Diverse Applications of Nanomedicine

The design and use of materials in the nanoscale size range for addressing medical and health-related issues continues to receive increasing interest. Research in nanomedicine spans a multitude of areas, including drug delivery, vaccine development, antibacterial, diagnosis and imaging tools, wearable devices, implants, high-throughput screening platforms, etc. using biological, nonbiological, biomimetic, or hybrid materials. Many of these developments are starting to be translated into viable clinical products. Here, we provide an overview of recent developments in nanomedicine and highlight the current challenges and upcoming opportunities for the field and translation to the clinic. \ua9 2017 American Chemical Society

Analyse der Statin-vermittelten Regulation der PIM1 Kinase in Krebszellen

Die konstitutiv aktive Serin/Threoninkinase PIM1 ist eine prosurvival Kinase, die zum Überleben von Krebszellen beiträgt, indem sie wesentliche Zellprozesse wie Zellzyklus, Zellwachstum, Differenzierung und Apoptose reguliert. Dieses Proto-Onkogen wird in vielen Krebsarten überexprimiert, darunter Lymphome, Leukämien und solide Tumore der Leber und des Dickdarms. Darüber hinaus kann PIM1 die Bildung von Metastasen induzieren, indem es die Migration von Krebszellen beeinflusst. So sind hohe PIM1 Level oft mit einer schlechten Tumorprognose verbunden. Da PIM1 als Masterregulator vieler Signalwege fungiert und sein Knockout bei Mäusen nur zu einem leicht veränderten Phänotyp führt, stellt es ein vielversprechendes Zielmolekül für die Krebstherapie dar. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass PIM1 durch Statine in Krebszellen herunterreguliert werden kann. Statine fungieren als kompetitive Inhibitoren der HMG-CoA Reduktase, dem Schlüsselenzym des Mevalonatweges. Da dies eine Hemmung der endogenen Cholesterinbiosynthese herbeiführt, wird dieses bereits auf dem Markt erhältliche Medikament zur Senkung des Cholesterinspiegels eingesetzt. Darüber hinaus bewirken Statine eine verringerte Bildung von Isoprenoiden, was eine Reduktion der Membranverankerung von GTPasen wie Ras, Rac und Rho hervorruft. Dies beeinflusst wichtige Signalwege und führt zur Förderung der Apoptose sowie zur Hemmung der Proliferation, Angiogenese, Tumorinvasion und Metastasierung in verschiedenen Tumorarten. Darüber hinaus haben klinische Studien gezeigt, dass das Risiko schädlicher Nebenwirkungen im Vergleich zu den Vorteilen, die sich aus der Statin-Therapie ergeben können, relativ gering zu sein scheint. Aus diesem Grund stellen Statine ein vielversprechendes Medikament zur Tumor-Behandlung dar. Die molekularen Regulationsmechanismen, die durch eine Statin-Behandlung in Krebszellen induziert werden, sind noch nicht vollständig verstanden. Folglich bilden unsere Beobachtungen, dass Statine einen PIM1-Knockdown vermitteln können, die Grundlage für das erste Projekt in dieser Arbeit, in dem die regulatorische Wirkungsweise von Simvastatin auf PIM1 untersucht wurde. Daher wurden verschiedene Analysen auf transkriptioneller, posttranskriptioneller, translationaler und posttranslationaler Ebene in den Krebszelllinien HepG2, LS174T und Skov3 durchgeführt. Der durch Statin induzierte PIM1-Knockdown scheint das Ergebnis veränderter Regulationsmechanismen zu sein, wie der relativ späte Wirkungseintritt von Simvastatin nach 36 Stunden auf der mRNA Ebene und nach 48 Stunden auf der Proteinebene zeigt. Während die RT-qPCR Experimente jeweils einen ähnlichen Rückgang der Pim-1 mRNA-Spiegel in der Leber- (HepG2) und der Kolon- (LS174T) Karzinom-Zelllinie verdeutlichen, deuten die Western Blot Ergebnisse nach einer Simvastatin-Behandlung darauf hin, dass die Proteinspiegel von PIM1 in HepG2 Zellen signifikant stärker reduziert sind als in LS174T Zellen. Sie lassen zudem erkennen, dass die Simvastatin-vermittelte Hemmung von PIM1 in beiden Zelllinien nicht durch den proteasomalen oder lysosomalen Proteinabbau reguliert wird. Darüber hinaus kann der Statin-bedingte Knockdown von Pim-1 auch auf transkriptioneller Ebene ausgeschlossen werden, wie der Dual-Luciferase-Assay nach der Transfektion von Pim-1-Promoter-Konstrukten in HepG2 Zellen und der Western Blot nach ektopischer Expression von PIM1 in Skov3 Zellen zeigt. Stattdessen lässt das RT-qPCR Experiment zur Inhibition der Transkriptions-Initiation in der Leberkarzinom-Zelllinie eine Regulierung über die posttranskriptionelle Ebene, vermittelt durch den Pim-1 mRNA Abbau, vermuten. Darüber hinaus scheint in den HepG2 und LS174T Zellen der Statin-bedingte Knockdown von PIM1 auf der Translationsebene reguliert zu sein, wie die Untersuchungen zur Hemmung der Translations-Elongation verdeutlichen. Weitere Analysen zeigten, dass der Statin-Effekt auf dieser Ebene in den HepG2 Zellen spezifisch für PIM1 ist, während eine generelle Inhibition der Proteinneusynthese durch Simvastatin in der Dickdarmkarzinom-Zelllinie vorgeschlagen werden kann. Im zweiten Projekt wurde die Rolle von PIM1 bei der Differenzierung von Monozyten zu Makrophagen analysiert. Dazu wurden Monozyten aus Spenderblut isoliert und in M1-Makrophagen differenziert, die eine Anti-Tumor-Reaktion des Immunsystems auslösen. Um die Funktion von PIM1 als vermeintlichen Regulator der Differenzierung zu untersuchen, wurden die Pim-1 mRNA- und Proteinlevel in den verschiedenen Entwicklungsstadien der Monozyten und Makrophagen detektiert. Die RT-qPCR Experimente haben hierbei gezeigt, dass die Pim-1 mRNA Spiegel über den gesamten analysierten Zeitraum, von Monozyten bis zur vollständigen Reife der Makrophagen, schwanken. Zu Beginn des Differenzierungsprozesses konnte ein Anstieg der Pim-1 mRNA Spiegel beobachtet werden, welche gegen Ende wieder abnahmen. Die Western Blot Untersuchungen konnten verdeutlichen, dass neben den Pim-1 mRNA Spiegeln auch die Proteinlevel während der Differenzierungsphase der Makrophagen erhöht sind. Dies bestätigt die Annahme, dass PIM1 eine Rolle bei der Regulation der Differenzierung von Monozyten zu Makrophagen spielen könnte

A novel yeast silencer. the 2mu origin of Saccharomyces cerevisiae has HST3-, MIG1- and SIR-dependent silencing activity.

Silencing in Saccharomyces cerevisiae is found at the mating-type loci HMR and HML, in subtelomeric regions, and at the rDNA locus. Repressed chromatin is built up by the recruitment of the Sir proteins via their interaction with DNA-binding proteins that bind to silencers. Here, we have performed a genetic screen for novel sequence elements within the yeast genome that display silencing activity. We isolated as a novel silencer element the origin of replication from the endogenous 2mu plasmid (2mu ARS). 2mu ARS-mediated silencing was dependent upon the Sir proteins, the origin recognition complex (ORC), and Hst3, a Sir2 histone deacetylase homolog, suggesting that it constituted a novel class of silencing in yeast. Moreover, 2mu ARS carried a binding site for Mig1, a transcriptional repressor of glucose-regulated genes. Both the Mig1-binding site and the MIG1 gene were necessary for full silencing activity of 2mu ARS. Furthermore, Hst3 was physically present at 2mu ARS in a silencing context as well as at the endogenous 2mu plasmid. Also, Hst3 regulated the repression of the flipase gene, although this was likely an indirect effect of HST3 on FLP1 expression

Silvestrol Inhibits Chikungunya Virus Replication

Silvestrol, a natural compound that is isolated from plants of the genus Aglaia, is a specific inhibitor of the RNA helicase eIF4A, which unwinds RNA secondary structures in 5′-untranslated regions (UTRs) of mRNAs and allows translation. Silvestrol has a broad antiviral activity against multiple RNA virus families. Here, we show that silvestrol inhibits the replication of chikungunya virus (CHIKV), a positive single-stranded RNA virus. Silvestrol delayed the protein synthesis of non-structural (nsPs) and structural proteins, resulting in a delayed innate response to CHIKV infection. Interferon-α induced STAT1 phosphorylation was not inhibited nor did eIF2α become phosphorylated 16 h post infection in the presence of silvestrol. In addition, the host protein shut-off induced by CHIKV infection was decreased in silvestrol-treated cells. Silvestrol acts by limiting the amount of nsPs, and thereby reducing CHIKV RNA replication. From our results, we propose that inhibition of the host helicase eIF4A might have potential as a therapeutic strategy to treat CHIKV infections

Inhibition of Zika Virus Replication by Silvestrol

The Zika virus (ZIKV) outbreak in 2016 in South America with specific pathogenic outcomes highlighted the need for new antiviral substances with broad-spectrum activities to react quickly to unexpected outbreaks of emerging viral pathogens. Very recently, the natural compound silvestrol isolated from the plant Aglaia foveolata was found to have very potent antiviral effects against the (−)-strand RNA-virus Ebola virus as well as against Corona- and Picornaviruses with a (+)-strand RNA-genome. This antiviral activity is based on the impaired translation of viral RNA by the inhibition of the DEAD-box RNA helicase eukaryotic initiation factor-4A (eIF4A) which is required to unwind structured 5´-untranslated regions (5′-UTRs) of several proto-oncogenes and thereby facilitate their translation. Zika virus is a flavivirus with a positive-stranded RNA-genome harboring a 5′-capped UTR with distinct secondary structure elements. Therefore, we investigated the effects of silvestrol on ZIKV replication in A549 cells and primary human hepatocytes. Two different ZIKV strains were used. In both infected A549 cells and primary human hepatocytes, silvestrol has the potential to exert a significant inhibition of ZIKV replication for both analyzed strains, even though the ancestor strain from Uganda is less sensitive to silvestrol. Our data might contribute to identify host factors involved in the control of ZIKV infection and help to develop antiviral concepts that can be used to treat a variety of viral infections without the risk of resistances because a host protein is targeted