The cerebral microvessels possess barrier characteristics which are tightly sealed excluding many toxic substances and protecting neural tissues. The specialized blood-neural barriers as well as the cerebral microvascular barrier are recognized in the retina, inner ear, spinal cord, and cerebrospinal fluid. Microvascular endothelial cells in the brain closely interact with other components such as astrocytes, pericytes, perivascular microglia and neurons to form functional 'neurovascular unit'. Communication between endothelial cells and other surrounding cells enhances the barrier functions, consequently resulting in maintenance and elaboration of proper brain homeostasis. Furthermore, the disruption of the neurovascular unit is closely involved in cerebrovascular disorders. In this review, we focus on the location and function of these various blood-neural barriers, and the importance of the cell-to-cell communication for development and maintenance of the barrier integrity at the neurovascular unit. We also demonstrate the close relation between the alteration of the blood-neural barriers and cerebrovascular disorders.
The purpose of this study was to investigate the modification of expression and functionality of the drug transporter P-glycoprotein (P-gp) by tumor necrosis factor-alpha (TNF-${\alpha}$) and interferon-gamma (IFN-${\gamma}$) at the blood-brain barrier (BBB). We used immortalized human brain microvessel endothelial cells (iHBMEC) and primary human brain microvessel endothelial cells (pHBMEC) as in vitro BBB model. To investigate the change of p-gp expression, we carried out real time PCR analysis and Western blotting. To test the change of p-gp activity, we performed rhodamin123 (Rh123) accumulation study in the cells. In results of real time PCR analysis, the P-gp mRNA expression was increased by TNF-${\alpha}$ or IFN-${\gamma}$ treatment for 24 hr in both cell types. However, 48 hr treatment of TNF-${\alpha}$ or IFN-${\gamma}$ did not affect P-gp mRNA expression. In addition, co-treatment of TNF-${\alpha}$ and IFN-${\gamma}$ markedly increased the P-gp mRNA expression in both cells. TNF-${\alpha}$ or IFN-${\gamma}$ did not influence P-gp protein expression whatever the concentration of cytokines or duration of treatment in both cells. However, P-gp expression was increased after treatments of both cytokines together in iHBMEC cells only compared with untreated control. Furthermore, in both cell lines, TNF-${\alpha}$ or IFN-${\gamma}$ induced significant decrease of P-gp activity for 24 hr treatment. And, both cytokines combination treatment also decreased significantly P-gp activity. These results suggest that P-gp expression and function at the BBB is modulated by TNF-${\alpha}$ or/and IFN-${\gamma}$. Therefore, the distribution of P-gp depending drugs in the central nervous system can be modulated by neurological inflammatory diseases.
Cilostazol is known to be a selective inhibitor of phosphodiesterase III and is generally used to treat stroke. Our previous findings showed that cilostazol enhanced capillary density through angiogenesis after focal cerebral ischemia. Angiogenesis is an important physiological process for promoting revascularization to overcome tissue ischemia. It is a multistep process consisting of endothelial cell proliferation, migration, and tubular structure formation. Here, we examined the modulatory effect of cilostazol at each step of the angiogenic mechanism by using human brain microvascular endothelial cells (HBMECs). We found that cilostazol increased the migration of HBMECs in a dose-dependent manner. However, it did not enhance HBMEC proliferation and capillary-like tube formation. We used a cDNA microarray to analyze the mechanisms of cilostazol in cell migration. We picked five candidate genes that were potentially related to cell migration, and we confirmed the gene expression levels by real-time PCR. The genes phosphoserine aminotransferase 1 (PSAT1) and CCAAT/enhancer binding protein ${\beta}$ ($C/EBP{\beta}$) were up-regulated. The genes tissue factor pathway inhibitor 2 (TFPI2), retinoic acid receptor responder 1 (RARRES1), and RARRES3 were down-regulated. Our observations suggest that cilostazol can promote angiogenesis by promoting endothelial migration. Understanding the cilostazol-modulated regulatory mechanisms in brain endothelial cells may help stimulate blood vessel formation for the treatment of ischemic diseases.
Kim, Tae Young;Park, Jong Tae;Han, Weon Cheol;Moon, Seong Keun
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.29
no.9
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pp.1222-1227
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2000
Objective : Vascular endothelial growth factor(VEGF), an endothelial cell specific cytokine, is a potent angiogenic growth factor implicated in the tumor angiogenesis and increases vascular permeability dramatically. Peritumoral brain edema(PTBE) occurs in 40-60% of meningiomas. Many causative factors have been investigated, but the mechanism of PTBE associate with meningioma is unclear. VEGF has been implicated as one of the causative factors of PTBE. This study was designed to determine whether the extent of VEGF expression is correlated with degree of PTBE in meningiomas. Methods : Meningioma tissue samples from 40 patients(7 men and 33 women, mean age $53{\pm}13years$) who underwent surgery were examined retrospectively for the expression of VEGF immunohistochemically. The extent of PTBE was estimated by using preoperative CT or MRI as an edema index(EI). In addition to VEGF, several causative factors including tumor size, location, histologic type, microvasculature(CD31) were compared with EI. Results : Twenty-six meningiomas demonstrated PTBE, and the other 14 did not. Of the 40 patients of meningiomas, 28 were positive(17 were 1+ and 11 were 2+) for VEGF. The EI increased significantly just as VEGF was strongly expressed(p=0.006). Microvascular proliferation was also closely correlated with the extent of peritumoral brain edema(p<0.05). Conclusion : These data suggest that VEGF expression and microvascular proliferation are closely correlated with PTBE in meningioma.
The pathogenesis and pathophysiology of Acanthamoeba infections remain incompletely understood. Phospholipases are known to cleave phospholipids, suggesting their possible involvement in the host cell plasma membrane disruption leading to host cell penetration and lysis. The aims of the present study were to determine phospholipase activities in Acanthamoeba and to determine their roles in the pathogenesis of Acanthamoeba. Using an encephalitis isolate (T1 genotype), a keratitis isolate (T4 genotype), and an environmental isolate (T7 genotype), we demonstrated that Acanthamoeba exhibited phospholipase $A_2$ (PLA$_2$). and phospholipase D (PLD) activities in a spectrophotometry-based assay. Interestingly, the encephalitis isolates of Acanthamoeba exhibited higher phospholipase activities as compared with the keratitis isolates, but the environmental isolates exhibited the highest phospholipase activities. Moreover, Acanthamoeba isolates exhibited higher PLD activities compared with the PLA$_2$. Acanthamoeba exhibited optimal phospholipase activities at $37^{\circ}C$ and at neutral pH indicating their physiological relevance. The functional role of phospholipases was determined by in vitro assays using human brain microvascular endothelial cells (HBMEC), which constitute the blood-brain barrier. We observed that a PLD-specific inhibitor, i.e., compound 48/80, partially inhibited Acanthamoeba encephalitis isolate cytotoxicity of the host cells, while PLA$_2$-specific inhibitor, i.e., cytidine 5'-diphosphocholine, had no effect on parasite-mediated HBMEC cytotoxicity. Overall, the T7 exhibited higher phospholipase activities as compared to the T4. In contract, the T7 exhibited minimal binding to, or cytotoxicity of, HBMEC.
Kim, Tae Young;Park, Jong Tae;Moon, Seong Keun;Han, Weon Cheol
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.29
no.10
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pp.1303-1308
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2000
Objectives : It has been known that vascular endothelial growth factor(VEGF), as an endothelial cell-specific mitogen, induces angiogenesis, and possesses vascular permeability and procoagulant properties. Peritumoral brain edema(PTBE) is a common accompaniment of malignant gliomas. It results from microvascular extravasation of plasma and proteins through the interendothelial spaces. The correlation between pathological grading, PTBE, neovascularization, and the expression of VEGF were analyzed in 31 patients with astrocytic tumors. Methods : Astrocytic tumor samples(8 astrocytomas, 14 anaplastic astrocytomas, and 9 glioblastomas) from 31 patients( 21 males and 10 females : average age $37{\pm}24$ years) who underwent surgery were examined retrospectively for the expression of VEGF and CD31(microvasculature) immunohistochemically. The extent of PTBE was examined by using preoperative CT or MRI as an edema index(EI). In addition to VEGF and CD31, several causative factors including tumor size, histologic type were compared with EI. Results : Only one of 8 astrocytomas, and majority of high grade(21 of 23 anaplastic astrocytomas and glioblastomas) tumors demonstrated PTBE(p<0.05). The majority of high grade tumors showed higher expression of VEGF (p<0.01). High grade tumors showed even higher CD31 expression(p<0.05), however, there was no close correlation between expression of VEGF and CD31. The EI was increased significantly, just as VEGF(p<0.01), but CD31 expression was not correlated with high EI. Conclusion : These data suggest that VEGF expression is closely correlated with PTBE and histological grading in astrocytic tumors. Microvasculature(CD31) in tumors is highly correlated with histological grading, however, shows no correlation with the expression of VEGF and PTBE.
Purpose: This study was done to identify whether pre-conditioning exercise has neuroprotective effects against cerebral ischemia, through enhance brain microvascular integrity. Methods: Adult male Sprague-Dawley rats were randomly divided into four groups: 1) Normal (n=10); 2) Exercise (n=10); 3) Middle cerebral artery occlusion (MCAo), n=10); 4) Exercise+MCAo (n= 10). Both exercise groups ran on a treadmill at a speed of 15 m/min, 30 min/day for 4 weeks, then, MCAo was performed for 90 min. Brain infarction was measured by Nissl staining. Examination of the remaining neuronal cell after MCAo, and microvascular protein expression on the motor cortex, showed the expression of Neuronal Nuclei (NeuN), Vascular endothelial growth factor (VEGF) & laminin. Results: After 48 hr of MCAo, the infarct volume was significantly reduced in the Ex+MCAo group ($15.6{\pm}2.7%$) compared to the MCAo group ($44.9{\pm}3.8%$) (p<.05), and many neuronal cells were detected in the Ex+ MCAo group ($70.8{\pm}3.9%$) compared to the MCAo group ($43.4{\pm}5.1%$) (p<.05). The immunoreactivity of laminin, as a marker of microvessels and Vascular endothelial growth factor (VEGF) were intensively increased in the Ex+MCAo group compared to the MCAo group. Conclusion: These findings suggest that the neuroprotective effects of exercise pre-conditioning reduce ischemic brain injury through strengthening the microvascular integrity after cerebral ischemia.
The pathogenesis of cerebral malaria is biologically complex and involves multi-factorial mechanisms such as microvascular congestion, immunopathology by the pro-inflammatory cytokine and endothelial dysfunction. Recent data have suggested that a pleiotropic T-cell immunomodulatory protein (TIP) could effectively mediate inflammatory cytokines of mammalian immune response against acute graft-versus-host disease in animal models. In this study, we identified a conserved homologue of TIP in Plasmodium berghei (PbTIP) as a membrane protein in Plasmodium asexual stage. Compared with PBS control group, the pathology of experimental cerebral malaria (ECM) in rPbTIP intravenous injection (i.v.) group was alleviated by the downregulation of pro-inflammatory responses, and rPbTIP i.v. group elicited an expansion of regulatory T-cell response. Therefore, rPbTIP i.v. group displayed less severe brain pathology and feverish mice in rPbTIP i.v. group died from ECM. This study suggested that PbTIP may be a novel promising target to alleviate the severity of ECM.
Cryptococcus neoformans is a life-threatening pathogenic yeast that causes devastating meningoencephalitis. The mechanism of cryptococcal brain invasion is largely unknown, and recent studies suggest that its extracellular microvesicles may be involved in the invasion process. The 14-3-3 protein is abundant in the extracellular microvesicles of C. neoformans, and the 14-3-3-GFP fusion has been used as the microvesicle's marker. However, the physiological role of 14-3-3 has not been explored. In this report, we have found that C. neoformans contains a single 14-3-3 gene that apparently is an essential gene. To explore the functions of 14-3-3, we substituted the promoter region of the 14-3-3 with the copper-controllable promoter CTR4. The CTR4 regulatory strain showed an enlarged cell size, drastic changes in morphology, and a decrease in the thickness of the capsule under copper-enriched conditions. Furthermore, the mutant cells produced a lower amount of total proteins in their extracellular microvesicles and reduced adhesion to human brain microvascular endothelial cells in vitro. Proteomic analyses of the protein components under 14-3-3-overexpressed and -suppressed conditions revealed that the 14-3-3 function(s) might be associated with the microvesicle biogenesis. Our results support that 14-3-3 has diverse pertinent roles in both physiology and pathogenesis in C. neoformans. Its gene functions are closely relevant to the pathogenesis of this fungus.
Chronic exposure to cadmium (Cd) is known to adversely affect renal function. Our previous studies indicated that Cd induces p53-dependent apoptosis by inhibiting gene expression of the ubiquitin-conjugating enzyme (Ube) 2d family in both human and rat proximal tubular cells. In this study, the effects of Cd on protein expression of p53 and apoptotic signals in the kidney and liver of mice exposed to Cd for 12 months were examined, as well as the effects of Cd on p53 protein levels and gene expression of the Ube2d family in various cell lines. Results showed that in the kidney of mice exposed to 300 ppm Cd for 12 months, there was overaccumulation of p53 proteins in addition to the induction of apoptosis, which was triggered specifically in the proximal tubules. Interestingly, the site of apoptosis was the same as that of p53 accumulation in the proximal tubules. In the liver of mice chronically exposed to Cd, gene expression of the Ube2d family tended to be slightly decreased, together with slight apoptosis without the accumulation of p53 protein. In rat small intestine epithelial (IEC-6) cells, Cd decreased not only the p53 protein level but also gene expression of Ube2d1, Ube2d2 and Ube2d4. In human brain microvascular endothelial cells (HBMECs), Cd did not suppress gene expression of the Ube2d family, but increased the p53 protein level. In human brain astrocytes (HBASTs), Cd only increased gene expression of UBE2D3. These results suggest that Cd-induced apoptosis through p53 protein is associated with renal toxicity but not hepatic toxicity, and the modification of p53 protein by Cd may vary depending on cell type.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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