Die Wirkung von Bradykinin auf die zerebrale Mikrozirkulation

In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung von Bradykinin auf die zerebrale Mikrozirkulation untersucht. Von besonderer Bedeutung war hierbei die Beurteilung der Interaktion von Leukozyten und Thrombozyten mit dem Gefäßendothel. Die verschiedenen Schritte der Leukozyten Aktivierung wurden bei vielen verschiedenen Krankheitsbildern nachgewiesen und tragen durch eine Verstärkung einer initialen Entzündungsreaktion zu einer zusätzlichen Schädigung des Gewebes bei. Zunehmend gibt es auch Hinweise für eine Beteiligung der Thrombozyten an der sekundären Gewebsschädigung z.B. nach Ischämie und Reperfusion unterschiedlicher Organsysteme. Die einzelnen Mechanismen, die zur Initiierung von Leukozyten und Thrombozy-ten Endothelinterkationen führen sind nur unzureichend verstanden. Untersuchungen an unterschiedli-chen Organen und bei unterschiedlichen Krankheitsbildern weisen auf eine Rolle des Kallikrein Kinin Systems bei der Aktivierung von Leukozyten hin. Die genauen Abläufe und die verantwortlichen Re-zeptoren des Kallikrein Kinin Systems wurden in der zerebralen Mikrozirkulation bisher nicht unter-sucht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war deshalb, die Wirkung von Bradykinin auf die zerebrale Mikrozirkulation und die dafür verantwortlichen Rezeptoren in einem in vivo Modell mit Hilfe der Fluoreszenz Intravitalmikroskopie zu untersuchen. Die Beurteilung der Mirkozirkulation sollte dabei in vivo erfolgen mit Zuhilfenahme der Histologie zur Beurteilung einer möglichen Extravasation von Leukozyten in das Hirnparenchym. Zur Durchführung der Untersuchungen wurde erstmals eine Methode zur Fluoreszenzfärbung von Thrombozyten in der Mongolischen Wüstenrennmaus etabliert. Dies ermöglichte in dem bereits etab-lierten Tiermodell des geschlossenen Schädelfensters die Untersuchung der einzelnen Schritte der Thrombozyten Endothelinteraktion in vivo. Zur Färbung der Thrombozyten war deren Isolation nötig, wobei die Aufrechterhaltung der Funktion der Thrombozyten in vitro und in vivo nachgewiesen wur-de. In dem verwendeten Modell war somit die Beurteilung von Leukozyten und Thrombozy-ten Endothelinteraktionen, arteriellen und venösen Gefäßdurchmessern, der funktionellen Kapillar-dichte, der mikrovaskulären Durchblutung und der Störung der Blut Hirnschranke möglich. Um eine mögliche Rolle des Kallikrein Kinin Systems bei pathologischen Vorgängen der zerebralen Mikrozirkulation zu untersuchen, erfolgte die intravasale Applikation von Bradykinin in verschiede-nen Konzentrationen über einen Zeitraum von 30 Minuten in die A. carotis interna. Während der Bradykinin Infusion kam es zu einem dosisabhängigen Abfall des Blutdrucks sowie der mikrovaskulären Durchblutung. Diese Werte erholten sich nach Ende der Infusion wieder und erreich-ten teilweise das Ausgangsniveau. Als möglicher Mechanismus für den Abfall des Blutdrucks und der Durchblutung kommt eine systemische Vasodilatation in Frage. Eine Veränderung der zerebralen Ge-fäßdurchmesser konnte nicht festgestellt werden. Die Blockade des Kinin B2 Rezeptors führte zu einer Verringerung des Blutdruckabfalls während der Bradykinin Infusion sowie zu einem höheren Anstieg des Blutdrucks bis zum Ende des Beobachtungszeitraums. Außerdem führte die Kinin B2 Rezep-tor Blockade zu einer geringeren Reduktion der mikrovaskulären Durchblutung während der Bradyki-nin Infusion. Im Gegensatz dazu führte die Blockade des Kinin B1 Rezeptors zu einer ausgeprägteren Reduktion der mikrovaskulären Durchblutung während der Infusion sowie am Ende des Beobach-tungszeitraums. Bradykinin induziert einen dosisabhängigen Anstieg der Anzahl rollender und adhärenter Leukozyten. Die Anzahl rollender Leukozyten nahm bis zum Ende des Beobachtungszeitraums stetig zu, die An-zahl adhärenter Leukozyten erreichte den Höchstwert eine Stunde nach Ende der Bradykinin Infusion. Analog zu den Untersuchungen aus der Intravitalmikroskopie fand sich in der histologischen Untersu-chung mit Hilfe der Esterase Färbung eine erhöhte Anzahl von Leukozyten im Hirnparenchym. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Bradykinin Leukozyten Endothelinteraktionen initiieren kann und an allen Schritten der Aktivierung bis zur Emigration in das Gewebe beteiligt ist. Diese Vorgänge schei-nen durch den Kinin B2 Rezeptor vermittelt zu werden, da eine Blockade desselben die Leukozy-ten Aktivierung verringern konnte. Die Blockade des Kinin B1 Rezeptors führte zu keiner signifikan-ten Veränderung der Leukozyten Endothelinteraktionen. Analog zur Wirkung auf die Leukozyten Endothelinteraktion führte Bradykinin zu einer Initiierung von Thrombozyten Endothelinteraktionen. Allerdings konnte lediglich eine erhöhte Anzahl rollender Thrombozyten beobachtet werden, adhärente Thrombozyten wurden nicht beobachtet. Eine mögliche Erklärung bieten Untersuchungen, die zeigen konnten, dass Bradykinin eine Thrombozy-ten Aktivierung hemmen kann. Da diese für die Adhärenz der Zellen am Gefäßendothel nötig ist, kann Bradykinin zwar durch Hochregulation endothelialer Adhäsionsmoleküle ein Rollen der Zellen am Endothel bewirken, jedoch eine feste Adhärenz verhindern. Wie bereits bei den Leukozy-ten Endothelinteraktionen führte die Gabe des Kinin B2 Rezeptorantagonisten zu einer Verringerung der rollenden Thrombozyten. Die funktionelle Kapillardichte änderte sich durch Infusion von Bradykinin ohne Rezeptorantagonisie-rung nur vorübergehend. Allerdings führte eine Blockade des Kinin B1 Rezeptors zu einem stetigen Abfall der funktionellen Kapillardichte bis zum Ende des Beobachtungszeitraums. Die verantwortli-chen Mechanismen sind dabei unklar, eine erhöhte Anzahl von adhärenten Leukozyten oder ein Ver-schluss der untersuchten Gefäßabschnitte durch Thrombozytenaggregate konnte nicht beobachtet wer-den. Insgesamt weisen die vorgestellten Versuche auf eine Beteiligung des Kallkrein Kinin Systems bei der Aktivierung von Leukozyten und Thrombozyten in der zerebralen Mikrozirkulation hin. Dieser Me-chanismus scheint durch den Kinin B2 Rezeptor vermittelt zu werden und wird möglicherweise durch eine Hochregulation endothelialer Adhäsionsmoleküle vermittelt. Die Aktivierung des Kinin B1 Re-zeptors könnte eine protektive Wirkung gegen die Mangelperfusion von Kapillaren mit Abnahme der nutritiven Durchblutung haben. Diese Ergebnisse bieten eine mögliche Erklärung für den protektiven Effekt von Kinin B2 Rezeptoran-tagonisten in unterschiedlichen Modellen zerebraler Insulte. Eine protektive Wirkung des Kinin B1 Rezeptors wurde häufig postuliert, es gibt jedoch bisher wenige Untersuchung zur Wirkung von Kinin B1 Rezeptoragonisten bei pathologischen Prozessen des Gehirns. Die vorliegenden Ergebnisse können die Grundlage für weitere Untersuchungen zu Veränderungen der Mikrozirkulation bei verschiedenen Krankheitsbildern des zentralen Nervensystems bilden. Nur eine genaue Kenntnis der komplexen und multifaktoriellen pathophysiologischen Prozesse wird eine effektive Therapie dieser Erkrankungen ermöglichen

Innate and Adaptive Immunity in Inflammatory Bowel Diseases

While barrier function and the effects of the intestinal microbiome have only recently moved into the focus of inflammatory bowel disease research, the role of the innate and the adaptive immune system in these gastrointestinal disorders has extensively been studied. Although still not completely understood, the increasing knowledge about the immune system's contribution to the pathophysiology of inflammatory bowel diseases has led to new diagnostic and therapeutic approaches. This review gives a compact overview on this important topic

Lack of Intestinal Epithelial Atg7 Affects Paneth Cell Granule Formation but Does Not Compromise Immune Homeostasis in the Gut

Genetic polymorphisms of autophagy-related genes have been associated with an increased risk to develop inflammatory bowel disease (IBD). Autophagy is an elementary process participating in several cellular events such as cellular clearance and nonapoptotic programmed cell death. Furthermore, autophagy may be involved in intestinal immune homeostasis due to its participation in the digestion of intracellular pathogens and in antigen presentation. In the present study, the role of autophagy in the intestinal epithelial layer was investigated. The intestinal epithelium is essential to maintain gut homeostasis, and defects within this barrier have been associated with the pathogenesis of IBD. Therefore, mice with intestinal epithelial deletion of Atg7 were generated and investigated in different mouse models. Knockout mice showed reduced size of granules and decreased levels of lysozyme in Paneth cells. However, this was dispensable for gut immune homeostasis and had no effect on susceptibility in mouse models of experimentally induced colitis

Semantic segmentation of non-linear multimodal images for disease grading of inflammatory bowel disease: A segnet-based application

Non-linear multimodal imaging, the combination of coherent anti-stokes Raman scattering (CARS), two-photon excited fluorescence (TPEF) and second harmonic generation (SHG), has shown its potential to assist the diagnosis of different inflammatory bowel diseases (IBDs). This label-free imaging technique can support the ‘gold-standard’ techniques such as colonoscopy and histopathology to ensure an IBD diagnosis in clinical environment. Moreover, non-linear multimodal imaging can measure biomolecular changes in different tissue regions such as crypt and mucosa region, which serve as a predictive marker for IBD severity. To achieve a real-time assessment of IBD severity, an automatic segmentation of the crypt and mucosa regions is needed. In this paper, we semantically segment the crypt and mucosa region using a deep neural network. We utilized the SegNet architecture (Badrinarayanan et al., 2015) and compared its results with a classical machine learning approach. Our trained SegNet mod el achieved an overall F1 score of 0.75. This model outperformed the classical machine learning approach for the segmentation of the crypt and mucosa region in our study

Computational tissue staining of non-linear multimodal imaging using supervised and unsupervised deep learning

Hematoxylin and Eosin (H&E) staining is the 'gold-standard' method in histopathology. However, standard H&E staining of high-quality tissue sections requires long sample preparation times including sample embedding, which restricts its application for 'real-time' disease diagnosis. Due to this reason, a label-free alternative technique like non-linear multimodal (NLM) imaging, which is the combination of three non-linear optical modalities including coherent anti-Stokes Raman scattering, two-photon excitation fluorescence and second-harmonic generation, is proposed in this work. To correlate the information of the NLM images with H&E images, this work proposes computational staining of NLM images using deep learning models in a supervised and an unsupervised approach. In the supervised and the unsupervised approach, conditional generative adversarial networks (CGANs) and cycle conditional generative adversarial networks (cycle CGANs) are used, respectively. Both CGAN and cycle CGAN models generate pseudo H&E images, which are quantitatively analyzed based on mean squared error, structure similarity index and color shading similarity index. The mean of the three metrics calculated for the computationally generated H&E images indicate significant performance. Thus, utilizing CGAN and cycle CGAN models for computational staining is beneficial for diagnostic applications without performing a laboratory-based staining procedure. To the author's best knowledge, it is the first time that NLM images are computationally stained to H&E images using GANs in an unsupervised manner

Optoacoustic Imaging in Inflammation.

Optoacoustic or photoacoustic imaging (OAI/PAI) is a technology which enables non-invasive visualization of laser-illuminated tissue by the detection of acoustic signals. The combination of "light in" and "sound out" offers unprecedented scalability with a high penetration depth and resolution. The wide range of biomedical applications makes this technology a versatile tool for preclinical and clinical research. Particularly when imaging inflammation, the technology offers advantages over current clinical methods to diagnose, stage, and monitor physiological and pathophysiological processes. This review discusses the clinical perspective of using OAI in the context of imaging inflammation as well as in current and emerging translational applications

Pseudo-HE images derived from CARS/TPEF/SHG multimodal imaging in combination with Raman-spectroscopy as a pathological screening tool

Due to the steadily increasing number of cancer patients worldwide the early diagnosis and treatment of cancer is a major field of research. The diagnosis of cancer is mostly performed by an experienced pathologist via the visual inspection of histo-pathological stained tissue sections. To save valuable time, low quality cryosections are frequently analyzed with diagnostic accuracies that are below those of high quality embedded tissue sections. Thus, alternative means have to be found that enable for fast and accurate diagnosis as the basis of following clinical decision making

VEGF receptor signaling links inflammation and tumorigenesis in colitis-associated cancer

Inflammation drives expression of VEGFR2, which is expressed on and drives growth of tumor cells in colitis-associated cancer