Sekretomodulatorische Effekte des proinflammatorischen Zytokins GM-CSF auf die Muzinsekretion an der isolierten Rattentrachea nativer und NO2-exponierter Tiere

Eine Facette des klinischen Erscheinungsbildes der „chronic obstructive pulmonary disease“ (COPD) ist die chronische Bronchitis mit einem überwiegend inflammatorischen Korrelat. Der Pathogenese der chronischen Bronchitis liegen komplexe pathophysiologische Vorgänge zugrunde, welche bislang nur unvollstädig bekannt und im Einzelnen nicht vollständig geklärt sind. Die Definition der „global initiative on obstructive lung disease“ (GOLD) erwähnt eine abnormale inflammatorische Reaktion der Lunge auf schädliche Partikel und Gase und rückt somit die Entzündung ins Zentrum der Pathogenese. Zigarettenrauch und wichtige Umweltnoxen wie Stickstoffdioxid (NO2) führen über die hervorgerufene Entzündung bei Menschen und anderen Spezies zu Veränderungen des Atemwegsepithels und zur Stimulation der Produktion von proinflammatorischen Zytokinen wie dem Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierenden Faktor (GM-CSF). Die strukturellen Veränderungen schließen auch die Muzin-produzierenden epithelialen Komponenten ein. Ein relevantes klinisches Symptom der chronischen Bronchitis stellt die Hypersekretion dar. Die Regulation der Muzinsynthese und -sekretion unterliegt komplexen neuralen, neuroendokrinen und parakrinen Mechanismen. Mit dem Ziel, zugrunde liegende Regulationsmechanismen der Mukussekretion bei der chronisch inflammatorischen Erkrankung COPD näher zu charakterisieren, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Bedeutung des proinflammatorischen Zytokins GM-CSF. Folgenden Fragen, welchen eine Bedeutung bei der Regulation der Mukussekretion zukommt, wird in der vorliegenden Arbeit nachgegangen: Welchen Einfluss hat die Lang- und Kurzzeitexposition von NO2 auf die tracheobronchiale Muzinsekretion? Welchen Einfluss zeigt die peptiderge Substanz Substanz P (SP) auf die Muzinsekretion exponierter Tiere auch im Speziesvergleich? Wirkt das proinflammatorische Zytokin GM-CSF sekretagog? Gibt es interaktive Prozesse zwischen dem Zytokin GM-CSF und dem Tachykinin SP im Hinblick auf die Sekretomodulation? Zur experimentellen Klärung dieser Fragestellungen wurde ein etabliertes Tiermodell gewählt. Für das Studium der Reaktionsweise entzündlich alterierter Atemwege erfolgte die inhalative Exposition gegenüber NO2 im Rattenmodell. Die Muzinsekretion wurde an Trachealexplantaten von Fischerratten (F344-Ratten) und Sprague-Dawley-Ratten (SD-Ratten) durch die Anwendung der etablierten Ussing-Kammer-Methode untersucht. Zur Quantifizierung der Sekretion trachealer submuköser Drüsen erfolgte die radioaktive Markierung der Muzine mit 35S. Zum Studium der trachealen Muzinsekretion erfolgte die inhalative Exposition mit Induktion einer Schädigung und Herbeiführung einer akuten und subakuten bis chronischen Tracheobronchitis. Mit standardisierter Methodik wurden bei männlichen Ratten der jeweiligen Spezies Expositionszeiten von 1, 3 und 20 Tagen sowie darüber hinaus teilweise von 2 und 28 Tagen gegenüber NO2 bei einer Konzentration von 10 ppm gewählt. Kontrolltiere wurden einer Atmosphäre ohne NO2 ausgesetzt. Neben der Basalsekretion wurde zunächst an den Trachealexplantaten die maximal stimulierte Sekretion durch Acetylcholin (ACh) in Stadien der artifiziellen Entzündung und im Nativzustand erfasst. Mit diesen Grundlagen kann ein sekretomodulatorischer Effekt des Peptides SP und eine Dosis-Wirkungs-Beziehung des proinflammatorischen Zytokins GM-CSF im zeitlichen Verlauf unter NO2-Exposition untersucht werden. Zudem wurde hinsichtlich des Sekretionsergebnisses die Frage nach einem additiven Effekt von GM-CSF und SP an langzeit-exponierten Tracheen untersucht. Die Sekretionsanalyse ergab, dass eine NO2-Exposition von 10 ppm die Muzinsekretion der Rattentrachea beider Spezies zeitabhängig nicht signifikant beeinflusst. Es zeigten sich allerdings gleichgerichtete Tendenzen ohne Signifikanz im Sekretionsverlauf. Im Speziesvergleich zeigten dabei SD-Ratten eine größere sekretorische Potenz im Vergleich zu F344-Ratten im Sinne eines nahezu parallel verschobenen Sekretionsniveaus auf. Darüber hinaus wurde die Sekretionsrate nativ und bis zu einer Expositionsdauer von 20 Tagen bei beiden Spezies durch Acetylcholin im Vergleich zur Basalsekretion signifikant gesteigert. Hierbei fanden sich im direkten Vergleich zu den nativen Fischerratten wiederum signifikante Differenzen nach 3 sowie 20 Tagen. Signifikante sekretagoge Effekte von Substanz P ließen sich bei Fischerratten und SD-Ratten sowohl bei den Kontrolltieren als auch bei nahezu allen untersuchten Expositionsgruppen aufzeigen. GM-CSF zeigte in unserem Rattenmodell der COPD dosis- und expositionszeitabhängig eine Stimulation der trachealen Muzinsekretion. Eine signifikante Sekretionsantwort in der 3-Tages-Expositionsgruppe konnte für 0,1 ng/ml GM-CSF und für 0,4 ng/ml GM-CSF demonstriert werden. Zudem fand sich eine Signifikanz in der 20-Tages-Expositionsgruppe für 0,1 und 0,15 sowie 0,2 ng/ml GM-CSF. Für die Dosis von 0,2 ng/ml GM-CSF ergab sich ein hochsignifikantes Ergebnis. Die gleichzeitige Gabe von GM-CSF und SP zeigte in der Langzeitexposition keinen messbaren additiven sekretagogen Effekt und ergab das Sekretionsniveau von SP. Dies wurde nach 20 Tagen Expositionsdauer untersucht, da für diese Gruppe für beide Einzelsubstanzen jeweils eine signifikante Sekretionsantwort gesehen wurde. Die mutmaßlich unterschiedlichen sekretagogen Mechanismen von SP und GM-CSF sind vereinbar mit der Beobachtung, dass SP auch unabhängig vom Vorhandensein einer Atemwegsinflammation wirksam ist. Diese Ergebnisse liefern einen Beitrag zum Verständnis der Komplexität der bei der Regulation der Muzinsekretion beteiligten Pathomechanismen des Tracheobronchialepithels in der chronischen Bronchitis. Der sekretagoge Effekt von GM-CSF in der chronischen Inflammation wurde demonstriert. Mit dem Ziel einer Beeinflussung der Hypersekretion bei der COPD ist hier ein zielgerichteter therapeutischer Ansatz denkbar. Der Einsatz von neutralisierenden Antikörpern gegen GM-CSF oder dessen Rezeptor ist als spezifisches Therapiekonzept vorstellbar. Dieses ist in Ergänzung zu den etablierten antiinflammatorischen therapeutischen Möglichkeiten bei der COPD zu sehen und ermöglicht im Gegensatz dazu ein zielgerichtetes Eingreifen in die inflammatorische Kaskade. Es bedarf weiterer Untersuchungen, um die Rolle einer solchen Herangehensweise zu konkretisieren

Multi-resolution anisotropy studies of ultrahigh-energy cosmic rays detected at the Pierre Auger Observatory

We report a multi-resolution search for anisotropies in the arrival directions of cosmic rays detected at the Pierre Auger Observatory with local zenith angles up to $80^\circ$ and energies in excess of 4 EeV ($4 \times 10^{18}$ eV). This search is conducted by measuring the angular power spectrum and performing a needlet wavelet analysis in two independent energy ranges. Both analyses are complementary since the angular power spectrum achieves a better performance in identifying large-scale patterns while the needlet wavelet analysis, considering the parameters used in this work, presents a higher efficiency in detecting smaller-scale anisotropies, potentially providing directional information on any observed anisotropies. No deviation from isotropy is observed on any angular scale in the energy range between 4 and 8 EeV. Above 8 EeV, an indication for a dipole moment is captured; while no other deviation from isotropy is observed for moments beyond the dipole one. The corresponding $p$-values obtained after accounting for searches blindly performed at several angular scales, are $1.3 \times 10^{-5}$ in the case of the angular power spectrum, and $2.5 \times 10^{-3}$ in the case of the needlet analysis. While these results are consistent with previous reports making use of the same data set, they provide extensions of the previous works through the thorough scans of the angular scales.Comment: Published version. Added journal reference and DOI. Added Report Numbe

Highlights from the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Observatory is the world's largest cosmic ray observatory. Our current exposure reaches nearly 40,000 km$^2$ str and provides us with an unprecedented quality data set. The performance and stability of the detectors and their enhancements are described. Data analyses have led to a number of major breakthroughs. Among these we discuss the energy spectrum and the searches for large-scale anisotropies. We present analyses of our X$_{max}$ data and show how it can be interpreted in terms of mass composition. We also describe some new analyses that extract mass sensitive parameters from the 100% duty cycle SD data. A coherent interpretation of all these recent results opens new directions. The consequences regarding the cosmic ray composition and the properties of UHECR sources are briefly discussed.Comment: 9 pages, 12 figures, talk given at the 33rd International Cosmic Ray Conference, Rio de Janeiro 201

Ultrahigh-energy neutrino follow-up of Gravitational Wave events GW150914 and GW151226 with the Pierre Auger Observatory

On September 14, 2015 the Advanced LIGO detectors observed their first gravitational-wave (GW) transient GW150914. This was followed by a second GW event observed on December 26, 2015. Both events were inferred to have arisen from the merger of black holes in binary systems. Such a system may emit neutrinos if there are magnetic fields and disk debris remaining from the formation of the two black holes. With the surface detector array of the Pierre Auger Observatory we can search for neutrinos with energy above 100 PeV from point-like sources across the sky with equatorial declination from about -65 deg. to +60 deg., and in particular from a fraction of the 90% confidence-level (CL) inferred positions in the sky of GW150914 and GW151226. A targeted search for highly-inclined extensive air showers, produced either by interactions of downward-going neutrinos of all flavors in the atmosphere or by the decays of tau leptons originating from tau-neutrino interactions in the Earth's crust (Earth-skimming neutrinos), yielded no candidates in the Auger data collected within $\pm 500$ s around or 1 day after the coordinated universal time (UTC) of GW150914 and GW151226, as well as in the same search periods relative to the UTC time of the GW candidate event LVT151012. From the non-observation we constrain the amount of energy radiated in ultrahigh-energy neutrinos from such remarkable events.Comment: Published version. Added journal reference and DOI. Added Report Numbe

Calibration of the Logarithmic-Periodic Dipole Antenna (LPDA) Radio Stations at the Pierre Auger Observatory using an Octocopter

An in-situ calibration of a logarithmic periodic dipole antenna with a frequency coverage of 30 MHz to 80 MHz is performed. Such antennas are part of a radio station system used for detection of cosmic ray induced air showers at the Engineering Radio Array of the Pierre Auger Observatory, the so-called Auger Engineering Radio Array (AERA). The directional and frequency characteristics of the broadband antenna are investigated using a remotely piloted aircraft (RPA) carrying a small transmitting antenna. The antenna sensitivity is described by the vector effective length relating the measured voltage with the electric-field components perpendicular to the incoming signal direction. The horizontal and meridional components are determined with an overall uncertainty of 7.4^{+0.9}_{-0.3} % and 10.3^{+2.8}_{-1.7} % respectively. The measurement is used to correct a simulated response of the frequency and directional response of the antenna. In addition, the influence of the ground conductivity and permittivity on the antenna response is simulated. Both have a negligible influence given the ground conditions measured at the detector site. The overall uncertainties of the vector effective length components result in an uncertainty of 8.8^{+2.1}_{-1.3} % in the square root of the energy fluence for incoming signal directions with zenith angles smaller than 60{\deg}.Comment: Published version. Updated online abstract only. Manuscript is unchanged with respect to v2. 39 pages, 15 figures, 2 table

The Pierre Auger Observatory III: Other Astrophysical Observations

Astrophysical observations of ultra-high-energy cosmic rays with the Pierre Auger ObservatoryComment: Contributions to the 32nd International Cosmic Ray Conference, Beijing, China, August 201

Measurement of the cosmic ray spectrum above 4×10184{\times}10^{18} eV using inclined events detected with the Pierre Auger Observatory

A measurement of the cosmic-ray spectrum for energies exceeding $4{\times}10^{18}$ eV is presented, which is based on the analysis of showers with zenith angles greater than $60^{\circ}$ detected with the Pierre Auger Observatory between 1 January 2004 and 31 December 2013. The measured spectrum confirms a flux suppression at the highest energies. Above $5.3{\times}10^{18}$ eV, the "ankle", the flux can be described by a power law $E^{-\gamma}$ with index $\gamma=2.70 \pm 0.02 \,\text{(stat)} \pm 0.1\,\text{(sys)}$ followed by a smooth suppression region. For the energy ($E_\text{s}$) at which the spectral flux has fallen to one-half of its extrapolated value in the absence of suppression, we find $E_\text{s}=(5.12\pm0.25\,\text{(stat)}^{+1.0}_{-1.2}\,\text{(sys)}){\times}10^{19}$ eV.Comment: Replaced with published version. Added journal reference and DO

A search for point sources of EeV photons

Measurements of air showers made using the hybrid technique developed with the fluorescence and surface detectors of the Pierre Auger Observatory allow a sensitive search for point sources of EeV photons anywhere in the exposed sky. A multivariate analysis reduces the background of hadronic cosmic rays. The search is sensitive to a declination band from -85{\deg} to +20{\deg}, in an energy range from 10^17.3 eV to 10^18.5 eV. No photon point source has been detected. An upper limit on the photon flux has been derived for every direction. The mean value of the energy flux limit that results from this, assuming a photon spectral index of -2, is 0.06 eV cm^-2 s^-1, and no celestial direction exceeds 0.25 eV cm^-2 s^-1. These upper limits constrain scenarios in which EeV cosmic ray protons are emitted by non-transient sources in the Galaxy.Comment: 28 pages, 10 figures, accepted for publication in The Astrophysical Journa