Die hyperosmotische Induktion von Entzündungsreaktionen in humanen Bronchialepithelzellen : ein Modell für die Cystische Fibrose

Für die geplanten Untersuchungen wurde eine eigene Methode für die Kultur primärer humaner Bronchialepithelzellen etabliert. Die Bronchialepithelzellen wurden aus Lungenteilresektaten durch eine cytologische Bürstung gewonnen. Die verwendeten Kulturschalen wurden mit Kollagen beschichtet. Als serumfreie Kulturmedien wurden ein Expansionsmedium und ein Differenzierungsmedium verwendet. Dabei enthielt das Expansionsmedium proliferationsfördernde Supplemente, was zu einer deutlich gesteigerten Zellausbeute gegenüber der Verwendung handelsüblicher Medien führte. Im Differenzierungsmedium wurden Supplemente verwendet, die für die Differenzierung und Ziliogenese bronchialer Epithelzellen erforderlich sind. Die Kultur erfolgte an einer Luft-Medium-Grenzfläche, die für Bronchialepithelzellen eine physiologische Umgebung darstellt. Die Charakterisierung der Kulturen zeigte keine Verunreinigungen mit Fibroblasten, Muskelzellen oder Zellen mesenchymalen Ursprungs. Das charakteristische kopfsteinplasterartige Erscheinungsbild, sowie der immunhistochemische Nachweis von Cytokeratin 18 belegten den bronchoepithelialen Charakter der Kulturen. In der vorliegenden Arbeit wurde mit der RT-kompetitive Multiplex-PCR (RCMP) eine Technik entwickelt, mit deren Hilfe die Expression von Genen in niedriger Kopienzahl oder aber in Proben mit geringer RNA-Menge nachgewiesen werden kann. Geringe Ausgangsmengen an RNA wiesen vor allem die Primärkulturen von humanem Bronchialepithel, als auch frische Gewebebürstungen des Bronchial- und Nasenepithels auf. Die RCMP basiert auf einer kompetitiven PCR und kombiniert eine exogen interne und endogen interne Standardisierung. Damit wurde die mRNA-Expression von bis zu vier Genen in einem Ansatz analysiert. Die RCMP löst dabei mehrere Probleme herkömmlicher PCR-Verfahren: 1. mRNAs mit hoher oder niedriger Kopienzahl können in einem Ansatz koamplifiziert werden. 2. Die semiquantitative Quantifizierung ist unabhängig von den Syntheseeffizienzen von Target und Referenzgenen. 3. Die RCMP kontrolliert Schwankungen der initialen RNA-Menge. 4. Die Unabhängigkeit der RCMP von der Kenntnis der initialen RNA Menge erlaubt auch die Bestimmung von Probenmaterial in dem nur geringe mRNA-Mengen vorhanden sind. Damit eignet sich die RCMP besonders für Expressionsstudien Materialien wie Bioptaten, Nasal- oder Bronchialbürstungen, sowie den Kulturen primärer Bronchialepithelzellen. Mit Hilfe der RCMP wurden erstmals die mRNA der Osmolyttransporter BGT-1, SMIT und TAUT in Bronchialepithelzellen nachgewiesen. Nach Behandlung mit hyperosmotischen Medien wurde die mRNA-Expression dieser Transporter stark induziert. Bronchialepithelzellen perzeptieren osmotische Belastungen und versuchen, ihnen entgegenzuwirken. Hyperosmotische Belastungen können in Bronchialepithelien zu einer Inflammation ohne zugrunde liegende Infektion führen. Dabei wird zeit- und dosisabhängig sowohl die Sekretion als auch die Expression von IL-8 induziert. An dieser Induktion ist die p38 MAP-Kinase beteiligt. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind sowohl an der Induktion der IL-8 Sekretion und Expression beteiligt, als auch an der Aktivierung der p38 MAPKinase. Weiterhin zeigte sich, dass die Induktion der Sekretion von IL-6 und IL-8 abhängig von osmotisch bedingten Änderungen des Zellvolumens ist. Auch hier wird bereits die p38 MAP-Kinase durch das Zellvolumen reguliert. Die Ergebnisse legen ein mögliches Modell für die initialen Vorgänge in der CF-Lunge nahe. Die Veränderungen des Ionenhaushalts bei der cystischen Fibrose, sowie die eingeschränkte Zellvolumenkontrolle bei CF-Zelllinien, weisen darauf hin, dass ein defektes CFTR-Protein zu einer von neutrophilen Granulozyten dominierten Inflammation führen kann, ohne das die Lunge bereits mit Erregern besiedelt wurde

Selective non-steroidal glucocorticoid receptor agonists attenuate inflammation but do not impair intestinal epithelial cell restitution in vitro

Introduction: Despite the excellent anti-inflammatory and immunosuppressive action of glucocorticoids (GCs), their use for the treatment of inflammatory bowel disease (IBD) still carries significant risks in terms of frequently occurring severe side effects, such as the impairment of intestinal tissue repair. The recently-introduced selective glucocorticoid receptor (GR) agonists (SEGRAs) offer anti-inflammatory action comparable to that of common GCs, but with a reduced side effect profile. Methods: The in vitro effects of the non-steroidal SEGRAs Compound A (CpdA) and ZK216348, were investigated in intestinal epithelial cells and compared to those of Dexamethasone (Dex). GR translocation was shown by immunfluorescence and Western blot analysis. Trans-repressive effects were studied by means of NF-κB/p65 activity and IL-8 levels, trans-activation potency by reporter gene assay. Flow cytometry was used to assess apoptosis of cells exposed to SEGRAs. The effects on IEC-6 and HaCaT cell restitution were determined using an in vitro wound healing model, cell proliferation by BrdU assay. In addition, influences on the TGF-β- or EGF/ERK1/2/MAPK-pathway were evaluated by reporter gene assay, Western blot and qPCR analysis. Results: Dex, CpdA and ZK216348 were found to be functional GR agonists. In terms of trans-repression, CpdA and ZK216348 effectively inhibited NF-κB activity and IL-8 secretion, but showed less trans-activation potency. Furthermore, unlike SEGRAs, Dex caused a dose-dependent inhibition of cell restitution with no effect on cell proliferation. These differences in epithelial restitution were TGF-β-independent but Dex inhibited the EGF/ERK1/2/MAPK-pathway important for intestinal epithelial wound healing by induction of MKP-1 and Annexin-1 which was not affected by CpdA or ZK216348. Conclusion: Collectively, our results indicate that, while their anti-inflammatory activity is comparable to Dex, SEGRAs show fewer side effects with respect to wound healing. The fact that SEGRAs did not have a similar effect on cell restitution might be due to a different modulation of EGF/ERK1/2 MAPK signalling

Ste20-Related Proline/Alanine-Rich Kinase (SPAK) Regulated Transcriptionally by Hyperosmolarity Is Involved in Intestinal Barrier Function

The Ste20-related protein proline/alanine-rich kinase (SPAK) plays important roles in cellular functions such as cell differentiation and regulation of chloride transport, but its roles in pathogenesis of intestinal inflammation remain largely unknown. Here we report significantly increased SPAK expression levels in hyperosmotic environments, such as mucosal biopsy samples from patients with Crohn's disease, as well as colon tissues of C57BL/6 mice and Caco2-BBE cells treated with hyperosmotic medium. NF-κB and Sp1-binding sites in the SPAK TATA-less promoter are essential for SPAK mRNA transcription. Hyperosmolarity increases the ability of NF-κB and Sp1 to bind to their binding sites. Knock-down of either NF-κB or Sp1 by siRNA reduces the hyperosmolarity-induced SPAK expression levels. Furthermore, expression of NF-κB, but not Sp1, was upregulated by hyperosmolarity in vivo and in vitro. Nuclear run-on assays showed that hyperosmolarity increases SPAK expression levels at the transcriptional level, without affecting SPAK mRNA stability. Knockdown of SPAK expression by siRNA or overexpression of SPAK in cells and transgenic mice shows that SPAK is involved in intestinal permeability in vitro and in vivo. Together, our data suggest that SPAK, the transcription of which is regulated by hyperosmolarity, plays an important role in epithelial barrier function

Non-invasive detection of colorectal cancer – do we still need the guaiac-based fecal occult blood test?

Aufgrund der leichten Handhabung und des Nachweises einer Mortalitätssenkung gilt der Nachweis von okkultem Blut (FOBT) im Stuhl derzeit als das am weitesten verbreitete Screeningverfahren für das kolorektale Karzinom. Als nachteilig erweisen sich allerdings eine unzureichende Sensitivität, insbesondere beim Nachweis früher Stadien und eine nach wie vor geringe Akzeptanz in der Bevölkerung. Vorläufige Daten zum Nachweis von Calprotectin oder der Tumor-M2-PK im Stuhl ließen bessere Screeningeigenschaften erwarten. Aber auch hierschränkt die geringe Sensitivität für frühe Vorstufen und unzureichende Spezifität mit zu erwartenden hohen Folgekosten die Tauglichkeit der Tests deutlich ein. Die kürzlich entwickelten immunologischen FOBTs (I-FOBT)erweisen sich als spezifischer und sensitiver. Sie beruhen auf dem Nachweis von humanem Hämoglobin mittels spezifischer Antikörper und sind somit unabhängig von diätetischen oder medikamentösen Faktoren, was zu einer deutlich besseren Akzeptanz führt. Sie gelten derzeit als kosteneffektivste Verfahren unter den nichtinvasiven Screeningmaßnahmen. Der Nachweis von Tumor-DNA im Stuhl eröffnet eine neue Ära zum frühzeitigen Nachweis kolorektaler Karzinome. Erste kleinere Studien weisen auf eine sehr gute Sensitivität dieser Verfahren hin. Sie lagen für kolorektale Karzinome zwischen 62–91% und für Adenome zwischen 26–73% bei mit 93–100% sehr guter Spezifität. Als nachteilig im Ver-gleich zu den derzeit verfügbaren Screeningtests erweisen sich allerdings die vergleichsweise hohen Kosten.Given the simplicity of the method and how it can be applied, as well as proof that it lowers the mortality rate, fecal occult blood testing (FOBT) is currently the most commonly used screening method for colorectal cancer (CRC). However, the test suffers from poor sensitivity, particularly with respect to detecting early stages, as well as low acceptance among the population. Preliminary data on detecting calprotectin and tumour-M2-PK in the stool indicated that a better screening performance could be expected. But these tests also suffer from low sensitivity in detecting early stages and from poor specificity, thus limiting the usefulness of the tests as a result of high follow-up costs. Recently developed immunological tests (I-FOBT) demonstrate significantly increased sensitivity and specificity. I-FOBTs use antibodies specific to human hemoglobin and are therefore not affected by diet and drugs, leading to improved patient partipication. At present, I-FOBTs seem to be the most cost-effective approach for non-invasive screening. The detection of tumour-DNA in the stool opens up a new era in early diagnosis of colorectal cancer. Small trials have pointed to a very high sensitivity of these methods: 62–91% for colorectal cancer and between 26% and 73% for adenomas, with a very high level of specificity (93–100%). The major drawback of this type of testing, compared with other screening tests available today, is its high cost

De novo ceramide biosynthesis is associated with resveratrol-induced inhibition of ornithine decarboxylase activity

Previous studies could demonstrate, that the naturally occuring polyphenol resveratrol inhibits cell growth of colon carcinoma cells at least in part by inhibition of protooncogene ornithine decarboxylase (ODC). The objective of this study was to provide several lines of evidence suggesting that the induction of ceramide synthesis is involved in this regulatory mechanisms. Cell growth was determined by BrdU incorporation and crystal violet staining. Ceramide concentrations were detected by HPLC-coupled mass-spectrometry. Protein levels were examined by Western blot analysis. ODC activity was assayed radiometrically measuring [(14)CO(2)]-liberation. A dominant-negative PPARgamma mutant was transfected in Caco-2 cells to suppress PPARgamma-mediated functions. Antiproliferative effects of resveratrol closely correlate with a dose-dependent increase of endogenous ceramides (p<0.001). Compared to controls the cell-permeable ceramide analogues C2- and C6-ceramide significantly inhibit ODC-activity (p<0.001) in colorectal cancer cells. C6-ceramide further diminished protein levels of protooncogenes c-myc (p<0.05) and ODC (p<0.01), which is strictly related to the ability of ceramides to inhibit cell growth in a time- and dose-dependent manner. These results were further confirmed using inhibitors of sphingolipid metabolism, where only co-incubation with a serine palmitoyltransferase (SPT) inhibitor could significantly counteract resveratrol-mediated actions. These data suggest that the induction of ceramide de novo biosynthesis but not hydrolysis of sphingomyelin is involved in resveratrol-mediated inhibition of ODC. In contrast to the regulation of catabolic spermidine/spermine acetyltransferase by resveratrol, inhibitory effects on ODC occur PPARgamma-independently, indicating independent pathways of resveratrol-action. Due to our findings resveratrol could show great chemopreventive and therapeutic potential in the treatment of colorectal cancers