perivascular fat, hydrogen sulfide, and potassium channels

Hintergrund und Stand der Forschung: Perivaskuläres Fettgewebe (PVAT) reguliert durch Freisetzung parakriner Modulatoren den Tonus viszeraler Gefäße. So wird die Gefäßantwort auf prokontraktile Mediatoren wie z.B. Angiotensin II, Serotonin und Phenylephrin in Abhängigkeit vom PVAT durch Sekretion des sog. Adipozyten-derived Relaxing Factors (ADRF) reduziert (1). In Tiermodellen der Adipositashypertonie geht dieser protektive antikontraktile Effekt des PVAT jedoch verloren (2). Die Adipositashypertonie gewinnt im klinischen Alltag zunehmend an Bedeutung. Pathophysiologisch liegt u.a. eine Hypertrophie des PVAT zu Grunde (3). Es kommt zu einer endothelialen Dysfunktion, die durch vermehrte Freisetzung pro-inflammatorischer und prokontraktiler Mediatoren vermittelt wird (3). Desweiteren werden reaktive Sauerstoffspezies gebildet und die Expression der NADPH-Oxidase induziert, was zu oxidativem Stress führt (3). Durch Aktivierung des Renin-Angiotensin- Aldosteron-Systems (RAAS) kommt es zusätzlich zu einem gesteigerten Sympathikotonus (3). Es konnte gezeigt werden, dass PVAT via ADRF-Sekretion in unterschiedlichen Gefäßen auch im Menschen einen protektiven antikontraktilen Effekt besitzt (4). In der Adipositashypertonie kommt es auch in humanen Gefäßen zu einer ADRF-Malfunktion, die sich u.a. durch o.g. Mechanismen kennzeichnet4. Kenntnisse zur ADRF-Natur und zu ADRF-induzierten Signalwegen könnten das Verständnis der Adipositashypertonie begründen und möglicherweise potente therapeutische Ansatzpunkte aufdecken. Trotz jahrelanger Forschung sind die endgültige Natur des ADRF sowie dessen Signalwege bislang jedoch weitgehend ungeklärt. In der Literatur gewinnen gasförmige Botenstoffe als parakrine Gefäßtonusmodulatoren zunehmend an Bedeutung. NO wurde in den 80er Jahren als potenter Vasodilatator entdeckt und nimmt heute einen zentralen Stellenwert u.a. in der antihypertensiven Behandlung ein. Weitere gasförmige Botenstoffe in der parakrinen Gefäßtonusmodulation sind H2S und CO. H2S wird in Gefäßen hauptsächlich durch die Cystathionin-γ-Lyase (CSE) und ferner durch die Cystathionin-ß-Synthase (CBS) aus L-Cystein synthetisiert (5), CO durch die Hämoxygenase-1 (HO-1) (6). Beide Botenstoffe können dosisabhängig Gefäße relaxieren (5,6). Eine PVAT-abhängige Wirkung wurde bislang nicht untersucht. ADRF wirkt u.a. über eine Aktivierung spannungsabhängiger Kalium (Kv)-Kanäle (1). KCNQ-Kanäle sind spezielle Kv-Kanäle, deren Bedeutung in der Gefäßtonusregulation erst kürzlich entdeckt wurde (7). Ob deren Wirkung PVAT- abhängig vermittelt wird, wurde bisher nicht untersucht. Fragestellung: Ziel dieser Arbeit war es, CO und H2S als potenzielle ADRF-Kandidaten sowie KCNQ- Kanäle als potenzielle ADRF-Zielstrukturen zu untersuchen. Methodischer Ansatz und zentrale Befunde: Um diese Hypothesen zu testen, wurden isometrische Kontraktionsmessungen an Rattenaorten sowie an CSE +/+ und an CSE -/- Mausaorten durchgeführt. Das PVAT der Gefäße wurde entweder entfernt ((-) Fett) oder intakt gelassen ((+) Fett). Je nach Protokoll wurden die Gefäße entweder stufenweise mit Serotonin kontrahiert oder nach Serotonin- Vorkontraktion stufenweise mit einem H2S-Donor relaxiert. Als exogene H2S- Donoren wurden NaHS und 5-(4-hydroxyphenyl)-3H-1,2-dithiol-3-thionin (ADTOH), als endogener Donor L-Cystein verwendet. KCNQ-Kanäle wurden durch XE-991 inhibiert. 4-Propargylglycin (PPG) und ß-Cyano-L-Alanin (BCA) sowie 2-(Aminooxy)-Essigsäure (AOAA) wurden zur Inhibition der CSE bzw. der CBS genutzt, Zinn-IV-mesoporphyrin-I (SnMP) und Zink-II-deuteroporphyrin (ZnDP) zur Inhibition der HO-1. Serotonin-Dosis-Wirkungskurven in Ratten- und Mausaorten zeigten einen deutlichen antikontraktilen Effekt der (+) Fettgefäße gegenüber der Gefäße ohne PVAT. HO-1-Inhibition hatte keinen Einfluss auf diesen Effekt. CSE-Inhibition produzierte in der Ratte einen deutlich reduzierten antikontraktilen Effekt, ohne einen Einfluss auf die (-) Fett- Gefäße zu haben. In der CSE +/+ Mausaorta konnte dieser Effekt nicht reproduziert werden. Auch eine CBS-Inhibition zeigte keinen Einfluss auf die Serotonin-Dosis-Wirkungskurven der Gefäße mit und ohne PVAT. XE-991 unterdrückte den antikontraktilen Effekt des PVAT hingegen fast vollständig. In CSE -/- Mausaorten zeigte sich der antikontraktile Effekt im Vergleich zum Wildtyp nicht signifikant verändert. ADTOH zeigte eine fast vollständige Vasorelaxation der vorkontrahierten Ratten- und Mausaorten. Auch NaHS produzierte eine dosisabhängige Relaxation der Gefäße, jedoch war diese nicht so stark ausgeprägt wie unter ADTOH-Applikation. Beide Relaxationen wurden durch XE-991 gehemmt. Auch L-Cystein induzierte in Mausgefäßen eine starke Relaxation. Dieser Effekt wurde durch CSE-Inhibition nicht signifikant beeinflusst. Bedeutung: Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass CO kein ADRF-Kandidat ist. CSE-H2S könnte in der Ratte einen ADRF-Kandidaten darstellen oder zumindest einen ADRF-modulierenden Effekt ausüben. In der Maus scheint CSE-H2S jedoch kein ADRF-Kandidat zu sein. Nichtsdestotrotz relaxiert H2S vorkontrahierte Mausorten. Es ist daher anzunehmen, dass H2S- Zielstrukturen in Mausaorten exprimiert werden, so dass untersucht werden muss, ob H2S möglicherweise den ADRF-Effekt modulieren kann. L-Cystein, welches durch die CSE unter H2S-Freisetzung abgebaut wird, scheint CSE- unabhängig einen relaxierenden Effekt auf Mausaorten auszuüben. Eventuell spielen hier bislang nicht untersuchte H2S-produzierende Enzyme eine Rolle. Kürzlich wurde die 3-Mercaptopyruvat-Synthase (3-MST) entdeckt, die H2S beim L -Cystein-Abbau freisetzt. Die Bedeutung der 3-MST in der Gefäßtonusregulation durch PVAT muss jedoch erst in weiteren Studien untersucht werden. ADRF scheint u.a. über Öffnung von KCNQ-Kanälen seinen antikontraktilen Effekt zu entfalten. Auch die H2S-induzierte Vasorelaxation scheint KCNQ-abhängig zu sein. Kürzlich wurde gezeigt, dass die Expression der KCNQ4-Kanäle in primärer und sekundärer Hypertonie reduziert ist (8). Desweiteren konnte gezeigt werden, dass eine Öffnung von KCNQ-Kanälen durch pharmakologische Botenstoffe wie Retigabine eine starke Relaxation von Gefäßen induziert (9). Möglicherweise stellt die Öffnung von KCNQ-Kanälen einen potenziellen antihypertensiven Therapieansatz dar. In den vorgestellten Ergebnissen relaxierte exogenes H2S vorkontrahierte Gefäße signifikant. Besonders eindrücklich war dieser Effekt durch ADTOH, welches eine fast vollständige Relaxation der Gefäße bewirkte. ADTOH ist der Dithiolethionrest des H2S- freisetzenden Aspirins (10). Es entfaltet teilweise die Wirkung der Nicht- steroidalen Antiphlogistika (NSAP) (10). Es supprimiert Thromboxan A2 und wirkt antiinflammatorisch (10). Zusätzlich moduliert das lokal freigesetzte H2S die Expression pro-inflammatorischer Moleküle und der NADPH-Oxidase (10). ADTOH greift demnach in die Signalwege ein, die pathophysiologisch als eine der Ursachen der Adipositashypertonie diskutiert werden. Eventuell könnte ADTOH einen Rescue-Mechanismus in der antihypertensiven Therapie darstellen. Die Interpretation der vorliegenden Ergebnisse wirft neue Fragen auf, die für das Verständnis der Gefäßtonusregulation durch PVAT von Bedeutung sind und in weiteren Studien untersucht werden müssen. Diese Arbeit stellt jedoch auch neue Erkenntnisse zum Verständnis des komplexen Regelkreises vor und liefert somit eine Basis für zukünftige Forschung sowie mögliche pharmakologische Ansatzpunkte zur Therapie der Adipositas-assoziierten Hypertonie.The metabolic syndrome plays an increasing role in daily clinical procedure as well as in clinical research. Many cardiovascular risks – among this arterial hypertension – go along with the metabolic syndrome. As late as in the 1990ies first papers reported the importance of visceral fat in the regulation of vascular tone. Löhn et al. first showed that adipokines mediate the vascular tone in a paracrine manner. Research has shown that a so-called Adipocyte- Derived Relaxing Factor (ADRF) plays a key role in this regulation. However, some obesity and hypertension models lack the anticontractile effect of perivascular fat. Some attention has been paid to the nature of ADRF and molecular signalling. However, the nature of ARDF remains unknown. Its pathway and molecular targets are poorly understood. Hence this study tested the hypotheses that (1) CO and H2S might be potential ADRF candidates and that (2) KCNQ-channels play a role in the ADRF pathway as putative target molecules. Small vessel myography in rat and mice was used to investigate these hypotheses. Myography in rats showed that CO is not involved in the ADRF effect of rat aorta. However, H2S played – at least in part – a role in the regulation of vascular tone by perivascular fat. Whether H2S is a direct ADRF candidate in rat aorta or rather a modulator remains to be investigated by further research. In mouse aortic rings, a direct relation between CSE- depending H2S and the anticontractile effect of perivascular fat could not be verified. However, exogenous H2S seems to modulate the vascular tone of mouse aorta. It might be assumed that mouse aorta uses H2S from an unknown source, for instance from 3-Mercaptopyruvatsulfurtransferase, to mimic the ADRF effect. This observation might identify the missing link of a putative correlation between ADRF and H2S, suggesting that H2S rather modulates ADRF than being a direct candidate. Further study needs to be performed in order to test this hypothesis. Small vessel myography of rat and mouse aortic rings revealed new insights into the role of potassium channels in the regulation of vascular tone. KCNQ channels could be identified as important target structures of both, ADRF and H2S. Recent investigation shows that they may play a role in pathophysiology of vascular dysfunction in hypertension as well as in obesity-associated malfunction of perivascular adipose tissue. Thus, KCNQ channels may be a putative target in the pharmacological treatment of obesity-related hypertension. Further research needs to investigate this hypothesis. This study’s results pose new questions that need to be investigated in order to fully understand the complex regulation of vascular tone by adipose tissue, including adipokines, RAAS and H2S. However, this study presents new insight into the complex regulatory circuit and provides the basis for future investigation as well as for new pharmacological targets in the treatment of vascular dysfunction in obesity-associated hypertension

Review of Energy-Efficient Embedded System Acceleration of Convolution Neural Networks for Organic Weeding Robots

The sustainable cultivation of organic vegetables and the associated problem of weed control has been a current research topic for some time. Despite this, the use of chemical and synthetic pesticides increases every year. This is to be solved with the help of an automated robot system. The current version of the weeding robot uses GPUs to execute the inference phase. This requires a lot of energy for an 8-track robot. To enable autonomous solar operation, the system must be made more energy efficient. This work aims to evaluate possible approaches and the current state of research on implementing convolution neural networks on low power embedded systems. In the course of the work, the technical feasibility for the implementation of CNNs in FPGAs was examined, in particular, following the example of a feasibility analysis. This paper shows that the acceleration of convolution neural networks using FPGAs is technically feasible for use as detection hardware in the weeding robot. With the help of the current state of research and the existing literature, the optimization possibilities of the hardware and software have been evaluated. The trials of different networks on different hardware accelerators with diverse approaches were investigated and compared

Free Transplantation of a Tissue Engineered Bone Graft into an Irradiated, Critical-Size Femoral Defect in Rats

Healing of large bone defects remains a challenge in reconstructive surgery, especially with impaired healing potential due to severe trauma, infection or irradiation. In vivo studies are often performed in healthy animals, which might not accurately reflect the situation in clinical cases. In the present study, we successfully combined a critical-sized femoral defect model with an ionizing radiation protocol in rats. To support bone healing, tissue-engineered constructs were transferred into the defect after ectopic preossification and prevascularization. The combination of SiHA, MSCs and BMP-2 resulted in the significant ectopic formation of bone tissue, which can easily be transferred by means of our custom-made titanium chamber. Implanted osteogenic MSCs survived in vivo for a total of 18 weeks. The use of SiHA alone did not lead to bone formation after ectopic implantation. Analysis of gene expression showed early osteoblast differentiation and a hypoxic and inflammatory environment in implanted constructs. Irradiation led to impaired bone healing, decreased vascularization and lower short-term survival of implanted cells. We conclude that our model is highly valuable for the investigation of bone healing and tissue engineering in pre-damaged tissue and that healing of bone defects can be substantially supported by combining SiHA, MSCs and BMP-2

Differential Effects of Cystathionine-γ-lyase–Dependent Vasodilatory H₂S in Periadventitial Vasoregulation of Rat and Mouse Aortas

<div><h3>Background</h3><p>Hydrogen sulfide (H₂S) is a potent vasodilator. However, the complex mechanisms of vasoregulation by H₂S are not fully understood. We tested the hypotheses that (1) H₂S exerts vasodilatory effects by opening KCNQ-type voltage-dependent (K_v) K⁺ channels and (2) that H₂S-producing cystathionine-γ-lyase (CSE) in perivascular adipose tissue plays a major role in this pathway.</p> <h3>Methodology/Principal Findings</h3><p>Wire myography of rat and mouse aortas was used. NaHS and 5-(4-hydroxyphenyl)-3H-1,2-dithiole-3-thione (ADTOH) were used as H₂S donors. KCNQ-type K_v channels were blocked by XE991. 4-Propargylglycine (PPG) and ß-cyano-l-alanine (BCA), or 2-(aminooxy)-acetic acid (AOAA) were used as inhibitors of CSE or cystathionine-ß-synthase (CBS), respectively. NaHS and ADTOH produced strong vasorelaxation in rat and mouse aortas, which were abolished by KCNQ channel inhibition with XE991. Perivascular adipose tissue (PVAT) exerted an anticontractile effect in these arteries. CSE inhibition by PPG and BCA reduced this effect in aortas from rats but not from mice. CBS inhibition with AOAA did not inhibit the anticontractile effects of PVAT. XE991, however, almost completely suppressed the anticontractile effects of PVAT in both species. Exogenous l-cysteine, substrate for the endogenous production of H₂S, induced vasorelaxation only at concentrations >5 mmol/l, an effect unchanged by CSE inhibition.</p> <h3>Conclusions/Signficance</h3><p>Our results demonstrate potent vasorelaxant effects of H₂S donors in large arteries of both rats and mice, in which XE991-sensitive KCNQ-type channel opening play a pivotal role. CSE-H₂S seems to modulate the effect of adipocyte-derived relaxing factor in rat but not in mouse aorta. The present study provides novel insight into the interaction of CSE-H₂S and perivascular adipose tissue. Furthermore, with additional technical advances, a future clinical approach targeting vascular H₂S/KCNQ pathways to influence states of vascular dysfunction may be possible.</p> </div

Serotonin (5-HT) dose response curves of rat aortic rings with ((+) Fat) and without ((−) Fat) perivascular fat with and without preincubation with XE991 (15 min, 30 µmol/l) in Mulvany Small Vessel Myograph.

<p>* p<0.05. n = 7 for all groups.</p

Serotonin (5-HT) dose response curves of rat aortic rings with (Fat (+)) and without (Fat (−)) perivascular fat with and without preincubation with PPG (30 min, 10 mmol/l) in Mulvany Small Vessel Myograph.

<p>* p<0.05. n = 7 in (−) Fat rings. n = 6 in (+) Fat rings.</p

L-cysteine does neither produce vasorelaxation of rat aortic rings without perivascular fat nor affect endothelium-dependent vasorelaxation by acetylcholine (100 µmol/l and 1 mmol/l L-cysteine).

<p>All values are p<u>></u>0.05. n = 6 in each group.</p

NaHS dose response curve of rat aortic rings without perivascular fat with and without preincubation with XE991 (15 min, 30 µmol/l) (panel A) or with and without preincubation with glibenclamide (15 min, 3 µmol/l) (panel B).

<p>Rat aortic rings were precontracted with 5-HT (2 µmol/l) and then stepwise relaxed with NaHS (0.01–1 mmol/l). * p<0,05. n = 9 in control groups. n = 6 in groups with XE991 and glibenclamide, respectively.</p