TY - THES A1 - Schell, Mareike T1 - Investigating the effect of Lactobacillus rhamnosus GG on emotional behavior in diet-induced obese C57BL/6N mice T1 - Untersuchung der Wirkung von Lactobacillus rhamnosus GG bei Störungen des emotionalen Verhaltens in einem Mausmodell Diät-induzierter Adipositas N2 - The prevalence of depression and anxiety is increased in obese patients compared to healthy humans, which is partially due to a shared pathogenesis, including insulin resistance and inflammation. These factors are also linked to intestinal dysbiosis. Additionally, the chronic consumption of diets rich in saturated fats results in body weight gain, hormonal resistances and unfavorable changes in the microbiome composition. The intake of Lactobacilli has already been shown to improve dysbiosis along with metabolism and mood. Yet, the beneficial role and the underlying mechanism of Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) to improve emotional behavior in established diet-induced obese conditions are, so far, unknown. To characterize the role of LGG in diet-induced obesity, female and male C57BL/6N mice were fed a semi-synthetic low-fat diet (LFD, 10 % kcal from fat) or a conventional high-fat diet (HFD, 45 % kcal from fat) for initial 6 weeks, which was followed by daily oral gavage of vehicle or 1x10^8 CFU of LGG until the end of the experiment. Mice were subjected to basic metabolic and extensive behavioral phenotyping, with a focus on emotional behavior. Moreover, composition of cecal gut microbiome, metabolomic profile in plasma and cerebrospinal fluid was investigated and followed by molecular analyses. Both HFD-feeding and LGG application resulted in sex-specific differences. While LGG prevented the increase of plasma insulin, adrenal gland weight and hyperactivity in diet-induced obese female mice, there was no regulation of anxiodepressive-like behavior. In contrast, metabolism of male mice did not benefit from LGG application, but strikingly, LGG decreased specifically depressive-like behavior in the Mousetail Suspension Test which was confirmed by the Splash Test characterizing motivation for ’self-care’. The microbiome analysis in male mice revealed that HFD-feeding, but not LGG application, altered cecal microbiome composition, indicating a direct effect of LGG on behavioral regulation. However, in female mice, both HFD-feeding and LGG application resulted in changes of microbiome composition, which presumably affected metabolism. Moreover, as diet-induced obese female mice unexpectedly did not exhibit anxiodepressive-like behavior, follow-up analyses were conducted in male mice. Here, HFD-feeding significantly altered abundance of plasma lipids whereas LGG decreased branched chain amino acids which associated with improved emotional behavior. In nucleus accumbens (NAcc) and VTA/SN, which belong to the dopaminergic system, LGG restored HFD-induced decrease of tyrosine hydroxylase, the rate-limiting enzyme in dopamine synthesis, on gene expression level. Lastly, transcriptome analysis in the NAcc identified gene expression of cholecystokinin as a potential mediator of the effect of LGG on HFD-induced emotional alterations. In summary, this thesis revealed the beneficial effects of LGG application on emotional alterations in established diet-induced obesity. Furthermore, both HFD-feeding and LGG treatment exhibited sex-specific effects, resulting in metabolic improvements in female mice while LGG application mitigated depressive-like behavior in obese male mice along with a molecular signature of restored dopamine synthesis and neuropeptide signaling. N2 - n adipösen Patienten liegt eine erhöhte Prävalenz von Depressionen und Angsterkrankungen vor. Dies liegt unter anderem an einer gemeinsamen Pathogenese, der eine Insulinresistenz sowie ein chronischer Entzündungszustand zugrunde liegen. Diese Faktoren sind mit einer intestinalen Dysbiose assoziiert, die auch durch eine Fehlernährung, beispielsweise mit einer fettreichen Diät, hervorgerufen werden kann. Es konnte bereits gezeigt werden, dass die Aufnahme von Laktobazillen nicht nur eine Dysbiose und den Stoffwechsel verbessert, sondern sich auch positiv auf das Gemüt auswirken kann. Ob jedoch Lactobacillus rhamnosus GG in der Lage ist, in einem Zustand der etablierten ernährungsbedingten Fettleibigkeit das emotionale Verhalten zu verbessern und welche Mechanismen zugrunde liegen, ist noch ungeklärt. Um die Rolle von LGG bei ernährungsbedingter Fettleibigkeit zu charakterisieren, wurden weibliche und männliche C57BL/6N Mäuse mit einer semi-synthetischen Niedrigfettdiät (LFD, 10 % kcal aus Fett) oder einer konventionellen Hochfettdiät (HFD, 45 % kcal aus Fett) für die ersten 6 Wochen gefüttert, um den Zustand einer Adipositas zu etablieren. Anschließend haben die Mäuse eine tägliche perorale Applikation eines Vehikels oder 1x10^8 KBE LGG bis zum Versuchsende erhalten. Die Mäuse wurden einer allgemeinen metabolischen Charakterisierung und einer umfassenden Verhaltensphänotypisierung unterzogen, die Aufschlüsse über das emotionale Verhalten liefern sollen. Darüber hinaus wurde die Zusammensetzung des Darmmikrobioms bestimmt, im Plasma und in der Zerebrospinalflüssigkeit das Metabolitprofil untersucht und durch molekulare Analysen ergänzt. Sowohl die HFD-Fütterung als auch die LGG-Applikation führten zu geschlechtsspezifischen Unterschieden. Während LGG den diätinduzierten Anstieg von Plasmainsulin, ein erhöhtes Nebennierengewicht und Hyperaktivität in weiblichen Mäusen verhinderte, wurde das emotionale Verhalten nicht reguliert. Im Gegensatz dazu profitierte der Stoffwechsel männlicher Mäuse nicht von der LGG-Anwendung, jedoch war LGG in der Lage, spezifisch das depressiv-ähnliches Verhalten zu verbessern, was durch eine Analyse des zielgerichteten Verhaltens bestätigt wurde. Die Mikrobiomanalyse ergab, dass die Diät, jedoch nicht LGG, die Zusammensetzung des Darmmikrobioms in männlichen Mäusen verändert, was auf eine direkte Rolle von LGG in der Verhaltensregulation hindeutet. Im Vergleich dazu war das Darmmikrobiom in weiblichen Mäusen durch die Diät als auch durch LGG verändert, was zu den positiven Veränderungen der Stoffwechselparameter geführt haben könnte. Da weibliche Mäuse weder durch die HFD-Fütterung noch durch die LGG-Gabe einen Effekt auf emotionales Verhalten aufwiesen, wurden die Folgeanalysen bei männlichen Mäusen durchgeführt. Während die HFD-Fütterung das Vorkommen von Plasmalipiden veränderte, lagen aufgrund der LGG-Gabe verzweigtkettige Aminosäuren verringert vor, was mit einem verbessertem emotionalen Verhalten assoziierte. In den dopaminergen Gehirnregionen Nucleus Accumbens (NAcc) und VTA/SN revertierte LGG die HFD-induzierte Reduktion der Tyrosinhydroxylase Genexpression, des geschwindigkeitsbegrenzenden Enzyms in der Dopaminsynthese. Abschließend wurde eine Transkriptomanalyse mittels RNA Sequencing durchgeführt, welche die Genexpression von Cholezystokinin im NAcc als potenzieller Mediator in der Wirkung von LGG bei HFD-induzierten emotionalen Veränderungen identifizierte. Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit die positiven Auswirkungen der LGG-Gabe auf emotionales Verhalten bei etablierter ernährungsbedingter Fettleibigkeit gezeigt werden.. Sowohl die HFD-Fütterung als auch die LGG-Gabe führten zu geschlechtsspezifischen Effekten, was zu Stoffwechselverbesserungen bei weiblichen Mäusen führte, während die LGG-Gabe das depressiv-ähnliche Verhalten bei männlichen Mäusen abschwächte. Zudem wurden auf Genexpressionsebene Tyrosinhydroxylase und Cholezystokinin identifiziert, die potentiell den Effekt von LGG auf das emotionale Verhalten in einem Modell etablierter ernährungsbedingter Fettleibigkeit vermitteln. KW - obesity KW - insulin resistance KW - probiotics KW - lactobacillus KW - depression KW - emotionality Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Figueroa Campos, Gustavo Adolfo T1 - Wet-coffee processing production wastes T1 - Produktionsabfälle aus der Nasskaffeeverarbeitung BT - quality, potentials, and valorization opportunities BT - Qualität, Potenziale und Verwertungsmöglichkeiten N2 - Countries processing raw coffee beans are burdened with low economical incomes to fight the serious environmental problems caused by the by-products and wastewater that is generated during the wet-coffee processing. The aim of this work was to develop alternative methods of improving the waste by-product quality and thus making the process economically more attractive with valorization options that can be brought to the coffee producers. The type of processing influences not only the constitution of green coffee but also of by-products and wastewater. Therefore, coffee bean samples as well as by-products and wastewater collected at different production steps of were analyzed. Results show that the composition of wastewater is dependent on how much and how often the wastewater is recycled in the processing. Considering the coffee beans, results indicate that the proteins might be affected during processing and a positive effect of the fermentation on the solubility and accessibility of proteins seems to be probable. The steps of coffee processing influence the different constituents of green coffee beans which, during roasting, give rise to aroma compounds and express the characteristics of roasted coffee beans. Knowing that this group of compounds is involved in the Maillard reaction during roasting, this possibility could be utilized for the coffee producers to improve the quality of green coffee beans and finally the coffee cup quality. The valorization of coffee wastes through modification to activated carbon has been considered as a low-cost option creating an adsorbent with prospective to compete with commercial carbons. Activation protocol using spent coffee and parchment was developed and prepared to assess their adsorption capacity for organic compounds. Spent coffee grounds and parchment proved to have similar adsorption efficiency to commercial activated carbon. The results of this study document a significant information originating from the processing of the de-pulped to green coffee beans. Furthermore, it showed that coffee parchment and spent coffee grounds can be valorized as low-cost option to produce activated carbons. Further work needs to be directed to the optimization of the activation methods to improve the quality of the materials produced and the viability of applying such experiments in-situ to bring the coffee producer further valorization opportunities with environmental perspectives. Coffee producers would profit in establishing appropriate simple technologies to improve green coffee quality, re-use coffee by-products, and wastewater valorization. N2 - Produktionsabfälle aus der Nasskaffeeverarbeitung: Qualität, Potenziale und Verwertungsmöglichkeiten Die Länder, die Rohkaffee verarbeiten, haben nur ein geringes wirtschaftliches Einkommen, um die ernsten Umweltprobleme zu bekämpfen, die durch die bei der Nasskaffeeverarbeitung anfallenden Nebenprodukte und Abwässer verursacht werden. Ziel dieser Arbeit war es, alternative Methoden zu entwickeln, um die Qualität der Nebenprodukte zu verbessern und so den Prozess wirtschaftlich attraktiver zu machen, indem den Kaffeeproduzenten Valorisierungsoptionen geboten werden. Die Art der Verarbeitung beeinflusst nicht nur die Beschaffenheit des Rohkaffees, sondern auch die der Nebenprodukte und des Abwassers. Daher wurden Proben von Kaffeebohnen sowie Nebenprodukte und Abwässer analysiert, die bei verschiedenen Produktionsschritten gesammelt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zusammensetzung des Abwassers davon abhängt, wie viel und wie oft das Abwasser bei der Verarbeitung recycelt wird. In Bezug auf die Kaffeebohnen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Proteine während der Verarbeitung beeinträchtigt werden könnten, und eine positive Auswirkung der Fermentation auf die Löslichkeit und Zugänglichkeit der Proteine scheint wahrscheinlich zu sein. Die Schritte der Kaffeeverarbeitung beeinflussen die verschiedenen Bestandteile der grünen Kaffeebohnen, die beim Rösten zu Aromastoffen werden und die Eigenschaften der gerösteten Kaffeebohnen zum Ausdruck bringen. Da diese Gruppe von Verbindungen an der Maillard-Reaktion während des Röstens beteiligt ist, könnte diese Möglichkeit von den Kaffeeproduzenten genutzt werden, um die Qualität der grünen Kaffeebohnen und schließlich die Qualität des zubereiteten Kaffees zu verbessern. Die Herstellung von Aktivkohle aus modifizierten Kaffeeabfällen wurde als kostengünstige Option zur Schaffung eines Adsorptionsmittels betrachtet, das mit handelsüblicher Aktivkohle konkurrieren könnte. Es wurde ein Aktivierungsprotokoll für gebrauchten Kaffee und Pergament entwickelt und vorbereitet, um deren Adsorptionskapazität für organische Verbindungen zu bewerten. Es zeigte sich, dass Kaffeesatz und Pergament eine ähnliche Adsorptionseffizienz aufweisen wie kommerzielle Aktivkohle. Die Ergebnisse dieser Studie belegen, dass die Verarbeitung von den entpulpten zu grünen Kaffeebohnen eine wichtige Information darstellt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Kaffeepergament und Kaffeesatz als kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung von Aktivkohle genutzt werden können. Weitere Arbeiten müssen sich mit der Optimierung der Aktivierungsmethoden befassen, um die Qualität der hergestellten Materialien zu verbessern, und mit der Durchführbarkeit solcher Experimente in-situ, um den Kaffeeproduzenten weitere Aufwertungsmöglichkeiten mit Umweltperspektive zu bieten. Die Kaffeeproduzenten würden von der Einführung geeigneter einfacher Technologien zur Verbesserung der Rohkaffeequalität, der Wiederverwendung von Kaffeenebenprodukten und der Aufwertung von Abwässern profitieren. KW - Arabica coffee beans KW - coffee processing KW - coffee by-products KW - protein modification KW - activated carbon KW - Arabica Kaffeebohnen KW - Aktivkohle KW - Kaffeenebenprodukte KW - Kaffeeverarbeitung KW - Protein Modifizierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558828 ER - TY - THES A1 - Igual Gil, Carla T1 - Role of the GDF15-GFRAL pathway under skeletal muscle mitochondrial stress T1 - Funktion des GDF15-GFRAL Signaltransduktionsweges bei mitochondrialem Stress im Skelettmuskel N2 - Growth differentiation factor 15 (GDF15) is a stress-induced cytokine secreted into the circulation by a number of tissues under different pathological conditions such as cardiovascular disease, cancer or mitochondrial dysfunction, among others. While GDF15 signaling through its recently identified hindbrain-specific receptor GDNF family receptor alpha-like (GFRAL) has been proposed to be involved in the metabolic stress response, its endocrine role under chronic stress conditions is still poorly understood. Mitochondrial dysfunction is characterized by the impairment of oxidative phosphorylation (OXPHOS), leading to inefficient functioning of mitochondria and consequently, to mitochondrial stress. Importantly, mitochondrial dysfunction is among the pathologies to most robustly induce GDF15 as a cytokine in the circulation. The overall aim of this thesis was to elucidate the role of the GDF15-GFRAL pathway under mitochondrial stress conditions. For this purpose, a mouse model of skeletal muscle-specific mitochondrial stress achieved by ectopic expression of uncoupling protein 1 (UCP1), the HSA-Ucp1-transgenic (TG) mouse, was employed. As a consequence of mitochondrial stress, TG mice display a metabolic remodeling consisting of a lean phenotype, an improved glucose metabolism, an increased metabolic flexibility and a metabolic activation of white adipose tissue. Making use of TG mice crossed with whole body Gdf15-knockout (GdKO) and Gfral-knockout (GfKO) mouse models, this thesis demonstrates that skeletal muscle mitochondrial stress induces the integrated stress response (ISR) and GDF15 in skeletal muscle, which is released into the circulation as a myokine (muscle-induced cytokine) in a circadian manner. Further, this work identifies GDF15-GFRAL signaling to be responsible for the systemic metabolic remodeling elicited by mitochondrial stress in TG mice. Moreover, this study reveals a daytime-restricted anorexia induced by the GDF15-GFRAL axis under muscle mitochondrial stress, which is, mechanistically, mediated through the induction of hypothalamic corticotropin releasing hormone (CRH). Finally, this work elucidates a so far unknown physiological outcome of the GDF15-GFRAL pathway: the induction of anxiety-like behavior. In conclusion, this study uncovers a muscle-brain crosstalk under skeletal muscle mitochondrial stress conditions through the induction of GDF15 as a myokine that signals through the hindbrain-specific GFRAL receptor to elicit a stress response leading to metabolic remodeling and modulation of ingestive- and anxiety-like behavior. N2 - Der Wachstum- und Differenzierungsfaktor 15 (GDF15) ist ein stressinduziertes Zytokin, dass bei u.a. Krebs, kardiovaskulären oder mitochondrialer Erkrankungen in den betroffenen Geweben stark induziert und ins Blut sekretiert werden kann. Die endokrine Funktion von GDF15 sowie die Bedeutung des kürzlich identifizierten und spezifisch im Hirnstamm exprimierten GDF15-Rezeptors GFRAL (GDNF family receptor alpha-like) unter chronischen Stressbedingungen ist jedoch noch unzureichend verstanden. Mitochondrialer Stress ist durch eine Fehlfunktion der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) charakterisiert, was eine ineffiziente ATP-Synthese und eine gestörte zelluläre Energiehomöostase zur Folge hat. Ziel der Doktorarbeit war es, die biologische Funktion des GDF15-GFRAL-Signalwegs unter mitochondrialen Stressbedingungen aufzuklären. Zu diesem Zweck wurde das etablierte transgene HSA-Ucp1-Mausmodel (TG) untersucht, welches durch eine chronisch verringerte OXPHOS-Effizienz spezifisch im Skelettmuskel sowie eine systemische Anpassung des Energiestoffwechsels charakterisiert ist. Dabei konnte in dieser Arbeit zunächst zeigt werden, dass mitochondrialer Stress im Skelettmuskel zell-autonom eine integrierte Stressantwort (ISR) induziert, wodurch die Expression und Sekretion von GDF15 in den Blutkreislauf als Myokin (muskelinduziertes Zytokin) stark erhöht wird. Zudem konnte erstmalig eine tageszeitliche Schwankung der muskulären Gdf15 Genexpression und der im Blut zirkulierenden GDF15-Level bei TG Mäusen identifiziert werden. Durch weiterführende Zuchtkreuzungen der TG-Mäuse mit konstitutiven Knockout-Mäusen (KO) zur Inaktivierung der Gene Gdf15 (GdKO) oder Gfral (GfKO), konnte zudem gezeigt werden, dass sowohl durch das zirkulierende GDF15 als auch die Aktivierung der GFRAL-Signalachse eine Tageszeit-abhängige Anorexie sowie die systemische Anpassung des Energiestoffwechsels im TG Mausmodell vermittelt werden. Mechanistisch konnte dabei erstmalig eine GFRAL-abhängige Induktion von Corticotropin-releasing Hormone (CRH) im Hypothalamus sowie ein erhöhtes, GFRAL-abhängiges Angstverhalten in TG Mäuse beschrieben werden. Zusammenfassend unterstreichen die Ergebnisse die systemische Rolle von GDF15 als Myokin und die Bedeutung der endokrinen Kommunikation zwischen Skelettmuskel und Gehirn, vermittelt durch GDF15-GFRAL Signalachse, für die Energiehomöostase bei mitochondrialer Fehlfunktion. Die gewonnen Erkenntnisse dieser Doktorarbeit können somit zur Entwicklung neuer Therapieansätze für Patienten mit einer mitochondrialen bzw. Stoffwechselerkrankung beitragen. KW - GDF15 KW - mitochondria KW - physiology KW - metabolism KW - GDF15 KW - Stoffwechsel KW - Mitochondrien KW - Physiologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-554693 ER - TY - THES A1 - Herpich, Catrin T1 - Fibroblast growth factor 21 and its association with nutritional stimuli in older age N2 - Fibroblast growth differentiation factor 21 (FGF21) is known as a pivotal regulator of the glucose and lipid metabolism. As such, it is considered beneficial and has even been labelled a longevity hormone. Nevertheless, recent observational studies have shown that FGF21 is increased in higher age with possible negative effects such as loss of lean and bone mass as well as decreased survival. Hepatic FGF21 secretion can be induced by various nutritional stimuli such as starvation, high carbohydrate and fat intake as well as protein deficiency.. So far it is still unclear whether the FGF21 response to different macronutrients is altered in older age. An altered response would potentially contribute to explain the higher FGF21 concentrations found in older age. In this publication-based doctoral dissertation, a cross-sectional study as well as a dietary challenge were conducted to investigate the influence of nutrition on FGF21 concentrations and response in older age. In a cross-sectional study, FGF21 concentrations were assessed in older patients with and without cachexia anorexia syndrome anorexia syndrome compared to an older community-dwelling control group. Cachexia anorexia syndrome is a multifactorial syndrome frequently occurring in old age or in the context of an underlying disease. It is characterized by a severe involuntary weight loss, loss of appetite (anorexia) and reduced food intake, therefore representing a state of severe nutrient deficiency, in some aspects similar to starvation. The highest FGF21 concentrations were found in patients with cachexia anorexia syndrome. Moreover, FGF21 was positively correlated with weight loss and loss of appetite. In addition, cachexia anorexia syndrome itself was associated with FGF21 independent of sex, age and body mass index. As cachectic patients presumably exhibit protein malnutrition and FGF21 has been proposed a marker for protein insufficiency, the higher levels of FGF21 in patients with cachexia anorexia syndrome might be partly explained by insufficient protein intake. In order to investigate the acute response of FGF21 to different nutritional stimuli, a dietary challenge with a parallel group design was conducted. Here, healthy older (65-85 years) and younger (18-35 years) adults were randomized to one of four test meals: a dextrose drink, a high carbohydrate, high fat or high protein meal. Over the course of four hours, postprandial FGF21 concentrations (dynamics) were assessed and the FGF21 response (incremental area under the curve) to each test meal was examined.. In a sub-group of older and younger women, also the adiponectin response was investigated, as adiponectin is a known mediator of FGF21 effects on glucose and lipid metabolism. The dietary meal challenge revealed that dextrose and high carbohydrate intake result in higher FGF21 concentrations after four hours in older adults. This was partly explained by higher postprandial glucose concentrations in the old. For high fat ingestion no age differences were found. For the first time, acute FGF21 response to high protein intake was shown. Here, protein ingestion resulted in lower FGF21 concentrations in younger compared to older adults. Furthermore, sufficient protein intake, according to age-dependent recommendations, of the previous day, was associated with lower FGF21 concentrations in both age groups. The higher FGF21 response to dextrose ingestion resulted in a higher adiponectin response in older women, independent of fat mass, insulin resistance, triglyceride concentrations, inflammation and oxidative stress. Following the high fat meal, adiponectin concentrations declined in older women. Adiponectin response was not affected by meal composition in younger women. In summary, this thesis showed a positive association of FGF21 and cachexia anorexia syndrome with concomitant anorexia in older patients. Regarding the acute FGF21 response, a higher response following dextrose and carbohydrate ingestion was found in older compared with younger subjects. This might be attributed to a higher glucose response in older age. Furthermore, it was shown that the higher FGF21 response after dextrose ingestion possibly contributes to a higher adiponectin response in older women, independent of potential metabolic and inflammatory confounders. Acute protein ingestion resulted in a significant decrease in FGF21 concentrations. Moreover, protein intake of the previous day was inversely associated with fasting FGF21 concentrations. This might explain why FGF21 concentrations are higher in cachexia anorexia syndrome. These results therefore support the role of FGF21 as a sensor of protein restriction. N2 - Der Fibroblasten Wachstumsfaktor 21 (FGF21) gilt als wichtiger Regulator des Glukose- und Fettstoffwechsels. Es werden ihm verschiedene förderliche Eigenschaften zugeschrieben und er wurde darüber hinaus als Langlebigkeitshormon bezeichnet. Nichtsdestotrotz konnten Beobachtungsstudien zeigen, dass FGF21 Konzentration im Alter erhöht sind und möglicherweise mit negativen Auswirkungen, wie dem Verlust von Muskel- und Knochenmasse sowie einer geringeren Überlebenswahrscheinlichkeit, verbunden sind. FGF21 Sekretion in der Leber kann durch Hungern und verschiedene Makronährstoffe, wie hohe Kohlenhydrat- und Fettaufnahme, sowie einem Proteinmangel, induziert werden. Bisher ist jedoch unklar, ob sich die FGF21 Response auf verschiedene Makronährstoffe zwischen älteren und jüngeren Erwachsenen unterscheidet. Eine veränderte Response, könnte dazu beitragen die höheren FGF21 Konzentrationen im Alter zu erklären. In dieser vorliegenden kumulativen Dissertation wurden eine Querschnittsstudie sowie ein experimenteller Mahlzeitentest durchgeführt, um den Einfluss von Ernährung auf FGF21 Konzentrationen und die FGF21 Response im Alter zu untersuchen. In der Querschnittsstudie wurden FGF21 Konzentration von älteren PatientInnen mit und ohne Kachexie-Anorexie Syndrom sowie einer älteren Kontrollgruppe verglichen. Kachexie-Anorexie Syndrom ist ein multifaktorielles Syndrom, welches häufig im Alter und im Rahmen verschiedener Erkrankungen auftritt. Charakteristisch hierfür ist ein starker ungewollter Gewichtsverlust, Appetitverlust (Anorexie) sowie eine verminderte Nahrungsaufnahme. Daher repräsentiert das Kachexie-Anorexie Syndrom einen Zustand des schwerwiegenden Nährstoffmangels, der mit Unterernährung bei langanhaltenden Hungerphasen vergleichbar ist. Die höchsten FGF21 Konzentrationen wiesen PatientInnen mit Kachexie-Anorexie Syndrom auf. Des Weiteren korrelierte FGF21 positiv mit Gewichts- und Appetitverlust. Zusätzlich war das Kachexie-Anorexie Syndrom unabhängig von Alter, Geschlecht und BMI mit FGF21 assoziiert. Es ist davon auszugehen, dass PatientInnen mit Kachexie-Anorexie Syndrom eine unzureichende Proteinzufuhr aufweisen. Da FGF21 als Marker für Proteinrestriktion gilt, könnten die hohen FGF21 Konzentrationen bei Kachexie-Anorexie Syndrom teilweise durch eine zu geringe Proteinzufuhr erklärt werden. Um die akute Response von FGF21 auf verschiedene Makronährstoffe zu untersuchen, wurde ein Mahlzeitentest mit parallelen Gruppen durchgeführt. Hierfür erhielten ältere (65-85 Jahre) und jüngere (18-35 Jahre) Erwachsene eine von vier verschiedenen Testmahlzeiten (Dextrose Getränk, Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinreiche Mahlzeit). Über vier Stunden wurden postprandiale FGF21 Konzentrationen (Dynamik) bestimmt und die FGF21 Response (inkrementelle Fläche unter der Kurve) auf jede Testmahlzeit untersucht. In einer Subgruppe von älteren und jüngeren Frauen wurde außerdem die Adiponektin Response bestimmt, da Adiponektin bekanntermaßen die Effekte von FGF21 auf den Glukose- und Fettstoffwechsel mediiert. Der Mahlzeitentest konnte zeigen, dass Dextrose und die kohlenhydratreiche Mahlzeit bei älteren Erwachsenen zu höheren FGF21 Konzentrationen nach vier Stunden führten. Dies könnte durch die höheren postprandialen Glukose Konzentrationen der Älteren erklärt werden. Die FGF21 Response auf die fettreiche Mahlzeit wies keine Altersunterschiede auf. Zum ersten Mal konnte die akute FGF21 Response auf eine proteinreiche Mahlzeit gezeigt werden. Hierbei führte die Mahlzeit bei jüngeren im Vergleich zu älteren Erwachsenen zu niedrigeren FGF21 Konzentration nach vier Stunden. Des Weiteren, war das Erreichen der altersspezifischen Proteinzufuhr des Vortrags bei beiden Altersgruppen mit niedrigeren nüchtern FGF21 Konzentrationen assoziiert. Bei älteren Frauen führte die höhere FGF21 Response nach Dextrose Aufnahme zu einer höheren Adiponektin Response, unabhängig von Fettmasse, Insulinresistenz, Triglyzeride Konzentrationen, Inflammation und oxidativem Stress. Nach Einnahme der fettreichen Mahlzeit sanken die Adiponektin Konzentrationen bei älteren Frauen, während bei jüngeren Frauen die Adiponektin Response nicht durch die Zusammensetzung der Mahlzeit beeinflusst wurde. Zusammenfassend konnte diese Dissertation eine positive Assoziation von FGF21 mit Kachexie-Anorexie Syndrom bei gleichzeitiger Anorexie bei älteren PatientInnen zeigen. Bezüglich der akuten Response von FGF21 zeigte sich eine höhere Response auf Dextrose und Kohlenhydrat-Aufnahme bei älteren im Vergleich zu jüngeren ProbandInnen. Dies ist vermutlich auf die erhöhte Glukose Response im Alter zurückzuführen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass eine höhere FGF21 Response auf Dextrose bei älteren Frauen mit einer veränderten Adiponektin Response einhergingen, unabhängig von potentiellen metabolischen und inflammatorischen Einflussfaktoren. Eine akute hohe Proteinaufnahme führte zu einem deutlichen Abfall der postprandialen FGF21 Konzentrationen. Zudem bestand eine inverse Assoziation zwischen FGF21 Nüchternkonzentrationen und der Proteinzufuhr des Vortags. Dies könnte zum Teil erklären, warum FGF21 Konzentrationen bei Kachexie-Anorexie Syndrom erhöht sind. Demnach unterstützen diese Ergebnisse auch die Rolle von FGF21 als Sensor für Proteinrestriktion. KW - Ageing KW - FGF21 KW - protein KW - postprandial response Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Grimmer, Benjamin T1 - Pannexin 1 BT - a novel regulator of hypoxic pulmonary vasoconstriction BT - ein neuer Regulator der hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion N2 - Hypoxic pulmonary vasoconstriction is an active alveolar hypoxia-caused physiological response redirecting pulmonary blood flow from poorly ventilated areas to better oxygenated lung regions in order to optimize oxygen supply. However, the signaling pathways underlying this pulmonary vascular response remain an area under investigation. In the present study I investigated the functional relevance of Pannexin 1 (Panx1)-mediated ATP release in hypoxic pulmonary vasoconstriction and chronic hypoxic pulmonary hypertension using murine isolated perfused lungs, chronic hypoxic mice, and pulmonary artery smooth muscle cell culture. In isolated mouse lungs, switch to hypoxic gas induced a marked increase in pulmonary artery pressure. Pharmacological inhibition of Panx1 using probenecid, Panx1 specific inhibitory peptide (10Panx1) or spironolactone as well as genetic deletion of Panx1 in smooth muscle cells diminished hypoxic pulmonary vasoconstriction in isolated perfused mouse lungs. Fura-2 imaging revealed a reduced Ca2+ response to hypoxia in pulmonary artery smooth muscle cells treated with spironolactone or 10Panx1. Although these findings suggested an important role of Panx1 in HPV, neither smooth muscle cell nor endothelial cell specific genetic deletion of Panx1 prevented the development of pulmonary hypertension in chronic hypoxic mice. Surprisingly, hypoxia did not induce ATP release and inhibition of purinergic receptors or ATP degradation by ATPase failed to decrease the pulmonary vasoconstriction response to hypoxia in isolated perfused mouse lungs. However, Panx1 antagonism as well as TRPV4 inhibition prevented the hypoxia-induced increase in intracellular Ca2+ concentration in pulmonary artery smooth muscle cells in an additive manner suggesting that Panx1 might modulate intracellular Ca2+ signaling independently of the ATP-P2-TRPV4 signaling axis. In line with this assumption, overexpression of Panx1 in HeLa cells increased intracellular Ca2+ concentrations in response to acute hypoxia. Conclusion: In this study I identifiy Panx1 as novel regulator of HPV.. Yet, the role of Panx1 was not attributable to the release of ATP and downstream P2 signaling pathways or activation of TRPV4 but rathter relates to a role of Panx1 as indirect or direct modulator of the Ca2+ response to hypoxia in PASMCs. Genetic deletion of Panx1 did not influence the development of chronic hypoxic pulmonary hypertension in mice. N2 - Die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion ist ein durch alveoläre Hypoxie ausgelöster aktiver physiologischer Mechanismus, der den pulmonalen Blutfluss aus sauerstoffärmeren Bereichen der Lunge in besser ventilierte Regionen umleitet, um die Sauerstoffversorgung zu optimieren. Die molekularen Signalwege, welche die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion regulieren, sind noch immer teilweise unverstanden. In der vorliegenden Studie wurde die Bedeutung des durch Pannexin 1 (Panx1) vermittelten ATP-Transports in der hypoxischen pulmonnalen Vasokonstriktion und der chronisch hypoxischen pulmonalen Hypertonie am Modell der isoliert perfundierten Lunge, im Mausmodells der chronisch hypoxischen pulmonalen Hypertonie und in Zellkulturversuchen mit pulmonal-arteriellen glatten Muskelzellen untersucht. In der isolierten Mauslunge induzierte der Wechsel zu hypoxischem Gas bei der Ventilation einen deutlichen Anstieg des pulmonal-arteriellen Drucks. Sowohl die pharmakologische Inhibition von Panx1 mit Probenecid, mit dem Panx1-spezifischen inhibitorischen Peptid (10Panx1) und mit Spironolacton als auch die genetische Deletion von Panx1 in glatten Muskelzellen schwächten die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion in der Mauslunge ab. Parallel dazu zeigten Fura 2 Messungen eine verminderte Hypoxie-induzierte Kalziumantwort in pulmonal-arteriellen glatten Muskelzellen, die mit Spironolacton oder 10Panx1 behandelt wurden. Obwohl diese Ergebnisse auf eine wichtige Rolle für Panx1 in der hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion schließen lassen, hatte die genetische Deletion von Panx1 in glatten Muskelzellen oder Endothelzellen in Mäusen keinen Einfluss auf die Entwicklung einer chronisch hypoxischen pulmonalen Hypertonie. Überraschenderweise induzierte Hypoxie nicht die Freisetzung von ATP und die Hemmung purinerger Rezeptoren oder der Abbau von ATP durch ATPasen führte nicht zu einer Abschwächung der hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion. Die gleichzeitige Hemmung von Panx1 und TRPV4 verursachte einen additiven Effekt bei der Reduktion des Anstiegs der intrazellulären Kalziumkonzentration unter akut hypoxischen Bedingungen, was darauf schließen lässt, dass Panx1 die intrazelluläre Kalziumkonzentration unabhängig von der ATP-P2-TRPV4 Signalachse reguliert. Entsprechend führte eine Überexpression von Panx1 in HeLa-Zellen zu einer verstärkten Kalziumantwort, was ebenfalls auf eine unabhängige Regulierung der intrazellulären Ca2+-Konzentration durch Panx1 schließen lässt. Schlussfolgerung: In der vorliegenden Studie identifiziere ich Panx1 als einen neuen Regulator der HPV. Die Rolle von Panx1 in der HPV war jedoch nicht auf die Freisetzung von ATP und nachgerichtete P2-Signalwege oder die Aktivierung von TRPV4 zuruckzuführen. Viel mehr scheint Panx1 die durch Hypoxie induzierte intrazelluläre Kalziumantwort von PASMCs indirekt oder direkt zu modulieren. Die genetische Deletion von Panx1 hatte keinen Einfluss auf die Ausbildung einer chronisch hypoxischen pulmonalen Hypertonie in Mäusen. T2 - Pannexin 1 KW - hypoxic pulmonary vasoconstriction KW - Pannexin 1 KW - pulmonary artery smooth muscle cells KW - calcium KW - hypoxische pulmonale Vasokonstriktion KW - pulmonalarterielle glatte Muskelzellen KW - Kalzium Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Engel, Anika T1 - Endocrine effects of plasticizers and the development of a breast cell-based toxicity screening system N2 - Humans are frequently exposed to a variety of endocrine disrupting chemicals (EDCs), which can cause harmful effects, e.g. disturbance of growth, development and reproduction, and cancer (UBA, 2016). EDCs are often components of synthetically manufactured products. Materials made of plastics, building materials, electronic items, textiles or cosmetic products can be particularly contaminated (Ain et al., 2021). One group of EDCs that has gained increased interest in recent years is phthalates. They are used as plasticizers in plastic materials to which people are daily exposed to. Phthalate plasticizers exert their harmful effects among others via activation of the estrogen receptor α (ERα), the estrogen receptor β (ERβ) and via inhibition of the androgen receptor (AR). Some phthalates have already been classified by the EU as Cancerogenic-, Mutagenic-, Reprotoxic- (CMR) substances and their use in industry has been restricted. After oral ingestion, phthalates are metabolized and are finally excreted with the urine. Numerous toxicological studies exist on phthalates, but mainly with the parent substances, not with their primary and secondary metabolites. In the course of the restriction of phthalates by the EU, the phthalate-free plasticizer di-isononylcyclohexane-1,2-dicarboxylate (DINCH®), was introduced to the market. So far, almost no toxicologically relevant properties have been identified for DINCH®. However, the effects of DINCH® have only been studied in animal experiments and, as with phthalates, almost exclusively with the parent substance. However, toxic effects of a particular compound may be induced by its metabolites and not by the parent compound itself. Therefore, potential endocrine effects of 15 phthalates, 19 phthalate metabolites, DINCH®, and five of its metabolites were investigated using reporter gene assays on the ERα, ERβ, and the AR. In addition, studies of the influence of some selected plasticizers on peroxisome proliferator-activated receptor α (PPARα) and peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) activity were performed. Furthermore, a H295R steroidogenesis assay was performed to determine the influence of DINCH® and its metabolites on estradiol or testosterone synthesis. Analysis of the experiments shows that the phthalates either stimulated or inhibited ERα and ERβ activity and inhibited AR activity, whereas the phthalate metabolites did not affect the activity of these human hormone receptors. In contrast, metabolites of di-(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) stimulated transactivation of the human PPARα and PPARγ in analogous reporter gene assays, although DEHP itself did not activate these nuclear receptors. Therefore, primary and secondary phthalate metabolites appear to exert different effects at the molecular level compared to the parent compounds. Similarly, the results showed that the phthalate-free plasticizer DINCH® itself did not affect the activity of ERα, ERβ, AR, PPARα and PPARγ, while the DINCH® metabolites were shown to activate all these receptors. In the case of AR, DINCH® metabolites mainly enhanced AR activity stimulated by dihydrotestosterone (DHT). In the H295R steroidogenesis assay, neither DINCH® nor any of its metabolites affected estradiol or testosterone synthesis. Primary and secondary metabolites of DINCH® thus exert different effects at the molecular level than DINCH® itself. However, all these in vitro effects of DINCH® metabolites were observed only at high concentrations, which were about three orders of magnitude higher than the reported DINCH® metabolite concentrations in human urine. Therefore, the in vitro data does not support the assumption that DINCH® or any of the metabolites studied could have significant endocrine effects in vivo at relevant exposure levels in humans. Following the demonstration of direct and indirect endocrine effects of the studied plasticizers, a new effect-based in vitro 3D screening tool for toxicity assays of non-genotoxic carcinogens was developed using estrogen receptor-negative (ER-) MCF10-A cells and estrogen receptor-positive (ER+) MCF-12A cells. This arose from the background that breast cancer is the most common cancer occurring in women and estrogenic substances, such as phthalates, can probably influence the disease. The human mammary epithelial cell lines MCF-10A and MCF-12A form well-differentiated acini-like structures when cultured in three-dimensional Matrigel culture for a period of 20 days. The model should make it possible to detect substance effects on cell differentiation and growth, on mammary cell acini, and to differentiate between estrogenic and non-estrogenic effects at the same time. In the present study, both cell lines were tested for their suitability as an effect-based in vitro assay system for non-genotoxic carcinogens. An Automated Acinus Detection And Morphological Evaluation (ADAME) software solution has been developed for automatic acquisition of acinus images and determination of morphological parameters such as acinus size, lumen size, and acinus roundness. Several test substances were tested for their ability to affect acinus formation and cellular differentiation. Human epithelial growth factor (EGF) stimulated acinus growth for both cell lines, while all trans retinoic acid (RA) inhibited acinar growth. The potent estrogen 17β-estradiol had no effect on acinus formation of MCF-10A cells but resulted in larger MCF-12A acini. Thus, the parallel use of both cell lines together with the developed high content screening and evaluation tool allows the rapid identification of the estrogenic and cancerogenic properties of a given test compound. The morphogenesis of the acini was only slightly affected by the test substances. On the one hand, this suggests a robust test system, on the other hand, it probably cannot detect low-potent estrogenic compounds such as phthalates or DINCH®. The advantage of the robustness of the system, however, may be that vast numbers of "positive" results with questionable biological relevance could be avoided, such as those observed in sensitive reporter gene assays. N2 - Der Mensch ist häufig einer Vielzahl von endokrin wirksamen Chemikalien (EDCs) ausgesetzt, die schädliche Auswirkungen haben können, z. B. Störungen von Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung sowie Krebs (UBA, 2016). Eine Gruppe von EDCs, die in den letzten Jahren vermehrt an Interesse gewonnen hat, sind die Phthalate. Diese werden als Weichmacher in Kunststoffen verwendet. Einige Phthalate wurden bereits von der EU als Kanzerogene-, Mutagene-, Reproduktionstoxische- (CMR) Stoffe klassifiziert und ihre Verwendung in der Industrie beschränkt. Nach der oralen Aufnahme werden Phthalate metabolisiert und schließlich mit dem Urin ausgeschieden. Für die Phthalate existieren zwar zahlreiche toxikologische Studien, allerdings vorwiegend mit den Ausgangssubstanzen, nicht mit ihren primären und sekundären Metaboliten. Im Zuge der Beschränkung der Phthalate durch die EU wurde der phthalatfreie Weichmacher Diisononylcyclohexan-1,2-dicarboxylat (DINCH®), auf den Markt gebracht. DINCH® werden bisher kaum toxikologisch relevante Eigenschaften zugeordnet. Bislang wurden die Auswirkungen von DINCH® jedoch lediglich in Tierexperimenten untersucht und fast ausschließlich mit der Stamm-Substanz. Aus diesem Grund wurden potentiell endokrine Effekte von 15 Phthalaten, 19 Phthalat-Metaboliten, DINCH® und fünf seiner Metabolite unter Verwendung von Reportergen-Assays auf den ERα, ERβ und den AR untersucht. Zusätzlich wurden Untersuchungen des Einflusses einiger ausgewählter Substanzen auf die Aktivität des Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor α (PPARα) und des Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor γ (PPARγ) durchgeführt. Weiterhin wurde ein H295R-Steroidogenese-Assay durchgeführt, um den Einfluss von DINCH® und seinen Metaboliten auf die Estradiol- oder Testosteronsynthese zu bestimmen. Die Auswertung der Experimente zeigt, dass die Phthalate entweder die ERα- und ERβ-Aktivität stimulierten oder hemmten und die AR-Aktivität hemmten, während die Phthalatmetaboliten keinen Einfluss auf die Aktivität dieser menschlichen Hormonrezeptoren hatten. Im Gegensatz dazu stimulierten die Metaboliten von Di-(2-ethylhexyl) phthalat (DEHP) die Transaktivierung des humanen PPARα und PPARγ in analogen Reportergen-Assays, obwohl DEHP selbst diese Kernrezeptoren nicht aktivierte. Daher scheinen primäre und sekundäre Phthalatmetaboliten im Vergleich zu den Ausgangsverbindungen unterschiedliche Wirkungen auf molekularer Ebene auszuüben. Ebenso zeigten die Ergebnisse, dass der phthaltfreie Weichmacher DINCH® selbst keinen Einfluss auf die Aktivität von ERα, ERβ, AR, PPARα und PPARγ hatte, während die DINCH®-Metaboliten nachweislich alle diese Rezeptoren aktivierten. Im Falle des AR verstärkten die DINCH®-Metaboliten vor allem die durch Dihydrotestosteron (DHT) stimulierte AR-Aktivität. Im H295R-Steroidogenese-Assay beeinflusste weder DINCH® noch einer seiner Metaboliten die Estradiol- oder Testosteronsynthese. Primäre und sekundäre Metabolite von DINCH® üben demnach auf molekularer Ebene andere Effekte aus als DINCH® selbst. Die hier gewonnenen in vitro-Daten unterstützen die Annahme nicht, dass DINCH® oder einer der untersuchten Metaboliten erhebliche endokrine Wirkungen in vivo bei relevanten Expositionsmengen beim Menschen haben könnten. Nachdem endokrine Wirkungen der untersuchten Weichmacher nachgewiesen werden konnten, wurde ein neues wirkungsbasiertes in vitro 3D-Screening-Tool für Toxizitäts-Tests nicht genotoxischer Karzinogene mit östrogenrezeptor-negativen (ER-) MCF10-A-Zellen und östrogenrezeptor-positiven (ER+) MCF-12A-Zellen entwickelt. Dies geschah aus dem Hintergrund, dass Brustkrebs die häufigste Krebsart bei Frauen ist und östrogene Stoffe wie Phthalate die Krankheit vermutlich beeinflussen können. Die humanen Brustepithelzelllinien MCF-10A und MCF-12A bilden gut differenzierte azinusartige Strukturen, wenn sie in dreidimensionaler Matrigel-Kultur über einen Zeitraum von 20 Tagen kultiviert werden. Das Modell sollte es ermöglichen Substanzeffekte auf die Zelldifferenzierung und das Zellwachstum der Brustzell-Azini zu detektieren und dabei gleichzeitig zwischen östrogenen und nicht östrogenen Effekten differenzieren. Eine Softwarelösung zur automatisierten Acinus Detection And Morphological Evaluation (ADAME) wurde zur automatischen Erfassung von Acinus-Bildern und zur Bestimmung morphologischer Parameter wie Azinus-Größe, Lumengröße und Azinus-Rundheit entwickelt. Eine Reihe von Testsubstanzen wurde auf ihre Fähigkeit getestet, die Azinusbildung und die zelluläre Differenzierung zu beeinflussen. Der humane epitheliale Wachstumsfaktor (EGF) stimulierte das Azinuswachstum für beide Zelllinien, während all-trans-Retinsäure (RA) das Azinuswachstum hemmte. Das starke Östrogen 17β-Östradiol hatte keinen Einfluss auf die Azinusbildung von MCF-10A-Azini, führte aber zu größeren MCF-12A-Azini. Die parallele Verwendung beider Zelllinien zusammen mit dem hierbei entwickelten High-Content-Screening- und Evaluierungstool ermöglicht somit die schnelle Identifizierung der östrogenen oder kanzerogenen Eigenschaften einer gegebenen Testverbindung. Die Morphogenese der Azini wurde durch die Testsubstanzen nur geringfügig beeinflusst. Dies spricht einerseits für ein robustes Testsystem, andererseits kann es wahrscheinlich keine niedrigpotenten östrogenen Verbindungen wie Phthalate oder DINCH® erkennen. Der Vorteil der Robustheit des Systems kann jedoch darin liegen, dass eine große Zahl "positiver" Ergebnisse mit fragwürdiger biologischer Relevanz vermieden werden könnte, wie sie bei empfindlichen Reportergen-Assays zu beobachten sind. KW - phthalates KW - 3D breast cell model KW - endocrine disruption Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.25932/publishup-53117 ER - TY - THES A1 - Wandt, Viktoria Klara Veronika T1 - Trace elements, ageing, and sex BT - impact on genome stability maintenance Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Reichmann, Robin T1 - Novel applications of machine learning techniques in epidemiology of age-related diseases BT - from multidimensional data modelling to risk prediction Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Klauder, Julia T1 - Makrophagenaktivierung durch Hyperinsulinämie als Auslöser eines Teufelkreises der Entzündung im Kontext des metabolischen Syndroms T1 - Macrophage activation by hyperinsulinemia as a trigger of a vicious cycle of inflammation in the context of the metabolic syndrome N2 - Insulinresistenz ist ein zentraler Bestandteil des metabolischen Syndroms und trägt maßgeblich zur Ausbildung eines Typ-2-Diabetes bei. Eine mögliche Ursache für die Entstehung von Insulinresistenz ist eine chronische unterschwellige Entzündung, welche ihren Ursprung im Fettgewebe übergewichtiger Personen hat. Eingewanderte Makrophagen produzieren vermehrt pro-inflammatorische Mediatoren, wie Zytokine und Prostaglandine, wodurch die Konzentrationen dieser Substanzen sowohl lokal als auch systemisch erhöht sind. Darüber hinaus weisen übergewichtige Personen einen gestörten Fettsäuremetabolismus und eine erhöhte Darmpermeabilität auf. Ein gesteigerter Flux an freien Fettsäuren vom Fettgewebe in andere Organe führt zu einer lokalen Konzentrationssteigerung in diesen Organen. Eine erhöhte Darmpermeabilität erleichtert das Eindringen von Pathogenen und anderer körperfremder Substanzen in den Körper. Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob hohe Konzentrationen von Insulin, des bakteriellen Bestandteils Lipopolysaccharid (LPS) oder der freien Fettsäure Palmitat eine Entzündungsreaktion in Makrophagen auslösen oder verstärken können und ob diese Entzündungsantwort zur Ausbildung einer Insulinresistenz beitragen kann. Weiterhin sollte untersucht werden, ob Metabolite und Signalsubstanzen, deren Konzentrationen beim metabolischen Syndrom erhöht sind, die Produktion des Prostaglandins (PG) E2 begünstigen können und ob dieses wiederum die Entzündungsreaktion und seine eigene Produktion in Makrophagen regulieren kann. Um den Einfluss dieser Faktoren auf die Produktion pro-inflammatorischer Mediatoren in Makrophagen zu untersuchen, wurden Monozyten-artigen Zelllinien und primäre humane Monozyten, welche aus dem Blut gesunder Probanden isoliert wurden, in Makrophagen differenziert und mit Insulin, LPS, Palmitat und/ oder PGE2 inkubiert. Überdies wurden primäre Hepatozyten der Ratte isoliert und mit Überständen Insulin-stimulierter Makrophagen inkubiert, um zu untersuchen, ob die Entzündungsanwort in Makrophagen an der Ausbildung einer Insulinresistenz in Hepatozyten beteiligt ist. Insulin induzierte die Expression pro-inflammatorischer Zytokine in Makrophagen-artigen Zelllinien wahrscheinlich vorrangig über den Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K)-Akt-Signalweg mit anschließender Aktiverung des Transkriptionsfaktors NF-κB (nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells). Die dabei ausgeschütteten Zytokine hemmten in primären Hepatozyten der Ratte die Insulin-induzierte Expression der Glukokinase durch Überstände Insulin-stimulierter Makrophagen. Auch LPS oder Palmitat, deren lokale Konzentrationen im Zuge des metabolischen Syndroms erhöht sind, waren in der Lage, die Expression pro-inflammatorischer Zytokine in Makrophagen-artigen Zelllinien zu stimulieren. Während LPS seine Wirkung, laut Literatur, unbestritten über eine Aktivierung des Toll-ähnlichen Rezeptors (toll-like receptor; TLR) 4 vermittelt, scheint Palmitat jedoch weitestgehend TLR4-unabhängig wirken zu können. Vielmehr schien die de novo-Ceramidsynthese eine entscheidene Rolle zu spielen. Darüber hinaus verstärkte Insulin sowohl die LPS- als auch die Palmitat-induzierte Ent-zündungsantwort in beiden Zelllinien. Die in Zelllinien gewonnenen Ergebnisse wurden größtenteils in primären humanen Makrophagen bestätigt. Desweiteren induzierten sowohl Insulin als auch LPS oder Palmitat die Produktion von PGE2 in den untersuchten Makrophagen. Die Daten legen nahe, dass dies auf eine gesteigerte Expression PGE2-synthetisierender Enzyme zurückzuführen ist. PGE2 wiederum hemmte auf der einen Seite die Stimulus-abhängige Expression des pro-inflammatorischen Zytokins Tumornekrosefaktor (TNF) α in U937-Makrophagen. Auf der anderen Seite verstärkte es jedoch die Expression der pro-inflammatorischen Zytokine Interleukin- (IL-) 1β und IL-8. Darüber hinaus verstärkte es die Expression von IL-6-Typ-Zytokinen, welche sowohl pro- als auch anti-inflammatorisch wirken können. Außerdem vestärkte PGE2 die Expression PGE2-synthetisierender Enzyme. Es scheint daher in der Lage zu sein, seine eigene Synthese zu verstärken. Zusammenfassend kann die Freisetzung pro-inflammatorischer Mediatoren aus Makro-phagen im Zuge einer Hyperinsulinämie die Entstehung einer Insulinresistenz begünstigen. Insulin ist daher in der Lage, einen Teufelskreis der immer stärker werdenden Insulin-resistenz in Gang zu setzen. Auch Metabolite und Signalsubstanzen, deren Konzentrationen beim metabolischen Syndrom erhöht sind (zum Beispiel LPS, freie Fettsäuren und PGE2), lösten Entzündungsantworten in Makrophagen aus. Das wechselseitige Zusammenspiel von Insulin und diesen Metaboliten und Signalsubstanzen löste eine stärkere Entzündungsantwort in Makrophagen aus als jeder der Einzelkomponenten. Die dadurch freigesetzten Zytokine könnten zur Manifestation einer Insulinresistenz und des metabolischen Syndroms beitragen. N2 - Insulin resistance is a central component of the metabolic syndrome and is a major contributor to the development of type 2 diabetes. One possible cause of insulin resistance is chronic low-grade inflammation, which originates in the adipose tissue of obese individuals. Immigrated macrophages produce increased levels of pro-inflammatory mediators such as cytokines and prostaglandins, resulting in increased concentrations of these substances both locally and systemically. In addition, obese individuals exhibit impaired fatty acid metabolism and increased intestinal permeability. Increased flux of free fatty acids from adipose tissue to other organs results in increased local concentrations in these organs. Increased intestinal permeability facilitates the entry of pathogens and other exogenous substances into the body. The aim of this work was to investigate whether high concentrations of insulin, the bacterial component lipopolysaccharide (LPS), or the free fatty acid palmitate can induce or enhance an inflammatory response in macrophages and whether this inflammatory response can contribute to the development of insulin resistance. Furthermore, to investigate whether metabolites and signaling substances whose concentrations are elevated in the metabolic syndrome can promote the production of prostaglandin (PG) E2 and whether this in turn can regulate the inflammatory response and its own production in macrophages. To investigate the influence of these factors on the production of pro-inflammatory mediators in macrophages, monocyte-like cell lines and primary human monocytes, that were isolated from the blood of healthy volunteers, were differentiated into macrophages and incubated for with insulin, LPS, palmitate and/ or PGE2. In addition, primary rat hepatocytes were isolated and incubated with supernatants of insulin-stimulated macrophages to investigate whether the inflammatory response in macrophages is involved in the development of insulin resistance in hepatocytes. Insulin induced the expression of pro-inflammatory cytokines in macrophage-like cell lines probably primarily via the phosphoinositide 3-kinase (PI3K)-Akt pathway with subsequent activation of the transcription factor NF-κB (nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells). The cytokines released in this process inhibited insulin-induced expression of glucokinase by supernatants of insulin-stimulated macrophages in primary rat hepatocytes. Also, LPS or palmitate, whose local concentrations are increased in the course of metabolic syndrome, were able to stimulate the expression of pro-inflammatory cytokines in macrophage-like cell lines. While LPS, according to the literature, undisputedly mediates its effect via activation of toll-like receptor (TLR) 4, palmitate, however, appears to be able to act mainly in a TLR4-independent manner. Rather, de novo ceramide synthesis appeared to play a crucial role. Moreover, insulin enhanced both LPS- and palmitate-induced inflammatory responses in both cell lines. The results obtained in macrophage-like cell lines were largely confirmed in primary human macrophages. Furthermore, both insulin and LPS or palmitate induced PGE2 production in the macrophages studied. The data suggest that this was not due to increased expression of arachidonic acid-synthesizing enzymes but rather to increased expression of PGE2-synthesizing enzymes. On the one hand PGE2 inhibited the stimulus-dependent expression of the pro-inflammatory cytokine tumor necrosis factor (TNF) α in U937 macrophages. However, on the other hand, it enhanced the expression of the pro-inflammatory cytokines interleukin- (IL-) 1β and IL-8. In addition, it enhanced the expression of IL-6-type cytokines, which can be both pro- and anti-inflammatory. In addition, PGE2 enhanced the expression of PGE2-synthesizing enzymes. It therefore appears to be able to enhance its own synthesis. In conclusion, the release of pro-inflammatory mediators from macrophages in the course of hyperinsulinemia may favor the development of insulin resistance. Thus, the hyperinsulinemia might be augmented in a vicious cycle feed forward loop. Metabolites and signaling substances whose concentrations are elevated in the metabolic syndrome (for example, LPS, free fatty acids, and PGE2) also triggered inflammatory responses in macrophages. The synergistic interaction of insulin and these metabolites and signaling substances triggered a stronger inflammatory response in macrophages than any of the individual components. The released cytokines could contribute to the manifestation of insulin resistance and the metabolic syndrome. KW - Metabolisches Syndrom KW - Entzündung KW - Makrophagen KW - Insulin KW - Zytokine KW - Typ-2-Diabetes KW - Prostaglandin KW - inflammation KW - insulin KW - macrophages KW - metabolic syndrom KW - prostaglandine KW - Type-2-diabetes KW - cytokines Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-520199 ER - TY - THES A1 - Saussenthaler, Sophie T1 - The impact of DNA methylation on susceptibility to typ 2 diabetes in NZO mice N2 - The development of type 2 diabetes (T2D) is driven by genetic as well as life style factors. However, even genetically identical female NZO mice on a high-fat diet show a broad variation in T2D onset. The main objective of this study was to elucidate and investigate early epigenetic determinants of type 2 diabetes. Prior to other experiments, early fat content of the liver (<55.2 HU) in combination with blood glucose concentrations (>8.8 mM) were evaluated as best predictors of diabetes in NZO females. Then, DNA methylome and transcriptome were profiled to identify molecular pathophysiological changes in the liver before diabetes onset. The major finding of this thesis is that alterations in the hepatic DNA methylome precede diabetes onset. Of particular interest were 702 differentially methylated regions (DMRs), of which 506 DMRs had genic localization. These inter-individual DMRs were enriched by fivefold in the KEGG pathway type 2 diabetes mellitus, independent of the level of gene expression, demonstrating an epigenetic predisposition toward diabetes. Interestingly, among the list of hepatic DMRs, eleven DMRs were associated with known imprinted genes in the mouse genome. Thereby, six DMRs (Nap1l5, Mest, Plagl1, Gnas, Grb10 and Slc38a4) localized to imprinting control regions, including five iDMRs that exhibited hypermethylation in livers of diabetes-prone mice. This suggests that gain of DNA methylation in multiple loci of the paternal alleles has unfavourable metabolic consequences for the offspring. Further, the comparative liver transcriptome analysis demonstrated differences in expression levels of 1492 genes related to metabolically relevant pathways, such as citrate cycle and fatty acid metabolism. The integration of hepatic transcriptome and DNA methylome indicated that 449 differentially expressed genes were potentially regulated by DNA methylation, including genes implicated in insulin signaling. In addition, liver transcriptomic profiling of diabetes-resistant and diabetes-prone mice revealed a potential transcriptional dysregulation of 17 hepatokines, in particular Hamp. The hepatic expression of Hamp was decreased by 52% in diabetes-prone mice, on account of an increase in DNA methylation of promoter CpG-118. Hence, HAMP protein levels were lower in mice prone to develop diabetes, which correlated to higher liver triglyceride levels.. In sum, the identified DNA methylation changes appear to collectively favor the initiation and progression of diabetes in female NZO mice. In near future, epigenetic biomarkers are likely to contribute to improved diagnosis for T2D. KW - epigenetics KW - DNA methylation KW - RNAseq KW - fatty liver KW - type 2 diabetes KW - HAMP Y1 - 2021 ER -