A sufficient response of neutrophil granulocytes stimulated by interleukin (IL)-8 is vital during systemic inflammation, for example, in sepsis or severe trauma. Moreover, IL-8 is clinically used as biomarker of inflammatory processes. However, the effects of IL-8 on cellular key regulators of neutrophil properties such as the intracellular pH (pH_i) in dependence of ion transport proteins and during inflammation remain to be elucidated. Therefore, we investigated in detail the fundamental changes in pH_i, cellular shape, and chemotactic activity elicited by IL-8. Using flow cytometric methods, we determined that the IL-8-induced cellular activity was largely dependent on specific ion channels and transporters, such as the sodium-proton exchanger 1 (NHE1) and non-NHE1-dependent sodium flux. Exposing neutrophils in vitro to a proinflammatory micromilieu with N-formyl-Met-Leu-Phe, LPS, or IL-8 resulted in a diminished response regarding the increase in cellular size and pH. The detailed kinetics of the reduced reactivity of the neutrophil granulocytes could be illustrated in a near-real-time flow cytometric measurement. Last, the LPS-mediated impairment of the IL-8-induced response in neutrophils was confirmed in a translational, animal-free human whole blood model. Overall, we provide novel mechanistic insights for the interaction of IL-8 with neutrophil granulocytes and report in detail about its alteration during systemic inflammation.

Platelet-activating factor (PAF) is an important mediator of the systemic inflammatory response. In the case of sepsis, proper activation and function of neutrophils as the first line of cellular defense are based on a well-balanced physiological response. However, little is known about the role of PAF in cellular changes of neutrophils during sepsis. Therefore, this study investigates the reaction patterns of neutrophils induced by PAF with a focus on membrane potential (MP), intracellular pH, and cellular swelling under physiological and pathophysiological conditions and hypothesizes that the PAF-mediated response of granulocytes is altered during sepsis. The cellular response of granulocytes including MP, intracellular pH, cellular swelling, and other activation markers were analyzed by multiparametric flow cytometry. In addition, the chemotactic activity and the formation of platelet–neutrophil complexes after exposure to PAF were investigated. The changes of the (electro-)physiological response features were translationally verified in a human ex vivo whole blood model of endotoxemia as well as during polymicrobial porcine sepsis. In neutrophils from healthy human donors, PAF elicited a rapid depolarization, an intracellular alkalization, and an increase in cell size in a time- and dose-dependent manner. Mechanistically, the alkalization was dependent on sodium-proton exchanger 1 (NHE1) activity, while the change in cellular shape was sodium flux- but only partially NHE1-dependent. In a pathophysiological altered environment, the PAF-induced response of neutrophils was modulated. Acidifying the extracellular pH in vitro enhanced PAF-mediated depolarization, whereas the increases in cell size and intracellular pH were largely unaffected. Ex vivo exposure of human whole blood to lipopolysaccharide diminished the PAF-induced intracellular alkalization and the change in neutrophil size. During experimental porcine sepsis, depolarization of the MP was significantly impaired. Additionally, there was a trend for increased cellular swelling, whereas intracellular alkalization remained stable. Overall, an impaired (electro-)physiological response of neutrophils to PAF stimulation represents a cellular hallmark of those cells challenged during systemic inflammation. Furthermore, this altered response may be indicative of and causative for the development of neutrophil dysfunction during sepsis.

Polymorphonuclear granulocytes (PMN) play a crucial role in host defense. Physiologically, exposure of PMN to the complement activation product C5a results in a protective response against pathogens, whereas in the case of systemic inflammation, excessive C5a substantially impairs neutrophil functions. To further elucidate the inability of PMN to properly respond to C5a, this study investigates the role of the cellular membrane potential of PMN in response to C5a.Electrophysiological changes in cellular and mitochondrial membrane potential and intracellular pH of PMN from human healthy volunteers were determined by flow cytometry after exposure to C5a. Furthermore, PMN from male Bretoncelles-Meishan-Willebrand cross-bred pigs before and three hours after severe hemorrhagic shock were analyzed for their electrophysiological response.PMN showed a significant dose- and time-dependent depolarization in response to C5a with a strong response after one minute. The chemotactic peptide fMLP also evoked a significant shift in the membrane potential of PMN. Acidification of the cellular microenvironment significantly enhanced depolarization of PMN. In a clinically relevant model of porcine hemorrhagic shock, the C5a-induced changes in membrane potential of PMN were markedly diminished compared to healthy littermates. Overall, these membrane potential changes may contribute to PMN dysfunction in an inflammatory environment.

Atomoxetine, a neuroactive drug, is approved for the treatment of attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD). It is primarily known as a high affinity blocker of the noradrenaline transporter, whereby its application leads to an increased level of the corresponding neurotransmitter in different brain regions. However, the concentrations used to obtain clinical effects are much higher than those which are required to block the transporter system. Thus, off-target effects are likely to occur. In this way, we previously identified atomoxetine as blocker of NMDA receptors. As many psychotropic drugs give rise to sudden death of cardiac origin, we now tested the hypothesis whether atomoxetine also interacts with voltage-gated sodium channels of heart muscle type in clinically relevant concentrations. Electrophysiological experiments were performed by means of the patch-clamp technique at human heart muscle sodium channels (hNav1.5) heterogeneously expressed in human embryonic kidney cells. Atomoxetine inhibited sodium channels in a state- and use-dependent manner. Atomoxetine had only a weak affinity for the resting state of the hNav1.5 (Kr: ∼ 120 µM). The efficacy of atomoxetine strongly increased with membrane depolarization, indicating that the inactivated state is an important target. A hallmark of this drug was its slow interaction. By use of different experimental settings, we concluded that the interaction occurs with the slow inactivated state as well as by slow kinetics with the fast-inactivated state. Half-maximal effective concentrations (2–3 µM) were well within the concentration range found in plasma of treated patients. Atomoxetine also interacted with the open channel. However, the interaction was not fast enough to accelerate the time constant of fast inactivation. Nevertheless, when using the inactivation-deficient hNav1.5_I408W_L409C_A410W mutant, we found that the persistent late current was blocked half maximal at about 3 µM atomoxetine. The interaction most probably occurred via the local anesthetic binding site. Atomoxetine inhibited sodium channels at a similar concentration as it is used for the treatment of ADHD. Due to its slow interaction and by inhibiting the late current, it potentially exerts antiarrhythmic properties.

Aripiprazole is an atypical antipsychotic drug, which is prescribed for many psychiatric diseases such as schizophrenia and mania in bipolar disorder. It primarily acts as an agonist of dopaminergic and other G-protein coupled receptors. So far, an interaction with ligand- or voltage-gated ion channels has been classified as weak. Meanwhile, we identified aripiprazole in a preliminary test as a potent blocker of voltage-gated sodium channels. Here, we present a detailed analysis about the interaction of aripiprazole with the dominant voltage-gated sodium channel of heart muscle (hNav1.5). Electrophysiological experiments were performed by means of the patch clamp technique at human heart muscle sodium channels (hNav1.5), heterologously expressed in human TsA cells. Aripiprazole inhibits the hNav1.5 channel in a state- but not use-dependent manner. The affinity for the resting state is weak with an extrapolated Kr of about 55 µM. By contrast, the interaction with the inactivated state is strong. The affinities for the fast and slow inactivated state are in the low micromolar range (0.5–1 µM). Kinetic studies indicate that block development for the inactivated state must be described with a fast (ms) and a slow (s) time constant. Even though the time constants differ by a factor of about 50, the resulting affinity constants were nearly identical (in the range of 0.5 µM). Besides this, aripirazole also interacts with the open state of the channel. Using an inactivation deficit mutant, an affinity of about 1 µM was estimated. In summary, aripiprazole inhibits voltage-gated sodium channels at low micromolar concentrations. This property might add to its possible anticancer and neuroprotective properties.

The cellular and fluid phase-innate immune responses of many diseases predominantly involve activated neutrophil granulocytes and complement factors. However, a comparative systematic analysis of the early impact of key soluble complement cleavage products, including anaphylatoxins, on neutrophil granulocyte function is lacking. Neutrophil activity was monitored by flow cytometry regarding cellular (electro-)physiology, cellular activity, and changes in the surface expression of activation markers. The study revealed no major effects induced by C3a or C4a on neutrophil functions. By contrast, exposure to C5a or C5a des-Arg stimulated neutrophil activity as reflected in changes in membrane potential, intracellular pH, glucose uptake, and cellular size. Similarly, C5a and C5a des-Arg but no other monitored complement cleavage product enhanced phagocytosis and reactive oxygen species generation. C5a and C5a des-Arg also altered the neutrophil surface expression of several complement receptors and neutrophil activation markers, including C5aR1, CD62L, CD10, and CD11b, among others. In addition, a detailed characterization of the C5a-induced effects was performed with a time resolution of seconds. The multiparametric response of neutrophils was further analyzed by a principal component analysis, revealing CD11b, CD10, and CD16 to be key surrogates of the C5a-induced effects. Overall, we provide a comprehensive insight into the very early interactions of neutrophil granulocytes with activated complement split products and the resulting neutrophil activity. The results provide a basis for a better and, importantly, time-resolved and multiparametric understanding of neutrophil-related (patho-)physiologies.

Neutrophils provide rapid and efficient defense mechanisms against invading pathogens. Upon stimulation with proinflammatory mediators, including complement factors and bacterial peptides, neutrophils respond with changes in their membrane potential, intracellular pH, and cellular size. This study provides an approach to quantify these important changes simultaneously using multiparametric flow cytometry, thereby revealing a typical sequence of neutrophil activation consisting of depolarization, alkalization, and increase in cellular size. Additionally, the time resolution of the flow cytometric measurement is improved in order to allow changes that occur within seconds to be monitored, and thus to enhance the kinetic analysis of the neutrophil response. The method is appropriate for the reliable semiquantitative detection of small variations with respect to an increase, no change, and decrease in those parameters as demonstrated by the screening of various proinflammatory mediators. As a translational outlook, the findings are put into context in inflammatory conditions in vitro as well as in a clinically relevant whole blood model of endotoxemia. Taken together, the multiparametric analysis of neutrophil responsiveness regarding depolarization, alkalization, and changes in cellular size may contribute to a better understanding of neutrophils in health and disease, thus potentially yielding innovative mechanistic insights and possible novel diagnostic and/or prognostic approaches.

Background: Tumor therapeutics are aimed to affect tumor cells selectively while sparing healthy ones. For this purpose, a huge variety of different drugs are in use. Recently, also blockers of voltage-gated sodium channels (VGSCs) have been recognized to possess potentially beneficial effects in tumor therapy. As these channels are a frequent target of numerous drugs, we hypothesized that currently used tumor therapeutics might have the potential to block VGSCs in addition to their classical anti-cancer activity. In the present work, we have analyzed the imipridone TIC10, which belongs to a novel class of anti-cancer compounds, for its potency to interact with VGSCs. Methods: Electrophysiological experiments were performed by means of the patch-clamp technique using heterologously expressed human heart muscle sodium channels (hNav1.5), which are among the most common subtypes of VGSCs occurring in tumor cells. Results: TIC10 angular inhibited the hNav1.5 channel in a state- but not use-dependent manner. The affinity for the resting state was weak with an extrapolated Kr of about 600 μM. TIC10 most probably did not interact with fast inactivation. In protocols for slow inactivation, a half-maximal inhibition occurred around 2 µM. This observation was confirmed by kinetic studies indicating that the interaction occurred with a slow time constant. Furthermore, TIC10 also interacted with the open channel with an affinity of approximately 4 µM. The binding site for local anesthetics or a closely related site is suggested as a possible target as the affinity for the well-characterized F1760K mutant was reduced more than 20-fold compared to wild type. Among the analyzed derivatives, ONC212 was similarly effective as TIC10 angular, while TIC10 linear more selectively interacted with the different states. Conclusion: The inhibition of VGSCs at low micromolar concentrations might add to the anti-tumor properties of TIC10.

Objective Assessment of the expertise of medical students in evaluating vital signs and their implications for the current risk of a patient, an appropriate monitoring frequency, and a proper clinical response. Methods 251 second-year and 267 fifth-year medical students in a curriculum consisting of 6 years of medical school at Ulm University, Germany, were interviewed in a paper-based questionnaire. The students were asked to rate their proficiency in interpreting vital signs and to give pathological thresholds of vital signs. Based on the National Early Warning Score 2 (NEWS2), nine vital signs of fictional patients were created and students were asked to comment on their clinical risk, to set an appropriate monitoring frequency as well as a clinical response. Results Interviewing medical students regarding each vital sign individually, the students indicated a pathological threshold in accordance with the NEWS2 for respiratory rate, temperature, and heart rate. By contrast, inappropriate pathological limits were given regarding oxygen saturation and systolic blood pressure. Translating the vital signs into nine fictional patients, fifth-year medical students overall chose an appropriate response in 78% (67%−78%, median±IQR). In detail, fifth-year students successfully identified patients at very high or low risk and allocated them accordingly. However, cases on the edge were often stratified inappropriately. For example, a fictional case with vital signs indicating a surging sepsis was frequently underappreciated (48.5%) and allocated to an insufficient clinical response by fifth-year students. Conclusions Recognising the healthy as well as the deteriorating patient is a key ability for future physicians. NEWS2-based education might be a valuable tool to assess and give feedback on student’s knowledge in this vital professional activity.

Abstract Background C-reactive protein (CRP) represents a routine diagnostic marker of inflammation. Dissociation of native pentameric CRP (pCRP) into the monomeric structure (mCRP) liberates proinflammatory features, presumably contributing to excessive immune cell activation via unknown molecular mechanisms. Results In a multi-translational study of systemic inflammation, we found a time- and inflammation-dependent pCRP dissociation into mCRP. We were able to confirm that mCRP co-localizes with leukocytes at the site of injury after polytrauma and therefore assessed whether the CRP conformation potentiates neutrophil activation. We found mCRP-induced neutrophil-extracellular trap formation in vitro and ex vivo involving nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase activation, p38/mitogen-activated protein kinase signaling, and histone H3 citrullination. Mimicking the trauma milieu in a human ex vivo whole blood model, we found significant mCRP generation as well as NET formation, prevented by blocking pCRP conformational changes. Conclusions Our data provide novel molecular insights how CRP dissociation contributes to neutrophil activation as driver of various inflammatory disorders.