Der neuartige (18)F-markierte Tracer, LMI1195 (N-[3-bromo-4-(3-(18)F-fluoro-propoxy)-benzyl]-guanidine) wurde für die Bildgebung des sympathischen Nervensystems entwickelt; die hohe Spezifität dieses Tracers für den neuralen Uptake-1 Mechanismus wurde bereits gezeigt in Zell-Versuchen, sowie in Studien mit Kaninchen- und nicht menschlichen Primaten zur Bestimmung des kardialen Tracer-Uptakes. Das Ziel dieser Studie war es, die Mechanismen des kardialen (18)F-LMI1195-Uptakes in der Ratte zu untersuchen, von der bekannt ist, dass es neben dem Uptake-1 Mechanismus weitere Arten der Noradrenalin-Aufnahme im Herzen gibt. / The novel PET Tracer N-[3-bromo-4-(3-18F-fluoropropoxy)-benzyl]-guanidin (LMI1195) has recently been developed for the imaging of the sympathetic nervous system. Previous studies in cell models, as well as rabbit and nonhuman primate studies have shown a high specificity for the cardiac neural uptake-1 mechanism. The aim of this study was to further assess the mechanisms of the cardiac 18-F-LMI1195 uptake in the rat heart, known to have additional, differing norepinephrine uptake mechanisms besides neural uptake-1.

Early-onset torsion dystonia (DYT-TOR1A, DYT1) is an inherited hyperkinetic movement disorder caused by a mutation of the TOR1A gene encoding the torsinA protein. DYT-TOR1A is characterized as a network disorder of the central nervous system (CNS), including predominantly the cortico-basal ganglia-thalamo-cortical loop resulting in a severe generalized dystonic phenotype. The pathophysiology of DYTTOR1A is not fully understood. Molecular levels up to large-scale network levels of the CNS are suggested to be affected in the pathophysiology of DYT-TOR1A. The reduced penetrance of 30% - 40% indicates a gene-environmental interaction, hypothesized as “second hit”. The lack of appropriate and phenotypic DYT-TOR1A animal models encouraged us to verify the “second hit” hypothesis through a unilateral peripheral nerve trauma of the sciatic nerve in a transgenic asymptomatic DYT-TOR1A rat model (∆ETorA), overexpressing the human mutated torsinA protein. In a multiscale approach, this animal model was characterized phenotypically and pathophysiologically. Nerve-injured ∆ETorA rats revealed dystonia-like movements (DLM) with a partially generalized phenotype. A physiomarker of human dystonia, describing increased theta oscillation in the globus pallidus internus (GPi), was found in the entopeduncular nucleus (EP), the rodent equivalent to the human GPi, of nerve-injured ∆ETorA rats. Altered oscillation patterns were also observed in the primary motor cortex. Highfrequency stimulation (HFS) of the EP reduced DLM and modulated altered oscillatory activity in the EP and primary motor cortex in nerve-injured ∆ETorA rats. Moreover, the dopaminergic system in ∆ETorA rats demonstrated a significant increased striatal dopamine release and dopamine turnover. Whole transcriptome analysis revealed differentially expressed genes of the circadian clock and the energy metabolism, thereby pointing towards novel, putative pathways in the pathophysiology of DYTTOR1A dystonia. In summary, peripheral nerve trauma can trigger DLM in genetically predisposed asymptomatic ΔETorA rats leading to neurobiological alteration in the central motor network on multiple levels and thereby supporting the “second hit” hypothesis. This novel symptomatic DYT-TOR1A rat model, based on a DYT-TOR1A genetic background, may prove as a valuable chance for DYT-TOR1A dystonia, to further investigate the pathomechanism in more detail and to establish new treatment strategies. / Früh beginnende Torsionsdystonie (DYT-TOR1A, DYT1) ist eine genetisch bedingte hyperkinetische Bewegungsstörung, die aufgrund einer Mutation im TOR1A Gen verursacht wird, welches für das TorsinA-Protein codiert. DYT-TOR1A wird als zentrale Netzwerkstörung bezeichnet und betrifft hauptsächlich die kortiko-striatothalamo-kortikale Funktionsschleife, welches schließlich zu einem schweren generalisierten dystonen Phänotyp führt. Die Pathophysiologie von DYT-TOR1A ist nicht vollständig verstanden, man geht jedoch davon aus, dass Ebenen im Zentralnervensystem von molekularer Basis bis hin zu ganzen Netzwerken betroffen sind. Die reduzierte Penetranz von nur 30% bis 40% deutet auf eine Gen-UmweltInteraktion hin, im Sinne einer „2-Treffer-Hypothese“. Auch das Fehlen eines adäquaten DYT-TOR1A Tiermodelles hat uns dazu veranlasst, die „2-TrefferHypothese“ zu verifizieren, indem eine unilaterale periphere Quetschläsion des Nervus ischiadicus in einem transgenen, asymptomatischen DYT-TOR1A Rattenmodell (∆ETorA) durchgeführt wurde, welches das humane mutierte TorsinA-Protein überexprimiert. Das Tiermodell wurde phänotypisch und pathophysiologisch auf verschiedenen Analysenebenen charakterisiert. ∆ETorA Ratten mit Quetschläsion entwickelten Dystonie-ähnliche Bewegungen (DLM) mit teilweise generalisiertem Phänotyp. Erhöhte Theta-Oszillationen im Globus pallidus internus (GPi) sind bezeichnend für die humane Dystonie, welche auch im Nucleus entopeduncularis (EP), dem Äquivalent zum humanen GPi, von ∆ETorA Ratten mit Quetschläsion nachgewiesen wurden. Veränderte oszillatorische Muster wurden auch im primären Motorkortex gefunden. Hochfrequenz-Stimulation (HFS) des EP konnte das klinische Erscheinungsbild verbessern und hatte zudem auch einen modulatorischen Effekt auf die veränderte oszillatorische Aktivität des EP und des primären Motorcortex von ∆ETorA Ratten mit Quetschläsion. Auch das veränderte dopaminerge System erwies sich als ein pathologisches Merkmal in ∆ETorA Ratten. Es fand sich eine erhöhte striatale Ausschüttung von Dopamin und ein erhöhter Dopaminumsatz. In der Transkriptomanalyse kamen die zirkadiane Uhr und der Energiemetabolismus als weitere potentielle Signalwege in der Pathophysiologie der DYT-TOR1A Dystonie zum Vorschein. Zusammengefasst konnten DLM in genetisch prädisponierten, asymptomatischen ΔETorA Ratten mittels peripheren Nerventraumas ausgelöst werden, welches zu neurobiologischen Veränderungen in verschiedenen Ebenen des zentralen motorischen Netzwerk führte. Somit konnte die „2-Treffer-Hypothese“ bestätigt werden. Dieses neue symptomatische DYT-TOR1A Rattenmodell, fundiert auf der genetischen Grundlage von DYT-TOR1A, kann sich als wertvolle Möglichkeit für die DYT-TOR1A Dystonie erweisen, um Pathomechanismen genauer zu untersuchen und neue Behandlungsstrategien zu entwickeln.

Polyspecific organic cation transporters (OCTs) of the SLC22 family mediate downhill transport of organic cations and play an essential role in excretion and distribution of endogenous organic cations and for the uptake, elimination and distribution of cationic drugs and toxins. Although physiological and pharmacological significance of OCTs is widely accepted, many questions concerning structure and transport mechanism still remain open. To investigate conformational changes of the rat OCT1 during transport cycle, voltage-clamp fluorometry was performed with a cysteine-deprived mutant in which phenylalanine 483 in transmembrane helix (TMH) 11 close to the extracellular surface was replaced by cysteine and covalently labeled with tetramethylrhodamine-6-maleimide. Potential-dependent fluorescence changes were observed that were sensitive to the presence of substrates choline, tetraethylammonium (TEA), 1-methyl-4-phenylpyridinium (MPP), and of the contransported inhibitor tetrabutylammonium (TBuA). The data suggest that the transporter undergoes conformational changes in voltage- and substrate-dependent manner which are compatible with alternating access mechanism. Using potential-dependent fluorescence changes as readout, one high-affinity binding site per substrate and two highaffinity binding sites for TBuA were identified in addition to the previously described single interaction sites. Coexisting high-affinity cation binding sites in organic cation transporters may collect xenobiotics and drugs; however, translocation of organic cations across the membrane may only be induced when a low-affinity cation binding site is loaded. Whereas high-affinity binding of TBuA has no effect on cation uptake by wildtype rat OCT1, replacement by cysteine or serine of amino acids W147, F483, and F486 located in a modeled contact region between TMH2 and TMH11 outside the binding pocket leads to inhibition of MPP or TEA uptake. Thus, mutations of amino acids in transport relevant key positions, which can be distinct from the cation binding region, may transform noninhibitory highaffinity binding sites of high-affinity inhibition sites and thereby cause adverse drug reactions in patients. / Polyspezifische Transporter für organische Kationen (OCTs) der SLC22 Familie transportieren organische Kationen entlang des elektrochemischen Gradienten und spielen eine entscheidende Rolle bei der Ausscheidung und Gewebeverteilung von endogenen organischen Kationen und bei der Aufnahme, Ausscheidung und Verteilung von kationischen Medikamenten und Toxinen. Obwohl die physiologische und pharmakologische Bedeutung von Transportern für organische Kationen allgemein anerkannt ist, bleiben viele Fragen bezüglich der Struktur und des Transportmechanismus dieser Transporter noch offen. Um Konformationsänderungen von rOCT1 während des Transportzyklus zu untersuchen, wurde die „Voltage-clamp-Fluorometrie“ angewandt, bei der in einer cysteinarmen rOCT1 Mutante Phenylalanin 483 in der Transmembranhelix (TMH) 11 nahe an der extrazellulären Seite der Membran durch Cystein ersetzt und mit Tetramethylrhodamin-6-maleimid kovalent markiert wurde. Dabei wurden Spannungsabhängige Fluoreszenzänderungen beobachtet, die durch die Anwesenheit der Substrate - Cholin, Tetraethylammonium (TEA), 1-Methyl-4-phenylpyridinium (MPP) - und des nichttransportierten Hemmstoffes Tetrabutylammonium (TBuA) moduliert wurden. Die gewonnenen Daten deuten darauf hin, dass der Transporter Konformationsänderungen durchläuft, die spannungs- und substratabhängig sind, was mit dem „alternating access“ Mechanismus vereinbar ist. Die Analyse der spannungsabhängigen Fluoreszenzänderungen zeigte die Existenz je einer hochaffinen Bindungsstelle für Substrate und zweier hochaffinen Bindungsstellen für TBuA zusätzlich zu den früher identifizierten Bindungsstellen. Multiple hochaffine Kationenbindungsstellen in OCTs können Xenobiotika und Arzneimittel anreichern, aber die Translokation von organischen Kationen über die Membran kann erst dann erfolgen, wenn die niederaffine Bindungsstelle besetzt ist. Während die hochaffine Bindung von TBuA an den Wildtyp rOCT1 keine Wirkung auf die Aufnahme von Kationen hat, führt der Austausch der Aminosäuren W147, F483 und F486, die anhangs des Modells in der Kontaktregion zwischen TMH 2 und TMH 11 außerhalb der Bindungstasche lokalisiert sind, durch Cystein oder Serin zur Hemmung der MPP- und TEA-Aufnahme. Die Mutation der Aminosäuren in den für den Transport entscheidenden Positionen, die sich nicht unbedingt in der Kationenbindungstasche befinden, kann also eine nichtinhibitorische hochaffine Bindungsstelle in eine inhibitorische hochaffine Bindungsstelle umwandeln und dadurch unerwartete Effekte bei der Therapie mit verschiedenen Arzneimitteln hervorrufen.

Der organische Kationentransport im proximalen Tubulus der Niere spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Homöostase der Körperflüssigkeiten und der Ausschleusung von toxischen organischen Kationen. Der Transport von organischen Kationen wird an der Bürstensaummembran durch den H+/organische Kationen-Austauscher vermittelt, während bei dem Transport von organischen Kationen an der basolateralen Membran das nach innen gerichtete negative Membranpotential eine treibende Kraft darstellt. Durch Expressionsklonierung wurde der erste organische Kationentransporter, rOCT1, aus der Rattenniere isoliert. Kurz darauf wurde im Rahmen dieser Arbeit ein zweiter organischer Kationentransporter ebenfalls aus der Ratenniere kloniert. rOCT2 besteht aus 593 Aminosäuren und besitzt 12 putative Transmembrandomänen. Zum funktionellen Vergleich zwischen rOCT1 und rOCT2 wurde das Oozytenexpressionssystem verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde ein pharmakologisches Profil von rOCT2 erstellt. Das Substratsprektrum von rOCT2 ist dem von rOCT1 sehr ähnlich. Die Affinitäten von rOCT2 gegenüber verschiedenen Substanzen wurden direkt mit denen von rOCT1 verglichen. Einerseits fanden wir bei einigen Substraten Unterschiede in den Km- und Vmax-Werten, aber andererseits auch viele Ähnlichkeiten zwischen beiden Transportern. Anionen (z. B. p-Aminohippurat) wurden als neue Gruppe von Inhibitoren für den durch rOCT1- und rOCT2-vermittelten Transport identifiziert. Die Potentialdifferenz ist die treibende Kraft des rOCT1- und rOCT2-vermittelten Transportes. Wir konnten potentialabhängige Veränderungen der Km-Werte von Cholin-induzierten Einwärtsströmen zeigen. Bei dem Austausch von Na+-Ionen gegen K+-Ionen im Reaktionspuffer wurde die Aufnahme von Cholin und MPP durch rOCT2 erniedrigt. Der bidirektionale Transport von MPP wurde gezeigt und trans-Stimulationsexperimente für MPP-Influx und MPP-Efflux durchgeführt, um die Asymmetrie des Transporters zu studieren. Darüberhinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die Interaktion von verschiedenen Substraten mit rOCT1 und rOCT2 untersucht und ein kompetitver und nicht-kompetitiver Hemmtyp bei der TEA-Aufnahme gefunden. / Organic cation transport in the renal tubule is an important physiological function for the maintenance of body fluid homeostasis and detoxification of harmful organic cations. In general, transport of organic cations in brush-border membranes is mediated by the H+/organic cation antiporter, whereas transport of organic cations in basolateral membranes is stimulated by the inside-negative membrane potential. By the expression cloning method, the organic cation transporter rOCT1, which is expressed in rat liver and kidney, was isolated. In 1996 another organic cation transporter from rat kidney, rOCT2, was isolated by homology cloning. rOCT2 was deduced to be a glycoprotein comprised of 593 amino acid residues with 12 putative transmembrane domains. To analyse the functional characteristics of rOCT2 in comparison with rOCT1 we utilized the Xenopus expression system. During this dissertation a pharmacological profile was made for rOCT2. The apparent substrate spectrum of rOCT2 was similar to that of rOCT1. Affinities of rOCT2 against several compounds were directly compared with those of rOCT1. We found differences in Km- and IC50-values for distinct substrates but also a lot of similarities between both transporters. Anions like p-aminohippuric acid were identified as a new group of inhibitors for rOCT1- and rOCT2-mediated transport. The potential difference is the driving force of transport mediated by rOCT1 and rOCT2. We showed the potential-dependent changes of Km-values of choline induced inward currents. Further when extracellular Na+ ions were replaced with K+ ions, the uptake of MPP and choline by rOCT2 was decreased. The bidirectional transport of MPP was shown and trans-sitmulation experiments for MPP influx and efflux were performed to study asymmetry of the transporter. The mechanism of interaction of several substrates with rOCT1 and rOCT2 were investigated and we found competitive and non-competitive inhibition of TEA uptake.

In der vorliegenden Arbeit wurden die in-vivo-Effekte eines „superagonistischen“ mAks mit Spezifität für den kostimulierenden Rezeptor CD28 der Ratte untersucht. Dieser Antikörper unterscheidet sich von konventionellen CD28-spezifischen mAk durch seine Fähigkeit, T Zellen auch ohne Ligation des TZR und damit polyklonal zu aktivieren. Die so ausgelöste Expansion der T Zellen verläuft so schnell und effizient wie eine durch Antigen gesteuerte Proliferation; die überproportionale Vermehrung anti-inflammatorischer regulatorischer T Zellen während der initialen Expansionsphase ist vermutlich für das Ausbleiben toxischer Effekte im Zuge der polyklonalen TZellvermehrung verantwortlich. / The present project focuses on the mitogenic effects of the superagonistic rat anti- CD28 mAb, with particular emphasis on its ability to activate and expand residual, mature T cells in lymphopenic rats in a TCR independent manner. The CD28 superagonist possesses the capacity to initiate T cell activation without TCR engagement. The resulting polyclonal T cell expansion is as rapid and efficient as an antigen driven proliferation, and its additional property to transiently increase the frequency of antiinflammatory regulatory T-cells is likely to be responsible for the of toxic side-effects during CD28-driven polyclonal T-cell expansion.

Zusammenfassungen 83 5 Zusammenfassungen 5.1 Zusammenfassung Durch Expressionsklonierung wurde 1994 der erste organische Kationentransporter, rOCT1, aus der Ratte isoliert (Gründemann et al., 1994). 1999 wurde eine Aminosäure in der 11. Transmembrandomäne von rOCT1 entdeckt, welche Teil der Substratbindungstasche dieses Transporters war (Gorboulev et al., 1999). Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es weitere funktionell relevante Aminosäuren zu identifizieren. Ein Vergleich der „Helical Wheels“ aller 12 hypothetischen Transmembrandomänen zeigte eine Akkumulation von 5 OCT und OCTN spezifischen Aminosäuren in der vierten Transmembrandomäne auf einer Seite. Bei diesen Aminosäuren handelte es sich um K215, W218, Y222, T226 und V229. Es wurden verschiedene Punktmutationen an diesen Positionen eingeführt. Es zeigte sich mit Hilfe radioaktiv markierter Substrate von rOCT1, dass selbst Substitutionen durch strukturell verwandte Aminosäuren bei den flankieren Aminosäuren zu einem Ausfall des rOCT1 vermittelten Substrattransport führte. Weiterhin schien an Position 218 für den rOCT1- vermittelten Transport von TEA eine aromatische Aminosäure von großer funktioneller Relevanz zu sein. Wir vermuten hier eine Kationen p-Elektronen Interaktion des aromatischen Ringsystems des Tryptophans mit der positiven Ladung des TEA. Versuche mit den Mutanten des Tyrosins 222 zeigten ebenfalls Änderungen bei den Transportraten und Affinitäten verschiedener Substrate. Eine Kationen-p Interaktion konnte ausgeschlossen werden, jedoch war die Affinität der Mutante Y222F zum TPeA um einen Faktor 20 gegenüber dem Wildtyp erhöht. Weiterführende Untersuchungen mit der Zwei- Elektrodenspannungsklemme zeigten unterschiedliche Affinitäten des TPeA zum Wildtyp im Vergleich zum mutierten Protein in seiner nach außen bzw. nach innen gerichteten Konformation. War die Form der Inhibierung des TEA-induzierten Stromes durch TPeA beim Wildtyp kompetitiv, so zeigte sie bei der Mutante einen nicht-kompetitiven Charakter. Die Mutante T226A zeigte ebenfalls Änderungen in Affinität und Selektivität. Bei allen transportierenden Mutanten zeigte sich, dass der Transport von MPP nicht oder kaum verändert war, hingegen wurden sehr starke Änderungen der Transportcharakteristika von TEA gefunden, was auf verschiedene Substratbindungsstellen in rOCT1 hinweist. Diese Versuche zeigen deutlich die funktionelle Relevanz und die Beteiligung der mutierten Aminosäurepositionen an der Substratbindetasche von rOCT1. In Versuchen, in welchen Chinin als Inhibitor des rOCT2 vermittelten Transports genutzt wurde, passierte Chinin mittels Diffusion in seiner ungeladenen Form die Oozytenmembran und hemmte rOCT2 von der Innenseite. Dies könnte der Grund für die nicht-kompetitive Form der Inhibition der TEA-Aufnahme durch Chinin sein. Diese Versuche wurden dadurch bestätigt, dass die protonierte Form des Chinins eine kompetitive Form der Inhibition zeigte und den Transporter von außen hemmte. / The first organic cation transporter was cloned from rat (rOCT1) in 1994 by using the expression cloning technique (Gründemann et al., 1994). In 1999 it was found that one of the aminoacids in the 11th transmembranedomain of rOCT1, is part of it’s substrate binding pocket (Gorboulev et al., 1999). It was the aim of this thesis to identify more aminoacids of functional relevance for this transport protein. A comparison of all 12 helical wheels of the transporter showed, that there is an accumulation of 5 OCT and OCTN specific aminoacids at one side of the a-helix. These aminoacids were K215, W218, Y222, T226 and V229. Different single point mutations have been generated at these positions. Using radiolabeled substrates for rOCT1, the experiments showed, that even a substitution by a structural related aminoacid at the flanking aminoacids resulted in a failure of substrate transport. For TEA transport it has been suggested that the aminoacid at position 218 should have aromatic properties. We therefor suggest a cation-p interaction between the aromatic ringsystem of W218 and the positive charge of TEA. Experiments with mutations in position Y222 also showed differences in transport rates and affinities referring to the wildtype using different substrates. A cation-p interaction could be excluded, but it was shown, that there was a 20fold increased affinity of TPeA for the mutant Y222F. Further experiments utilizing the two electrode voltage clamp technique showed different affinities for wildtype rOCT1 in comparison to the mutated protein in its outward and inward conformation. The wildtype showed a competitive type of inhibition for TPeA inhibited TEA current, the mutant showed a non-competitive type of inhibition. The mutant T226A also showed changes in affinity and selectivity. In all transporting mutants we found no or lowest changes in the transport characteristics of MPP, but very big changes in the transport characteristics of TEA, an indication for different binding sites for these substrates. The experiment clearly showed, that these five aminoacids are of functional relevance for rOCT1 transport. In experiments using quinine as inhibitor of rOCT2 mediated transport quinine in it’s uncharged form passed the oocyte membrane by diffusion and inhibited rOCT2 from the inside. This might be the reason for the non-competitive type of inhibition, using quinine as the inhibitor for TEA uptake. This hypothesis was confirmed when we showed that the type of inhibition changed into the competitive type, when we used the protonated form of quinine.

Makrophagen spielen als Zellen der angeborenen Abwehr eine wichtige Rolle bei der Immunabwehr. Ziel dieser Arbeit war die phänotypische und funktionelle Charakterisierung von Alveolarmakrophagen der Ratte. Hierzu wurden die durch eine bronchoalveoläre Lavage gewonnenen Alveolarmakrophagen immunhistologisch und durchflusszytometrisch untersucht. Zusätzlich wurden sie in vitro mit LPS und IFN-g stimuliert. Die Produktion von Stickstoffmonoxid wurde mit dem Griess Reagenz bestimmt und die Expression von iNOS im Immunoblot nachgewiesen. Zudem wurde die Interaktion mit naiven T-Lymphozyten untersucht. Als Vergleichszellen wurden Peritonealmakrophagen verwendet. Bei den aus bronchoalveolären Lavagen gewonnenen Zellen handelte es sich eindeutig um CD68- und CD11b-positive Alveolarmakrophagen. Vollständig aktivierte Alveolarmakrophagen exprimierten zum Teil andere Oberflächenmoleküle als nicht-aktivierte. So stieg nach Stimulierung der Anteil der Makrophagen, die die kostimulatorischen Moleküle CD80 und CD86 exprimierten, auf ca. 80 Prozent an. Ebenso bildeten sie große Mengen an Stickstoffmonoxid (380 μmol/L NO nach 48 Stunden bei 1 μg/mL LPS) und exprimierten auch das Enzym iNOS. Die aktivierten Alveolarmakrophagen waren nicht in der Lage, naive T-Lymphozyten zu aktivieren. Die Stimulierung der Alveolarmakrophagen in vitro hat gezeigt, dass LPS und IFN-g in den getesteten Konzentrationen in der Lage waren, Makrophagen vollständig zu aktivieren. Die zweistufige Aktivierung von Makrophagen durch ein Priming mit IFN-g und eine darauf folgende vollständige Aktivierung mit LPS, ist bei hohen lokalen Konzentrationen auch nur mit LPS bzw. IFN- g möglich. Dies unterstreicht die besondere Bedeutung der beiden Mediatoren für die Aktivierung von Makrophagen. / Macrophages play an important role as cells of the innate immune system. The functional and phenotypic characterisation of alveolar macrophages of the rat was the purpose of this dissertation. Alveolar macrophages, extracted by bronchoalveolar lavage, were studied with immunohistologic and flow cytometric methods. In addition they were stimulated in vitro with LPS and IFN-. The production of nitrogenmonoxid was measured using the Griess Reagent System and the expression of iNOS was shown by immunoblotting. Further examinations of the interaction between alveolar macrophages and naive T lymphocytes were also performed. Peritoneal macrophages were used to perform a comparative analysis. The cells extracted by bronchoalveolar lavage are clearly alveolar macrophages (CD68 and CD11b in immunohistology almost 100 percent positive). The expression of surface proteins differed between completely activated alveolar macrophages and non-activated ones. After stimulation the amount of macrophages expressing the co-stimulatory molecules CD80 and CD86 rose up to 80 percent. Furthermore they were producing large amounts of nitrogenmonoxid (380 µmol/L NO after 48 hours with 1 µg/mL LPS) (see pictures 4.16 and 4.17) and were expressing the enzyme iNOS (picture 4.19) all of which cannot be observed for non-activated macrophages. Activated macrophages were not able to stimulate naïve T lymphocytes; explaining the absence of proliferation of T lymphocytes in MLR measurements. The in vitro stimulation of alveolar macrophages showed that LPS (125, 250, 1000 ng/mL) and IFN-g(250 ng/mL) were able to stimulate alveolar macrophages completely. The two-stage activation of macrophages utilizing IFN-gfor priming and a subsequently complete activation using LPS, is also possible using high concentrations of LPS or IFN-g alone. This points out the importance of the two mediators for the activation of macrophages.

In der vorliegenden Arbeit wurde überprüft, ob sich sham-operierte Versuchsratten und gesunde Vergleichsratten in via Cine-Herz-MRT zu erfassenden Parametern signifkant unterscheiden. Hierzu wurden an einem Bruker 7 Tesla-Magnetresonanztomografen drei verschiedene Tiergruppen à 6 Tiere untersucht. Der erste Vergleich fand statt zwischen der gesunden Vergleichsgruppe und einer ähnlich schweren Shamtiergruppe, die sich in der 8. postoperativen Woche befand. Nachdem hier keinerlei signifikante Unterschiede zwischen den beiden Gruppen festzustellen waren, wurde der Vergleich ausgeweitet: Die Shamgruppe wurde zu einem frühen postoperativen Zeitpunkt (7-14 Tage postoperativ) ein zweites Mal mit der gesunden Gruppe verglichen. / The aim of this study was to test whether heart infarction sham operated rats were disparable from healthy rats by parameters captured by Cine MRI, gold standard of cardiac imaging. Therefore three groups of animals were examined, right and left ventricular myocardial parameters were determined and a comprehensive comparison of cardiac parameters was done. The first comparison was drawn between a healthy animal group and sham operated animals of nearly similar weight and age, 8 weeks after surgical procedure. Furthermore, we compared the same healthy animals’ group with remarkably younger sham animals quite shortly (in the 2nd week) after surgery.

Interleukin-6 (IL-6), oncostatin M (OSM), leukaemia inhibitory factor (LIF) and cardiotrophin-1 (CT-1) are members of the IL-6-type cytokine family that is characterised by sharing the common receptor subunit gp130. While the involvement of these polypeptides in cell differentiation, cell survival, proliferation, apoptosis, inflammation, haematopoiesis, immune response and acute phase reaction has already been demonstrated, the description of their role in development and progression of cardiac hypertrophy is still rather limited. A model has been postulated that declares the transient expression of IL-6-type cytokines as protective, while a continuous cardiac secretion of these proteins seems to be rather harmful for the heart. Within the first part of the study (results 4.1, 4.2 and 4.3) it was shown that OSM induces hypertrophy of primary neonatal rat cardiomyocytes (NRCM), just as its related cytokines LIF, CT-1 and hIL-6/hsIL-6R (hsIL-6R, human soluble IL-6 receptor). Regarding the hypertrophic potentials the LIFR/gp130 utilising cytokines (hLIF, hOSM and hCT-1) are stronger inducers than the OSMR/gp130 utilising mOSM. Human IL-6/hsIL-6R which signals via a gp130 homodimer has the weakest hypertrophic effect. The thorough analysis of typical signalling pathways initiated by IL-6-type cytokines revealed that STAT3 phosphorylation at Y705 seems to be the most important hypertrophy promoting pathway. In addition and in contrast to published work, we clearly demonstrate that classical IL-6 signalling (upon pure IL-6 treatment) has no hypertrophic effect on cardiomyocytes, because they lack sufficient amounts of the membrane-bound IL-6R. This is also true for neonatal rat cardiac fibroblasts (NRCFB). Since these cells can also influence cardiac hypertrophy, signalling pathways and target genes were additionally examined in NRCFB in response to OSM, LIF and IL-6/sIL-6R. One of the key findings of this thesis is the selective change in expression of cytokines and receptors of the IL-6 family in both cell types upon IL-6-type cytokine stimulation. A striking difference between NRCM and NRCFB is the fact that the target gene induction in NRCM is of similar duration upon mOSM and hIL-6/hsIL-6R treatment, while hIL-6/hsIL-6R is capable of promoting the induction of OSMR and IL-6 significantly longer in NRCFB. By searching for transcription factors or intermediate cytokines which could be responsible for this difference, a strong correlation between increased Il6 transcription and amount of mRNA levels for C/EBPβ and C/EBPδ was observed in response to IL-6/sIL-6R stimulation. Interestingly, mOSM also mediates the induction of C/EBPβ and δ, but the initiation is significantly less efficient than in response to IL-6/sIL-6R. Therefore, we assume that mOSM stimulation fails to reach threshold values required for a prolonged IL-6 secretion. Since we additionally observe a slight IL-6R mRNA upregulation in NRCFB, we assume that the combination of IL-6, LIF, C/EBPβ, C/EBPδ and IL-6R expression might be responsible for the observed different kinetics with which IL-6 and OSM stimulate NRCFB. In addition to the aforementioned proteins, members of the renin-angiotensin system seem to support the IL-6-type cytokine mediated hypertrophy. Since it has already been shown that angiotensin II vice versa induces IL-6 expression in NRCM and NRCFB, this enhanced expression of AT1α and ACE could be of crucial interest for the hypertrophy supporting phenotype. The second part of the presented work dealt with the characterisation of the receptor complexes of rat OSM. The central question of this analysis was, whether rOSM, just like mOSM, only binds the type II (OSMR/gp130) receptor complex or is able to utilise the type II and type I (LIFR/gp130) receptor complex. Using different experimental approaches (knock-down of the OSMR expression by RNA interference, blocking of the LIFR by LIF-05, an antagonistic LIF variant, and generation of stably transfected Ba/F3 cells expressing the newly cloned rat OSMR/gp130 or LIFR/gp130 receptor complex) we can clearly show that rat OSM surprisingly utilises both, the type I and type II receptor complex. Therefore it closely mimics the human situation. Furthermore, rOSM displays cross-species activities and stimulates cells of human as well as murine origin. Its signaling capacities closely mimic those of human OSM in cell types of different origin in the way that strong activation of the JAK/STAT, the MAP kinase as well as the PI3K/Akt pathways can be observed. Therefore, the results obtained in the last section of this thesis clearly suggest that rat disease models would allow evaluation of the relevance of OSM for human biology much better than murine models. / Interleukin-6 (IL-6), Oncostatin M (OSM), Leukämie inhibierender Faktor (LIF) und Cardiotrophin-1 (CT-1) sind Mitglieder der IL-6-Typ Zytokin-Familie, welche durch die gemeinsame Nutzung der Rezeptoruntereinheit gp130 charakterisiert ist. Während eine Beteiligung dieser Proteine bei Zelldifferenzierung, Zellüberleben, Proliferation, Apoptose, Entzündung, Hämatopoese, Immunantwort und Akut-Phase-Reaktion bereits gezeigt wurde, ist die Beschreibung ihrer Rolle bei der Entstehung und dem Fortschreiten der kardialen Hypertrophie deutlich limitierter. Es wurde bereits ein Modell postuliert, nach dem die kurzzeitige Expression dieser Zytokine schützend wirkt, während eine andauernde kardiale Sekretion eher schädlich für das Herz zu sein scheint. Im ersten Teil der Arbeit (Ergebnisse 4.1, 4.2 und 4.3) konnte gezeigt werden, dass OSM wie auch seine verwandten Zytokine LIF, CT-1 und hIL-6/hsIL-6R (hsIL-6R, humaner löslicher IL-6 Rezeptor) Hypertrophie-induzierend auf primäre neonatale Ratten-Kardiomyozyten (NRCM) wirkt. Hinsichtlich ihres hypertrophen Potentials sind die Zytokine, welche über LIFR/gp130 signalisieren (hLIF, hOSM und hCT-1), die stärkeren Induktoren im Vergleich zu mOSM, welches den OSMR/gp130 Rezeptorkomplex bindet. Die Stimulation mit humanem IL-6/hsIL-6R hatte hingegen die schwächste hypertrophe Wirkung. Unsere genaue Analyse der typischen IL-6-Typ Zytokin vermittelten Signalwege enthüllte die Phosphorylierung von STAT3 an Y705 als offenkundig wichtigsten hypertrophen Weg. Zusätzlich dazu konnten wir auch zeigen, dass klassisches IL-6 Signalling (ohne sIL-6R) keinen hypertrophen Einfluss auf NRCM hat, da diesen Zellen ausreichende Mengen des membranständigen IL-6R fehlen. Diese Beobachtung steht in klarem Kontrast zu bereits publizierten Arbeiten. In den ebenfalls untersuchten neonatalen Ratten-Kardiofibroblasten (NRCFB) verhält es sich, was den IL-6R angeht, genauso wie in NRCM. Da auch diese Zellen eine kardiale Hypertrophie mit beeinflussen können, wurden in ihnen die gleichen Signalwege und Zielgene nach Stimulation mit OSM, LIF und IL-6/sIL-6R untersucht. Die selektive Expressionsregulation von Zytokinen und Rezeptoren der IL-6-Familie in beiden Zelltypen nach IL-6-Typ Zytokin Stimulation ist hierbei einer unserer wichtigsten Befunde. Ein gravierender Unterschied zwischen NRCM und NRCFB besteht darin, dass die mOSM und hIL-6/hsIL-6R vermittelte Geninduktion in NRCM von vergleichbarer Dauer ist, wohingegen sie sich in NRCFB unterscheidet. Bei der Suche nach Transkriptionsfaktoren oder intermediären Zytokinen, welche für diesen Unterschied verantwortlich sein könnten, beobachteten wir nach IL-6/sIL-6R Stimulation eine deutliche Korrelation zwischen der Il6-Transkription und den mRNA Mengen von C/EBPβ und C/EBPδ. Auch OSM ist in der Lage beide Transkriptionsfaktoren zu induzieren, jedoch viel ineffizienter als IL-6/sIL-6R. Wir vermuten, dass mOSM einen bestimmten Schwellenwert, der für die verlängerte IL-6 Sekretion benötigt wird, nicht erreicht. Da wir zusätzlich noch eine schwache Zunahme der IL-6R mRNA in NRCFB beobachten konnten, gehen wir davon aus, dass die Expression von IL-6, LIF, C/EBPβ, C/EBPδ und IL-6R für die unterschiedlichen Kinetiken, mit denen IL-6 und OSM NRCFB stimulieren, verantwortlich sein dürfte. Es scheinen auch Mitglieder des Renin-Angiotensin-Systems die IL-6-Typ Zytokin vermittelte Hypertrophie zu unterstützen. Da schon gezeigt wurde, dass Angiotensin II reziprok die IL-6 Expression induziert, könnte diese verstärkte Synthese von AT1α und ACE von größter Bedeutung für den Hypertrophie-unterstützenden Phänotyp sein. Der zweite Teil der Arbeit (4.4) beschäftigte sich mit der Charakterisierung der Rezeptorkomplexe des Ratten-OSM. Die zentrale Frage hierbei bestand darin, ob rOSM wie mOSM nur den Typ II (OSMR/gp130) Rezeptorkomplex bindet, oder wie das hOSM sowohl den Typ II als auch den Typ I (LIFR/gp130) Rezeptorkomplex benutzen kann. Mit Hilfe unterschiedlicher experimenteller Strategien (knock-down der OSMR Expression durch RNA-Interferenz, LIFR-Blockade durch antagonistisches LIF-05, und die Generierung von stabil transfizierten Ba/F3-Zellen, welche die hierzu klonierten OSMR/gp130 oder LIFR/gp130 Rezeptorkomplexe der Ratte exprimieren) konnten wir eindeutig zeigen, dass Ratten-OSM überraschenderweise beide Rezeptorkomplexe benutzt. In dieser Hinsicht verhält sich es sich wie das humane Homolog. Des Weiteren besitzt Ratten-OSM Kreuz-Spezies-Aktivität und stimuliert humane und murine Zellen. Das Signal-Potential von rOSM ist dem von humanem OSM auf Zellen unterschiedlichen Ursprungs sehr ähnlich. Das Zytokin ist befähigt JAK/STAT, MAP Kinase und PI3K/Akt Signalwege potent zu aktivieren. Deshalb deuten die Daten des zweiten Teils dieser Arbeit darauf hin, dass Krankheitsmodelle in Ratten die Evaluierung der Relevanz des OSM für die humane Biologie deutlich besser widerspiegeln würden als murine Modelle.

A precious treasure in traditional Chinese medicine (TCM), acupuncture played a vital and irreplaceable role in contributing to people’s health in the thousands of years of Chinese history, and in 2010 was officially added to the “Representative List of the Intangible Cultural Heritage of Humanity” by the United Nations. Because of the side-effects of long-term drug therapy for pain, and the risks of dependency, acupuncture has been widely accepted as one of the most important alternative choice therapies for treating varieties of acute and chronic pain-related disorders. The clinical application and scientific mechanism research of acupuncture have therefore increased intensively in the last few decades. Besides hand acupuncture, other treatment approaches e.g. electroacupuncture (EA) have been widely accepted and applied as an important acupuncture-related technique for acupuncture analgesia (AA) research. The involvement of opioid peptides and receptors in acute AA has been shown via pre-EA application of opioid receptor/peptide antagonists. However, existing publications still cannot illuminate the answer to the following question: how does sustained antinociception happen by EA treatment? The hypothesis of opioid peptide-mediated tonic AA might be able to answer the question. In the first part of this thesis, the institution of a reproducible acupuncture treatment model as well as the endogenous opioid-related mechanisms was demonstrated. An anatomically-based three-dimensional (3D) rat model was established to exhibit a digital true-to-life organism, accurate acupoint position and EA treatment protocol on bilateral acupoint GB-30 Huantiao. The optimal EA treatment protocol (100 Hz, 2-3 mA, 0.1 ms, 20 min) at 0 and 24 h after induction of inflammatory pain by complete Freund’s adjuvant (CFA) on conscious free-moving rats was then established. EA elicited significant sustained mechanical and thermal antinociception up to 144 h. Post-EA application of opioid receptors (mu opioid receptor, MOR; delta opioid receptor, DOR) antagonists naloxone (NLX) and naltrindole (NTI), or opioid peptide antibodies anti-beta-endorphin (anti-END), met-enkephalin (anti-ENK) or -dynorphin A (anti-DYN) could also block this effect at a late phase (96 h) of CFA post-EA, which suggested opioid-dependent tonic analgesia was produced by EA. Meanwhile, EA also reduced paw temperature and volume at 72-144 h post CFA indicating anti-inflammatory effects. Nociceptive thresholds were assessed by paw pressure threshold (Randall-Sellito) or paw withdrawal latency (Hargreaves) and an anti-inflammatory effect was evaluated by measurement of plantar temperature and volume of inflamed paw. The second part of the thesis further suggests the correlation between the chemokine CXCL10 (= interferon-gamma inducible protein 10, IP-10) and opioid peptides in EA-induced antinociception. Based on a comprehensive Cytokine Array of 29 cytokines, targeted cytokines interleukin (IL)-1alpha, interleukin (IL)-1beta, tumor necrosis factor (TNF)-alpha, interleukin (IL)-4, interleukin (IL)-13, interferon (IFN)-gamma as well as CXCL10 were selected and quantified by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), and real time reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) quantification confirmed upregulation of CXCL10 mRNA at both 72 and 96 h. The following hyperalgesic assessment suggested the antinociceptive effect of CXCL10. The double immunostaining localizing opioid peptides with macrophages expressed the evident upregulation of CXCR3-receptor of CXCL10 in EA treated samples as well as the significant upregulation or downregulation of opioid peptides by repeated treatment of CXCL10 or antibody of CXCL10 via behavioral tests and immune staining. Subsequent immunoblotting measurements showed non-alteration of opioid receptor level by EA, indicating that the opioid receptors did not apparently contribute to AA in the present studies. In vitro, CXCL10 did not directly trigger opioid peptide END release from freshly isolated rat macrophages. This might implicate an indirect property of CXCL10 in vitro stimulating the opioid peptide-containing macrophages by requiring additional mediators in inflammatory tissue. In summary, this project intended to explore the peripheral opioid-dependent analgesic mechanisms of acupuncture with a novel 3D treatment rat model and put forward new information to support the pivot role of chemokine CXCL10 in mediating EA-induced tonic antinociception via peripheral opioid peptides. / Als wertvoller Schatz in der traditionellen chinesischen Medizin (TCM) spielt die Akupunktur eine wichtige und unersetzliche Rolle für die Gesundheit der Menschen in der über tausendjährigen Geschichte von China und wurde im Jahr 2010 offiziell in das "Weltkulturerbe" der Vereinten Nationen aufgenommen. Aufgrund der Nebenwirkungen von Langzeittherapien zur Schmerzbehandlung und dem Risiko der Abhängigkeit wird Akupunktur weithin als eine wichtigste Alternative für die Behandlung von akuten und chronischen Schmerzen eingesetzt. Die klinische Anwendung und Forschung in der Akupunktur wurden in den letzten Jahrzehnten intensiv vorangetrieben. Neben Handakupunktur gibt es noch andere Behandlungsmöglichkeiten, wie z.B. die Elektroakupunktur (EA). EA ist vor allem eine allgemein akzeptierte und wichtige akupunkturbezogene Technik für die Akupunkturanalgesie (AA) in der Forschung. Die Beteiligung von Opioidpeptiden und Opioidrezeptoren in der akuten AA wurde mittels Anwendung von Opioidrezeptorantagonisten/Opioidpeptidantikörpern appliziert vor EA gezeigt. Nach dem aktuellen Forschungsstand kann man jedoch nicht die Frage beantworten, wie die längerfristige (tonische) Antinozizeption nach EA-Behandlung funktioniert. Mit einer Hypothese zur Opioidpeptid vermittelten tonischen AA könnte man die Frage hierzu beantworten. In der vorliegenden Arbeit wurden in einem Modell der Akupunktur zum ersten Mal endogene Opioid-vermittelte Mechanismen reproduzierbar nachgewiesen. Es wurde ein dreidimensionales (3D) anatomisch-basiertes Rattenmodell entworfen, um am wachen Tier ein genaue Akupunkturbehandlung (EA) an den Akupunkten GB-30 Huantiao beidseitig durchzuführen. Darüber hinaus wurde ein optimiertes Behandlungsprotokoll von EA (100 Hz, 2-3 mA, 0.1 ms, 20 min) bei Ratten 0 und 24 h nach intraplantarer Injektion von komplettem Freunds Adjuvans (CFA) etabliert. Nozizeptive Schwellen wurden mittels Pfotendruckschwelle (Randall-Sellito) oder Pfotenrückzugslatenzzeit (Hargreaves) gemessen und die entzündungshemmende Wirkung durch Messung der Pfotentemperatur und Volumen der entzündeten Pfote ausgewertet. EA bewirkte eine signifikante mechanische und thermische Antinozizeption, welche bis zu 144 h anhielt. Die antinozizeptive Wirkung durch EA war nach Injektion von Opioidrezeptorantagonisten (mu opioid receptor, MOR; delta opioid receptor, DOR) Naloxon (NLX) und Naltrindol (NTI) oder Antikörpern gegen die Opioidpeptide beta-Endorphin (anti-END), Met-Enkephalin (anti-ENK) oder Dynorphin A (anti-DYN) während der späten Entzündungsphase (96 h) mit CFA blockierbar. Dies lässt auf eine durch EA induzierte tonische Analgesie schließen. Darüber hinaus reduzierte EA auch die erhöhte Pfotentemperatur und das erhöhte Pfotenvolumen, welche sehr typisch ist für eine 96-144 h Entzündung mit CFA. Dies spricht für eine entzündungshemmende Wirkung von EA. Nachfolgend wurde die Beteiligung von Opioidpeptiden und dem Chemokin CXCL10 (= Interferon-gamma induziertes Protein 10, IP-10) sowie die Korrelationen zwischen beiden geklärt. Basierend auf umfangreichenden Zytokinarrays mit 29 Zytokinen, wurden die Zytokine Interleukin (IL)-1alpha, Interleukin (IL)-1beta, Tumornekrosefaktor (TNF)-alpha, Interleukin (IL)-4, Interleukin (IL)-13, Interferon (IFN)-gamma und CXCL10 gezielt ausgewählt und im Enzym Immunoassay (ELISA) sowie durch eine Echtzeit Reverse Transkription-Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) quantifiziert. Die Quantifizierung auf mRNA-Ebene zeigte eine Hochregulation von CXCL10 bei 96 h und zum früheren Zeitpunkt von 72 h. Nachfolgende Schmerzschwellenmessungen wiesen auf eine antinozizeptive Wirkung von CXCL10 hin. Eine Doppelimmunfärbung zeigte die Lokalisation von Opioidpeptiden in Makrophagen. Nachweislich wurde die Expression des CXCR3-Rezeptor von CXCL10 in EA behandelten Pfoten erhöht. Ebenso kam es zu einer signifikanten Hochregulation von Opioidpeptiden durch wiederholte Behandlung mit CXCL10 bzw. Herunterregulation der Opioidpeptide nach wiederholter Behandlung mit anti-CXCL10 Antikörper. Dies wurde sowohl in Verhaltenstests als auch in der Immunfärbung zu beobachtet. Immunoblotting zeigte keine Veränderung der Expression von Opioidrezeptoren nach EA, was schließen lässt, dass die Menge an Opioidrezeptoren in den vorliegenden Untersuchungen keine Rolle spielen. Da CXCL10 in vitro keine direkten Effekt auf die Freisetzung des Opioidpeptides beta-END aus frisch isolierten Rattenmakrophagen hat, liegt die Vermutung nahe, dass CXCL10 in vitro eine indirekte Rolle als Mediator zukommt und indirekt die Opioidpeptidfreisetzung aus Makrophagen in entzündlichen Gewebe stimuliert wird. Zusammenfassend wurden in dem hier vorgestellten Projekt die Opioidpeptid-abhängigen analgetischen und peripheren Mechanismen der Akupunktur mit einem neuartigem 3D-Behandlungsmodell der Ratte untersucht und eine Schlüsselrolle des Chemokins CXCL10 bei der Vermittlung der EA-induzierten tonischen Antinozizeption in Abhändigkeit von peripheren Opioidpeptiden. (Translated by Dr. Dagmar Hackel and revised by Priv.-Doz. Dr. Heike Rittner)