Influence of stress factors on tunneling nanotubes in cultivated human retinal pigment epithelial cells (ARPE-19). The eye as one of the most important sense organs of the human body is exposed to visible light radiation and other stress factors every day. Especially the retina (of the eye) is a sensible tissue for oxidative damage (Wu et al., 2006). The retinal pigment epithelium (RPE) is an important layer of the retina, which forms the outer layer and phagocytises the shed disc membranes of the photoreceptor outer segments. Furthermore, the RPE is involved in the maintenance of the visual cycle and regulates the retinal balance (Bok, 1993). To maintain those functions, a steady communication between the RPE-cells and the adjacent neighbour cells is necessary. Tunneling nanotubes (TNTs) build a newly discovered variety of cell communication and thus establish intercellular signal transduction and transport different cell components including pathogens (Rustom et al., 2004; Onfelt et al., 2006; Sherer und Mothes, 2008; Veranic et al., 2008). The formation of TNTs in the neuron-like pheochromocytoma cell line PC12 was first reported by Rustom et al in 2004. In the following years a growing number of cell types containing TNTs were described. For example a lot of TNT-reports were found between immune cells (Onfelt et al., 2004; Sowinski et al., 2008). Chinnery et al. first described TNTs in vivo in 2008. Here they found TNTs between dendritic cells in the cornea of the mouse. An important characteristic of TNTs is that they do not attach to the substratum. They contain F-actin as a characteristic feature of there structure (Rustom et al., 2004). Our study group detected the formation of TNTs between ARPE-19-cells, a human retinal pigment epithelial cell line. They contain F-actin, but no microtubules. Further it was observed an exchange of electrical signals, small molecules and even the transfer of organelles between cells via TNTs (see publication Wittig et al., 2012). It is often described in the literature, that TNTs are very sensitive against stress factors, like prolonged light excitation, mechanical and chemical stress, which then can result in rupture of the TNTs (Rustom et al., 2004; Koyanagi et al., 2005; Gurke et al., 2008a; Pontes et al., 2008; Sowinski et al., 2008; Domhan et al., 2011; Wang und Gerdes, 2012). Up to now it is widely unclear how pathological conditions influences TNTs. There are several studies, which report an induction but also an inhibition of TNT-formation by different factors. The reaction of cell-cell-interactions between RPE cells on stress factors is not jet analysed. So our motivation was, to analyse the influence of different stress factors on the number, the morphology and formation of TNTs. ARPE-19-cells were treated with blue light, with a wavelength of 470 and 405 nm, with 3000 μM glyoxal, with 200 μM H2O2, with medium without serum as well as with cytochalasin-D and latrunculin-B. With the help of differential interference contrast (DIC) microscopy the formed TNTs were counted and the morphology was evaluated. A 24 hours cultivation of untreated ARPE-19 cells resulted in 15 TNTs per 100 cells on average. After excitation of the ARPE-19-cells with blue light 470 and 405 nm the number of TNTs decreased 50 % and 28,5 % accordingly in comparison to untreated cells (100 %). Furthermore, the cell culture, which was treated with glyoxal and H2O2 resulted in a reduction of 17,5 % and 53 % TNTs in comparison to the untreated cell culture. Cells which were cultured with serum free medium had an decreased TNT-number of 56.8 % in comparison with serum containing medium. TNTs of untreated ARPE-19-cells have a diameter from 50 to 300 nm (Wittig et al., 2012). Every TNTs, which were formed under named stress factors had the same diameter like untreated cells. In this study an average TNT length of 23 +/- 16 μm was measured between cells without treatment. This correlated with the TNT-lengths of cells which excitated with blue light 405 and 470 nm with 26 +/- 13 μm and 24 +/- 14 μm. In contrast the TNT-lenghts of cells treated with glyoxal and H2O2 with 16 +/- 11 μm and 15 +/- 13 μm were less and from cells cultured without serum with 34 +/- 20 μm were above the average length of TNTs of untreated cells. TNTs of ARPE-19-cells without treatment and TNTs which were treated with stress factors contained F-actin but no microtubules. Depolymerisation of F-actin, induced by addition of cytochalasin-D or latrunculin-B, led to disappearance of TNTs. This is an evidence for the importance of F-actin as an essential component of TNTs between ARPE-19-cells. Under the influence of blue light excitation the TNTs formed as good as untreated cells after contact of migrating cells. Reason for the reduced TNT-formation under stress factors could be explained by the generation of oxidative stress due to reactive oxygen species (ROS). ROS induced under blue light- or glyoxal-treatment as well as H2O2 could influence cell function by inactivation of cell-mediated proteins or induction of F-actin oxidation with subsequent destruction of the actin-network and inhibition of the actin-polymerisation (Chen, 1993; Ballinger et al., 1999; Thornalley et al., 1999; Valen et al., 1999; Dalle-Donne et al., 2002; Nilsson et al., 2003; Shangari und O'Brien, 2004; Zhu et al., 2005; Knels et al. 2008; Roehlecke et al., 2009). The reduced actin-polymerisation as well as the disruption of the TNTs due to changes at the actin-cytoskeleton and at the membranes could explain the reduced TNT-formation (Valen et al., 1999; Dalle-Donne et al., 2002; Reber et al., 2002; Zhu et al., 2005; Knels et al., 2008). The inhibition of the cell growth under oxidative stress conditions and under nutritional deficiency by serum free medium could lead to a reduced TNT-formation too. In this study we found a reduction of TNT-number between ARPE-19-cells under different stress conditions. It is possible, that TNTs are formed between RPE- and photoreceptor-cells in vivo, where they can exchange useful or recyclable materials between cells (Wang et al., 2011; Wittig et al., 2012). Disruption of TNTs by reactive oxygen species could cause a decreased exchange of informations. It is possible, that the cells, RPE- as well as photoreceptor-cells, die due to a deficiency of nutrients. This could be another reason in the formation of age related macular degeneration, which shows a destruction of RPE-cells and secondary of the photoreceptorcells. / Das Auge ist als eines der wichtigsten Sinnesorgane des Menschen täglich sichtbarer Lichtstrahlung und weiteren Stressfaktoren ausgesetzt. Die Netzhaut des Auges ist besonders empfindlich für oxidative Schäden (Wu et al., 2006). Eine bedeutende Schicht der Netzhaut im Auge stellt das retinale Pigmentepithel (RPE) dar, welches die äußere Schicht der Retina bildet und täglich die abgeworfenen Photorezeptoraußensegmentscheiben phagozytiert. Zudem ist das RPE wesentlich am visuellen Prozess sowie der Aufrechterhaltung des retinalen Gleichgewichts beteiligt (Bok, 1993). Um diese Funktionen zu gewährleisten, ist eine ständige Kommunikation zwischen den RPEZellen sowie zu angrenzenden Nachbarzellen innerhalb der Netzhaut notwendig. So ist über Tunneling Nanotubes (TNTs), als neu entdeckte Kommunikationsform, ein interzellulärer Transport von Signalen und verschiedensten Zellkomponenten, aber auch von Pathogenen, möglich (Rustom et al., 2004; Onfelt et al., 2006; Sherer und Mothes, 2008; Veranic et al., 2008). Erstmals 2004 beschrieben Rustom et al. die Bildung von TNTs zwischen Rattennierenzellen in vitro. In den folgenden Jahren kam es zu einer Vielzahl weiterer TNT-Entdeckungen zwischen verschiedensten Zellen in vitro. So findet man zum Beispiel vermehrt TNTBeschreibungen zwischen Immunzellen (Onfelt et al., 2004; Sowinski et al., 2008). Ein erster Nachweis an TNTs in vivo erfolgte 2008 durch die Arbeitsgruppe Chinnery et al.. Hierbei fand man TNTs zwischen dendritischen Zellen in der Mauscornea. Ein wichtiges Merkmal von TNTs ist, dass sie sich als frei im Medium schwebende interzelluläre Verbindungen darstellen, ohne Kontakt zum Substrat zu haben. TNTs sind im Wesentlichen als stabilisierendes Hauptstrukturmerkmal aus Aktin aufgebaut (Rustom et al., 2004). In unserer Arbeitsgruppe wurde die Bildung von TNTs zwischen ARPE-19-Zellen, einer humanen Pigmentepithelzelllinie, entdeckt. Neben dem strukturellen Aufbau aus Aktin, konnte ein Austausch von elektrischen Signalen sowie molekularen Stoffen und der Transport von Organellen (Mitochondrien) durch TNTs zwischen ARPE-19-Zellen nachgewiesen werden (siehe Publikation Wittig et al., 2012). Wie schon mehrfach in der Literatur beschrieben, reagieren TNTs sehr sensibel auf Stressfaktoren, so zum Beispiel auf längere Lichtreizung, mechanischen und chemischen Stress, was jeweils zur Ruptur der Strukturen führen kann (Rustom et al., 2004; Koyanagi et al., 2005; Gurke et al., 2008; Pontes et al., 2008; Sowinski et al., 2008; Domhan et al., 2011; Wang und Gerdes, 2012). Weitgehend unklar ist bisher der Einfluss von pathologischen Bedingungen auf die TNTs. Es gibt mehrere Studien, in denen durch verschiedenste Faktoren über eine Induktion, aber auch über eine Hemmung der TNT-Bildung berichtet wurde. Die Reaktion von Zell-Zell-Interaktionen zwischen RPE-Zellen auf Stressfaktoren wurde bisher in wissenschaftlichen Arbeiten nicht untersucht. Dies nahmen wir zum Anlass, den Einfluss von unterschiedlichen Stressfaktoren auf die Anzahl von TNTs, ihre Morphologie und Bildung zu untersuchen. Es erfolgte eine Behandlung der ARPE-19-Zellen mit Blaulicht in den Wellenlängen 405 und 470 nm, mit 3000 μM Glyoxal, mit 200 μM H2O2, mit serumfreiem Medium sowie mit Cytochalasin D und Latrunculin B. Die gebildeten TNTs wurden anschließend mit Hilfe der Lichtmikroskopie ausgezählt sowie deren Morphologie beurteilt. So bildeten unbehandelte ARPE-19-Zellen nach 24 Stunden Kultivierung im Durchschnitt 15 TNTs pro 100 Zellen aus. Nach 24stündiger Bestrahlung der ARPE-19-Zellen mit Blaulicht 470 nm und 405 nm fiel die TNT-Anzahl auf 50 % und 28,5 % im Vergleich zu unbehandelten Zellen (100 %). Weiterhin fanden sich in den Glyoxal- und H2O2-behandelten Kulturschalen 17,5 % und 53 % TNTs verglichen mit der unbehandelten Zellkultur. In der serumfreien Kulturschale verringerten sich die TNTs 24 Stunden nach Ausplattierung der Zellen auf 56,8 % im Vergleich zu in Medium mit Serum kultivierten Zellen. TNTs unbehandelter ARPE-19-Zellen besitzen einen Durchmesser von 50 bis 300 nm (Wittig et al., 2012). Alle unter oben genannten Stressfaktoren gebildeten TNTs befanden sich in Hinblick auf ihren Durchmesser im Bereich der TNTs unbehandelter Zellen. Bei TNTs unbehandelter Zellen wurde in dieser Arbeit eine durchschnittliche Länge von 23 +/- 16 μm gemessen. Dies entsprach dem TNT-Längendurchschnitt von mit Blaulicht 405 nm und 470 nm bestrahlter ARPE-19-Zellen mit 26 +/- 13 μm und mit 24 +/- 14 μm. Unter Glyoxal und H2O2 gebildete TNTs lagen im Gegensatz dazu mit 16 +/- 11 μm und 15 +/- 13 μm unterhalb und unter serumfreier Kultivierung mit 34 +/- 20 μm über dem TNTLängendurchschnitt unbehandelter Zellen. Alle TNTs, sowohl unbehandelter als auch mit Stressfaktoren behandelter ARPE-19-Zellen, sind aus Aktin aufgebaut. Jedoch ließ sich kein Tubulin nachweisen. Nach Zugabe von Aktinpolymerisationshemmern waren keine TNTs nachweisbar, was beweist, dass F-Aktin essentieller Bestandteil von TNTs zwischen ARPE-19-Zellen ist. Unter dem Einfluss von Blaulicht 470 und 405 nm bildeten sich die TNTs, wie auch bei unbehandelten Zellen, durch ein Zusammentreffen der Zellen mit anschließendem Auseinandergleiten. Die Ursache für die verminderte Bildung an TNTs unter verschiedenen Stressfaktoren könnte in der Entstehung von oxidativem Stress durch die Ausbildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) begründet sein. So können zum Beispiel die unter Blaulicht- und Glyoxalexposition entstehenden ROS sowie H2O2, als eine Hauptform der ROS, die Zellfunktion durch Inaktivierung zellulärer Proteine beeinflussen sowie eine direkte Oxidation an Aktin hervorrufen mit folglicher Aktinnetzwerkzerstörung und Hemmung der Aktinpolymerisation (Chen, 1993; Ballinger et al., 1999; Thornalley et al., 1999; Valen et al., 1999; Dalle-Donne et al., 2002; Nilsson et al., 2003; Shangari und O'Brien, 2004; Zhu et al., 2005; Knels, Worm et al. 2008; Roehlecke et al., 2009). Die verminderte Aktinpolymerisation, aber auch die Zerreißungen der TNTs durch Veränderungen am Aktinzytoskelett sowie an den Membranen könnten zu einer verringerten TNT-Bildung führen (Valen et al., 1999; Dalle-Donne et al., 2002; Reber et al., 2002; Zhu et al., 2005; Knels et al., 2008). Auch eine Hemmung des Zellwachstums unter oxidativen Stressbedingungen sowie unter Nährstoffmangel durch Serumentzug könnte mit einer verminderten TNT-Bildung einhergehen. Wir haben in unserer Untersuchung gezeigt, dass es durch verschiedene Stresseinflüsse zu einer Reduktion der TNTs zwischen ARPE-19-Zellen kommt. Es ist denkbar, dass solche TNTs in vivo zwischen RPE- und Photorezeptorzellen ausgebildet werden, wo sie nützliches oder recycelbares Material zwischen Zellen austauschen (Wang et al., 2011; Wittig et al., 2012). Bei Zerstörung der TNTs durch zum Beispiel oxidative Faktoren könnte es zu einer Verringerung des Informationsaustausches kommen. Es ist möglich, dass durch die Minderversorgung die Zellen absterben, sowohl RPE- als auch Photorezeptorzellen. Dies könnte ein weiterer möglicher Ursachenansatz in der Entstehung der altersabhängigen Makuladegeneration sein, welche als Erkrankungserscheinung den Untergang der RPEZellen und damit sekundär der Photorezeptorzellen aufweist.

Mesenchymal stromal cell (MSC) transplantation ameliorated hepatic lipid load; tissue inflammation; and fibrosis in rodent animal models of non-alcoholic steatohepatitis (NASH) by as yet largely unknown mechanism(s). In a mouse model of NASH; we transplanted bone marrow-derived MSCs into the livers; which were analyzed one week thereafter. Combined metabolomic and proteomic data were applied to weighted gene correlation network analysis (WGCNA) and subsequent identification of key drivers. Livers were analyzed histologically and biochemically. The mechanisms of MSC action on hepatocyte lipid accumulation were studied in co-cultures of hepatocytes and MSCs by quantitative image analysis and immunocytochemistry. WGCNA and key driver analysis revealed that NASH caused the impairment of central carbon; amino acid; and lipid metabolism associated with mitochondrial and peroxisomal dysfunction; which was reversed by MSC treatment. MSC improved hepatic lipid metabolism and tissue homeostasis. In co-cultures of hepatocytes and MSCs; the decrease of lipid load was associated with the transfer of mitochondria from the MSCs to the hepatocytes via tunneling nanotubes (TNTs). Hence; MSCs may ameliorate lipid load and tissue perturbance by the donation of mitochondria to the hepatocytes. Thereby; they may provide oxidative capacity for lipid breakdown and thus promote recovery from NASH-induced metabolic impairment and tissue injury.

La pathogénèse de la plupart des maladies neurodégénératives incluant les maladies transmissibles comme les encéphalopathies à prion, les maladies génétiques de type maladie de Huntington et les maladies sporadiques comme les maladies d’Alzheimer et de Parkinson est directement liée à la formation d’agrégats protéiques fibrillaires. Pendant de nombreuses années, le concept de dissémination et d’infectivité de ces agrégats a été réservé aux maladies à prion. Cependant, de récents résultats montrent que ces protéines amyloidiques extracellulaires (β-amyloïde) comme intracellulaires (α-synucléine, tau, huntingtin) sont capables de bouger (et possiblement de se répliquer) d’une zone à l’autre du cerveau à la façon des prions (Brundin et al., 2010; Jucker and Walker, 2011; Aguzzi and Rajendran, 2009). Récemment une nouveau lien a été établie entre prions et différentes protéinopathies à agrégats. Il a été suggéré que le prion cellulaire, PrPC, dont la forme pathologique (PrPSc) est responsable des maladies à prion, pourrait servir de médiateur dans la toxicité de la protéine β-amyloïde impliquée dans la maladie d’Alzheimer comme dans d’autres conformations-β, indépendamment de la propagation des prions infectieux (revue de Biasini et al., 2012). Malgré une intense recherche sur les maladies neurodégénératives à prion ou non, de nombreuses questions restent ouvertes à la fois au niveau du mécanisme de dissémination des agrégats protéiques que du mécanisme de toxicité. Dans la première partie de ma thèse, j’ai contribué à étudier le rôle de cellules dendritiques (DCs) dans la dissémination de l’infection à prion aux neurones. J’ai démontré que le transfert de PrPSc des cellules dendritiques infectées par un homogénat de cerveau infecté par du prion vers les neurones était dû à contact direct entre ces cellules et a pour résultat la transmission de l’infectivité aux neurones en co-culture. Ces résultats confirment le possible rôle des cellules dendritiques dans la propagation du prion de la périphérie vers le système nerveux central. J’ai aussi trouvé un potentiel mécanisme de transfert de PrPSc des cellules dendritiques aux neurones via des nanotubes (TNTs) et exclu l’implication de la sécrétion de PrPSc dans notre système. Dans la seconde partie de ma thèse, j’ai étudié les mécanismes de dissémination et de toxicité des agrégats protéiques huntingtin et le possible rôle de PrPC dans ces évènements. J’ai démontré que les agrégats Htt sont transférés entre les lignées de cellules neuronales et les neurones primaires et qu’un contact direct cellule à cellule est requis. De même, j’ai montré l’implication des TNTs dans ce transfert et l’agrégation des Htt sauvages endogènes dans les neurones primaires, probablement en suivant le transfert des agrégats Htt. La dernière partie de mes résultats montre que PrPC est impliqué dans la propagation de la toxicité induite par les Htt mutants dans des neurones primaires en culture. / The pathogenesis of most neurodegenerative diseases, including transmissible diseases like prion encephalopathies, inherited disorders like Huntington’s disease, and sporadic diseases like Alzheimer’s and Parkinson’s diseases, appear to be directly linked to the formation of fibrillar protein aggregates. For many years, the concept of aggregate spreading and infectivity has been confined to prion diseases. However, recent evidence indicate that both extracellular (e.g. amyloid-β) and intracellular (α- synuclein, tau, huntingtin) amyloidogenic protein are able to move (and possibly replicate) within the brains of affected individuals, thereby contributing to the spread of pathology in a prion-like manner (Brundin et al., 2010; Jucker and Walker, 2011; Aguzzi and Rajendran, 2009). Recently another intriguing connection has been made between prions and other aggregation proteinopathies, as it was suggested that the cellular prion protein, PrPC, whose pathological counterpart is responsible for prion diseases, possibly mediates the toxicity of Aβ, the pathogenic protein in Alzheimer’s disease, and of other β- conformers independently of the propagation of infectious prions (reviewed in Biasini et al., 2012). However, despite the intense research, many questions in prion and non-prion neurodegenerative diseases are still open regarding both the mechanism of protein aggregate spreading and the mechanism of toxicity. In the first part of my thesis, I contributed to investigate the role of DCs (dendritic cells) in the spreading of prion infection to neuronal cells. I demonstrated that the transfer of PrPSc from DCs (loaded with prion infected brain homogenate) to primary neurons was triggered by direct cell–cell contact and resulted in transmission of infectivity to the co-cultured neurons. These data confirm the possible role of DCs in prion spreading from the periphery to the nervous system. I also provided a plausible transfer mechanism of PrPSc through tunneling nanotubes (TNTs) shown to connect DCs to primary neurons and excluded the involvement of PrPSc secretion in our system. In the second part of my thesis, I investigated the mechanisms of the spreading and toxicity of Htt aggregates and the possible role of PrPC in these events. I demonstrated that Htt aggregates transfer between neuronal cells and primary neurons and that cell-cell contact is required. I also showed the involvement of TNTs in the transfer and reported the aggregation of endogenous wild-type Htt in primary neurons, possibly following the transfer of Htt aggregates. Finally, the last part of my results provides evidences that PrPC is involved in the spreading of the toxicity mediated by mutant Htt in primary neuronal cultures.