterien entwickelt. Diese Methode besitzt den Vorteil, von Bakterien-spezifischen Antikörpern unabhängig zu sein. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, Bakterien, gegen die es noch keine spezifischen Antiseren gibt, dennoch auf ihre zelluläre Lokalisation und Invasivität mittels mikrobiologischer Methoden untersuchen zu können. Im Hinblick auf die nähere Untersuchung der Signaltransduktion bei der Invasion von S. aureus war die kritische Rolle von Tyrosinkinasen für die Integrin-vermittelte Invasion ein erster wichtiger Hinweis. Diese Befunde führten zu weiteren spezifischeren Untersuchungen, wobei eine wichtige Rolle für Kinasen der Src Familie gezeigt werden konnte. Ein weiterer Hinweis auf die Bedeutung der Src-Kinasen für die Internalisierung von S. aureus war ein dramatischer Rückgang der Aufnahmerate in Src/Yes/Fyn-defizienten Maus-Fibroblasten, verglichen mit Src-rekonstituierten Zellen. Auf biochemischer Ebene konnte eine deutliche Aktivierung der Src-Kinase nach einer Infektion mit S. aureus, nicht aber nach Infektion mit dem nicht-pathogenen S. carnosus festgestellt werden. Integrin-reiche fokale Kontakte (FK) sind angereichert mit Proteinen wie Talin, Vinculin, Paxillin, Tensin, -Actinin oder Zyxin sowie Signalenzymen wie der Fokalen Adhäsions Kinase (FAK) oder Kinasen der Src Familie. Die Protein Tyrosin Kinase (PTK) FAK ist nach Integrinstimulierung eines der Schlüsselenzyme in FK. Dies war der Anlass nach der Bedeutung von FAK für die Integrin-vermittelte Internalisierung von S. aureus zu fragen. Ebenfalls ein wichtiger Hinweis waren die starken Rekrutierungen von Markerproteinen von fokalen Komplexen zum Ort von zellgebunden S. aureus nicht aber von S. carnosus. Daraufhin wurde mittels dominant-negativer FAK-Mutanten und FAKdefizienter Mausfibroblasten der Einfluss von FAK für die Internalisierung von S. aureus untersucht. Bei beiden Versuchsansätzen konnte ein starker Rückgang der Aufnahme beobachtet werden. Zusammengefasst bestätigten diese Ergebnisse die essentielle Rolle von FAK für die Integrin vermittelte Aufnahme der pathogenen S. aureus. Bei der Reorganisation des Aktin-Zytoskeletts spielen eine Reihe von Proteinen eine wichtige Rolle, darunter auch Cortactin. Cortactin ist ein bekanntes Substrat der Src-Kinasen und es lag nahe, nach einer funktionellen Verbindung von Src, FAK und Cortactin zu suchen. Dominant-negative Cortactin-Mutanten, die keine Assoziation mit dem Arp2/3 Komplex oder mit Dynamin aufweisen, oder welche die von Src-vermittelte Phosphorylierung am C-Terminus verhindern, blockierten die Aufnahme von S. aureus. Mikroskopisch konnte eine starke Rekrutierung von Cortactin zu zellgebundenen S. aureus beobachtet werden, jedoch wurde die Rekrutierung nicht von FAK beeinflusst. Die Phosphorylierung von Cortactin aufgrund S. aureus-Infektion war allerdings FAK- und Src-abhängig. Diese Ergebnisse legen nahe, dass ine bisher unbeschriebene FAK/Src Cortactin Signalachse für die Regulation der Integrin-Internalisierung verantwortlich ist. Die detaillierten Untersuchungen der rezeptorvermittelten Aufnahme und der dabei induzierten Signaltransduktion in Wirtszellen gaben neue Erkenntnisse über die Pathogenitätsstrategien von S. aureus. Darüber hinaus ermöglichen diese Arbeiten neue Einblicke in die molekularen Vorgänge, welche die Internalisierung von Integrinen steuern. / The gram-positive bacterium S. aureus is part of the normal skin and mucosal flora of humans, but it can also give rise to a wide spectrum of infectious diseases. Virulence-associated features of this pathogen include surface structures that interact with extracellular matrix (ECM) proteins of eukaryotic organisms. These adhesins have been collectively termed MSCRAMMs (microbial surface components recognizing adhesive matrix molecules). Fibronectin (Fn) binding to bacterial FnBPs functions as a molecular bridge linking the pathogen to the principal cellular Fn receptor, the integrin 51. In addition to allowing adherence of the bacteria to the host cell surface, the clustering of integrins also leads to the internalization of the microorganisms. How the integrin engagement by the fibronectin-coated bacteria is transduced into the cell and how this signal initiates bacterial engulfment is poorly characterized. Therefore, the major aim of this work was to identify host components that regulate integrin-dependent internalization of pathogenic S. aureus. As a first step, a novel and elegant microscopic method for the evaluation of bacterial invasiveness into eukaryotic cells was developed. The protocol is based on differential fluorescent staining of extracellular and intracellular bacteria and allows quantification of bacterial invasiveness using a fluorescence microscope. The most important advance of this method is the fact, that the bacteria are covalently labeled and therefore, robust and invariant staining of the total bacterial population is achieved. In addition, the protocol does not rely on bacteria-specific antibodies making this the method of choice in case specific antisera against the pathogen are not available. Functional analysis of signaling pathways involved in the uptake process revealed an important role for protein tyrosine kinases (PTKs) during integrin-mediated internalisation of S. aureus. The important function of Src PTKs was further corroborated by the dramatic decrease of S. aureus uptake by Src/Yes/Fyn-deficient cells compared to Src-expressing cells. Biochemically, a significant activation of Src PTKs was observed in human epithelial cells in response to infection with S. aureus, whereas there was no activation after an infection with the non-pathogenic S. carnosus. Integrin-initiated focal contacts (FC) are enriched in specific marker proteins such as vinculin, paxillin, tensin, actinin, or zyxin as well as signaling enzymes including the focal adhesion kinase (FAK) or Src PTKs. In contrast to S. carnosus, contact of S. aureus with the eukaryotic host cell membrane resulted in strong recruitment of FC marker proteins to the site of adherent bacteria. To investigate the role of FAK for the internalization of S. aureus, dominantnegative FAK-mutants and FAK-deficient mouse cells were infected with the pathogen. In all cases, a major reduction in the number of internalized S. aureus was observed. Taken together these results demonstrated an essential role of FAK for the integrin-mediated uptake of S. aureus and suggested that an active FAK/Src complex regulates bacterial internalization via integrins. In a further approach, effectors of the FAK/Src complex and potential regulators of actin cytoskeleton dynamics during internalization of S. aureus were investigated. Biochemical analysis of infected cells revealed the actin-binding protein cortactin as a major tyrosine phosphorylated protein in response to pathogenic staphylococci. Furthermore, cortactin was recruited to the vicinity of cell-bound S. aureus, but not to S. carnosus. Various dominant-negative cortactin mutants that were either compromised in their association with the Arp2/3 complex or dynamin-2, or that lacked critical tyrosine phosphorylation sites in the C-terminal domain interfered with the uptake of S. aureus. As both FAK and cortactin are substrates of active Src kinases and both are responsive to integrin stimulation, it was hypothesized that there is a functional link between FAK, Src, and cortactin. Though the recruitment of cortacin to the vicinity of cell-bound S. aureus was not influenced by the presence of FAK, the phosphorylation status of cortactin after infection with S. aureus or after integrin stimulation by a fibronectin matrix was dependent on both FAK and Src. Together, these results reveal a novel FAK/Src-cortactin signalling axis regulating integrin internalisation. The detailed examination of the FnBP-triggered, integrin-mediated bacterial uptake offers new insight into the pathogenicity strategies of S. aureus and might open up novel avenues for therapeutic intervention. In addition, this work furthers our understanding of the molecular processes regulating the internalisation of integrins.

Der enorme Umbau des Herzgewebes, wie man ihn nach Drucküberlastung des Ventrikels oder MyokardInfarkt beobachten kann, gilt als eine der kausalen Ursachen des Herzversagens. Die Veränderungen in der Architektur des Herzens beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Herzmuskels, begründet sind sie jedoch in Anpassungsprozessen auf der zellulären Ebene vor allem in einer Modulation der Expression bestimmter Gene. Gemeinsam mit Integrinen, den Transmembran-Rezeptoren, welche die extrazelluläre Umgebung mit dem intrazellulären Zytoskelett verbinden, gehören Proteine der extrazellulären Matrix (ECM) und matrizelluläre Proteine zu den Schlüsselkomponenten, die den Umbauprozess im Herzen steuern. Aus diesen Gründen hatte diese Doktorarbeit zum Ziel, die Rolle der Integrine für die Regulation der Genexpression und die Leistungsfähigkeit des Herzmuskels während der durch Drucküberlastung oder myokardialen Infarkt (MI) hervorgerufenen Wundheilungsprozesse zu analysieren. Um die Beteiligung von Integrin Beta 1 zu untersuchen, wurde ein experimentelles Modell der Drucküberlastung im Mausherzen (aortic banding; Konstriktion der Aorta; AB) eingesetzt, wobei Mäuse mit einer konditionalen, Herz-spezifischen Deletion des Integrin Beta 1 Gens untersucht wurden. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die physiologischen Unterschiede und eine veränderte Genexpression im gestressten Herzen in An- oder Abwesenheit von Integrin Beta 1 gelegt. Interessanterweise wurden die Mäuse, welche eine Kombination aus Integrin knock-out Allel und dem Kardiomyozyten-spezifischen konditionalen knock-out Allel von Integrin Beta 1 aufwiesen im normalen Mendelschen Verhältnis geboren und wuchsen normal auf. Obwohl diese Tiere immer noch geringe Mengen von Integrin Beta 1 in ihrem Herzen aufwiesen (exprimiert von nicht-Myozyten), besaßen diese Mäuse eine veränderte Herzfunktion und waren sehr sensitiv gegenüber AB. Im Gegensatz zu der kompensatorischen hypertrophischen Reaktion, die in Wildtyp Mäusen zu beobachten war, zeigte sich in den Integrin Beta 1–defizienten Mausherzen kein Gewebeumbau. Auch die erhöhte Expression von verschiedenen ECM Proteinen, insbesondere die verstärkte Expression des matrizellulären Proteins SPARC, unterblieb nach AB in den Integrin Beta 1–defizienten Tieren. Interessanterweise konnte auch eine transiente Erhöhung der SPARC mRNA während der Umbauprozesse im Herzen in Folge von myokardialem Infarkt (MI) mittels cDNA Makroarrays festgestellt werden. In der Tat fanden sich größere Mengen von SPARC bereits 2 Tage (~2,5-fach erhöht), 7 Tage (~4-fach erhöht) und 1 Monat (~2-fach erhöht) nach MI, während ein spezifischer Inhibitor der Integrin alpha v Untereinheit diese Hochregulation von SPARC in vivo verhinderte. Immunfluoreszenz Untersuchungen von Herzgewebe verdeutlichten, dass sich die erhöhte Expression von SPARC auf das Infarktareal beschränkte, dass die Expression von SPARC nach einer anfänglichen Erhöhung im Verlauf von 1 Monaten wieder auf das Anfangsniveau zurückging und dass die verstärkte Expression von der Einwanderung von Fibroblasten in das ischämische Herzgewebe begleitet war. In vitro stimulierten die Wachstumsfaktoren TGF-Beta 1 und PDGF-BB die Expression von SPARC durch Fibroblasten. Wie sich an Hand von ELISA und Western Blot Untersuchungen feststellen ließ, war die Inhibition von Integrin Beta v nicht in der Lage, die durch TGF-Beta 1 oder PDGF induzierte Sekretion von SPARC zu beeinflussen. Jedoch zeigte sich, dass Vitronektin, ein Ligand von Integrin alpha v, sowohl die Sekretion von TGF-Beta 1 als auch von PDGF-BB durch Kardiomyozyten induzierte und diese Reaktion wurde durch den Integrin alpha v Inhibitor komplett unterdrückt. In funktioneller Hinsicht wirkte SPARC auf die durch ECM Proteine induzierte Migration von Fibroblasten ein, so dass man davon ausgehen kann, dass die lokale Freisetzung von SPARC nach myokardialem Infarkt zur Wundheilung im Herzen beiträgt. Zusammenfassend läßt die Kombination der in vivo und in vitro erhobenen experimentellen Daten den Schluss zu, dass mehrere Integrin Untereinheiten eine entscheidende Rolle während der Gewebeumbildung im Herzen spielen. Integrin-abhängige Genexpressionsereignisse wie beispielsweise die erhöhte Expression von SPARC nach MI sind entscheidend an der Koordination der Wundheilung beteiligt. Diese Prozesse scheinen auf einer komplexen Wechselwirkung und Kommunikation zwischen verschiedenen Zelltypen wie Kardiomyozyten und Fibroblasten zu beruhen, um lokal begrenzt eine Heilung und Vernarbung des verletzten Gewebes zu regulieren. Die Aufklärung des fein abgestimmten Wechselspiels zwischen Integrinen matrizellulären Proteinen wie SPARC und Wachstumsfaktoren wird sicherlich zu einem besseren und klinisch nutzbarem Verständnis der molekularen Mechanismen des Gewebeumbaus im Herzen beitragen. / The massive remodeling of the heart tissue, as observed in response to pressure overload or myocardial infarction, is considered to play a causative role in the development of heart failure. Alterations in the heart architecture clearly affect the mechanical properties of the heart muscle, but they are rooted in changes at the cellular level including modulation of gene expression. Together with integrins, the transmembrane receptors linking the extracellular environment to the cytoskeleton, extracellular matrix (ECM) proteins and matricellular proteins are key components of the remodeling process in the heart. Therefore, this thesis was aimed at analysing the role of integrins in the regulation of gene expression and heart muscle performance during cardiac wound repair induced by pressure overload or myocardial infarction (MI). To investigate the contribution of integrin Beta 1, we characterised the response of mice with a conditional, cardiac-specific deletion of the integrin Beta 1 gene in an experimental model of pressure overload by aortic banding (AB). In particular, we measured physiological alterations and gene expression events in the stressed heart in the presence or absence of integrin Beta 1. Interestingly, mice containing a knock-out allele and the ventricular myocyte-specific conditional allele of the integrin Beta 1 gene were born and grew up to adulthood. Though these animals still exhibited minor amounts of integrin Beta1 in the heart (expressed by non-myocytes), these mice displayed abnormal cardiac function and were highly sensitive to AB. Whereas a compensatory hypertrophic response to pressure overload was observed in wildtype mice, the integrin Beta 1-deficient mice were not able to undergo heart tissue remodeling. Furthermore, ECM gene expression was altered and, in particular, the increased expression of the matricellular protein SPARC after AB was abolished in integrin Beta 1–deficient mice. Interestingly, we also found a transient upregulation of SPARC mRNA during heart remodeling after MI using cDNA macroarrays. Indeed, increased SPARC protein levels were observed starting at day 2 (2.55±0.21fold, p<0.01), day 7 (3.72±0.28 fold, p<0.01) and 1 month (1.9±0.16 fold, p<0.01) after MI, which could be abolished by using an integrin alpha v inhibitor in vivo. Immunofluorescence analysis of heart tissue demonstrated that the increased SPARC expression was confined to the infarcted area and occurred together with the influx of fibroblasts into the heart. In vitro, either TGF-Beta 1 or PDGF-BB stimulated SPARC expression by fibroblasts. Inhibition of integrin alpha v did not interfere with TGF-Beta1 or PDGF induced SPARC secretion as determined by ELISA assays or Western blot. However, secretion of TGF-Beta1 and PDGF-BB by cardiomyocytes was induced by vitronectin, a ligand of integrin alpha v, and this response was blocked by the integrin alpga v inhibitor. Functionally, SPARC modulated the migratory response of fibroblasts towards ECM proteins suggesting that the local deposition of SPARC following MI contributes to scar formation. Taken together, our combined in vivo and in vitro data demonstrate that several integrin subunits play critical roles during tissue remodeling in the injured heart. Integrin-dependent gene expression events such as the upregulation of SPARC following MI are critical to orchestrate the healing response. These processes appear to involve complex cross-talk between different cell types such as cardiomyocytes and fibroblasts to allow for locally confined scar formation. The elucidation of the sophisticated interplay between integrins, matricellular proteins such as SPARC, and growth factors will undoubtedly provide us with a better and clinically useful understanding of the molecular mechanisms governing heart remodeling.

Zugl.: Regensburg, Univ., Diss., 2008

Techn. Univ., Diss., 2009--München.

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Universiẗat, Diss., 2002--Köln.

Neben dem bekannten Tropismus des Masernvirus für CD150-positive aktivierte Zellen des Immunsystems, spielt der Endothelzelltropismus für die akute Masernviruserkrankung einschließlich ihren nachfolgenden Komplikationen eine wichtige pathogene Rolle. Die Infektion der Endothelzellen steht in Zusammenhang mit dem Auftreten des MV-Exanthems. Es ist auch möglich, dass die „Akute Enzephalitits“ und der Viruseintritt ins zentrale Nervensystem wie im Falle der subakuten sklerosierenden Panenzephalitis (SSPE) durch Endothelzellinfektion vermittelt wird. Ziel der Arbeit war herauszufinden, wie und ob das MV Endothelzellbarrieren überwinden kann mittels Transport infizierter Leukozyten oder durch Infektion von EZs mit basolateraler Virusfreisetzung. Es wurde untersucht, ob die Fähigkeit von primären humanen T- Zellen durch polarisierte Zellschichten von „human brain microvascular endothelial cells“ (HBMECs) zu wandern durch die Infektion beeinflusst wird. Die Fähigkeit von infizierten Lymphozyten durch die Poren der Filter zu wandern war teilweise beeinträchtigt, jedoch war das Ergebnis statistisch nicht signifikant. Im Gegensatz dazu war die Fähigkeit der Zellen durch Endothelzellbarrieren zu wandern drastisch reduziert. Nach Infektion adhärierten die Leukozyten stärker auf den Endothelzellen. Bei dieser Adhäsion von PBMCs an Endothelzellen kam es trotz Infektion zur Ausbildung von sogenannten „transmigratory cups“ oder docking- Strukturen. Dieser enge Zell-Zell-Kontakt hatte zur Folge, dass die MV-Infektion vom Lymphozyten auf die Endothelzelle übertragen wurde. Die MV-Hüllproteine wurden auf der apikalen und basolateralen Seite infizierter Endothelzellen exprimiert wie anhand von Aufnahmen mit dem konfokalen Mikroskop am Beispiel des H-Proteins gezeigt werden konnte. Titrationen ergaben, dass das Virus auf beiden Seiten der Zellen freigesetzt wurde. Desweiteren wurde bestätigt, dass auch für polarisierte Endothelzellen die auf Tyrosin basierenden Transportsignale verantwortlich sind für die basolaterale Virusfreisetzung. Die Daten unterstützen die Hypothese, dass das Virus mit Hilfe der Infektion und der bipolaren Virusfreisetzung über Endothelzellbarrieren / In addition to the known tropism of measles virus (MV) for CD150-positive activated cells of the immune system, its endothelial cell tropism plays an important pathogenic role during acute measles and the following complications. The infection of endothelial cells is associated with the rash. It is also possible that endothelial infection mediates the acute encephalitis and viral entry in the central nervous system in cases of subacute sclerosing panencephalitis (SSPE). The aim of this investigation was to find out, how and if at all MV is able to overcome endothelial barriers via transport of infected leukocytes or infection of endothelial cells with basolateral virus release. We analysed if the capacity of primary human T cells to transmigrate through “human brain microvascular endothelial cells” (HBMECs) is influenced by the infection. The capacity of infected lymphocytes to migrated through filter pores was partially reduced but the results were statistacally not significant. In contrast the capacity to migrate through endothelial barriers was drastically reduced. The attachment of PBMCs to the endothelial monolayer was increased once the cells were infected. During this attachment normal so called “transmigratory cups” or docking-structures were formed, although the leukocytes were infected. As a consequence of this close cell-cell-contact the MV-infection was transferred to the endothelial cells. The MV envelope proteins were expressed on the apical and basolateral side as could be shown on pictures taken with the confocal microscope. Titrations showed that the virus was released on both sides of the cells. Moreover it could be demonstrated, that tyrosine-based sorting signals were responsible for basolateral virus release from polarized endothelial cells. These data support the hypothesis, that the virus can cross endothelial barriers by infection of the endothelium and by bipolar virus release.

Die Prävention einer Restenose nach PTCA ist eines der wichtigsten Ziele für Forscher und Kliniker. Etwa 1,5 Millionen Interventionen werden weltweit jährlich durchgeführt und mit Hilfe von Stentimplantationen können die meisten Patienten erfolgreich behandelt werden. Jedoch kommt es in bis zu 60 % der Fälle zu einer Restenosierung des behandelten Gefässes innerhalb von etwa 6 Monaten. Für die Entwicklung der Neointima, Hauptursache der Restenose, sind Wanderung glatter Gefässmuskelzellen (GMZ) und Ablagerungen von Proteinen der extrazellulären Matrix (EZM) verantwortlich. Signalkaskaden, die über Integrin Rezeptoren vermittelt werden, spielen in der Migration von GMZ eine zentrale Rolle. Viele Integrine binden über eine spezifische Aminosäuresequenz, die sogenannte RGD Sequenz, die in verschiedenen EZM Proteinen und in auf Zelloberflächen gebundenen Immunglobulinen vorkommt. Bisher konnte von verschiedenen Integrinantagonisten, wie Antikörpern, zyklischen Peptiden, Peptidomimetika und Nicht-Peptiden, gezeigt werden, dass die die pathologische Reaktion vermindern können, was auf die Bedeutung der Integrin vermittelten Signalkaskaden in der GMZ Migration hinweist. Wir konnten zeigen, dass die Wanderung von GMZ sowohl mit einem pharmakologischen Inhibitor, wie auch durch die endogene Überexpression eines FAK Inhibitors, der über ein AAV Vektorsystem übertragen wurde, gehemmt werden konnte. So stellt die Blockade der Integrin vermittelten Signalkaskaden ein vielversprechendes Ziel für die Inhibition der Restenose nach PTCA dar. Im ersten Teil der Arbeit konnten wir nach Stimulation von humanen GMZ mit Vitronektin (VN) eine verstärkte Tyrosinphosphorylierung (PTyr) verschiedener zellulärer Proteine nachweisen. Dabei zeigte sich eine besonders signifikante Phosphorylierung eines Proteins, das mittels Immunpräzipitation als “focal adhesion kinase” (FAK) identifiziert wurde. Die erhöhte PTyr zeigte sich auch am Tyrosinrest FAK Tyr-397, der Autophosphorylierungsstelle der Kinase. Die erhöhte PTyr von FAK war abhängig von der Stimulation durch VN und nicht zu beobachten, wenn die GMZ auf Poly-L-Lysin ohne spezifische Rezeptor Ligand Interaktion adhärierten. Mit Hilfe eines Integrin &#61537;V Inhibitors konnte diese rezeptorvermittelte Aktivierung in einer dosisabhängigen Weise verhindert werden. Die Inhibition der durch VN stimulierten Migration (Haptotaxis) mit Hilfe des &#61537;V Inhibitors korrelierte mit der Reduktion der Aktivierung Integrin vermittelter Signalwege, im Besonderen der PTyr von FAK. Interessanterweise konnte die Blockade von Integrin &#61537;V nicht nur die durch VN stimulierte Haptotaxis, sondern auch die durch Wachstumsfaktoren induzierte Chemotaxis hemmen. Die Migrationsrate wurde mit Hilfe eines modifizierten Boyden-Migrationskammer Experiments ermittelt, das ein in vitro Modell zur Untersuchung von Zellwanderung darstellt. Der &#61537;V Inhibitor hemmte auch die Invasion der GMZ in eine Matrigel Matrix und die Sekretion der Matrixmetalloproteinase 2. Eine Apoptose wurde bei den verwendeten Konzentrationen nicht induziert. FAK stellt ein wichtiges Schlüsselprotein in vielen zellulären Mechanismen dar. So konnte die Beteiligung von FAK in der Regulation der Zellmigration an verschiedenen Zellarten gezeigt werden. Die Überexpression von FRNK, der C-terminalen Domäne von FAK, ist in der Lage die in vitro Migration von GMZ wie auch die Neointimabildung in einem Schweinemodell zur Entwicklung der Restenose zu verhindern. FAK stellt somit ein vielversprechendes Ziel für die Inhibition der Restenoseentwicklung nach PTCA dar. Der letzte Teil der Arbeit konzentrierte sich auf die Identifikation von Bindungspartnern der N-terminalen Domäne von FAK mit Hilfe eines bakteriellen „two hybrid“ Systems. Es wurde als ein möglicher Bindungspartner ein 17,9 kDa grosses Protein gefunden. Das humane Homolog ist als AGS4 bezeichnet und stellt einen GTPase Aktivator dar. Es zeigte sich, dass es in der Lage ist, mit der N-terminalen Domäne von FAK zu interagieren, und dass es stark in hämatopoetischen Zellen exprimiert wird. Zusammenfassend kann man sagen, dass unsere Ergebnisse FAK als ein vielversprechendes Ziel für die Inhibition der GMZ Migration erscheinen lassen. Das Vorliegen verschiedener induzierter Signalwege kann durch die Rolle der EZM Proteine und der Wachstumsfaktoren in der Zellmigration erklärt werden. Das Ziel dieser Studie war die Signalkaskaden, die zu einer GMZ Migration und somit zu einer Restenose führen, zu unterbrechen. Die Ergebnisse zeigen, dass &#61537;V Integrine und Signalkaskaden, die FAK vermittelt sind, wichtig für die Zellmigration sind. Die Unterbrechung dieser FAK vermittelten Signalwege, sei es durch einen pharmakologischen Inhibitor oder durch die Überexpression von FRNK führte zu einer Inhibition der Migration. / The prevention of restenosis after percutaneous coronary intervention is a major task for researchers and clinicians in cardiovascular pharmacology. Nearly 1.5 million PTCA are performed every year worldwide and, due to the implantation of stents, most of the cases can be treated successfully. 60% of those patients develop restenosis within 6 months. SMC migration and ECM deposition are known to be responsible for neointima formation. Among many processes, integrin initiated signalling events play a central role in SMC migration. Many integrins recognize a specific RGD sequence which is present in several ECM proteins and cell surface immunoglobulin super family molecules. Until now, there are various integrin antagonists such as antibodies, cyclic peptides, peptidomimetics, and non-peptides have been shown to interfere with such pathological situations indicating the importance of integrin initiated signalling pathways in SMC migration. Therefore, in this study SMC migration induced by ECM proteins was inhibited either using pharmacological inhibitor or by overexpressing the endogenous inhibitor of FAK by AAV vector system. In the first part of the thesis, the effect of integrin-ligand stimulation on hCASMCs was studied. The tyrosine phosphorylation of many cellular proteins was observed from serum starved hCASMCs replated on VN but not on PL coated plates. The major tyrosine phosphorylated protein was identified as FAK by immunoprecipitation and also phosphorylation was found at Tyr 397, the autophosphorylation site of FAK. Further, VN induced the dose dependent migration of hCASMCs in haptotaxis assay. The integrin &#61537;v inhibitor was used to block those ECM stimulated integrin signalling pathways and cell migration. It inhibited the ECM stimulated tyrosine phosphorylation in a dose dependent manner. Interestingly, specific potent antagonism of integrin &#61537;v abrogated both ECM induced haptotaxis and growth factor induced chemotaxis. The inhibition of migration is consistent with the replating assay results that show interference with integrin induced signalling pathways particularly the FAK tyrosine phosphorylation. The integrin &#61537;v inhibitor also is able to interfere with hCASMC invasion through matrigel by reducing MMP-2 secretion. Importantly, integrin &#61537;v inhibitor did not induce the apoptosis in hCASMCs. FAK is a key player in many cellular events and its involvement in cell migration was extensively studied in various cell types. The present study explored the function of FAK in hCASMC migration by overexpression of FRNK, the C-terminal domain of FAK. Overexpression of FRNK inhibited the in vitro SMC migration as well as the neointima formation in a porcine restenosis model in vivo. The last part of this thesis focused on the identification of putative binding partners for the N-terminal domain of FAK by bacterial two-hybrid screen. One of the interesting binding partners was a putative protein of 17.9 kDa. Its human homolog is AGS4, which acts as a GTPase activator. The preliminary results revealed that it is able to interact with N-FAK domain and its expression is high in haematopoietic cells. Taken together the above results suggest that integrin &#61537;v and FAK are promising targets for inhibition of SMC migration. Disruption of FAK-mediated signalling pathways by a pharmacological inhibitor or by overexpression of FRNK, which acts as dominant-negative regulator, resulted in decreased migration of SMCs and thus can lead to reduction of neointima formation.