TY  - THES
A1  - Koelman, Liselot A.
T1  - The role of diet in immune health and ageing
BT  - integrating intervention and observational evidence
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haß, Ulrike
T1  - Vergleich anti-inflammatorischer Ernährungsstrategien auf  Inflammation und Muskelfunktion bei älteren Erwachsenen
T1  - Comparison of anti-inflammatory dietary approaches on inflammation and muscle function in old adults
N2  - Mit dem Alter kann eine Zunahme leichtgradiger Entzündungsprozesse beobachtet werden, von denen angenommen wird, dass sie den typischen, altersbedingten Verlust an Muskelmasse, -kraft und -funktion „befeuern“. Diese als Inflammaging bezeichneten Prozesse können auf ein komplexes Zusammenspiel aus einem dysfunktionalen (viszeralen) Fettgewebe, einer Dysbiose und damit einhergehender mikrobiellen Translokation und geringeren Abwehrfähigkeit sowie einer insgesamt zunehmenden Immunseneszenz zurückgeführt werden. In Summa begünstigt ein pro-inflammatorisches Milieu metabolische Störungen und chronische, altersassoziierte Erkrankungen, die das Entzündungsgeschehen aufrechterhalten oder vorantreiben. Neben einem essenziellen Bewegungsmangel trägt auch eine westlich geprägte, industrialisierte Ernährungsweise zum Entzündungsgeschehen und zur Entwicklung chronischer Erkrankungen bei. Daher liegt die Vermutung nahe, dem Entzündungsgeschehen mit ausreichend Bewegung und einer anti-inflammatorischen Ernährung entgegenzuwirken. In dieser Hinsicht werden insbesondere Omega-3-Fettsäuren (Omega-3) mit anti-inflammatorischen Eigenschaften verbunden. Obwohl ein Zusammenhang zwischen dem ernährungsbedingten Inflammationspotenzial bzw. der Zufuhr von Omega-3 und dem Inflammationsprofil bereits untersucht wurde, fehlen bislang Untersuchungen insbesondere bei älteren Erwachsenen, die den Link zwischen dem Inflammationspotenzial der Ernährung und Sarkopenie-relevanten Muskelparametern herstellen. 
Aufgrund des Proteinmehrbedarfs zum Erhalt der funktionellen Muskulatur im Alter wurde bereits eine Vielzahl an Sport- und Ernährungsinterventionen durchgeführt, die eine Verbesserung des Muskelstatus mit Hilfe von strukturiertem Krafttraining und einer proteinreichen Ernährung zeigen. Es gibt zudem Hinweise, dass Omega-3 auch die Proteinsynthese verstärken könnten. Unklar ist jedoch, inwiefern eine anti-inflammatorische Ernährung mit Fokus auf Omega-3 sowohl die Entzündungsprozesse als auch den Muskelproteinmetabolismus und die neuromuskuläre Funktionalität im Alter günstig unterstützen kann. Dies vor allem im Hinblick auf die Muskelleistung, die eng mit der Sturzneigung und der Autonomie im Alltag verknüpft ist, aber in Interventionsstudien mit älteren Erwachsenen bisher wenig Berücksichtigung erhielt. Darüber hinaus werden häufig progressive Trainingselemente genutzt, die nach Studienabschluss oftmals wenig Anschluss im Lebensalltag der Betroffenen finden und somit wenig nachhaltig sind. Ziel dieser Arbeit war demnach die Evaluierung einer proteinreichen und zusätzlich mit Omega-3 supplementierten Ernährung in Kombination mit einem wöchentlichen Vibrationstraining und altersgemäßen Bewegungsprogramm auf Inflammation und neuromuskuläre Funktion bei älteren, selbständig lebenden Erwachsenen.
Hierzu wurden zunächst mögliche Zusammenhänge zwischen dem ernährungsbedingten Inflammationspotenzial, ermittelt anhand des Dietary Inflammatory Index, und dem Muskelstatus sowie dem Inflammationsprofil im Alter eruiert. Dazu dienten die Ausgangswerte von älteren, selbständig lebenden Erwachsenen einer postprandialen Interventionsstudie (POST-Studie), die im Querschnitt analysiert wurden. Die Ergebnisse bestätigten, dass eine pro-inflammatorische Ernährung sich einerseits in einem stärkeren Entzündungsgeschehen widerspiegelt und andererseits mit Sarkopenie-relevanten Parametern, wie einer geringeren Muskelmasse und Gehgeschwindigkeit, ungünstig assoziiert ist. Darüber hinaus zeigten sich diese Zusammenhänge auch in Bezug auf die Handgreifkraft bei den inaktiven, älteren Erwachsenen der Studie.
Anschließend wurde in einer explorativ ausgerichteten Pilot-Interventionsstudie (AIDA-Studie) in einem dreiarmigen Design untersucht, inwieweit sich eine Supplementierung mit Omega-3 unter Voraussetzung einer optimierten Proteinzufuhr und altersgemäßen Sportintervention mit Vibrationstraining auf die neuromuskuläre Funktion und Inflammation bei selbständig lebenden, älteren Erwachsenen auswirkt. Nach acht Wochen Intervention zeigte sich, dass eine mit Omega-3 supplementierte, proteinreiche Ernährung die Muskelleistung insbesondere bei den älteren Männern steigerte. Während sich die Kontrollgruppe nach acht Wochen Sportintervention nicht verbesserte, bestätigte sich zusätzlich eine Verbesserung der Beinkraft und der Testzeit beim Stuhl-Aufsteh-Test der älteren Erwachsenen mit einer proteinreichen Ernährung in Kombination mit der Sportintervention. 
Darüber hinaus wurde deutlich, dass die zusätzliche Omega-3-Supplementierung insbesondere bei den Männern eine Reduktion der pro-inflammatorischen Zytokine im Serum zur Folge hatte. Allerdings spiegelten sich diese Beobachtungen nicht auf Genexpressionsebene in mononukleären Immunzellen oder in der LPS-induzierten Sekretion der Zytokine und Chemokine in Vollblutzellkulturen wider. Dies erfordert weitere Untersuchungen.
N2  - With aging, a persistent low-grade inflammatory process can be observed, which is thought to "fuel" the typical age-related loss of muscle mass, strength and function. These processes, also known as inflammaging, can be attributed to a complex interplay of dysfunctional (visceral) adipose tissue, dysbiosis and associated microbial translocation, with a reduced immune defence and overall increasing immunosenescence. This pro-inflammatory milieu favours metabolic disorders and chronic, age-associated diseases, which in turn maintain or increase the inflammatory process. Additionally, inactivity and a westernized diet contribute to inflammation and the development of chronic diseases. Therefore, it is assumed that regular exercise and an anti-inflammatory diet can counteract inflammaging. In particular, omega-3 fatty acids (omega-3) are known for their anti-inflammatory properties. Although it has been shown that the dietary inflammatory load as well as the intake of omega-3 is associated with inflammation, studies that establish the link between the diet-related inflammatory load and sarcopenia-relevant muscle parameters are still lacking, especially in older adults.
Due to the higher protein requirement to maintain muscle function in higher age, exercise and nutritional interventions have been extensively studied and consistently show improvements in muscle status with resistance exercise and high-protein diets. Experimental investigations indicate that omega-3 may also support protein synthesis. However, it is unclear to what extent an anti-inflammatory diet with focus on omega-3 can support the inflammatory processes as well as muscle protein metabolism and neuromuscular function in higher age. In particular muscle power, which is a key element of functionality and strongly related with fall risk, received little attention in interventional studies with older adults so far. In addition, exercise studies often use elements of progressive resistance training protocols, which, however, are seldom sustained by the participants in everyday life after intervention. Therefore, the aim of this work was to evaluate a high-protein diet supplemented with omega-3 in combination with an age-appropriate, home-based resistance exercise program and weekly vibration training on inflammation and neuromuscular function in community-dwelling older adults.
For this purpose, cross-sectional associations between the diet-related inflammatory load, as determined by the Dietary Inflammatory Index, and muscle status as well as inflammation were investigated by baseline values of community-dwelling older adults, who participated in a postprandial intervention study (POST study). This cross-sectional analysis confirmed that a pro-inflammatory diet was reflected in a higher systemic inflammation and at the same time was associated with unfavourable sarcopenia-relevant parameters such as lower muscle mass and slower gait speed. In addition, a higher dietary inflammatory load and higher inflammation were both found to be associated with lower hand grip strength in inactive, older adults.
Subsequently, the effects of an omega-3 supplemented, high-protein diet in combination with age-appropriate resistance exercises and weekly vibration training on neuromuscular function and inflammation were examined in community-dwelling older adults. For this purpose, an 8-week exploratory pilot trial in a three-arm study design (AIDA study) was carried out. It was shown that a high-protein diet, additionally supplemented with omega-3 increased muscle power particularly in older men. While the control group did not improve after eight weeks of exercise intervention, there was an improvement in leg strength and chair rise time in older adults receiving a high-protein diet combined with the exercise intervention.
Moreover, an additional omega-3 supplementation resulted in a reduction of circulating pro-inflammatory cytokines in particular in older men. However, these observations in serum were not reflected on gene expression levels in mononuclear immune cells or in lipopolysaccharide-induced secretion of the cytokines and chemokines in whole blood cultures and requires further investigation.
KW  - Ernährung
KW  - nutrition
KW  - Gerontologie
KW  - gerontology
KW  - Sport
KW  - exercise
KW  - Muskelschwund
KW  - sarcopenia
KW  - Hoch-Protein Diät
KW  - high protein diet
KW  - Omega-3 Fettsäuren
KW  - omega-3 fatty acid
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611976
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wittek, Laura
T1  - Comparison of metabolic cages - analysis of refinement measures on the welfare and metabolic parameters of laboratory mice
T1  - Der Vergleich von Stoffwechselkäfigen - Analyse von Refinement-Maßnahmen auf das Wohlbefinden und Stoffwechselparameter von Labormäusen
N2  - Housing in metabolic cages can induce a pronounced stress response. Metabolic cage systems imply housing mice on metal wire mesh for the collection of urine and feces in addition to monitoring food and water intake. Moreover, mice are single-housed, and no nesting, bedding, or enrichment material is provided, which is often argued to have a not negligible impact on animal welfare due to cold stress. We therefore attempted to reduce stress during metabolic cage housing for mice by comparing an innovative metabolic cage (IMC) with a commercially available metabolic cage from Tecniplast GmbH (TMC) and a control cage. Substantial refinement measures were incorporated into the IMC cage design. In the frame of a multifactorial approach for severity assessment, parameters such as body weight, body composition, food intake, cage and body surface temperature (thermal imaging), mRNA expression of uncoupling protein 1 (Ucp1) in brown adipose tissue (BAT), fur score, and fecal corticosterone metabolites (CMs) were included. Female and male C57BL/6J mice were single-housed for 24 h in either conventional Macrolon cages (control), IMC, or TMC for two sessions. Body weight decreased less in the IMC (females—1st restraint: 6.94%; 2nd restraint: 6.89%; males—1st restraint: 8.08%; 2nd restraint: 5.82%) compared to the TMC (females—1st restraint: 13.2%; 2nd restraint: 15.0%; males—1st restraint: 13.1%; 2nd restraint: 14.9%) and the IMC possessed a higher cage temperature (females—1st restraint: 23.7°C; 2nd restraint: 23.5 °C; males—1st restraint: 23.3 °C; 2nd restraint: 23.5 °C) compared with the TMC (females—1st restraint: 22.4 °C; 2nd restraint: 22.5 °C; males—1st restraint: 22.6 °C; 2nd restraint: 22.4 °C). The concentration of fecal corticosterone metabolites in the TMC (females—1st restraint: 1376 ng/g dry weight (DW); 2nd restraint: 2098 ng/g DW; males—1st restraint: 1030 ng/g DW; 2nd restraint: 1163 ng/g DW) was higher compared to control cage housing (females—1st restraint:
640 ng/g DW; 2nd restraint: 941 ng/g DW; males—1st restraint: 504 ng/g DW; 2nd restraint: 537 ng/g DW). Our results show the stress potential induced by metabolic cage restraint that is markedly influenced by the lower housing temperature. The IMC represents a first attempt to target cold stress reduction during metabolic cage application thereby producing more animal welfare friendly data.
N2  - Die Unterbringung in Stoffwechselkäfigen kann eine ausgeprägte Stressreaktion hervorrufen. Mäuse werden in Stoffwechselkäfigen auf Metallgittern gehalten, um zusätzlich zur Überwachung der Futter- und Wasseraufnahme Urin und Kot aufzufangen. Darüber hinaus werden die Mäuse einzeln gehalten und es wird kein Nist-, Einstreu- oder Anreicherungs-Material zur Verfügung gestellt, was oft als Ursache für Kältestress angeführt wird, welcher sich auf das Wohlergehen der Tiere auswirkt. Wir haben daher versucht, den Stress bei der Haltung von Mäusen in Stoffwechselkäfigen zu reduzieren, indem wir einen innovativen Stoffwechselkäfig (IMC) mit einem kommerziell erhältlichen Stoffwechselkäfig der Tecniplast GmbH (TMC) und einem Kontrollkäfig verglichen haben. Für das Käfigdesign des IMC wurden wesentliche Refinement-Maßnahmen realisiert. Im Rahmen einer multifaktoriellen Beurteilung des Schweregrades wurden Parameter wie Körpergewicht, Körperzusammensetzung, Nahrungsaufnahme, Käfig- und Körperoberflächentemperatur (Wärmebildaufnahmen), mRNA-Expression von Uncoupling Protein 1 (Ucp1) im braunen Fettgewebe (BAT), Fur Score und fäkale Corticosteron-Metabolite (CMs) einbezogen. Weibliche und männliche C57BL/6J-Mäuse wurden für jeweils 24 Stunden entweder in konventionellen Macrolon-Käfigen (Kontrolle), IMC oder TMC zweimal untergebracht. Das Körpergewicht nahm in dem IMC weniger ab (Weibchen - 1. Haltung: -6,94%; 2. Haltung: -6,89%; Männchen - 1. Haltung: -8,08%; 2. Haltung: -5,82%) als in dem TMC (Weibchen - 1. Haltung: -13,2%; 2. Haltung: -15,0%; Männchen - 1. Haltung: -13,1%; 2. Haltung: -14,9%) und der IMC wies eine höhere Käfigtemperatur (Weibchen - 1. Haltung: 23,7 °C; 2. Haltung 23,5 °C; Männchen - 1. Haltung: 23,3 °C; 2. Haltung: 23,5 °C) im Vergleich zum TMC auf (Weibchen - 1. Haltung: 22,4 °C; 2. Haltung: 22,5 °C; Männchen - 1. Haltung: 22,6 °C; 2. Haltung:  22,4 °C). Die Konzentration der fäkalen Corticosteron-Metabolite im TMC (Weibchen - 1. Haltung: 1376 ng/g Trockengewicht (DW); 2. Haltung: 2098 ng/g DW; Männchen – 1. Haltung: 1030 ng/g DW; 2. Haltung: 1163 ng/g DW) war im Vergleich zur Kontrollkäfighaltung höher (Weibchen - 1. Haltung: 640 ng/g DW; 2. Haltung: 941 ng/g DW; Männchen - 1. Haltung: 504 ng/g DW; 2. Haltung: 537 ng/g DW). Unsere Ergebnisse zeigen das Stresspotenzial, welches durch die Haltung in Stoffwechselkäfigen ausgelöst wird, und dass durch die niedrigere Haltungstemperatur deutlich beeinflusst wird. Der IMC stellt einen ersten Versuch dar, den Kältestress während der Anwendung des Stoffwechselkäfigs zu reduzieren und dadurch tierschutzgerechtere Daten zu produzieren.
KW  - metabolic cage
KW  - laboratory mice
KW  - refinement
KW  - animal welfare
KW  - Tierschutz
KW  - Labormäuse
KW  - Stoffwechselkäfig
KW  - Refinement
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611208
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lopes Fernando, Raquel Sofia
T1  - The impact of aging on proteolytic systems, transcriptome and metabolome of slow and fast muscle fiber types
N2  - Aging is a complex process characterized by several factors, including loss of genetic and epigenetic information, accumulation of chronic oxidative stress, protein damage and aggregates and it is becoming an emergent drug target. Therefore, it is the utmost importance to study aging and agerelated diseases, to provide treatments to develop a healthy aging process. Skeletal muscle is one of the earliest tissues affected by age-related changes with progressive loss of muscle mass and function from 30 years old, effect known as sarcopenia. Several studies have shown the accumulation of protein aggregates in different animal models, as well as in humans, suggesting impaired proteostasis, a hallmark of aging, especially regarding degradation systems. Thus, different publications have explored the role of the main proteolytic systems in skeletal muscle from rodents and humans, like ubiquitin proteasomal system (UPS) and autophagy lysosomal system (ALS), however with contradictory results. Yet, most of the published studies are performed in muscles that comprise more than one fiber type, that means, muscles composed by slow and fast fibers. These fiber types, exhibit different metabolism and contraction speed; the slow fibers or type I display an oxidative metabolism, while fast fibers function towards a glycolytic metabolism ranging from fast oxidative to fast glycolytic fibers. To this extent, the aim of this thesis sought to understand on how aging impacts both fiber types not only regarding proteostasis but also at a metabolome and transcriptome network levels. Therefore, the first part of this thesis, presents the differences between slow oxidative (from Soleus muscle) and fast glycolytic fibers (Extensor digitorum longus, EDL) in terms of degradation systems and how they cope with oxidative stress during aging, while the second part explores the differences between young and old EDL muscle transcriptome and metabolome, unraveling molecular features. More specifically, the results from the present work show that slow oxidative muscle performs better at maintaining the function of UPS and ALS during aging than EDL muscle, which is clearly affected, accounting for the decline in the catalytic activity rates and accumulation of autophagy-related proteins. Strinkingly, transcriptome and metabolome analyses reveal that fast glycolytic muscle evidences significant downregulation of mitochondrial related processes and damaged mitochondria morphology during aging, despite of having a lower oxidative metabolism compared to oxidative fibers. Moreover, predictive analyses reveal a negative association between aged EDL gene signature and lifespan extending interventions such as caloric restriction (CR). Although, CR intervention does not alter the levels of mitochondrial markers in aged EDL muscle, it can reverse the higher mRNA levels of muscle damage markers. Together, the results from this thesis give new insights about how different metabolic muscle fibers cope with age-related changes and why fast glycolytic fibers are more susceptible to aging than slow oxidative fibers.
N2  - Altern ist ein komplexer Prozess, der durch mehrere Faktoren gekennzeichnet ist, darunter der Verlust genetischer und epigenetischer Informationen, oxidativer Stress, sowie die Anhäufung von Proteinschäden und Aggregaten. Daher ist es von größter Bedeutung, das Altern und altersbedingte Krankheiten zu erforschen, um Arzneimittel und andere Behandlungen für einen gesunden Alterungsprozess zu entwickeln. Die Skelettmuskulatur ist eines der ersten Gewebe, das von altersbedingten Veränderungen betroffen ist. Ab einem Alter von 30 Jahren kommt es zu einem fortschreitenden Verlust der Muskelmasse und -funktion, der auch als Sarkopenie bezeichnet wird. Mehrere Studien haben die Anhäufung von Proteinaggregaten beim Altern in verschiedenen Tiermodellen und auch beim Menschen gezeigt, was auf eine gestörte Proteostase, insbesondere hinsichtlich der Abbauprozesse schließen lässt. Demnach wurde weiterführend die Rolle der wichtigsten proteolytischen Systeme, das Ubiquitin Proteasom System (UPS) und AutophagieLysosomale System (ALS), im alternden Skelettmuskel von Nagetieren und Menschen untersucht. Die Ergebnisse waren widersprüchlich, jedoch wurden die meisten der veröffentlichten Studien an Muskeln durchgeführt, die aus mehr als einem Muskelfasertyp bestehen, d.h. Muskeln, die aus langsamen und schnellen Muskelfasern zusammengesetzt sind. Diese Muskelfasertypen unterscheiden sich hinsichtlich des Stoffwechsels und der Kontraktionsgeschwindigkeit. Die langsamen Fasern oder der Typ I haben einen oxidativen Stoffwechsel, während die schnellen Fasern einen glykolytischen Stoffwechsel aufweisen und aus schnellen oxidativen bis zu schnellen glykolytischen Fasern bestehen können. Insofern war es das Ziel dieser Arbeit zu verstehen, wie sich das Altern auf beide Fasertypen auswirkt, und zwar nicht nur im Hinblick auf die Proteostase, sondern auch auf das Metabolom und Transkriptom. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Unterschiede zwischen langsamen oxidativen (Soleus-Muskel) und schnellen glykolytischen Fasern (Extensor digitorum longus-Muskel; EDL) in Bezug auf die Proteinabbausysteme und die Art und Weise, wie sie mit oxidativem Stress während des Alterns umgehen, dargestellt. Im zweiten Teil werden die Unterschiede zwischen dem Transkriptom und dem Metabolom des jungen und alten EDL-Muskels untersucht, um die molekularen Merkmale zu entschlüsseln. Im Einzelnen zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der langsam oxidierende Muskel im Vergleich zum EDL-Muskel besser in der Lage ist, die Funktion von UPS und ALS während des Alterns aufrechtzuerhalten. Die Funktionalität des UPS und ALS ist im alternden EDL-Muskels vermindert, was durch den Rückgang der katalytischen Aktivitätsraten und die Anhäufung von mit Autophagie-assoziierten Proteinen gezeigt wurde. Transkriptom- und Metabolomanalysen zeigen, dass schnelle glykolytische Muskeln eine signifikante Herabregulierung mitochondrialer Prozesse und eine geschädigte Mitochondrienmorphologie während des Alterns aufweisen, obwohl sie im Vergleich zu oxidativen Fasern durch einen geringeren oxidativen Stoffwechsel charakterisiert sind. Darüber hinaus ergeben prädiktive Analysen einen negativen Zusammenhang zwischen der Gensignatur des gealterten EDL-Muskels und lebensverlängernden Maßnahmen wie der kalorischenRestriktion. Obwohl die kalorischen Restriktion Intervention die Werte der mitochondrialen Marker im gealterten EDL-Muskel nicht verändert, kann sie die höheren mRNA-Werte der Muskelschädigungsmarker umkehren. Zusammenfassend liefern die Ergebnisse dieser Arbeit neue Erkenntnisse darüber, wie verschiedene metabolische Muskelfasern mit altersbedingten. Veränderungen umgehen und warum schnelle glykolytische Fasern anfälliger für die Alterung als langsame oxidative Fasern sind.
KW  - skeletal muscle aging
KW  - proteostasis
KW  - slow and fast fiber types
KW  - transcriptomics
KW  - metabolomics
KW  - sarcopenia
KW  - Skelettmuskelalterung
KW  - Proteostase
KW  - langsame und schnelle Fasertypen
KW  - Transkriptom
KW  - Metabolom
KW  - ubiquitin proteasomal system
KW  - autophagy lysosomal system
KW  - Ubiquitin Proteasom System
KW  - Autophagie Lysosomale System
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.25932/publishup-60579
ER  - 
TY  - THES
A1  - Raschke, Stefanie
T1  - Characterization of selenium and copper in cell systems of the neurovascular unit
T1  - Charakterisierung von Selen und Kupfer in Zellsystemen der neurovaskulären Einheit
N2  - The trace elements, selenium (Se) and copper (Cu) play an important role in maintaining normal brain function. Since they have essential functions as cofactors of enzymes or structural components of proteins, an optimal supply as well as a well-defined homeostatic regulation are crucial. Disturbances in trace element homeostasis affect the health status and contribute to the incidence and severity of various diseases. The brain in particular is vulnerable to oxidative stress due to its extensive oxygen consumption and high energy turnover, among other factors. As components of a number of antioxidant enzymes, both elements are involved in redox homeostasis. However, high concentrations are also associated with the occurrence of oxidative stress, which can induce cellular damage. Especially high Cu concentrations in some brain areas are associated with the development and progression of neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease (AD). In contrast, reduced Se levels were measured in brains of AD patients. The opposing behavior of Cu and Se renders the study of these two trace elements as well as the interactions between them being particularly relevant and addressed in this work.
N2  - Die Spurenelemente Selen (Se) und Kupfer (Cu) spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung einer normalen Ge¬hirnfunktion. Da sie wesentliche Funktionen als Cofaktoren von Enzymen oder Strukturbestandteile von Proteinen haben, sind eine optimale Versorgung sowie eine genau definierte homöostatische Regulierung von entscheidender Bedeutung. Störungen der Spurenelement-homöostase beeinträchtigen den Gesund¬heitszustand und tragen zum Auftreten und zur Schwere verschiedener Krankheiten bei. Insbesondere das Gehirn ist aufgrund seines hohen Sauerstoffverbrauchs und seines hohen Energieumsatzes anfällig für oxi¬dativen Stress. Als Bestandteile einer Reihe von antioxidativen Enzymen sind beide Elemente an der Redox-Homöostase beteiligt. Hohe Konzentrationen werden jedoch auch mit dem Auftreten von oxidati¬vem Stress in Verbindung gebracht, der zu Zellschäden führen kann. Besonders hohe Cu-Konzentrationen in einigen Hirnregionen werden mit der Entwicklung und der Progression neurodegenerativer Erkran¬kungen wie Alzheimer in Verbindung gebracht. Im Gegensatz dazu wurden in den Gehirnen von Alzheimer-Patienten geringere Se-Konzentrationen gemessen. Das gegensätzliche Verhalten von Cu und Se verdeutlicht die Relevanz der Untersuchung dieser beiden Spurenelemente sowie deren Wechselwirkungen und wird in dieser Arbeit thematisiert.
KW  - selenium
KW  - copper
KW  - Selen
KW  - Kupfer
KW  - Blut-Hirn-Schranke
KW  - Neuronen
KW  - Astrozyten
KW  - blood-brain barrier
KW  - neurons
KW  - astrocytes
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-603666
ER  - 
TY  - THES
A1  - Prada, Marcela
T1  - Fatty acid biomarkers of intake and metabolism and their association with type 2 diabetes
N2  - Background: The role of fatty acid (FA) intake and metabolism in type 2 diabetes (T2D) incidence is controversial. Some FAs are not synthesised endogenously and, therefore, these circulating FAs reflect dietary intake, for example, the trans fatty acids (TFAs), saturated odd chain fatty acids (OCFAs), and linoleic acid, an n-6 polyunsaturated fatty acids (PUFA).  It remains unclear if intake of TFA influence T2D risk and whether industrial TFAs (iTFAs) and ruminant TFAs (rTFAs) exert the same effect. Unlike even chain saturated FAs, the OCFAs have been inversely associated with T2D risk, but this association is poorly understood. Furthermore, the associations of n-6 PUFAs intake with T2D risk are still debated, while delta-5 desaturase (D5D), a key enzyme in the metabolism of PUFAs, has been consistently related to T2D risk. To better understand these relationships, the FA composition in circulating lipid fractions can be used as biomarkers of dietary intake and metabolism. The exploration of TFAs subtypes in plasma phospholipids and OCFAs and n-6 PUFAs within a wide range of lipid classes may give insights into the pathophysiology of T2D.
Aim: This thesis aimed mainly to analyse the association of TFAs, OCFAs and n-6 PUFAs with self-reported dietary intake and prospective T2D risk, using seven types of TFAs in plasma phospholipids and deep lipidomics profiling data from fifteen lipid classes.
Methods: A prospective case-cohort study was designed within the European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition (EPIC)-Potsdam study, including all the participants who developed T2D (median follow-up 6.5 years) and a random subsample of the full cohort (subcohort: n=1248; T2D cases: n=820). The main analyses included two lipid profiles. The first was an assessment of seven TFA in plasma phospholipids, with a modified method for analysis of FA with very low abundances. The second lipid profile was derived from a high-throughout lipid profiling technology, which identified 940 distinct molecular species and allowed to quantify OCFAs and PUFAs composition across 15 lipid classes. Delta-5 desaturase (D5D) activity was estimated as 20:4/20:3-ratio. Using multivariable Cox regression models, we examined the associations of TFA subtypes with incident T2D and class-specific associations of OCFA and n-6 PUFAs with T2D risk.
Results: 16:1n-7t, 18:1n-7t, and c9t11-CLA were positively correlated with the intake of fat-rich dairy foods. iTFA 18:1 isomers were positively correlated with margarine. After adjustment for confounders and other TFAs, higher plasma phospholipid concentrations of two rTFAs were associated with a lower incidence of T2D: 18:1n-7t and t10c12-CLA. In contrast, the rTFA c9t11-CLA was associated with a higher incidence of T2D. rTFA 16:1n-7t and iTFAs (18:1n-6t, 18:1n-9t, 18:2n-6,9t) were not statistically significantly associated with T2D risk. 
We observed heterogeneous integration of OCFA in different lipid classes, and the contribution of 15:0 versus 17:0 to the total OCFA abundance differed across lipid classes. Consumption of fat-rich dairy and fiber-rich foods were positively and red meat inversely correlated to OCFA abundance in plasma phospholipid classes. In women only, higher abundances of 15:0 in phosphatidylcholines (PC) and diacylglycerols (DG), and 17:0 in PC, lysophosphatidylcholines (LPC), and cholesterol esters (CE) were inversely associated with T2D risk. In men and women, a higher abundance of 15:0 in monoacylglycerols (MG) was also inversely associated with T2D. Conversely, a higher 15:0 concentration in LPC and triacylglycerols (TG) was associated with higher T2D risk in men. Women with a higher concentration of 17:0 as free fatty acids (FFA) also had higher T2D incidence.
The integration of n-6 PUFAs in lipid classes was also heterogeneous. 18:2 was highly abundant in phospholipids (particularly PC), CE, and TG; 20:3 represented a small fraction of FA in most lipid classes, and 20:4 accounted for a large proportion of circulating phosphatidylinositol (PI) and phosphatidylethanolamines (PE). Higher concentrations of 18:2 were inversely associated with T2D risk, especially within DG, TG, and LPC. However, 18:2 as part of MG was positively associated with T2D risk. Higher concentrations of 20:3 in phospholipids (PC, PE, PI), FFA, CE, and MG were linked to higher T2D incidence. 20:4 was unrelated to risk in most lipid classes, except positive associations were observed for 20:4 enriched in FFA and PE. The estimated D5D activities in PC, PE, PI, LPC, and CE were inversely associated with T2D and explained variance of estimated D5D activity by genomic variation in the FADS locus was only substantial in those lipid classes.
Conclusion: The TFAs' conformation is essential in their relationship to diabetes risk, as indicated by plasma rTFA subtypes concentrations having opposite directions of associations with diabetes risk. Plasma OCFA concentration is linked to T2D risk in a lipid class and sex-specific manner. Plasma n-6 PUFA concentrations are associated differently with T2D incidence depending on the specific FA and the lipid class. Overall, these results highlight the complexity of circulating FAs and their heterogeneous association with T2D risk depending on the specific FA structure, lipid class, and sex. My results extend the evidence of the relationship between diet, lipid metabolism, and subsequent T2D risk. In addition, my work generated several potential new biomarkers of dietary intake and prospective T2D risk.
N2  - Die Rolle der Fettsäureaufnahme und des Fettsäurestoffwechsels bei der Prävention von Typ-2-Diabetes (T2D) ist nach wie vor umstritten. Die Fettsäure (FS)-Zusammensetzung in den Blutfettfraktionen kann als Biomarker für die Nahrungsaufnahme und den Stoffwechsel verwendet werden, um die Beziehung zwischen den FS und dem T2D-Risiko besser zu verstehen. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, den Zusammenhang zwischen zirkulierenden trans-FS (TFS), ungeradkettigen gesättigten FS (UGFS) und n-6 poly ungesättigte FS (PUFS), die in verschiedenen Lipidklassen angereichert sind, mit dem T2D-Risiko zu untersuchen.
Mit einer eingebetten Fall-Kohorten-Studie, die im Rahmen der prospektiven EPIC-Potsdam-Studie konzipiert wurde, untersuchte diese Arbeit zwei Lipidprofile im Hinblick auf das T2D-Risiko: (1) Sieben TFS-Subtypen in Plasma-Phospholipiden und (2) die Zusammensetzung von UGFS und PUFA in 15 Plasma-Lipidklassen. Die Aktivität der Delta-5-Desaturase (D5D) wurde als 20:4/20:3-Verhältnis geschätzt. Assoziationen mit dem Auftreten von T2D wurden mit multivariablen Cox-Regressionsmodellen untersucht.
Von den üblicherweise aus Milchprodukten stammenden TFS waren 18:1n-7t und t10c12-CLA mit einer geringeren T2D-Inzidenz, c9t11-CLA mit einer höheren Inzidenz und 16:1n-7t nicht mit dem T2D-Risiko assoziiert. TFS aus industriellen Quellen (18:1n-6t, 18:1n-9t, 18:2n-6t) zeigten keinen statistisch signifikanten Zusammenhang mit dem T2D-Risiko. Die UGFS-Konzentration im Plasma war mit dem T2D-Risiko auf lipidklassen- und geschlechtsspezifische Weise assoziiert, wobei bei Frauen stärkere inverse Zusammenhänge für 15:0 in Monoacylglycerinen (MG), Phosphatidylcholinen (PC) und Diacylglycerinen (DG) sowie für 17:0 in PC, Lysophosphatidylcholinen (LPC) und Cholesterinestern (CE) beobachtet wurden. Höhere Konzentrationen von 18:2 waren in DG, TG und LPC invers mit dem T2D-Risiko assoziiert, während MG(18:2) positiv mit dem T2D-Risiko assoziiert war. Höhere Konzentrationen von 20:3 in Phospholipiden (PC, PE, Phosphatidylinositole (PI)), Fettsäuren (FFS), CE und MG waren mit einer höheren T2D-Inzidenz verbunden. 20:4 stand in den meisten Lipidklassen in keinem statistisch singifikanten Zusammenhang mit dem Risiko, außer bei in FFS und PE angereichertem 20:4, das positiv assoziiert war. Die geschätzten D5D-Aktivitäten in PC, PE, PI, LPC und CE waren invers mit dem T2D-Risiko assoziiert.
Zusammenfassend ist die Konformation der TFS für ihren Zusammenhang mit dem Diabetesrisiko entscheidend. Die Assoziationen der UGFS-Plasma-Konzentrationen mit dem T2D-Risiko zeigten lipidklassen- und geschlechtsspezifische Unterschiede. Die Plasma-Konzentrationen der n-6-PUFA waren je nach spezifischer FA und Lipidklasse unterschiedlich mit der T2D-Inzidenz assoziiert. Insgesamt unterstreichen diese Ergebnisse die Komplexität der zirkulierenden FAs und ihren heterogenen Zusammenhang mit dem T2D-Risiko in Abhängigkeit der spezifischen FA-Struktur, der Lipidklasse und des Geschlechtes.
KW  - fatty acids
KW  - lipidomics
KW  - type 2 diabetes
KW  - trans fatty acids
KW  - odd chain fatty acids
KW  - polyunsaturated fatty acids
KW  - Fettsäuren
KW  - Lipidomics
KW  - Typ-2-Diabetes
KW  - Biomarker
KW  - Lipidstoffwechsel
KW  - Trans-Fettsäuren
KW  - ungeradkettige Fettsäuren
KW  - poly ungesättigte Fettsäuren
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-581598
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rausch, Theresa
T1  - Role of intestinal bacteria in the conversion of dietary sulfonates
N2  - Over the last decades, interest in the impact of the intestinal microbiota on host health has steadily increased. Diet is a major factor that influences the gut microbiota and thereby indirectly affects human health. For example, a high fat diet rich in saturated fatty acids led to an intestinal proliferation of the colitogenic bacterium Bilophila (B.) wadsworthia by stimulating the release of the bile acid taurocholate (TC). TC contains the sulfonated head group taurine, which undergoes conversion to sulfide (H2S) by B. wadsworthia. In a colitis prone murine animal model (IL10 /  mice), the bloom of B. wadsworthia was accompanied by an exacerbation of intestinal inflammation. B. wadsworthia is able to convert taurine and also other sulfonates to H2S, indicating the potential association of sulfonate utilization and the stimulation of colitogenic bacteria. 
This potential link raised the question, whether dietary sulfonates or their sulfonated metabolites stimulate the growth of colitogenic bacteria such as B. wadsworthia and whether these bacteria convert sulfonates to H2S. Besides taurine, which is present in meat, fish and life-style beverages, other dietary sulfonates are part of daily human nutrition. Sulfolipids such as sulfoquinovosyldiacylglycerols (SQDG) are highly abundant in salad, parsley and the cyanobacterium Arthrospira platensis (Spirulina). Based on previous findings, Escherichia (E.) coli releases the polar headgroup sulfoquinovose (SQ) from SQDG. Moreover, E. coli is able to convert SQ to 2,3 dihydroxypropane 1 sulfonate (DHPS) under anoxic conditions. DHPS is also converted to H2S by B. wadsworthia or by other potentially harmful gut bacteria such as members of the genus Desulfovibrio. However, only few studies report the conversion of sulfonates to H2S by bacteria directly isolated from the human intestinal tract. Most sulfonate utilizing bacteria were obtained from environmental sources such as soil or lake sediment or from potentially intestinal sources such as sewage.
In the present study, fecal slurries from healthy human subjects were incubated with sulfonates under strictly anoxic conditions, using formate and lactate as electron donors. Fecal slurries that converted sulfonates to H2S, were used as a source for the isolation of H2S forming bacteria. Isolates were identified based on their 16S ribosomal RNA (16S rRNA) gene sequence. In addition, conventional C57BL/6 mice were fed a semisynthetic diet supplemented with the SQDG rich Spirulina (SD) or a Spirulina free control diet (CD). During the intervention, body weight, water and food intake were monitored and fecal samples were collected. After three weeks, mice were killed and organ weight and size were measured, intestinal sulfonate concentrations were quantified, gut microbiota composition was determined and parameters of intestinal and hepatic fat metabolism were analyzed. 
Human fecal slurries converted taurine, isethionate, cysteate, 3 sulfolacate, SQ and DHPS to H2S. However, inter individual differences in the degradation of these sulfonates were observed. Taurine, isethionate, and 3 sulfolactate were utilized by fecal microbiota of all donors, while SQ, DHPS and cysteate were converted to H2S only by microbiota from certain individuals. Bacterial isolates from human feces able to convert sulfonates to H2S were identified as taurine-utilizing Desulfovibrio strains, taurine- and isethionate-utilizing B. wadsworthia, or as SQ- and 3-sulfolactate- utilizing E. coli. In addition, a co culture of E. coli and B. wadsworthia led to complete degradation of SQ to H2S, with DHPS as an intermediate. Of the human fecal isolates, B. wadsworthia and Desulfovibrio are potentially harmful. E. coli strains might be also pathogenic, but isolated E. coli strains from human feces were identified as commensal gut bacteria. 
Feeding SD to mice increased the cecal and fecal SQ concentration and altered the microbiota composition, but the relative abundance of SQDG  or SQ converting bacteria and colitogenic bacteria was not enriched in mice fed SD for 21 days. SD did not affect the relative abundance of Enterobacteriaceae, to which the SQDG- and SQ-utilizing E. coli strain belong to. Furthermore, the abundance of B. wadsworthia decreased from day 2 to day 9 in feces, but recovered afterwards in the same mice. In cecum, the family Desulfovibrionaceae, to which B. wadsworthia and Desulfovibrio belong to, were reduced. No changes in the number of B. wadsworthia in cecal contents or of Desulfovibrionaceae in feces were observed. SD led to a mild activation of the immune system, which was not observed in control mice fed CD. Mice fed SD had an increased body weight, a higher adipose tissue weight, and a decreased liver weight compared to the control mice, suggesting an impact of Spirulina supplementation on fat metabolism. However, expression levels of genes involved in intestinal and hepatic intracellular lipid uptake and availability were reduced. Further investigations on the lipid metabolism at protein level could help to clarify these discrepancies.
In summary, humans differ in the ability of their fecal microbiota to utilize dietary sulfonates. While sulfonates stimulated the proliferation of potentially colitogenic isolates from human fecal slurries, the increased availability of SQ in Spirulina fed conventional mice did not lead to an enrichment of such bacteria. Presence or absence of these bacteria may explain the inter individual differences in sulfonate conversion observed for fecal slurries. This work provides new insights in the ability of intestinal bacteria to utilize sulfonates and thus, contributes to a better understanding of microbiota-mediated effects on dietary sulfonate utilization. Interestingly, feeding of the Spirulina-supplemented diet led to body-weight gain in mice in the first two days of intervention, the reasons for which are unknown.
N2  - Die Darmmikrobiota hat auf die menschliche Gesundheit einen großen Einfluss. Nahrungskom-ponente sind die Hauptquelle für bakterielle Substrate und beeinflussen somit das Wachstum von Darmbakterien. In einer Studie mit Mäusen führte z.B. eine Hochfettdiät zu einer erhöhten Freisetzung der Gallensäure Taurocholat (TC), was wiederum zur Anreicherung des kolitogenen Bakteriums Bilophila (B.) wadsworthia führte. In einem Interleukin-10-defizienten Maus-Model für Kolitis, führte eine erhöhte intestinale Verfügbarkeit von TC zu Darmentzündungen und Wachstum von B. wadsworthia. TC enthält den sulfonierten Taurin-Rest, der auch in Nahrungsmitteln wie Fisch und Fleisch enthalten ist, und von B. wadsworthia genutzt und zu Sulfid (H2S) reduziert werden kann. Bisher gibt es jedoch nur wenige Studien, welche die Umwandlung von Sulfonaten in H2S durch Darmbakterien belegen, wobei auch H2S mit Darmentzündungen in Verbindung gebracht wird.

Aus diesen Literaturdaten resultierten die Fragen, ob Sulfonate aus der Nahrung das Wachstum von kolitogenen Bakterien wie B. wadsworthia stimulieren und ob diese Bakterien Sulfonate zu H2S umwandeln können. Weitere Nahrungsmittel-Sulfonate sind die Sulfolipide Sulfoquinovosyldiacylglycerole (SQDG) in Salaten, Petersilie und Spirulina. Escherichia (E.) coli kann Sulfoquinovose (SQ) aus SQDG abspalten und in 2,3-Dihydroxypropan-1-sulfonat (DHPS) umwandeln, welches wiederum von B. wadsworthia oder einem Desulfovibrio-Stamm, einem anderen potenziell kolitogenem Darmbakterium, verwendet und zu H2S reduziert werden kann. 

In der vorliegenden Arbeit wurden Fäzes-Suspensionen von gesunden Menschen unter strikt anoxischen Bedingungen mit Sulfonaten und Formiat und Laktat als Elektronendonoren inkubiert. Aus den Fäzes-Suspensionen wurden H2S-bildende Bakterienstämme isoliert und identifiziert. Zusätzlich wurden konventionelle C57BL/6-Mäuse mit einer semisynthetischen Diät, welche mit SQDG-reicher Spirulina supplementiert war (SD), gefüttert. Während des Versuchs wurde das Körpergewicht der Mäuse, deren Wasser- und Nahrungsaufnahme bestimmt und Fäzesproben gesammelt. Nach drei Wochen wurden die intestinale Sulfonatkonzentration, die Zusammensetzung der Mikrobiota und die Parameter des hepatischen und intestinalen Fettstoffwechsels bestimmt.

Die Ergebnisse zeigten, dass humane Fäzes-Suspensionen Taurin, Isethionat, Cysteat, 3-Sulfolaktat, SQ und DHPS mit interindividuellen Unterschieden zu H2S umwandeln. Als Sulfonat-umsetzende Bakterien wurden Stämme der Gattung Desulfovibrio, B. wadsworthia oder E. coli isoliert, wobei die Desulfovibrio-Stämme Taurin, B. wadsworthia Taurin und Isethionat und E. coli SQ und 3-Sulfolaktat zu H2S reduzieren konnten. Eine Kokultivierung von E. coli und B. wadsworthia zeigte den vollständigen Abbau von SQ über DHPS zu H2S. Die Gabe von SD an Mäuse erhöhte die intestinale SQ-Konzentration und veränderte die Mikrobiota-Zusammensetzung, jedoch war die Zellzahl von SQDG- oder SQ-umwandelnden Bakterien und kolitogenen Bakterien nicht erhöht. Die Zellzahl von B. wadsworthia in denselben Mäusen von Tag 2 bis 9 ab, normalisierte sich danach aber wieder. Im Zäkum war die Familie der Desulfovibrionaceae reduziert, zu welcher B. wadsworthia und Desulfovibrio-Stämme gehören. SD führte zu einer schwachen Aktivierung des Immunsystems und zur Erhöhung des Körpergewichtes. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Darmbakterien in der Lage sind, Sulfonate aus der Nahrung mit interindividuellen Unterschieden zu verwerten. Das Vorkommen von Bakterien könnte diese Unterschiede erklären. Diese Studie ermöglicht es uns, die biologische Rolle der mit der Nahrung aufgenommenen Sulfonate zu verstehen und könnte neue Erkenntnisse über die Fähigkeit der Darmbakterien zur Verwertung von Sulfonaten liefern.
T2  - Die Rolle von Darmbakterien bei der Umsetzung von Nahrungsmittel-Sulfonaten
KW  - microbiology
KW  - Bilophila wadsworthia
KW  - sulfide
KW  - intestinal
KW  - Bilophila wadsworthia
KW  - intestinal
KW  - Mikrobiologie
KW  - Sulfid
KW  - dietary sulfonates
KW  - Nahrungssulfonate
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-574036
ER  - 
TY  - THES
A1  - Drobyshev, Evgenii
T1  - Toxic or beneficial? What is the role of food-relevant selenium species selenoneine?
T1  - Giftig oder nützlich? Welche Rolle spielt die lebensmittelrelevante Selenspezies Selenonein?
N2  - Selenium (Se) is an essential trace element that is ubiquitously present in the environment in small concentrations. Essential functions of Se in the human body are manifested through the wide range of proteins, containing selenocysteine as their active center. Such proteins are called selenoproteins which are found in multiple physiological processes like antioxidative defense and the regulation of thyroid hormone functions. Therefore, Se deficiency is known to cause a broad spectrum of physiological impairments, especially in endemic regions with low Se content. Nevertheless, being an essential trace element, Se could exhibit toxic effects, if its intake exceeds tolerable levels. Accordingly, this range between deficiency and overexposure represents optimal Se supply. However, this range was found to be narrower than for any other essential trace element. Together with significantly varying Se concentrations in soil and the presence of specific bioaccumulation factors, this represents a noticeable difficulty in the assessment of Se
epidemiological status. While Se is acting in the body through multiple selenoproteins, its intake occurs mainly in form of small organic or inorganic molecular mass species. Thus, Se exposure not only depends on daily intake but also on the respective chemical form, in which it is present.
The essential functions of selenium have been known for a long time and its primary forms in different food sources have been described. Nevertheless, analytical capabilities for a comprehensive investigation of Se species and their derivatives have been introduced only in the last decades. A new Se compound was identified in 2010 in the blood and tissues of bluefin tuna. It was called selenoneine (SeN) since it is an isologue of naturally occurring antioxidant ergothioneine (ET), where Se replaces sulfur. In the following years, SeN was identified in a number of edible fish species and attracted attention as a new dietary Se source and potentially strong antioxidant. Studies in populations whose diet largely relies on fish revealed that SeN
represents the main non-protein bound Se pool in their blood. First studies, conducted with enriched fish extracts, already demonstrated the high antioxidative potential of SeN and its possible function in the detoxification of methylmercury in fish. Cell culture studies demonstrated, that SeN can utilize the same transporter as ergothioneine, and SeN metabolite was found in human urine.
Until recently, studies on SeN properties were severely limited due to the lack of ways to obtain the pure compound. As a predisposition to this work was firstly a successful approach to SeN synthesis in the University of Graz, utilizing genetically modified yeasts. In the current study, by use of HepG2 liver carcinoma cells, it was demonstrated, that SeN does not cause toxic effectsup to 100 μM concentration in hepatocytes. Uptake experiments showed that SeN is not bioavailable to the used liver cells.
In the next part a blood-brain barrier (BBB) model, based on capillary endothelial cells from the porcine brain, was used to describe the possible transfer of SeN into the central nervous system (CNS). The assessment of toxicity markers in these endothelial cells and monitoring of barrier conditions during transfer experiments demonstrated the absence of toxic effects from SeN on the BBB endothelium up to 100 μM concentration. Transfer data for SeN showed slow but substantial transfer. A statistically significant increase was observed after 48 hours following SeN incubation from the blood-facing side of the barrier. However, an increase in Se content was clearly visible already after 6 hours of incubation with 1 μM of SeN. While the transfer rate of SeN after application of 0.1 μM dose was very close to that for 1 μM, incubation with 10 μM of SeN resulted in a significantly decreased transfer rate. Double-sided application of SeN caused no side-specific transfer of SeN, thus suggesting a passive diffusion mechanism of SeN across the BBB. This data is in accordance with animal studies, where ET accumulation was observed in the rat brain, even though rat BBB does not have the primary ET transporter – OCTN1. Investigation of capillary endothelial cell monolayers after incubation with SeN and reference selenium compounds showed no significant increase of intracellular selenium concentration. Speciesspecific Se measurements in medium samples from apical and basolateral compartments, as good as in cell lysates, showed no SeN metabolization. Therefore, it can be concluded that SeN may reach the brain without significant transformation.
As the third part of this work, the assessment of SeN antioxidant properties was performed in Caco-2 human colorectal adenocarcinoma cells. Previous studies demonstrated that the intestinal epithelium is able to actively transport SeN from the intestinal lumen to the blood side and accumulate SeN. Further investigation within current work showed a much higher antioxidant potential of SeN compared to ET. The radical scavenging activity after incubation with SeN was close to the one observed for selenite and selenomethionine. However, the SeN effect on the viability of intestinal cells under oxidative conditions was close to the one caused by ET. To answer the question if SeN is able to be used as a dietary Se source and induce the activity of selenoproteins, the activity of glutathione peroxidase (GPx) and the secretion of selenoprotein P (SelenoP) were measured in Caco-2 cells, additionally. As expected, reference selenium compounds selenite and selenomethionine caused efficient induction of GPx activity. In contrast to those SeN had no effect on GPx activity. To examine the possibility of SeN being embedded into the selenoproteome, SelenoP was measured in a culture medium. Even though Caco-2 cells effectively take up SeN in quantities much higher than selenite or selenomethionine, no secretion of SelenoP was observed after SeN incubation.
Summarizing, we can conclude that SeN can hardly serve as a Se source for selenoprotein synthesis. However, SeN exhibit strong antioxidative properties, which appear when sulfur in ET is exchanged by Se. Therefore, SeN is of particular interest for research not as part of Se metabolism, but important endemic dietary antioxidant.
N2  - Selen (Se) ist ein essentielles Spurenelement, das in geringen Konzentrationen ubiquitär in der Umwelt vorkommt. Essentielle Funktionen von Se im menschlichen Körper manifestieren sich in einer Vielzahl von Proteinen, die Selenocystein als aktives Zentrum enthalten. Solche Proteine werden Selenoproteine genannt, die in zahlreichen physiologischen Prozessen wie der antioxidativen Abwehr und der Regulierung der Schilddrüsenhormonfunktionen vorkommen. Daher ist bekannt, dass ein Se-Mangel ein breites Spektrum physiologischer Beeinträchtigungen verursacht, insbesondere in solchen Regionen mit niedrigem Se-Bodengahlten. Dennoch kann Se als essentielles Spurenelement auch toxische Wirkungen entfalten, wenn seine Aufnahme das tolerierbare Maß überschreitet. Dementsprechend stellt dieser Bereich zwischen Mangel und Überbelichtung eine optimale Se-Versorgung dar. Dieser Bereich erwies sich jedoch als enger als bei jedem anderen essentiellen Spurenelement. Zusammen mit stark schwankenden SeKonzentrationen im Boden und dem Vorliegen spezifischer Bioakkumulationsfaktoren stellt dies eine deutliche Schwierigkeit bei der Beurteilung des epidemiologischen Selenstatus dar. Während im Körper mehrere Selenoproteine vorliegen, erfolgt seine Aufnahme hauptsächlich in Form kleiner organischer oder anorganischer Moleküle. Somit hängt die Se-Exposition nicht nur von der täglichen Aufnahme ab, sondern auch von der jeweiligen chemischen Form, in der es vorliegt.
Die essentiellen Funktionen von Selen sind seit langem bekannt und seine Primärformen in verschiedenen Nahrungsquellen dominierenden Formen wurden bereits gut beschrieben. Dennoch wurden erst in den letzten Jahrzehnten neue analytische Möglichkeiten für eine umfassendere Untersuchung von Se-Spezies und ihren Derivaten entwickelt. Beispielsweise wurde 2010 eine neue Se-Verbindung im Blut und im Gewebe von Rotem Thunfisch identifiziert. Es wurde Selenonein (SeN) genannt, da es ein Isolog des natürlich vorkommenden Antioxidans Ergothionein (ET) ist, bei dem Se durch Schwefel ersetzt ist. In den folgenden Jahren wurde SeN in einer Reihe von essbaren Fischarten identifiziert und erregte einerseits als neue Nahrungsquelle für Se und andererseits als potenziell starkes Antioxidans Aufmerksamkeit. Studien an Probanden, deren Ernährung hauptsächlich von Fisch geprägt ist, haben gezeigt, dass SeN den hauptsächlichen nicht-proteingebundenen Se-Pool in ihrem Blut darstellt. Erste Studien mit angereicherten Fischextrakten zeigten bereits das hohe antioxidative Potenzial von SeN und seine mögliche Funktion bei der Entgiftung von Methylquecksilber im Fisch. Zellkulturstudien zeigten, dass SeN den gleichen Transporter wie Ergothionein nutzen kann und ein weiterer SeN-Metabolit wurde im menschlichen Urin gefunden.
Bis vor kurzem waren Studien zu den Eigenschaften von SeN aufgrund fehlender Möglichkeiten, die reine Verbindung zu erwerben, stark eingeschränkt. Als wichtige Grundlage für die vorliegende Arbeit diente zunächst die erfolgreiche Synthese des SeN, welche an der Universität Graz unter Verwendung gentechnisch veränderter Hefen erfolgte. In der aktuellen Studie wurde unter Verwendung von HepG2-Leberkarzinomzellen gezeigt, dass SeN in physiologisch relevanten Konzentrationen keine toxischen Effekte in diesen Hepatozyten induziert. Bioverfügbarkeitsexperimente zeigten, dass SeN für die verwendeten Leberzellen nicht bioverfügbar ist.
Im nächsten Teil wurde ein Modell der Blut-Hirn-Schranke (BHS) verwendet, das auf kapillaren Endothelzellen aus dem Schweinehirn basiert, um den möglichen Transfer von SeN in das zentrale Nervensystem (ZNS) zu untersuchen. Die Bewertung von Toxizitätsmarkern in diesen Endothelzellen und die online Überwachung der Barriere-Bedingungen während der Transferexperimente zeigten, dass bei physiologisch relevanten Konzentrationen keine toxischen Wirkungen von SeN auf das BHS-Endothel auftreten. Daten bezüglich des Übergangs der Selenspezies SeN zeigten zwar eine langsame, jedoch eine nicht zu vernachlässigenden Menge, die die Barriere passieren kann. Die gleichzeitige Inkubation von SeN auf beiden Barriere-Seiten verursachte keinen seitenspezifischen Transfer von SeN, was auf einen passiven Diffusionsmechanismus von SeN über die BHS hindeutet. Diese Daten stimmen mit Tierstudien überein, in denen eine ET-Akkumulation im Rattengehirn beobachtet wurde, obwohl die BHS der Ratte nicht über den primären ET-Transporter – OCTN1 – verfügt. Die Untersuchung von Monolayern aus kapillaren Endothelzellen nach Inkubation mit SeN und Referenzselenverbindungen zeigte keinen signifikanten Anstieg der intrazellulären Selenkonzentration. Speziesspezifische Se-Messungen in Mediumproben aus den apikalen und basolateralen Kompartimenten, sowie in den Zelllysaten zeigten keine SeN-Metabolisierung. Daraus kann geschlossen werden, dass SeN das Gehirn ohne signifikante Transformation erreichen kann.
Als dritter Teil dieser Arbeit wurde die Bewertung der antioxidativen Eigenschaften von SeN in menschlichen Caco-2, also kolorektale Adenokarzinomzellen, durchgeführt. Frühere Studien zeigten, dass das Darmepithel in der Lage ist, SeN aktiv vom Darmlumen zur Blutseite zu transportieren und dort SeN anzureichern. Weitere Untersuchungen im Rahmen der aktuellen Arbeiten zeigten ein viel höheres antioxidatives Potenzial von SeN im Vergleich zu ET. Die Aktivität als Radikalfänger nach Inkubation mit SeN war ähnlich wie bei Selenit und Selenomethionin. Wobei die Wirkung von SeN auf die Lebensfähigkeit von Darmzellen unter oxidativen Bedingungen jedoch ähnlich der durch ET verursachten war. Um die Frage zu beantworten, ob SeN als diätetische Se-Quelle verwendet werden kann um die Aktivität von Selenoproteinen zu induzieren, wurden zusätzlich die Aktivität der Glutathionperoxidase (GPx)
und die Sekretion von Selenoprotein P (SelenoP) in Caco-2-Zellen gemessen. Wie erwartet, bewirkten die Referenz-Selenverbindungen Selenit und Selenomethionin eine effiziente Induktion der GPx-Aktivität, im Gegensatz zu diesen hatte SeN keinen Einfluss auf die GPx-Aktivität. Um die Möglichkeit einer Einbettung von SeN in das Selenoproteom zu untersuchen,
wurde SelenoP im Kulturmedium gemessen. Obwohl Caco-2-Zellen SeN effektiv in viel höherenMengen als Selenit oder Selenomethionin aufnehmen, wurde nach der SeN-Inkubation keine Sekretion von SelenoP beobachtet.
Zusammenfassend können wir schlussfolgern, dass SeN kaum als Se-Quelle für die Selenoproteinsynthese dienen kann. SeN weist jedoch starke antioxidative Eigenschaften auf, die auftreten, wenn Schwefel in ET durch Se ausgetauscht wird. Daher ist SeN von besonderem Interesse für die Forschung, nicht als Teil des Se-Stoffwechsels, sondern als wichtiges endemisches diätetisches Antioxidans.
KW  - selenium
KW  - selenoneine
KW  - HepG2
KW  - Caco-2
KW  - PBCEC
KW  - Caco-2
KW  - HepG2
KW  - PBCEC
KW  - Selen
KW  - Selenonein
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-573794
ER  -