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1	Giardia duodenalis – deciphering barrier break down in human, organoid-derived duodenal monolayers Holthaus, David 20 March 2023 (has links) Das Protozoon Giardia duodenalis ist eine der Hauptursachen für infektiöse Magen-Darm-Erkrankungen. Die zugrundeliegenden Pathomechanismen sind jedoch nach wie vor unklar. Um die Pathogenität G. duodenalis‘ untersuchen zu können, wird ein Modellsystem benötigt, dass die Komplexität des Darmepithels widerspiegelt. Diese Arbeit zeigt die Etablierung eines Zellkultursystems auf der Basis von organoid-abgeleiteten Epithelien unter Verwendung von filter-basierten Zellkultureinsätzen. Wir haben Protokolle für die Etablierung von organoid-basierten Zellkulturen (ODMs) vier verschiedener Wirte zoonotischer Protozoen unter Verwendung eines einzigen Protokolls erstellt. Die Charakterisierung zeigte, dass das Modellsystem erfolgreich die Polarisierung des Darmepithels nachahmt, aus mehreren Zelltypen besteht und eine Infektion ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Analyse der durch G. duodenalis induzierten Barrierestörung in ODMs auf Transkriptions-, Protein- und Funktionsebene. Die Infektion von humanen duodenalen Zellen führte zu einem Verlust der epithelialen Barrierefunktion. Mit Hilfe des transepithelialen elektrischen Widerstandes und Dextran Flux wurde eine Erhöhung der Barrieredurchlässigkeit beobachtet. Die Hemmung von zuvor in immortalisierten Zellmodellen beschriebenen Reaktionswegen konnte die Barrierefunktion nicht wiederherstellen. Stattdessen konnten Veränderungen der Ionenhomöostase sowie den Zusammenbruch der zonula occludens nachgewiesen werden. Der beobachtete Phänotyp konnte auf die Aktivierung des cAMP/PKA/CREB-Signalwegs, als einen von mehreren kausalen Faktoren, zurückgeführt werden. Hier zeigen wir die Etablierung eines aus Organoiden abgeleiteten Modells, das die Untersuchung von G. duodenalis Infektionen in vitro ermöglicht. Mit unserem Modell konnten wir eine neue Reihenfolge von Ereignissen entschlüsseln, die einen der Faktoren während symptomatischer Giardiasis darstellt. / The protozoan Giardia duodenalis is a one of the major causes of gastrointestinal illness. Underlying pathomechanisms remain unclear. An in vitro model system that also mimics the complexity of intestinal epithelium is needed to allow pathogenicity studies. This thesis shows the establishment of a cell culture system based on organoid-derived epithelia using permeable cell culture inserts. We have provided guidelines on the establishment of organoid-derived monolayers (ODMs) of four different hosts of zoonotic protozoa using a single protocol. Characterization showed that the model system successfully mimics intestinal polarization, is composed of multiple cell types and allows for infection with multiple protozoan parasites. As the main focus of the thesis, analysis of G. duodenalis-induced barrier breakdown in ODMs was performed on transcriptional, protein and functional level. Infection of human duodenal, organoid-derived monolayers resulted in a time- and dose-dependent breakdown of epithelial barrier function. Barrier permeability increases were observed ranging from ions to macromolecules as measured by transepithelial electrical resistance and Dextran flux. Inhibition of previously proposed key pathogen-induced pathways observed in immortalized cell models did not rescue barrier dysfunction. We could instead show changes in ion homeostasis, and tight junctional breakdown. While none of the previously proposed effector pathways appeared to be responsible, we could pin-point the observed phenotype to activation of the cAMP/PKA/CREB signaling pathway, as one of the factors of the multifactorial barrier breakdown. The establishment of an organoid-derived infection model is shown, allowing the study of in vitro Giardia duodenalis infections. Using this model, we could decipher a new series of events that may be one of the factors causing the intestinal barrier breakdown observed in symptomatic Giardiasis. Giardiasis Wirt-Parasit Interaktionen Intestinale Organoide Intestinale Protozoen Giardiasis Host-Parasite Interaction Intestinal organoids Intestinal Protozoa 570 Biologie 616 Krankheiten ddc:570 ddc:616
2	Cell type-dependent differential activation of ERK by oncogenic KRAS or BRAF in the mouse intestinal epithelium Brandt, Raphael 10 March 2023 (has links) Kolorektale Karzinome (CRC) zeigen eine heterogene Ätiologie. Die Progression prämaligner Vorläufer zu CRC unterscheidet (U) sich in Morphologie, molekularen Veränderungen und Interaktion mit der Tumorumgebung. CRC weisen oft onkogene Mutationen in KRAS und BRAF auf. Diese steigern die MAPK Signalwegaktivität (Mpa). Obwohl sie im selben Signalweg wirken, sind KRAS und BRAF auf die CRC-Entitäten U verteilt. Dabei ist KRAS häufiger im sogenannten konventionellen und BRAF im serratierten Weg zu CRC mutiert. In dieser Studie nutzte ich murine intestinale Organoide (iO), die induzierbare (Ind) KRAS oder BRAF Onkogene exprimieren. Große U zwischen KRAS und BRAF zeigten sich sowohl in Signaltransduktion (ST) als auch im Phänotyp. Phosphoprotein-, ERK-Reporter-, scRNA-Seq und EM-Analysen ergaben eine starke Mpa durch BRAF, die zu hoher Expression von MAPK-Zielgenen und Verlust der epithelialen Integrität führte. iO nach KRAS-Ind blieben intakt, korrelierend mit moderater, zelltypspezifischer (ZS) Mpa in sekretorischen und undifferenzierten Zellen. Die meisten Enterozyten waren Mpa-negativ. ERK-Reporter zeigten: Das ZS Muster der Mpa ist nicht nur gegenüber KRAS, sondern auch dem Entzug von Wachstumsfaktoren stabil. Dies spricht für eine intrinsische, robuste Regulierung der Mpa. BRAF-Ind Mpa setzte die ZS Regulierung der MAPK außer Kraft und schädigte das Gewebe, im Einklang mit einer oberen Grenze tolerabler Mpa. Die ZS Mpa wurde in CRC-Zelllinien bestätigt, deren Mpa durch KRAS aber nicht BRAF U ausfiel. Ferner, nutzte ich iO mit bCatenin+KRAS-Ind, um den konventionellen Weg zu CRC zu modellieren. Die Kombination führte zu synergistischen Effekten, die sich in EGFR-unabhängigem Wachstum und der Aufhebung der ZS Mpa-Blockade äußerten, die durch eine Verschiebung der Differenzierung zu mehr Progenitorzellen bewirkt wurde. Zusammenfassend konnte ich U in der Mpa durch KRAS oder BRAF im Darmepithel feststellen, was dazu beiträgt, deren Rollen in der CRC-Genese zu bestimmen. / Colorectal cancer (CRC) is a disease with heterogeneous etiology. Premalignant lesions follow distinct routes of progression to carcinoma reflected by differences in morphology, molecular alterations and the tumor environment. Mutant KRAS and BRAF are frequent, leading to MAPK pathway activation (Mpa), which is relevant for CRC therapy. Despite acting in the same pathway, mutant KRAS and BRAF segregate to different entities, as KRAS is more frequent in the conventional- and BRAF being specific for the serrated route to CRC. I used murine intestinal organoids (iO) expressing inducible oncogenic KRAS or BRAF to study the impact of oncogenes in primary cells. I found marked differences in signal transduction and phenotype. Phospho-protein, ERK-reporter, scRNA-seq and EM data showed strong Mpa upon BRAF induction followed by ERK-target gene expression leading to tissue disruption. In contrast, KRAS left the tissue intact resulting in less and cell type-dependent Mpa limited to secretory cells, a subset of late-stage enterocytes and undifferentiated crypt cells. Most enterocytes were irresponsive to KRAS. The pattern of Mpa was robust towards KRAS or growth factor depletion arguing in favor of intrinsic, resilient MAPK regulation. In iO, BRAF-induced Mpa could break this cell type-specific regulation, indicating an upper limit of tolerable Mpa. I validated these findings in CRC cell lines that differed in Mpa in response to oncogenic KRAS but not BRAF. Finally, I used iO expressing an inducible form of stabilized bCatenin in combination with KRAS to mimic events frequently found in the conventional pathway to CRC. Expression of KRAS and bCatenin synergized in driving EGFR independent growth and breaking the villus-specific block of Mpa by altering differentiation towards progenitor cell types. In summary, this study emphasizes differences between Mpa induced by oncogenic KRAS or BRAF which helps clarifying their nature in different etiological routes to CRC genesis. KRAS KRASG12V BRAF BRAFV600E EGFR EGF MAPK ERK FIRE Reporter MEK MAPKK MAPKKK beta-Catenin intestinale Organoidkultur intestinale Organoide Mausmodelle von Tumoren kolorektales Karzinom kolorektale Karzionome CRC Primärzellen Tumormodelle Onkogene oncogenes KRAS oncogenes BRAF onkogene Signaltransduktion 3D Modell matrigel R-spondin RSPO Noggin KRAS KRASG12V BRAF BRAFV600E EGFR EGF MAPK ERK FIRE reporter MEK MAPKK MAPKKK beta-Catenin intestinal organoid intestinal organoids intestinal organoid culture murine model of cancer colorectal carcinoma CRC primary tumor model oncogenes oncogenic KRAS oncogenic BRAF 3D model matrigel R-spondin RSPO Noggin 610 Medizin und Gesundheit ddc:610

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Giardia duodenalis – deciphering barrier break down in human, organoid-derived duodenal monolayers

Cell type-dependent differential activation of ERK by oncogenic KRAS or BRAF in the mouse intestinal epithelium