Neutrophil extravasation into tissues is an essential process required for the inflammatory response. Upon receiving an inflammatory cue, neutrophils begin accumulating on the luminal surface of the endothelium. Neutrophil recruitment is initiated by selectin-mediated tethering and rolling of neutrophils along the endothelial monolayer, followed by integrin-mediated firm adhesion. Adherent neutrophils then traverse the endothelium in a process known as transendothelial migration. The events mediating the rolling and adhesion steps are well characterised, but research into the molecular mechanisms regulating transendothelial migration is an area of intense focus. A previous study conducted in our laboratory found that the activation of endothelial extracellular signal-regulated kinase (ERK) 1/2 was required for neutrophil transmigration. Furthermore, it was found that endothelial ERK was activated in response to a soluble protein produced by fMLP- or IL-8-stimulated neutrophils. In the present study, the soluble ERK-activating neutrophil protein was identified as annexin A1, which was selected as a possible candidate following mass spectrometry analysis of proteins secreted from activated neutrophils. Annexin A1 antibodies (Abs) were found to block endothelial ERK activation induced by conditioned medium harvested from stimulated neutrophils. Annexin A1 Abs were additionally able to inhibit neutrophil transmigration across human umbilical vein endothelial cell (HUVEC) monolayers in an in vitro transmigration assay. Following the purification of recombinant annexin A1, it was demonstrated that it could activate endothelial ERK in a similar manner to neutrophil conditioned medium. Upon further investigation, ERK activation was found to be induced by a truncated form of annexin A1 present in the protein preparation rather than the full length protein. Calpain I, a calcium dependent protease that is activated upon neutrophil stimulation and is known to cleave annexin A1 within the N-terminal domain, was shown to process full length inactive recombinant annexin A1 into an unidentified product that could activate endothelial ERK. A calpain I inhibitor was also found to prevent stimulated neutrophils from secreting an ERK-activating protein, thus further suggesting a role for calpain I in this process. As full length annexin A1 has been reported to signal through the formyl peptide receptor (FPR) family, a pan-FPR antagonist was incubated with endothelial cells and was found to inhibit ERK activation induced by neutrophil conditioned medium, indicating that pro-inflammatory annexin A1 is also a FPR ligand. Endothelial projections termed “transmigratory cups” form around neutrophils during extravasation, of which ICAM-1 is a major component. Using an assay that examined transmigratory cups during neutrophil transmigration, it was found that annexin A1 Abs could inhibit neutrophil adhesion and transmigration through HUVEC monolayers by interfering with transmigratory cup formation around neutrophils, as shown by monitoring ICAM-1 during the process. Quantification of transmigrating neutrophils highlighted that the majority of neutrophils were emigrating via a transcellular pathway, which is in opposition to many in vitro studies where paracellular transmigration predominates. The results generated from this study identified a novel pro-inflammatory role for annexin A1 in neutrophil transendothelial migration. Preliminary experiments suggested that the pro-inflammatory annexin A1 responsible for endothelial ERK activation was a truncated form. Calpain I appears to be a likely candidate responsible for the generation of this uncharacterised, truncated annexin A1 product, however further experiments are required to confirm this hypothesis. Pro-inflammatory annexin A1 represents a new target for the treatment of inflammatory disorders. / http://proxy.library.adelaide.edu.au/login?url= http://library.adelaide.edu.au/cgi-bin/Pwebrecon.cgi?BBID=1374554 / Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Molecular and Biomedical Science, 2009

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Objective: We examined the three-dimensional organization of the endothelial vesicular system with TEM tomography of semi-thick sections. Materials and methods: Mouse abdominal muscle capillaries were perfused with terbium to label vesicular compartments open to the luminal surface. The tissue was prepared for TEM and semi-thick (250nm) sections were cut. Dual axis tilt series, collected from +60° to -60° at 1° increments, were acquired in regions of labeled abluminal caveolae. These tomograms were reconstructed and analyzed to reveal three-dimensional vesicular associations not evident in thin sections. Results: Reconstructed tomograms revealed free vesicles, both labeled and unlabeled, in the endothelial cytoplasm as well as transendothelial channels that spanned the luminal and abluminal membranes. A large membranous compartment connecting the luminal and abluminal surfaces was also present. Computer modeling of tomographic data and video animations provided three-dimensional perspectives to these structures. Conclusions: Uncertainties associated with other three-dimensional methods to study the capillary wall are remedied by tomographic analysis of semi-thick sections. Transendothelial channels of fused vesicles and free cytoplasmic vesicles give credence to their role as large pores in the transport of solutes across the walls of continuous capillaries.

Transendothelial migration is a key process in lymphocyte trafficking. It is known that growth hormone (GH) modulates intrathymic T cell migration and that directly or indirectly influences the biology of endothelial cells and thymocytes. In this context, we evaluated the effect of GH on the transendothelial migration of thymocytes, in the presence or absence the chemokine CXCL12. For the study, we applied the murine thymic endothelial cell line (tEnd.1) and thymocytes freshly isolated from male C57BL/6 mice aged 4-6 weeks. Through in vitro studies of transendothelial migration of thymocytes, and analyses by flow cytometry, we observed a statistically significant reduction in the numbers of transmigrated thymocytes, mainly seen for CD4+CD8+ cells, across endothelial barriers treated with GH [100 ng/ml], for 8 h. Importantly, this effect was reverted when thymocytes were treated with GH [100 ng/ml] for 1 h. Similar effects were noted in transmigration through joint action of GH and CXCL12. Despite the fact that all the CD4/CD8-defined subsets have been affected, we observed a statistically significant increase in the number of transmigrated thymocytes, mainly of CD4+CD8+ and CD4+CD8- cells, when they were treated with GH and allowed to migrate in response to CXCL12, when compared to untreated controls in response to CXCL12. We demonstrated, by real-time PCR, that GH at 100 ng/ml did not modulate the expression of VCAM-1 and CXCL12 by tEnd.1 cells treated for 8 h. Furthermore, we found by cytofluorimetric assay that GH alone did not change the membrane expression of VLA-4 and CXCR4 receptor in transmigrated thymocytes. Through joint action of GH and CXCL12, was observed increase in expression of VLA-4 on CD4-CD8+ cells from the group of GH-treated thymocytes, when compared to groups in which endothelial cells were treated. As for expression of CXCR4, we found that the GH/CXCL12 decreased the expression of this receptor on transmigrated thymocytes, mainly in CD4+CD8+ cells from the group in which the thymocytes were treated. In conclusion, our results reinforce that GH influence the thymus physiology and modulate the biology of endothelial cells and thymocytes, with differential effects in the process of endothelial transmigration of murine thymocytes. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / A transmigração endotelial é um processo essencial no trânsito de linfócitos. É sabido que o hormônio do crescimento (GH) está envolvido na migração intratímica de células T, e que influencia direta ou indiretamente a biologia das células endoteliais e dos timócitos. Neste contexto, avaliamos a ação do GH na migração transendotelial de timócitos, frente ou não à quimiocina CXCL12. Para o estudo, utilizamos a linhagem endotelial tEnd.1 e timócitos recém isolados de camundongos machos C57BL/6 de 4-6 semanas. Através do ensaio de transmigração endotelial in vitro de timócitos, e análise por citometria de fluxo, verificamos uma redução estatisticamente significativa no número de timócitos transmigrados, principalmente nas subpopulações CD4+CD8+, frente a barreiras endoteliais tratadas com GH [100 ng/ml], por 8 horas. Este efeito foi revertido quando os timócitos foram tratados com GH [100 ng/ml], por 1 hora. Efeitos similares na transmigração foram notados pela ação do GH frente a CXCL12. Apesar de todas as subpopulações CD4/CD8 terem sido afetadas, observamos um aumento estatisticamente significativo no número de timócitos transmigrados, principalmente das células CD4+CD8+ e CD4+CD8-, quando foram tratados com GH e colocados para migrar em presença da CXCL12, em relação ao grupo controle não tratado e em presença da quimiocina. Demonstramos, ainda, por RT-PCR, que o GH na concentração de 100 ng/ml, não modulou a expressão de VCAM-1 e CXCL12 por células tEnd.1 tratadas, por 8 horas. Além disso, verificamos por análise citofluorimétrica, que o GH sozinho não alterou a expressão dos receptores VLA-4 e CXCR4 nos timócitos transmigrados. Pela ação conjunta do GH e CXCL12, foi registrado aumento na expressão de VLA-4 sobre células CD4-CD8+ no grupo experimental em que os timócitos foram tratados com GH, quando comparamos aos grupos onde as células endoteliais foram tratadas. Quanto à expressão de CXCR4, verificamos que o GH/CXCL12 diminuiu a expressão deste receptor sobre timócitos transmigrados, principalmente em células CD4+CD8+, nos grupos experimentais em que os timócitos foram tratados. Em conclusão, nossos dados fortalecem o postulado de que o GH influencia a fisiologia do timo, e modula a biologia das células endoteliais e dos timócitos, com efeitos diferenciais no processo de transmigração endotelial de timócitos murinos.

Systemic inflammation involves a complex array of cytokines that can result in organ dysfunction. Mortality remains high despite the vast amount of research conducted to find an effective biomarker. The cause of systemic inflammation can be broad and non-specific; therefore, this research investigates using transendothelial electrical resistance (TEER) measurements to better define systemic inflammatory response syndrome (SIRS)/sepsis within a patient. Results show a difference in TEER measurements between healthy individuals and SIRS-rated patients. This research also displays correlations between TEER measurements and biomarkers currently studied with systemic inflammation (tumor necrosis factor-α, C- reactive protein, procalcitonin). Furthermore, this research also presents the groundwork for developing a microfluidic cell-based biosensor using low temperature co-fired ceramic materials. An LTCC TEER-based microfluidic device has the potential to aid in a more effective treatment strategy for patients and potentially save lives.

Das Endothel stellt die entscheidende Barriere zwischen dem Intra- und Extravasalraum dar und ist damit essentiell für physiologische und pathophysiologische Vorgänge wie die Selektivität der Blut-Hirn-Schranke oder die Bildung von Ödemen. Die maßgebliche Kenngröße zur Beschreibung der Durchlässigkeit dieser Barriere ist die Permeabilität. Eine Methode zur Quantifizierung der endothelialen Schrankenfunktion ist die Impedanzspektroskopie. Hierbei wird an einem isolierten Zellmonolayer, der auf einen Filter kultiviert wurde, eine Wechselspannung angelegt und der resultierende komplexe Widerstand – die Impedanz Z(f) – für verschiedene Messfrequenzen f bestimmt. Kenngrößen sind der frequenzabhängige Verlauf von Betrag |Z| und Phase Ph der komplexen Impedanz. Zur Charakterisierung dieser Zellschicht wird oft der Transendotheliale Widerstand TER verwendet. Die Bestimmung dieses Wertes erfolgt über das Aufstellen von physikalischen Ersatzschaltbildern als mathematisches Modell, das den Messaufbau möglichst gut beschreibt und anschließender Optimierung der Modellparameter, sodass ein bestmöglicher Fit zwischen den Modellwerten und den Messdaten resultiert. Kommerziell verfügbare Impedanzmessgeräte ermöglichen die experimentell einfache Bestimmung von |Z| und Ph sowie oft eine direkte Analyse dieser Messwerte mittels voreingestellter mathematischer Modelle. Diese sind allerdings nicht erweiterbar oder austauschbar. Die resultierenden Parameter werden mitunter ohne Fehler angegeben, dieser soll dann über Mehrfachmessungen bestimmt werden. Zudem ist kein quantitativer Modellvergleich möglich. Diese Arbeit hatte daher das Ziel, die Vorteile der praktischen experimentellen Anwendung eines kommerziellen Messgerätes zu nutzen, aber die Analyse der Messdaten in den genannten Punkten zu erweitern und zu verbessern. Hierfür wurden beruhend auf der Bayes’schen Datenanalyse zwei verschiedene Algorithmen in python zur Auswertung impedanzspektroskopischer Daten implementiert. Bei der Bayes’schen Datenanalyse handelt es sich um einen logisch konsistenten Weg der Parameterbestimmung für eine bestimmte Modellannahme unter Berücksichtigung der gegebenen Daten und deren Fehler. Es resultieren als Ergebnis die Posterior als Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Parameter. Aus diesen können Mittelwerte und Standardabweichungen berechnet werden. Vorwissen über die Modellparameter kann in Prioren für die Auswertung einbezogen werden. Bei der Analyse können im Gegensatz zu den kommerziellen Geräten sowohl |Z| als auch Ph berücksichtigt werden. Außerdem ermöglicht die Bestimmung der Evidenz einen quantitativen Modellvergleich, sodass valide Aussagen getroffen werden können, welches der untersuchten Modelle die gemessenen Daten am besten beschreibt. Die experimentellen Messungen wurden mit dem CellZscope (nanoAnalytics, Münster) durchgeführt. Dieses ermöglicht Messungen in einem Frequenzbereich von 1 - 100 kHz von auf Filtern kultivierten Zellmonolayern in sogenannten Wells auch unter Zugabe von Stimulatoren. Bei den zwei implementierten Algorithmen handelt es sich um das Markov-Chain-Monte-Carlo (MCMC) - Verfahren und um das MultiNested (MN) - Sampling. Das MCMC-Verfahren wurde vollständig selbstständig umgesetzt, der MN-Algorithmus beruht auf einer frei zugänglichen Bibliothek und wurde entsprechend angepasst. Diese zwei Algorithmen wurden zunächst ausführlich mit selbstgenerierten Testdaten validiert. Beide lieferten nahezu identische Ergebnisse der Parameterschätzung in hervorragender Übereinstimmung mit den gewählten Simulationsparametern. Die Einbeziehung der Ph verbesserte diese weiter und führte zusätzlich zu geringeren Parameterunsicherheiten. Als weitere Verbesserung wurde außerdem ein Verfahren zum Abschätzen der Messungenauigkeiten und deren Korrelationen aus den Messdaten etabliert, da diese bei dem CellZscope nicht angegeben werden. Für den MN-Algorithmus konnte der Jeffreys-Prior implementiert werden. Dies ermöglichte auch die korrekte Analyse mathematisch komplexer, höherparametriger Modelle. Nach dieser ausführlichen Validierung der Algorithmen hinsichtlich der Parameterschätzung, der Bestimmung der Messunsicherheiten und des Modellvergleiches erfolgte die Anwendung auf experimentelle Messungen. Bei diesen wurden Endothelzellen der menschlichen Nabelschnurvene (HUVEC) mit Thrombin in verschiedenen Konzentrationen und Triton X-100 stimuliert. Thrombin führt bei Endothelzellen u.a. zu Zellretraktion und Ausbildung ontrazellulärer Gaps mit Steigerung der Makromolekülpermeabilität. Triton X-100, ein nicht-ionisches Detergenz, zerstört die Lipidschicht der Zellmembranen. Vergleichend wurden zu den Messungen an Wells mit Medium und zellbedecktem Filter auch Messungen an Wells nur mit Medium sowie mit Medium und zellfreiem Filter durchgeführt. Es wurden basierend auf einer ausführlichen Literaturrecherche verschiedene Modelle untersucht, deren gemeinsames Merkmal ein konstantes Phasenelement (CPE) für die Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche und eine Reihenschaltung mehrerer RC-Glieder (Parallelschaltung eines Widerstandes R und eines Kondensators C) ist. Als das geeignetste Modell resultierte für alle diese drei Konditionen eine Reihenschaltung eines CPE mit mehreren RC-Gliedern, aber ohne weitere Elemente. Für die Wells mit nur Medium und die mit zellbedecktem Filter wurde die Anzahl nRC der RC-Glieder mit jeweils nRC = 4, für die Wells mit zellfreiem Filter mit nRC = 3 bestimmt. Dies zeigte, dass die in der Literatur oft verwendete Beschreibung des Mediums mit einem ohmschen Widerstand unzureichend ist. Auffallend war, dass bei allen Konditionen ein RC-Glied eine sehr niedrige Kapazität in der Größenordnung einiger nF aufwies. Für den Filter resultierte ein in der Kapazität charakteristisches RC-Glied, dennoch ergaben sich insgesamt weniger RC-Glieder als für die Messungen nur mit Medium. Bei den Messungen mit zellbedecktem Filter konnte der aus der Literatur bekannte konzentrationsabhängige Anstieg des TER dargestellt werden. Der Modellvergleich legte nahe, dass die Integrität des Zellmonolayers bei hohen Thrombinkonzentrationen nicht vollständig zerstört wird, da weiterhin ein Modell, das auch ein zellspezifisches RC-Glied enthält, die höchste Modellwahrscheinlichkeit aufwies. Für die Stimulation mit Triton X-100 ergab sich dagegen eine höhere Wahrscheinlichkeit für ein Modell, das einen Filter ohne Zellschicht beschreibt. Somit scheint hier der Monolayer nicht mehr intakt zu sein. Zur genaueren Untersuchung der biophysikalischen Bedeutung einzelner Modellparameter wurden außerdem erste zellfreie Messungen an Wells mit deionisiertem Wasser und Natriumchloridlösungen unterschiedlicher Konzentration durchgeführt und mit Berechnungen aus der Literatur verglichen. Hierbei konnte die bei allen Wells bestimmte sehr niedrige Kapazität auf den Aufbau des Wells zurückgeführt werden. Für die anderen RC-Glieder des Mediums und des Filters ergaben sich Hinweise, dass diese auf der Ausbildung dünner ionischer Schichten beruhen. Zusammenfassend haben sich die implementierten Algorithmen der Bayes’schen Datenanalyse als hervorragend geeignet für die Auswertung impedanzspektroskopischer Messungen dargestellt. Durch die ausführliche Validierung mit Testdaten liegt ein hohes Maß an Reliabilität der Ergebnisse vor. Die Parameterschätzung der Messung an Zellmonolayern gelang auch für sehr komplexe Modelle und über die Evidenz kann ein quantitativer Modellvergleich erfolgen. Die Modellparameter wurden auch hinsichtlich ihrer biophysikalischen Bedeutung untersucht. Die Technik ist somit der direkten Analyse des CellZscope vorzuziehen und kann auch zur verbesserten Planung zukünftiger Experimente (experimental design) verwendet werden. Außerdem ist eine Anwendung neuer Modelle, beispielsweise zur Quantifizierung der Fläche des noch intakten Monolayers bei starker Thrombinstimulation oder die Beschreibung komplexerer Setups wie Co-Kulturen verschiedener Zellarten möglich.

Un nombre croissant de preuves suggèrent le rôle bénéfique des anthocyanes alimentaires, composés phyto-chimiques principalement présents dans les baies et les produits dérivés, sur la santé cardiovasculaire. Ces bénéfices peuvent être attribués à leur effet sur les cellules endothéliales ou les plaquettes qui sont les acteurs clés dans le développement des maladies cardiovasculaires (MCV). Cependant, les mécanismes moléculaires sous-jacents aux effets cardio-protecteurs de l'anthocyanine ne sont pas entièrement compris. L'objectif de cette thèse était d'évaluer l'effet in vitro des anthocyanines et de leurs métabolites, dans des conditions physiologiques, sur la fonction endothéliale et plaquettaire et d'identifier les mécanismes sous-jacents à leur action. Les résultats de ma thèse ont montré que le prétraitement des cellules endothéliales avec des concentrations physiologiques d'anthocyanes et de leurs métabolites circulants diminue l'adhésion des monocytes aux cellules endothéliales activées ainsi que leur migration transendothéliale qui sont les étapes initiales du développement de l'athérosclérose précédant le MCV. En accord avec ces résultats, l'analyse de l'expression génique a révélé que le traitement des cellules endothéliales avec ces molécules modulait l'expression des gènes impliqués dans la régulation de l'adhésion cellulaire, le réarrangement du cytosquelette d'actine, l'adhésion focale et la transmigration leucocytaire. Les analyses bioinformatiques de ces données ont permis d'identifier les facteurs de transcription potentiellement impliqués dans les effets nutrigénomiques observés ainsi que les protéines de signalisation cellulaire régulant leur activité. Les analyses bioinformatiques ont permit d’identifier des protéines de signalisation cellulaire auxquelles ces bioactifs peuvent se lier et potentiellement affecter leur activité entraînant modification d’activité des protéines de signalisation en aval. L’impact sur des facteurs de transcription a également été cherché et ces effets ont été confirmés par les résultats obtenus des analyses par Western blot. Les anthocyanines et leurs métabolites ont également modulé l'expression de microARN, en particulier ceux impliqués dans la régulation de la perméabilité des cellules endothéliales, contribuant ainsi aux changements observés dans la fonction endothéliale. En plus de leurs effets sur les cellules endothéliales, les résultats de mes travaux ont également montré la capacité des anthocyanes et de leurs métabolites à moduler la fonction plaquettaire en diminuant l'activation plaquettaire et leur agrégation avec les leucocytes, qui contribuent fortement au développement des MCV.En conclusion, les résultats de ma thèse ont révélé les effets positifs des anthocyanes et de leurs métabolites, aux concentrations physiologiques, sur la fonction endothéliale et plaquettaire et ont fourni de nouvelles informations sur les mécanismes sous-jacents de leurs effets cardio-protecteurs. / Increasing number of scientific evidence suggests the beneficial role of dietary anthocyanins, phytochemicals mainly present in berries and derived products, in cardiovascular health. These anthocyanin health benefits may be attributed to their effect on endothelial cells or platelets that represent the key players in the development of cardiovascular diseases (CVD). However, the exact molecular mechanisms underlying anthocyanin cardioprotective effects are not fully understood. The aim of this thesis was to investigate the effect of anthocyanins and their metabolites in vitro on endothelial and platelet function and identify the underlying mechanisms of their action using physiologically relevant conditions.Results from this thesis showed that the pretreatment of endothelial cells with physiologically relevant concentrations of circulating anthocyanins and their metabolites attenuated monocyte adhesion to activated endothelial cells as well as their transendothelial migration, which are the initial steps in the development of atherosclerosis that precede CVD. In agreement with these results, gene expression analysis revealed that the treatment of endothelial cells with these compounds modulated the expression of genes involved in regulation of cell-cell adhesion, actin cytoskeleton reorganisation, focal adhesion and leukocyte transmigration. Bioinformatics analyses of gene expression data allowed the identification of potential transcription factors involved in the observed nutrigenomic effects and cell signalling proteins regulating their activity.Molecular docking analyses further revealed cell signalling proteins to which these bioactives may bind to and potentially affect their activity and the activation of downstream signalling proteins and transcription factors, effects that were in agreement with the results of Western blot analyses. Anthocyanins and their metabolites also modulated the expression of microRNAs, especially those involved in regulation of endothelial cell permeability, contributing to the observed changes in endothelial cell function.In addition to their effects on endothelial cells, anthocyanins and their metabolites displayed the capacity to modulate platelet function by decreasing platelet activation and their aggregation with leukocytes, the processes that are important contributors to CVD development.In conclusion, results from this thesis revealed the positive effects of anthocyanins and their metabolites, at physiologically relevant concentrations, on endothelial and platelet function and provided new insights into the mechanisms underlying their cardioprotective effects.