Richard Kehm

• The increasing age of worldwide population is a major contributor for the rising prevalence of major pathologies and disease, such as type 2 diabetes, mediated by massive insulin resistance and a decline in functional beta-cell mass, highly associated with an elevated incidence of obesity. Thus, the impact of aging under physiological conditions and in combination with diet-induced metabolic stress on characteristics of pancreatic islets and beta-cells, with the focus on functionality and structural integrity, were investigated in the present dissertation. Primarily induced by malnutrition due to chronic and excess intake of high caloric diets, containing large amounts of carbohydrates and fats, obesity followed by systemic inflammation and peripheral insulin resistance occurs over time, initiating metabolic stress conditions. Elevated insulin demands initiate an adaptive response by beta-cell mass expansion due to increased proliferation, but prolonged stress conditions drive beta-cell failure and loss. Aging has been also shown toThe increasing age of worldwide population is a major contributor for the rising prevalence of major pathologies and disease, such as type 2 diabetes, mediated by massive insulin resistance and a decline in functional beta-cell mass, highly associated with an elevated incidence of obesity. Thus, the impact of aging under physiological conditions and in combination with diet-induced metabolic stress on characteristics of pancreatic islets and beta-cells, with the focus on functionality and structural integrity, were investigated in the present dissertation. Primarily induced by malnutrition due to chronic and excess intake of high caloric diets, containing large amounts of carbohydrates and fats, obesity followed by systemic inflammation and peripheral insulin resistance occurs over time, initiating metabolic stress conditions. Elevated insulin demands initiate an adaptive response by beta-cell mass expansion due to increased proliferation, but prolonged stress conditions drive beta-cell failure and loss. Aging has been also shown to affect beta-cell functionality and morphology, in particular by proliferative limitations. However, most studies in rodents were performed under beta-cell challenging conditions, such as high-fat diet interventions. Thus, in the first part of the thesis (publication I), a characterization of age-related alterations on pancreatic islets and beta-cells was performed by using plasma samples and pancreatic tissue sections of standard diet-fed C57BL/6J wild-type mice in several age groups (2.5, 5, 10, 15 and 21 months). Aging was accompanied by decreased but sustained islet proliferative potential as well as an induction of cellular senescence. This was associated with a progressive islet expansion to maintain normoglycemia throughout lifespan. Moreover, beta-cell function and mass were not impaired although the formation and accumulation of AGEs occurred, located predominantly in the islet vasculature, accompanied by an induction of oxidative and nitrosative (redox) stress. The nutritional behavior throughout human lifespan; however, is not restricted to a balanced diet. This emphasizes the significance to investigate malnutrition by the intake of high-energy diets, inducing metabolic stress conditions that synergistically with aging might amplify the detrimental effects on endocrine pancreas. Using diabetes-prone NZO mice aged 7 weeks, fed a dietary regimen of carbohydrate restriction for different periods (young mice - 11 weeks, middle-aged mice - 32 weeks) followed by a carbohydrate intervention for 3 weeks, offered the opportunity to distinguish the effects of diet-induced metabolic stress in different ages on the functionality and integrity of pancreatic islets and their beta-cells (publication II, manuscript). Interestingly, while young NZO mice exhibited massive hyperglycemia in response to diet-induced metabolic stress accompanied by beta-cell dysfunction and apoptosis, middle-aged animals revealed only moderate hyperglycemia by the maintenance of functional beta-cells. The loss of functional beta-cell mass in islets of young mice was associated with reduced expression of PDX1 transcription factor, increased endocrine AGE formation and related redox stress as well as TXNIP-dependent induction of the mitochondrial death pathway. Although the amounts of secreted insulin and the proliferative potential were comparable in both age groups, islets of middle-aged mice exhibited sustained PDX1 expression, almost regular insulin secretory function, increased capacity for cell cycle progression as well as maintained redox potential. The results of the present thesis indicate a loss of functional beta-cell mass in young diabetes-prone NZO mice, occurring by redox imbalance and induction of apoptotic signaling pathways. In contrast, aging under physiological conditions in C57BL/6J mice and in combination with diet-induced metabolic stress in NZO mice does not appear to have adverse effects on the functionality and structural integrity of pancreatic islets and beta-cells, associated with adaptive responses on changing metabolic demands. However, considering the detrimental effects of aging, it has to be assumed that the compensatory potential of mice might be exhausted at a later point of time, finally leading to a loss of functional beta-cell mass and the onset and progression of type 2 diabetes. The polygenic, diabetes-prone NZO mouse is a suitable model for the investigation of human obesity-associated type 2 diabetes. However, mice at advanced age attenuated the diabetic phenotype or do not respond to the dietary stimuli. This might be explained by the middle age of mice, corresponding to the human age of about 38-40 years, in which the compensatory mechanisms of pancreatic islets and beta cells towards metabolic stress conditions are presumably more active.…
• Das steigende Alter der Weltbevölkerung ist ein wesentlicher Faktor für die zunehmende Prävalenz bedeutsamer Pathologien und Krankheiten, wie dem Typ-2-Diabetes, der durch eine massive Insulinresistenz und eine Abnahme der funktionellen Beta-Zellmasse hervorgerufen wird und in hohem Maße mit einem verstärkten Auftreten von Fettleibigkeit assoziiert ist. Daher wurde in der vorliegenden Dissertation der Einfluss der Alterung unter physiologischen Bedingungen und in Kombination mit ernährungs-bedingtem, metabolischem Stress auf die Eigenschaften von Langerhans-Inseln und Beta-Zellen, mit dem Schwerpunkt auf Funktionalität und strukturelle Integrität, untersucht. Primär induziert durch Fehlernährung infolge des chronischen und übermäßigen Konsums von kalorienreichen Diäten, die große Mengen an Kohlenhydraten und Fetten enthalten, kann Adipositas, gefolgt von systemischen Entzündungen und peripherer Insulinresistenz, im Laufe des Lebens entstehen und metabolische Stresszustände auslösen. Daraus resultiert ein erhöhter Insulinbedarf, derDas steigende Alter der Weltbevölkerung ist ein wesentlicher Faktor für die zunehmende Prävalenz bedeutsamer Pathologien und Krankheiten, wie dem Typ-2-Diabetes, der durch eine massive Insulinresistenz und eine Abnahme der funktionellen Beta-Zellmasse hervorgerufen wird und in hohem Maße mit einem verstärkten Auftreten von Fettleibigkeit assoziiert ist. Daher wurde in der vorliegenden Dissertation der Einfluss der Alterung unter physiologischen Bedingungen und in Kombination mit ernährungs-bedingtem, metabolischem Stress auf die Eigenschaften von Langerhans-Inseln und Beta-Zellen, mit dem Schwerpunkt auf Funktionalität und strukturelle Integrität, untersucht. Primär induziert durch Fehlernährung infolge des chronischen und übermäßigen Konsums von kalorienreichen Diäten, die große Mengen an Kohlenhydraten und Fetten enthalten, kann Adipositas, gefolgt von systemischen Entzündungen und peripherer Insulinresistenz, im Laufe des Lebens entstehen und metabolische Stresszustände auslösen. Daraus resultiert ein erhöhter Insulinbedarf, der eine adaptive Reaktion durch die Vergrößerung der Beta-Zellmasse infolge gesteigerter Proliferation auslöst. Längere Stressbedingungen führen hingegen zu Schäden an und Verlust von Beta-Zellen. Es wurde zudem gezeigt, dass das Altern die Funktionalität und Morphologie von Beta-Zellen, insbesondere durch proliferative Limitationen, beeinflusst. Die meisten Studien in Nagetieren wurden jedoch unter erhöhten Stressbedingungen für Beta-Zellen, beispielsweise durch die Fütterung von Hochfett-Diäten, durchgeführt. Deshalb wurde im ersten Teil der Arbeit (Publikation I) eine Charakterisierung von altersbedingten Veränderungen auf die Langerhans-Inseln und Beta-Zellen unter Verwendung von Plasmaproben und Pankreasgewebeschnitten von C57BL/6J-Wildtyp-Mäusen verschiedener Altersgruppen (2,5; 5; 10; 15 und 21 Monate), die mit einer Standarddiät gefüttert wurden, durchgeführt. Das Altern ging mit einem reduzierten, jedoch anhaltenden Proliferationspotential der Langerhans-Inseln sowie einer Induktion der zellulären Seneszenz einher. Dies war mit einem fortschreitenden Wachstum der Langerhans-Inseln verbunden, um eine Normoglykämie während der gesamten Lebensdauer aufrechtzuerhalten. Zudem wurden die Beta-Zell-Masse und die Funktionalität nicht beeinträchtigt, obwohl eine Bildung und Akkumulation von AGEs, die vorwiegend im Gefäßsystem der Langerhans-Inseln lokalisiert und von einer Induktion von oxidativem und nitrosativem (redox) Stress begleitet war, auftrat. Das Ernährungsverhalten während der gesamten Lebensspanne ist jedoch nicht auf eine ausgewogene Ernährung beschränkt. Dies unterstreicht die Bedeutung der Untersuchung von Fehlernährung durch die Einnahme energiereicher Diäten, wodurch metabolische Stresszustände induziert werden, die synergistisch mit dem Altern schädigende Effekte auf das endokrine Pankreas verstärken können. Verwendet wurden 7 Wochen alte, zur Entwicklung von Typ-2-Diabetes neigende NZO-Mäuse, die unterschiedlich langen kohlenhydratrestriktiven Fütterungsperioden (junge Mäuse - 11 Wochen, Mäuse mittleren Alters - 32 Wochen), gefolgt von einer 3-wöchigen Kohlenhydratintervention ausgesetzt waren. Dadurch konnten die Auswirkungen von ernährungsbedingtem metabolischem Stress auf die Funktionalität und Integrität von Langerhans-Inseln und deren Beta-Zellen in verschiedenen Altersstufen untersucht werden (Publikation II, Manuskript). Interessanterweise zeigten junge NZO-Mäuse eine massive Hyperglykämie als Reaktion auf den ernährungsbedingten, metabolischen Stress was von Beta-Zelldysfunktion und Apoptose begleitet war. Tiere mittleren Alters zeigten hingegen nur eine moderate Hyperglykämie durch den Erhalt funktioneller Beta-Zellen. Der Verlust funktioneller Beta-Zellmasse in jungen Mäusen war mit einer verminderten Expression des PDX1-Transkriptionsfaktors, einer erhöhten endokrinen AGE-Bildung und damit verbundenem Redox Stress sowie einer TXNIP-abhängigen Induktion des mitochondrialen Apoptosewegs verbunden. Obwohl die Mengen an sekretiertem Insulin sowie das Proliferationspotential in beiden Altersgruppen vergleichbar waren, zeigten die Langerhans-Inseln der Mäuse im mittleren Alter eine anhaltende PDX1-Expression, eine nahezu reguläre Insulinsekretionsfunktion, eine erhöhte Kapazität für das Fortschreiten des Zellzyklus sowie einen Erhalt des Redoxpotentials. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen einen Verlust funktioneller Beta-Zellmasse bei jungen, diabetogenen NZO-Mäusen, der durch ein Redox-Ungleichgewicht und die Induktion apoptotischer Signalwege verursacht wurde. Im Gegensatz dazu scheint das Altern unter physiologischen Bedingungen bei C57BL/6J-Mäusen und in Kombination mit ernährungsbedingtem metabolischem Stress bei NZO-Mäusen keine nachteiligen Auswirkungen auf die Funktionalität und strukturelle Integrität von Langerhans und Beta-Zellen zu haben, was mit adaptiven Reaktionen auf wechselnde Stoffwechsel-anforderungen assoziiert war. In Anbetracht der negativen Auswirkungen der Alterung muss jedoch berücksichtigt werden, dass das Kompensationsverhalten von Mäusen zu einem späteren Zeitpunkt erschöpft sein könnte, was schließlich zu einem Verlust der funktionellen Beta-Zellmasse und dem Auftreten und Fortschreiten von Typ-2-Diabetes führt. Die polygene, zu Typ-2-Diabetes neigende NZO-Maus ist ein geeignetes Modell für die Untersuchung von mit Adipositas-assoziiertem Typ-2-Diabetes beim Menschen. Mäuse im fortgeschrittenen Alter zeigten jedoch einen verminderten diabetischen Phänotyp oder reagierten nicht auf die diätetischen Reize. Dies könnte durch das mittlere Alter der Mäuse erklärt werden, das dem menschlichen Alter von etwa 38 bis 40 Jahren entspricht, in dem die Kompensationsmechanismen von Langerhans-Inseln und Beta-Zellen gegenüber metabolischen Stressbedingungen möglicherweise aktiver sind.…