Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2003. / Dateien im PDF-Format

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Univ., Diss., 2005--Frankfurt (Main)

Universiẗat, Diss., 2006--Frankfurt (Main).

TTFields sind eine zugelassene Therapie für die Behandlung von Glioblastom IDH-Wildtyp. Es handelt sich dabei um elektrische Wechselfelder niedriger Intensität und mittlerer Frequenz, die therapeutisch aus zwei Richtungen durch ein tragbares, nicht-invasives Gerät appliziert werden. Sie verhindern die Spindelfaserbildung während der Mitose. Die Wirkung vieler effektiver Chemotherapeutika ist im ZNS durch die Blut-Hirn-Schranke (BHS) eingeschränkt. Die BHS wird nach TTFields Applikation bei 100 kHz in einem murinen cerebEND-Zell-Modell vorübergehend geöffnet. Dieser Effekt wurde in dieser Arbeit zunächst mit Hilfe von Immunfluoreszenzmikroskopie und dann durch einen fraktionierten Western-Blot bestätigt, dass der mutmaßliche Wirkungsmechanismus von TTFields in der Delokalisierung des tight junction Proteins Claudin-5 von der Membran in das Zytoplasma liegt. TEER-Messungen zeigten, dass sich die Integrität der BHS durch 100 kHz TTFields nach 72 h verringerte und 48 h - 72 h nach Ende der Behandlung wieder normalisierte, auch wenn statt eines Behandlungsendes auf 200 kHz TTFields umgeschaltet wurde. Der zweite Teil der Untersuchung bestand darin, ein BHS-Modell aus humanen HBMVEC Zellen zu etablieren, um die Auswirkungen von TTFields im humanen System verifizieren zu können. Zunächst konnten keine Effekte von TTFields unterschiedlicher Frequenz auf eine HBMVEC-Monokultur festgestellt werden. In einer Kokultur mit Perizyten gab es eine erhöhte Expression von Claudin-5, Occludin und PECAM-1. Allerdings zeigten die TEER-Messungen und ein Permeabilitätsassay keine Unterschiede zwischen den Mono- und Kokultur-Modellen der BHS auf. Durch eine transiente Öffnung der BHS könnte eine höhere Dosis von Therapeutika, die normalerweise die BHS nicht überwinden können, im ZNS erreicht werden. Damit könnten TTFields eine innovative Methode zur Behandlung von Hirntumoren und anderen Erkrankungen des ZNS darstellen. Die hier präsentierten Daten geben erste Hinweise in diese Richtung, müssen aber noch optimiert und verifiziert werden. / TTFields are an approved therapy for the treatment of glioblastoma IDH-wildtype. They are low intensity, medium frequency alternating electric fields which are applied therapeutically from two directions by a portable, non-invasive device. TTFields prevent spindle fiber formation during mitosis by aligning the strongly polar tubulin subunits in the electrical fields. The achievement of effective chemotherapy of glioblastoma IDH-wildtype and other central nervous system (CNS) disorders is limited by the blood-brain barrier (BBB). Application of TTFields at 100 kHz at the mouse cell line cerebEND temporarily opens the BBB. This TTFields effect was observed in fluorescence microscopy. Fractionated Western-Blots revealed delocalisation of the TJ-Protein Claudin-5 from the membrane to the cytoplasm due to the application of TTFields. The integrity of the BBB has been shown in TEER measurements to be interrupted by 72 h TTFields application at 100 kHz. This effect was reversible and repeatable. In addition, if TTFields at 200 kHz were applied after BBB-opening at 100 kHz the cells recovered. The second part of this project was to establish a human cell culture BBB model (HBMVEC) to investigate TTFields effects on human cells. There were no effects of TTFields at different frequencies on HBMVEC cells detectable. HBMVEC cells had lower expression of Claudin-5, Occludin and PECAM-1 compared to their co-culture with pericytes. However, TEER measurements and permeability assays revealed no differences between such mono- and co-cultures. By overcoming the BBB a higher dose of the drugs could be achieved in a more controlled manner in the CNS. As a result, TTFields could be an innovative method for the treatment of brain tumours and other diseases of the CNS. The presented experiments provide a first rationale in this direction but require optimisation and verification.

Protocadherine spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Nervensystems und sind an Prozessen der Zellmigration und -differenzierung, sowie der Hemmung von Zellwachstum beteiligt. Um die Funktion und Regulation von Protocadherin gamma C3 (PcdhγC3) an mikrovaskulären Endothelzellen des Großhirns (cEND) und des Kleinhirns (cerebEND) zu untersuchen, wurden die PcdhγC3-Knock-out (KO) Zelllinien mit der CRISPR/Cas9 Methode etabliert. Der KO führt zu verminderten Barriereeigenschaften der Blut-Hirn-Schranke (BHS), was sich in einer erhöhten Permeabilität für Fluoreszein und einem verringerten transendothelialen elektrischen Widerstand (TEER) widerspiegelt. Es konnte eine Veränderung der Wachstumsrate und dem Adhäsionsverhalten der KO-Zellen nachgewiesen werden. Auch die Expression der Tight-Junction-Proteine, sowie einiger Komponenten des Wnt und mTOR Signalwegs wurden durch den KO von PcdhgC3 beeinflusst. / Protocadherins (Pcdhs) play an important role in neuronal development, cell migration and differentiation, as well as inhibition of cell growth. To investigate the function and regulation of Protocadherin gamma C3 (PcdhgC3) on microvascular endothelial cells of the cerebrum (cEND) and cerebellum (cerebEND), PcdhgC3 knock-out (KO) cell lines were generated, using the CRIPS/Cas9 method. The Knock-out lowers the barrier function oft he blood-brain-barrier (BBB), which can be seen in lower transendothelial electrical resistance (TEER) and higher permeabilitiy for fluorescein. We detectet a change in the growth rate and the cellular adhesion of the KO-cells. Also the expression of tight-junction proteins, as well as parts oft the Wnt and mTOR signalling pathway are altered by the KO of PcdhgC3.

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

Molekularbiologische Untersuchungen der Blut-Hirn-Schranke nach Subarachnoidalblutung wurden bisher nur an In-vivo-Modellen durchgeführt. In dieser Arbeit konnte erfolgreich ein In-vitro-Modell der Subarachnoidalblutung etabliert werden. Soweit bekannt, handelt es sich um das erste zellkulturbasierte In-vitro-Modell dieser Erkrankung. Nach einer Subarachnoidalblutung besteht ein erhöhtes Risiko ein sekundäres Takotsubo zu entwickeln. Es konnte gezeigt werden, dass Serum von Takotsubo-Patienten eine schädlichere Wirkung auf die zerebellären Endothelzellen, und damit auf die Barrierefunktion der Blut-Hirn-Schranke, hat, als Serum von gesunden Patienten oder von Patienten mit akutem Koronarsyndrom. Gleichzeitig konnten erhöhte Entzündungsmediatoren sowie leicht erhöhte Katecholaminkonzentrationen im Serum der Takotsubo-Patienten gemessen werden. Die bei der Takotsubo-Kardiomyopathie gemessenen Katecholaminkonzentrationen hatten weder einen schädlichen Effekt auf Endothelzellen murinen Ursprungs noch auf Endothelzellen humanen Ursprungs. Somit scheint eher die Kombination von Katecholaminen und proinflammatorischen Zytokinen für die Schädigung der Blut-Hirn-Schranke verantwortlich zu sein. Ob auch andere Blutbestandteile eine Rolle spielen, müssen weitere Untersuchungen noch zeigen. Insbesondere freie Sauerstoffradikale könnten hier eine entscheidende Rolle bei der Schädigung spielen. Unklar ist auch, ob diese Schädigung der Blut-Hirn-Schranke eine Rolle für das neurologische Outcome nach Subarachnoidalblutung mit sekundärem Takotsubo spielt. Hier sind weitere Studien mit größerer Fallzahl erforderlich. Daneben ist Takotsubo eher eine Erkrankung des älteren Patienten. Inwiefern Altersprozesse bei der Pathophysiologie dieser Erkrankung eine Rolle spielen, ist noch unklar. Eine weitere Limitation ist, dass nur ein vereinfachtes Modell der Blut-Hirn-Schranke mit nur einem Zelltyp, den Endothelzellen, verwendet wurde. Andere Zelltypen (wie Perizyten, Astrozyten, Neuronen, Mikroglia) spielen jedoch ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung und Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke. / Molecular biological investigations of the blood-brain-barrier after subarachnoid haemorrhage have so far only been carried out using in-vivo-models. In this work, an in-vitro-model of subarachnoid haemorrhage was successfully established. As far as is known, this is the first cell culture-based in-vitro-model of this disease. After a subarachnoid haemorrhage there is an increased risk of developing a secondary Takotsubo. It has been shown that serum from Takotsubo patients has a more damaging effect on cerebellar endothelial cells, (and thus on the barrier function of the blood-brain-barrier), than serum from healthy patients or patients with acute coronary syndrome. At the same time, increased inflammatory mediators and slightly increased catecholamine concentrations were measured in the serum of Takotsubo patients. The catecholamine concentrations measured in Takotsubo cardiomyopathy had neither a harmful effect on endothelial cells of murine origin nor on endothelial cells of human origin. Therefore the combination of catecholamines and proinflammatory cytokines seems to be responsible for the damage to the blood-brain-barrier. Whether other blood components also play a role remains to be seen in further studies. Free oxygen radicals in particular could play a decisive role in the damage. It is also unclear whether this damage to the blood-brain-barrier plays a role in the neurological outcome after subarachnoid haemorrhage with secondary Takotsubo. Further studies with a larger number of cases are required here. In addition, Takotsubo is more commonly a disease of older patients. The extent to which ageing processes play a role in the pathophysiology of this disease is still unclear. A further limitation is that only a simplified model of the blood-brain-barrier with only one cell type, the endothelial cells, was used. However, other cell types (such as pericytes, astrocytes, neurons, microglia) also play an important role in the stabilisation and maintenance of the blood-brain-barrier.

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine selektiv durchlässige Barriere dar, die den Austausch von Stoffen zwischen Blut und ZNS kontrolliert und so neuroprotektiv wirkt. Sie verhindert allerdings nicht nur die Passage toxischer Metaboliten, sondern verwehrt auch vielen therapeutischen Wirkstoffen den Zugang zum Gehirn. Die Forschung an Methoden zum Erreichen höherer Arzneimittelkonzentrationen im Gehirn ist deshalb essenziell für die Behandlung zerebraler Erkrankungen wie dem zerebral metastasierten Mammakarzinom. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, Wirkstoffe zu identifizieren, die die Permeabilität der BHS erhöhen. Die Substanzdatenbank LO1208 von Sigma-Aldrich wurde im Rahmen eines HTS auf ihre permeabilitätsbeeinflussenden Eigenschaften untersucht. Hierbei konnten 31 Substanzen identifiziert werden, welche die Permeabilität von BLECs um mindestens 50 % erhöhen. Aus diesen wurden 4-Amino-1,8-naphthalimid (PARP-Inhibitor) und GW2974 (TKI) für eine genauere Analyse ausgewählt. Als dritter Wirkstoff wurde Ibuilast (Inhibitor der PDE4, des MIF sowie des Toll-like-Rezeptor-4) untersucht, wobei dieser keine signifikante Veränderung der Permeabilität bewirkt. Die Messung des TEERs und der Permeabilität für Fluorescein bestätigten die Ergebnisse aus dem HTS, welches demnach zukünftig für Permeabilitätstests eingesetzt werden kann. Die Zellviabilität wird durch 4 Amino-1,8-naphthalmid nicht beeinflusst. GW2974 und Ibudilast zeigen bei 500 µM einen toxischen Einfluss auf MCF-7-Zellen. BLECs werden durch 100 µM GW2974 gehemmt. Es konnte gezeigt werden, dass die erhöhte Permeabilität mit einer Veränderung der TJ-Proteinexpression einhergeht. 4-Amino-1,8-naphthalimid senkt die Expression von Occludin auf mRNA- und Proteinebene. GW2974 vermindert zusätzlich die Expression von VE-Cadherin, Claudin-5 und ZO-1. Darüber hinaus wurde die Wirkung auf Effluxpumpen untersucht. Die Ergebnisse der mRNA- und Protein-expression weichen voneinander ab, weshalb eine genauere Untersuchung der Translationsvorgänge sinnvoll erscheint. Glut-1 wird in GW2974 behandelten Zellen überexprimiert, was auf eine erhöhte Aktivität der BLECs hinweist. GW2974 und 4-Amino-1,8-naphthalimid könnten durch ihre permeabilitätssteigernde Wirkung die Ansprechrate einer systemischen Behandlung von PatientInnen mit einem zerebral metastasierten Mammakarzinom erhöhen und somit ihre Prognose verbessern. Detaillierte Studien zu Kombinationstherapien, den notwendigen Wirkstoff-konzentrationen und eventuellen negativen neurologischen Wirkungen sollten erwogen werden. / The Blood-Brain Barrier (BBB) represents a selectively permeable barrier that controls the exchange of substances between the blood and the brain and thus has a neuroprotective effect. However, it not only prevents the passage of toxic metabolites, but also limits the access of therapeutic agents to the brain. Further research into methods to achieve higher drug concentrations in the brain is essential for the treatment of cerebral diseases such as cerebral metastatic breast cancer. The goal of this study was to identify drugs that increase the permeability of the BBB. The substance database LO1208 from Sigma-Aldrich was examined for its permeability-influencing properties as part of a high throughput drug screening (HTS). 31 of the examined substances showed an increase of the permeability on brain-like endothelial cells (BLECs) by at least 50%. Thereof 4-amino-1,8-naphthalimide (PARP inhibitor) and GW2974 (TKI) were selected for a more detailed analysis. Ibudilast (inhibitor of PDE4, MIF and Toll-like receptor-4) was found to be the third most active substance, although it did not cause any significant change in permeability. The measurement of the trans endothelial electrical resistance (TEER) and the permeability for fluorescein confirmed the results from the HTS and therefore is suggested to be used in further permeability tests in the future. Cell viability is not affected by 4 amino-1,8-naphthalmide. GW2974 and Ibudilast have a toxic effect on MCF-7 cells at a concentration of 500 µM, whereas BLECs are inhibited at a concentration of 100 µM of GW2974. The results show that the increased permeability is associated with a change in tight junction protein expression. 4-Amino-1,8-naphthalimide decreases the expression of occludin at mRNA and protein level. GW2974 also reduces the expression of VE-cadherin, claudin-5 and ZO-1. In addition to the abovementioned analysis, also the effect on efflux pumps was investigated. As the results of the mRNA and protein expression differ from each other, a more detailed analysis will be necessary to investigate the translation process. Glut-1 is overexpressed in GW2974-treated cells, which indicates an increased activity of the BLECs. GW2974 and 4-amino-1,8-naphthalimide could increase the response rate to systemic therapy of patients with cerebral metastatic breast cancer through their permeability-enhancing effect and thereby improve their prognosis. Detailed studies on combination therapies, the necessary drug concentrations and possible negative neurological effects are recommended to gain further insight.

In dieser Arbeit werden die zu einem m-sektoriellen Operator assoziierten Halbgruppen betrachtet, die die Lösungen des Anfangswertproblems der zugehörigen Evolutionsgleichung beschreiben. Es wird eine 1987 von Davies veröffentlichte Methode zur Abschätzung dieser Halbgruppen verallgemeinert. Einen Schwerpunkt bilden die zu Dirichlet-Formen assoziierten Markov-Halbgruppen. Für diese werden die Resultate spezialisiert und der Zusammenhang zur intrinsischen Metrik dargelegt. Die Arbeit schließt mit verschiedenen Beispielen, die zeigen, wie mit diesen Verallgemeinerungen von Davies Methode neue Anwendungsgebiete erschlossen werden können. / This thesis is about m-sectorial operators and their associated semigroups describing the solutions of the initial value problem of the corresponding evolution equation. We generalize a method published by Davies 1987 to estimate these semigroups. A focus is set on Markov semigroups associated with Dirchlet forms. The results are applied to them and the connection to the intrinsic metric is presented. The thesis ends with different examples showing how this generalization of Davies method can be applied into new fields of application.