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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.
Respiratorische Erkrankungen stellen zunehmend eine relevante globale Problematik dar. Die Erweiterung bzw. Modifizierung von Applikationswegen möglicher Arzneimittel für gezielte topische Anwendungen ist dabei von größter Bedeutung. Die Variation eines bekannten Applikationsweges durch unterschiedliche technologische Umsetzungen kann die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten, aber auch die Patienten-Compliance erhöhen. Die einfache und flexible Verfahrensweise durch schnelle Verfügbarkeit und eine handliche Technologie sind heutzutage wichtige Eigenschaften im Entwicklungsprozess eines Produktes. Eine direkte topische Behandlung von Atemwegserkrankungen am Wirkort in Form einer inhalativen Applikation bietet dabei viele Vorteile gegenüber einer systemischen Therapie. Die medizinische Inhalation von Wirkstoffen über die Lunge ist jedoch eine komplexe Herausforderung. Inhalatoren gehören zu den erklärungsbedürftigen Applikationsformen, die zur Erhöhung der konsequenten Einhaltung der Verordnung so einfach, wie möglich gestaltet werden müssen. Parallel besitzen und nutzen weltweit annähernd 68 Millionen Menschen die Technologie eines inhalativen Applikators zur bewussten Schädigung ihrer Gesundheit in Form einer elektronischen Zigarette. Diese bekannte Anwendung bietet die potentielle Möglichkeit einer verfügbaren, kostengünstigen und qualitätsgeprüften Gesundheitsmaßnahme zur Kontrolle, Prävention und Heilung von Atemwegserkrankungen. Sie erzeugt ein Aerosol durch elektrothermische Erwärmung eines sogenannten Liquids, das durch Kapillarkräfte eines Trägermaterials an ein Heizelement gelangt und verdampft. Ihr Bekanntheitsgrad zeigt, dass eine beabsichtigte Wirkung in den Atemwegen eintritt. Diese Wirkung könnte jedoch auch auf potentielle pharmazeutische Einsatzgebiete übertragbar sein. Die Vorteile der pulmonalen Verabreichung sind dabei vielfältig. Im Vergleich zur peroralen Applikation gelangt der Wirkstoff gezielt zum Wirkort. Wenn eine systemische Applikation zu Arzneimittelkonzentrationen unterhalb der therapeutischen Wirksamkeit in der Lunge führt, könnte eine inhalative Darreichung bereits bei niedriger Dosierung die gewünschten höheren Konzentrationen am Wirkort hervorrufen. Aufgrund der großen Resorptionsfläche der Lunge sind eine höhere Bioverfügbarkeit und ein schnellerer Wirkungseintritt infolge des fehlenden First-Pass-Effektes möglich. Es kommt ebenfalls zu minimalen systemischen Nebenwirkungen. Die elektronische Zigarette erzeugt wie die medizinischen Inhalatoren lungengängige Partikel. Die atemzuggesteuerte Technik ermöglicht eine unkomplizierte und intuitive Anwendung. Der prinzipielle Aufbau besteht aus einer elektrisch beheizten Wendel und einem Akku. Die Heizwendel ist von einem sogenannten Liquid in einem Tank umgeben und erzeugt das Aerosol. Das Liquid beinhaltet eine Basismischung bestehend aus Propylenglycol, Glycerin und reinem Wasser in unterschiedlichen prozentualen Anteilen. Es besteht die Annahme, dass das Basisliquid auch mit pharmazeutischen Wirkstoffen für die pulmonale Applikation beladen werden kann. Aufgrund der thermischen Belastung durch die e-Zigarette müssen potentielle Wirkstoffe sowie das Vehikel eine thermische Stabilität aufweisen.
Die potentielle medizinische Anwendung der Technologie einer handelsüblichen e-Zigarette wurde anhand von drei Schwerpunkten an vier Wirkstoffen untersucht. Die drei ätherischen Öle Eucalyptusöl, Minzöl und Nelkenöl wurden aufgrund ihrer leichten Flüchtigkeit und der historischen pharmazeutischen Anwendung anhand von Inhalationen bei Erkältungssymptomen bzw. im zahnmedizinischen Bereich gewählt. Das eingesetzte Cannabinoid Cannabidiol (CBD) hat einen aktuellen Bezug zu dem pharmazeutischen Markt Deutschlands zur Legalisierung von cannabishaltigen Produkten und der medizinischen Forschung zum inhalativen Konsum. Es wurden relevante wirkstoffhaltige Flüssigformulierungen entwickelt und hinsichtlich ihrer Verdampfbarkeit zu Aerosolen bewertet. In den quantitativen und qualitativen chromatographischen Untersuchungen konnten spezifische Verdampfungsprofile der Wirkstoffe erfasst und bewertet werden. Dabei stieg die verdampfte Masse der Leitsubstanzen 1,8-Cineol (Eucalyptusöl), Menthol (Minzöl) und Eugenol (Nelkenöl) zwischen 33,6 µg und 156,2 µg pro Zug proportional zur Konzentration im Liquid im Bereich zwischen 0,5% und 1,5% bei einer Leistung von 20 Watt. Die Freisetzungsrate von Cannabidiol hingegen schien unabhängig von der Konzentration im Liquid im Mittelwert bei 13,3 µg pro Zug zu liegen. Dieses konnte an fünf CBD-haltigen Liquids im Konzentrationsbereich zwischen 31 µg/g und 5120 µg/g Liquid gezeigt werden. Außerdem konnte eine Steigerung der verdampften Massen mit Zunahme der Leistung der e-Zigarette festgestellt werden. Die Interaktion der Liquids bzw. Aerosole mit den Bestandteilen des Speichels sowie weiterer gastrointestinaler Flüssigkeiten wurde über die Anwendung von zugehörigen in vitro Modellen und Einsatz von Enzymaktivitäts-Assays geprüft. In den Untersuchungen wurden Änderungen von Enzymaktivitäten anhand des oralen Schlüsselenzyms α-Amylase sowie von Proteasen ermittelt. Damit sollte exemplarisch ein möglicher Einfluss auf physiologische bzw. metabolische Prozesse im humanen Organismus geprüft werden. Das Bedampfen von biologischen Suspensionen führte bei niedriger Leistung der e-Zigarette (20 Watt) zu keiner bzw. einer leichten Änderung der Enzymaktivität. Die Anwendung einer hohen Leistung (80 Watt) bewirkte tendenziell das Herabsetzen der Enzymaktivitäten. Die Erhöhung der Enzymaktivitäten könnte zu einem enzymatischen Abbau von Schleimstoffen wie Mucinen führen, was wiederum die effektive, mechanische Abwehr gegenüber bakteriellen Infektionen zur Folge hätte. Da eine Anwendung der Applikation insbesondere bei bakteriellen Atemwegserkrankungen denkbar wäre, folgten abschließend Untersuchungen der antibakteriellen Eigenschaften der Liquids bzw. Aerosole in vitro. Es wurden sechs klinisch relevante bakterielle Krankheitserreger ausgewählt, die nach zwei Charakteristika gruppiert werden können. Die drei multiresistenten Bakterien Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae und Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus können mithilfe von üblichen Therapien mit Antibiotika nicht abgetötet werden und haben vor allem eine nosokomiale Relevanz. Die zweite Gruppe weist Eigenschaften auf, die vordergründig assoziiert sind mit respiratorischen Erkrankungen. Die Bakterien Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis und Haemophilus influenzae sind repräsentativ beteiligt an Atemwegserkrankungen mit diverser Symptomatik. Die Bakterienarten wurden mit den jeweiligen Liquids behandelt bzw. bedampft und deren grundlegende Dosis-Wirkungsbeziehung charakterisiert. Dabei konnte eine antibakterielle Aktivität der Formulierungen ermittelt werden, die durch Zugabe eines Wirkstoffes die bereits antibakterielle Wirkung der Bestandteile Glycerin und Propylenglycol verstärkte. Die hygroskopischen Eigenschaften dieser Substanzen sind vermutlich für eine Wirkung in aerosolierter Form verantwortlich. Sie entziehen die Feuchtigkeit aus der Luft und haben einen austrocknenden Effekt auf die Bakterien. Das Bedampfen der Bakterienarten Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis und Haemophilus influenzae hatte einen antibakteriellen Effekt, der zeitlich abhängig von der Leistung der e-Zigarette war.
Die Ergebnisse der Untersuchungen führen zu dem Schluss, dass jeder Wirkstoff bzw. jede Substanzklasse individuell zu bewerten ist und somit Inhalator und Formulierung aufeinander abgestimmt werden müssen. Der Einsatz der e-Zigarette als Medizinprodukt zur Applikation von Arzneimitteln setzt stets Prüfungen nach Europäischem Arzneibuch voraus. Durch Modifizierungen könnte eine Dosierung gut kontrollierbar gemacht werden, aber auch die Partikelgrößenverteilung kann insoweit reguliert werden, dass die Wirkstoffe je nach Partikelgröße zu einem geeigneten Applikationsort wie Mund, Rachen oder Bronchien transportiert werden. Der Vergleich mit den Eigenschaften anderer medizinischer Inhalatoren führt zu dem Schluss, dass die Technologie der e-Zigarette durchaus eine gleichartige oder bessere Performance für thermisch stabile Wirkstoffe bieten könnte. Dieses fiktive Medizinprodukt könnte aus einer hersteller-unspezifisch produzierten, wieder aufladbaren Energiequelle mit Universalgewinde zum mehrfachen Gebrauch und einer hersteller- und wirkstoffspezifisch produzierten Einheit aus Verdampfer und Arzneimittel bestehen. Das Arzneimittel, ein medizinisches Liquid (Vehikel und Wirkstoff) kann in dem Tank des Verdampfers mit konstanten, nicht variablen Parametern patientenindividuell produziert werden. Inhalative Anwendungen werden perspektivisch wohl nicht zuletzt aufgrund der aktuellen COVID-19-Pandemie eine zunehmende Rolle spielen. Der Bedarf nach alternativen Therapieoptionen wird weiter ansteigen. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum Einsatz der Technologie der elektronischen Zigarette als electronic nicotin delivery system (ENDS) nach Modifizierung zu einem potentiellen pulmonalen Applikationssystem als electronic drug delivery system (EDDS) von inhalativen, thermisch stabilen Arzneimitteln in Form eines Medizinproduktes.
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.
Pannexin 1
(2022)
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.
The knowledge of transformation pathways and transformation products of veterinary drugs is important for health, food and environmental matters. Residues, consisting of original veterinary drug and transformation products, are found in food products of animal origin as well as the environment (e.g., soil or surface water). Several transformation processes can alter the original veterinary drug, ranging from biotransformation in living organism to environmental degradation processes like photolysis, hydrolysis, or microbial processes. In this thesis, four veterinary drugs were investigated, three ionophore antibiotics Monensin, Salinomycin and Lasalocid and the macrocyclic lactone Moxidectin. Ionophore antibiotics are mainly used to cure and prevent coccidiosis in poultry especially prophylactic in broiler farming. Moxidectin is an antiparasitic drug that is used for the treatment of internal and external parasites in food-producing and companion animals. The main objective of this work is to employ different laboratory approaches to generate and identify transformation products. The identification was conducted using high-resolution mass spectrometry (HRMS). A major focus was placed on the application of electrochemistry for simulation of transformation processes. The electrochemical reactor – equipped with a three-electrode flow-through cell – enabled the oxidation or reduction by applying a potential. The transformation products derived were analyzed by online coupling of the electrochemical reactor and a HRMS and offline by liquid chromatography (LC) combined with HRMS. The main modification reaction of the identified transformation products differed for each investigated veterinary drug. Monensin showed decarboxylation and demethylation as the main modification reactions, for Salinomycin mostly decarbonylation occurred and for Lasalocid methylation was prevalent. For Moxidectin, I observed an oxidation (hydroxylation) reaction and adduct formation with solvent. In general, for Salinomycin and Lasalocid, more transient transformation products (online measurement) than stable transformation products (offline measurements) were detected. By contrast, the number of transformation products using online and offline measurements were identical for Monensin and Moxidectin. As a complementary approach, metabolism tests with rat or human liver microsomes were conducted for the ionophore antibiotics. Monensin was investigated by using rat liver microsomes and the transformation products identified were based on decarboxylation and demethylation. Salinomycin and Lasalocid were converted by human and rat liver microsomes. For both substances, more transformation products were found by using human liver microsomes. The transformation products of the rat liver microsome conversion were redundant, and the transformation products were also found at the human liver microsome assay. Oxidation (hydroxylation) was found to be the main modification reaction for both. In addition, a frequent ion exchange between sodium and potassium was identified. The final two experiments were performed for one substance each, whereby the hydrolysis of Monensin and the photolysis of Moxidectin was investigated. The transformation products of the pH-dependent hydrolysis were based on ring-opening and dehydration. Moxidectin formed several transformation products by irradiation with UV-C light and the main modification reactions were isomeric changes, (de-)hydration and changes of the methoxime moiety. In summary, transformation products of the four investigated veterinary drugs were generated by the different laboratory approaches. Most of the transformation products were identified for the first time. The resulting findings provide an improved understanding of clarifying the transformation behavior.
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.
As of late, epidemiological studies have highlighted a strong association of dairy intake with lower disease risk, and similarly with an increased amount of odd-chain fatty acids (OCFA). While the OCFA also demonstrate inverse associations with disease incidence, the direct dietary sources and mode of action of the OCFA remain poorly understood.
The overall aim of this thesis was to determine the impact of two main fractions of dairy, milk fat and milk protein, on OCFA levels and their influence on health outcomes under high-fat (HF) diet conditions. Both fractions represent viable sources of OCFA, as milk fats contain a significant amount of OCFA and milk proteins are high in branched chain amino acids (BCAA), namely valine (Val) and isoleucine (Ile), which can produce propionyl-CoA (Pr-CoA), a precursor for endogenous OCFA synthesis, while leucine (Leu) does not. Additionally, this project sought to clarify the specific metabolic effects of the OCFA heptadecanoic acid (C17:0).
Both short-term and long-term feeding studies were performed using male C57BL/6JRj mice fed HF diets supplemented with milk fat or C17:0, as well as milk protein or individual BCAA (Val; Leu) to determine their influences on OCFA and metabolic health. Short-term feeding revealed that both milk fractions induce OCFA in vivo, and the increases elicited by milk protein could be, in part, explained by Val intake. In vitro studies using primary hepatocytes further showed an induction of OCFA after Val treatment via de novo lipogenesis and increased α-oxidation. In the long-term studies, both milk fat and milk protein increased hepatic and circulating OCFA levels; however, only milk protein elicited protective effects on adiposity and hepatic fat accumulation—likely mediated by the anti-obesogenic effects of an increased Leu intake. In contrast, Val feeding did not increase OCFA levels nor improve obesity, but rather resulted in glucotoxicity-induced insulin resistance in skeletal muscle mediated by its metabolite 3-hydroxyisobutyrate (3-HIB). Finally, while OCFA levels correlated with improved health outcomes, C17:0 produced negligible effects in preventing HF-diet induced health impairments.
The results presented herein demonstrate that the beneficial health outcomes associated with dairy intake are likely mediated through the effects of milk protein, while OCFA levels are likely a mere association and do not play a significant causal role in metabolic health under HF conditions. Furthermore, the highly divergent metabolic effects of the two BCAA, Leu and Val, unraveled herein highlight the importance of protein quality.
Diabetes is hallmarked by high blood glucose levels, which cause progressive generalised vascular damage, leading to microvascular and macrovascular complications. Diabetes-related complications cause severe and prolonged morbidity and are a major cause of mortality among people with diabetes. Despite increasing attention to risk factors of type 2 diabetes, existing evidence is scarce or inconclusive regarding vascular complications and research investigating both micro- and macrovascular complications is lacking. This thesis aims to contribute to current knowledge by identifying risk factors – mainly related to lifestyle – of vascular complications, addressing methodological limitations of previous literature and providing comparative data between micro- and macrovascular complications.
To address this overall aim, three specific objectives were set. The first was to investigate the effects of diabetes complication burden and lifestyle-related risk factors on the incidence of (further) complications. Studies suggest that diabetes complications are interrelated. However, they have been studied mainly independently of individuals’ complication burden. A five-state time-to-event model was constructed to examine the longitudinal patterns of micro- (kidney disease, neuropathy and retinopathy) and macrovascular complications (myocardial infarction and stroke) and their association with the occurrence of subsequent complications. Applying the same model, the effect of modifiable lifestyle factors, assessed alone and in combination with complication load, on the incidence of diabetes complications was studied. The selected lifestyle factors were body mass index (BMI), waist circumference, smoking status, physical activity, and intake of coffee, red meat, whole grains, and alcohol. Analyses were conducted in a cohort of 1199 participants with incident type 2 diabetes from the European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition (EPIC)-Potsdam, who were free of vascular complications at diabetes diagnosis. During a median follow-up time of 11.6 years, 96 cases of macrovascular complications (myocardial infarction and stroke) and 383 microvascular complications (kidney disease, neuropathy and retinopathy) were identified. In multivariable-adjusted models, the occurrence of a microvascular complication was associated with a higher incidence of further micro- (Hazard ratio [HR] 1.90; 95% Confidence interval [CI] 0.90, 3.98) and macrovascular complications (HR 4.72; 95% CI 1.25, 17.68), compared with persons without a complication burden. In addition, participants who developed a macrovascular event had a twofold higher risk of future microvascular complications (HR 2.26; 95% CI 1.05, 4.86). The models were adjusted for age, sex, state duration, education, lifestyle, glucose-lowering medication, and pre-existing conditions of hypertension and dyslipidaemia. Smoking was positively associated with macrovascular disease, while an inverse association was observed with higher coffee intake. Whole grain and alcohol intake were inversely associated with microvascular complications, and a U-shaped association was observed for red meat intake. BMI and waist circumference were positively associated with microvascular events. The associations between lifestyle factors and incidence of complications were not modified by concurrent complication burden, except for red meat intake and smoking status, where the associations were attenuated among individuals with a previous complication.
The second objective was to perform an in-depth investigation of the association between BMI and BMI change and risk of micro- and macrovascular complications. There is an ongoing debate on the association between obesity and risk of macrovascular and microvascular outcomes in type 2 diabetes, with studies suggesting a protective effect among people with overweight or obesity. These findings, however, might be limited due to suboptimal control for smoking, pre-existing chronic disease, or short-follow-up. After additional exclusion of persons with cancer history at diabetes onset, the associations between pre-diagnosis BMI and relative annual change between pre- and post-diagnosis BMI and incidence of complications were evaluated in multivariable-adjusted Cox models. The analyses were adjusted for age, sex, education, smoking status and duration, physical activity, alcohol consumption, adherence to the Mediterranean diet, and family history of diabetes and cardiovascular disease (CVD). Among 1083 EPIC-Potsdam participants, 85 macrovascular and 347 microvascular complications were identified during a median follow-up period of 10.8 years. Higher pre-diagnosis BMI was associated with an increased risk of total microvascular complications (HR per 5 kg/m2 1.21; 95% CI 1.07, 1.36), kidney disease (HR 1.39; 95% CI 1.21, 1.60) and neuropathy (HR 1.12; 95% CI 0.96, 1.31); but no association was observed for macrovascular complications (HR 1.05; 95% CI 0.81, 1.36). Effect modification was not evident by sex, smoking status, or age groups. In analyses according to BMI change categories, BMI loss of more than 1% indicated a decreased risk of total microvascular complications (HR 0.62; 95% CI 0.47, 0.80), kidney disease (HR 0.57; 95% CI 0.40, 0.81) and neuropathy (HR 0.73; 95% CI 0.52, 1.03), compared with participants with a stable BMI. No clear association was observed for macrovascular complications (HR 1.04; 95% CI 0.62, 1.74). The impact of BMI gain on diabetes-related vascular disease was less evident. Associations were consistent across strata of age, sex, pre-diagnosis BMI, or medication but appeared stronger among never-smokers than current or former smokers.
The last objective was to evaluate whether individuals with a high-risk profile for diabetes and cardiovascular disease (CVD) also have a greater risk of complications. Within the EPIC-Potsdam study, two accurate prognostic tools were developed, the German Diabetes Risk Score (GDRS) and the CVD Risk Score (CVDRS), which predict the 5-year type 2 diabetes risk and 10-year CVD risk, respectively. Both scores provide a non-clinical and clinical version. Components of the risk scores include age, sex, waist circumference, prevalence of hypertension, family history of diabetes or CVD, lifestyle factors, and clinical factors (only in clinical versions). The association of the risk scores with diabetes complications and their discriminatory performance for complications were assessed. In crude Cox models, both versions of GDRS and CVDRS were positively associated with macrovascular complications and total microvascular complications, kidney disease and neuropathy. Higher GDRS was also associated with an elevated risk of retinopathy. The discrimination of the scores (clinical and non-clinical) was poor for all complications, with the C-index ranging from 0.58 to 0.66 for macrovascular complications and from 0.60 to 0.62 for microvascular complications.
In conclusion, this work illustrates that the risk of complication development among individuals with type 2 diabetes is related to the existing complication load, and attention should be given to regular monitoring for future complications. It underlines the importance of weight management and adherence to healthy lifestyle behaviours, including high intake of whole grains, moderation in red meat and alcohol consumption and avoidance of smoking to prevent major diabetes-associated complications, regardless of complication burden. Risk scores predictive for type 2 diabetes and CVD were related to elevated risks of complications. By optimising several lifestyle and clinical factors, the risk score can be improved and may assist in lowering complication risk.
Epigenetische Mechanismen spielen eine entscheidende Rolle bei der Pathogenese von Colitis ulcerosa (CU). Ihr Einfluss auf das beobachtete Ungleichgewicht zwischen pro- und anti-inflammatorischen Cytokinen ist hingegen weitgehend unerforscht. Einige der wichtigsten immunmodulatorischen Cytokine sind die Mitglieder der heterodimeren Interleukin- (IL-) 12-Familie, die durch das Kombinieren einer der drei α-Ketten (IL-12p35, IL-27p28, IL-23p19) mit den ß-Untereinheiten IL-12p40 oder EBI3 (Epstein-Barr Virus-induziertes Gen 3) charakterisiert sind. IL-35 (IL-12p35/EBI3) spielt eine bedeutende anti-inflammatorische Rolle bei verschiedenen Erkrankungen, wohingegen seine Level bei chronischen Entzündungen erniedrigt sind. Eine mögliche Ursache könnte eine transkriptionelle Stilllegung über epigenetische Modifikationen sein. Tatsächlich konnte durch die Stimulation mit dem DNA-Methyltransferase-Inhibitor (DNMTi) Decitabin (DAC; Dacogen®) eine Induktion von EBI3 in humanen Epithelzellen aus gesundem Colon (HCEC) erreicht werden, die als Modell für ein lokales Entzündungsgeschehen dienten. Diese Regulation über DNA-Methylierung konnte in weiteren humanen Zellen unterschiedlichen Ursprungs sowie durch Stimulation von HCEC-Zellen mit zwei weiteren DNMTi, dem Cytosin-Analogon Azacytidin (AZA; Vidaza®) und dem natürlich vorkommenden, epigenetisch wirksamen Polyphenol Epigallocatechingallat (EGCG), verifiziert werden. Die kombinierte Inkubation mit Tumor-Nekrose-Faktor α (TNFα) resultierte jeweils in einer über-additiven Induktion von EBI3.
Weiterführende Untersuchungen zeigten, dass TNFα trotz Beeinflussung der epigenetischen DNMT- und Ten-eleven Translocation- (TET-) Enzyme keinen Einfluss auf die globalen Methylierungs- oder Hydroxymethylierungslevel hatte, jedoch eine genspezifische DNA-Hypomethylierung im EBI3-Promotor induzierte. Durch Nutzung verschiedener Inhibitoren konnte darüber hinaus nachgewiesen werden, dass der beobachtete synergistische Effekt der gemeinsamen DAC und TNFα-Stimulation hauptsächlich über NFκB (Nuclear factor “kappa-light-chain-enhancer” of activated B-cells) vermittelt wird. Ein Teil verläuft dabei über p38 MAPK (mitogen-activated protein kinases), während die JNK- (c-Jun N-terminale Kinasen-) und ERK- (extracellular-signal-regulated kinases) Signalwege keine Rolle spielen.
In der vorliegenden Arbeit wurde zudem gezeigt, dass die DNA-Hypomethylierung während eines entzündlichen Zustandes auch in einer erhöhten EBI3-Proteinexpression resultiert. Die Höhe der immunologisch detektierten Banden wies auf eine Dimerbildung sowohl im Zelllysat als auch im Überstand hin. Humane Colonepithelzellen sind demnach in der Lage, Cytokine zu bilden und zu sezernieren, was die Bedeutung von Nicht-Immunzellen bei der lokalen Immunantwort unterstreicht. Mittels Genexpressionsanalysen wurden IL-12p35 und IL-23p19 als mögliche Bindungspartner identifiziert. Aufgrund kreuzreaktiver Antikörper ist ein direkter Nachweis der EBI3-Dimere derzeit nicht möglich. Die stattdessen genutzte Kombination verschiedener Methoden dient als geeigneter Ersatz für die problematischen Antikörper-basierten Analysen wie Immunpräzipitation oder ELISA. Durch molekularbiologische, immunologische und massenspektrometrische Methoden konnte IL-35 identifiziert werden, während IL-39 (IL-23p19/EBI3) nicht detektiert wurde. Dies ist in Einklang mit den Erkenntnissen mehrerer Forschungsgruppen, die eine Bildung des nativen humanen Dimers aus IL-23p19 und EBI3 bezweifeln. Des Weiteren wurde die biologische Aktivität des behandlungsinduzierten IL 35-Proteins durch einen Funktionsassay nachgewiesen.
Neben einer DNMTi-bedingten transkriptionellen Aktivierung konnte eine Regulation von EBI3 über Histonacetylierungen gezeigt werden. Der EBI3-induzierende Effekt des Histondeacetylasen-Inhibitors (HDACi) Trichostatin A (TSA) wurde durch SAHA (suberoylanilide hydroxamic acid (Vorinostat; Zolinza®)) verifiziert. Ähnlich zu der Stimulation mit den hypomethylierenden Substanzen wurde ein synergistischer Effekt bei paralleler Inkubation mit TNFα beobachtet, der in einer gesteigerten Bildung des EBI3-Proteins resultierte.
Um die Befunde in einem komplexeren in vivo-Modell zu untersuchen, wurde eine chronische Colitis in Ebi3-defizienten Mäusen und dem dazugehörigen Wildtypstamm C57BL/6 durch zyklische Applikation von Natriumdextransulfat (Dextran sodium sulfate (DSS)) induziert. Der Vergleich klinischer Parameter wie Mortalitätsrate und Körper- sowie Milzgewicht wies bei Abwesenheit von Ebi3 signifikant stärkere colitische Symptome auf. Dies bestätigte die zentrale Rolle von Ebi3 in der Colitisentwicklung und deutete auf eine bevorzugte Bildung des anti-inflammatorisch wirkenden IL-35 statt des pro-inflammatorischen IL-39 in den Wildtyptieren hin. Durch zusätzliche therapeutische Behandlung der C57BL/6-Mäuse nach der DSS-Gabe konnte die in der Literatur beschriebene positive Wirkung von SAHA auf die Colitismanifestation bestätigt werden. Im Gegensatz dazu war der HDACi in den Ebi3-defizienten Tieren nicht in der Lage, die colitischen Parameter zu verbessern beziehungsweise verschlimmerte den Krankheitsphänotyp. Expressionsanalysen von Up- und Downstream-Target-Genen lieferten weitere Hinweise darauf, dass bei Anwesenheit von Ebi3 IL-35 statt IL-39 gebildet wird, was in Einklang mit den in vitro-Untersuchungen steht.
Die vorliegende Arbeit konnte durch den Vergleich der C57BL/6-Mäuse mit den Ebi3-defizienten Tieren neue Erkenntnisse über die Wirkungsweise von SAHA erbringen. Histonacetylierende Bedingungen verbessern colitische Symptome über einen Mechanismus, der die epigenetische Induktion von Ebi3 mit nachfolgender IL-35-Bildung involviert. Durch Kooperation der epigenetischen Mechanismen Hypomethylierung und Histonacetylierung wurde der stärkste Effekt auf die EBI3-Induktion bewirkt.
Insgesamt konnte in der vorliegenden Arbeit durch in vitro- und in vivo-Analysen die epigenetische und NFκB-vermittelte Induktion von EBI3 über DNA-Demethylierung und Histonacetylierung mit nachfolgender IL-35-Bildung und –Sezernierung nachgewiesen werden. Da IL-35 in der Lage ist, colitische Symptome zu mildern, stellt die epigenetische Reaktivierbarkeit von EBI3 durch DNMTi und HDACi eine vielversprechende Alternative für die derzeit genutzten, oft nicht oder nur kurzfristig wirksamen Therapien bei der Behandlung einer CU dar. Einer übermäßigen Immunantwort während schubweiser entzündlicher Phasen könnte entgegengewirkt und Komplikationen wie die Bildung Colitis-assoziierter Karzinome verhindert werden.
Die allergische Kontaktdermatitis ist eine immunologisch bedingte Hauterkrankung mit insbesondere in den westlichen Industrienationen hoher und weiter ansteigender Prävalenz. Es handelt sich hierbei um eine Hypersensitivitätsreaktion vom Typ IV, die sich nach Allergenkontakt durch Juckreiz, Rötung, Bläschenbildung und Abschälung der Haut äußert. Zahlreiche Xenobiotika besitzen das Potenzial, Kontaktallergien auszulösen, darunter Konservierungsstoffe, Medikamente, Duftstoffe und Chemikalien. Die wirksamste Maßnahme zur Eindämmung der Erkrankung ist die Expositionsprophylaxe, also die Vermeidung des Kontakts mit den entsprechenden Substanzen. Dies wiederum setzt die Kenntnis des jeweiligen sensibilisierenden Potenzials einer Substanz voraus, dessen Bestimmung aus diesem Grund eine hohe toxikologische Relevanz besitzt. Zu diesem Zweck existieren von der OECD veröffentlichte Testleitlinien, welche auf entsprechend validierten Testmethoden basieren. Goldstandard bei der Prüfung auf hautsensibilisierendes Potenzial war über lange Zeit der murine Lokale Lymphknotentest. Seit der 7. Änderung der EU-Kosmetikrichtlinie, welche Tierversuche für Kosmetika und deren Inhaltsstoffe untersagt, wurden vermehrt Alternativmethoden in die OECD-Testleitlinien implementiert.. Die bestehenden in vitro Methoden sind jedoch alleinstehend nur begrenzt aussagekräftig, da sie lediglich singuläre Mechanismen bei der Entstehung einer Kontaktallergie abbilden. Die Entwicklung von Testmethoden, welche mehrere dieser Schlüsselereignisse berücksichtigen, erscheint daher richtungsweisend. Einen vielversprechenden Ansatz liefert hierbei der Loose-fit coculture-based sensitisation assay (LCSA), welcher eine Kokultur aus primären Keratinozyten und PBMC darstellt. Bei der Kokultivierung von Immunzellen mit anderen Zelltypen stellt sich allerdings die Frage, inwiefern die Nutzung von Zellen derselben Spender*innen (autologe Kokultur) bzw. verschiedener Spender*innen (allogene Kokultur) einen Einfluss nimmt. Zu diesem Zweck wurden im Rahmen dieser Arbeit Hautzellen spenderspezifisch aus gezupften Haarfollikeln isoliert und der LCSA mit den generierten HFDK in autologen und allogenen Ansätzen verglichen. Zusätzlich wurde auch ein Vergleich zwischen der Nutzung von HFDK und NHK, welche aus humaner Vorhaut isoliert wurden, im LCSA durchgeführt. Dabei ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen autologen und allogenen Kokulturen bzw. zwischen der Verwendung von HFDK und NHK. Die Verwendung allogener Zellen aus anonymem Spendermaterial sowie die Nutzung von Keratinozyten aus unterschiedlichen Quellen scheint im Rahmen des LCSA problemlos möglich. Einige der getesteten Kontaktallergene, darunter DNCB und NiCl2, erwiesen sich im LCSA jedoch als problematisch und konnten nicht zufriedenstellend als sensibilisierend detektiert werden. Daher wurde eine Optimierung der Kokultur durch Verwendung ex vivo differenzierter Langerhans Zellen (MoLC) angestrebt, welche ein besseres Modell primärer epidermaler Langerhans Zellen darstellen als die dendritischen Zellen aus dem LCSA. Zusätzlich wurden weitere, den Erfolg der Kokultur beeinflussende Faktoren, wie die Art und Zusammensetzung des Mediums und die Kokultivierungsdauer, untersucht und angepasst. Das schlussendlich etablierte Kokultivierungsprotokoll führte zu einer maßgeblich verstärkten Expression von CD207 (Langerin) auf den MoLC, was auf eine wirkungsvolle Interaktion zwischen Haut- und Immunzellen in der Kokultur hindeutete. Des Weiteren konnten DNCB und NiCl2 im Gegensatz zum LCSA durch Verwendung des kostimulatorischen Moleküls CD86 sowie des Reifungsmarkers CD83 als Ausleseparameter eindeutig als Kontaktallergene identifiziert werden. Die Untersuchungen zur Kokultur von MoLC und HFDK wurden jeweils vergleichend in autologen und allogenen Ansätzen durchgeführt. Ähnlich wie beim LCSA kam es aber auch hier zu keinen signifikanten Unterschieden, weder hinsichtlich der Expression von Charakterisierungs- und Aktivierungsmarkern auf MoLC noch hinsichtlich der Zytokinsekretion in den Zellkulturüberstand. Die Hinweise aus zahlreichen Studien im Mausmodell, dass Zellen des angeborenen Immunsystems zur Erkennung von und Aktivierung durch allogene Zellen bzw. Gewebe in der Lage sind, bestätigten sich im Rahmen dieser Arbeit dementsprechend nicht. Aus diesem Grund wurden abschließend CD4+ T-Lymphozyten, die Effektorzellen des adaptiven Immunsystems, in die Kokultur aus MoLC und autologen bzw. allogenen HFDK integriert. Überraschenderweise traten auch hier keine verstärkten Aktivierungen in allogener Kokultur im Vergleich zur autologen Kokultur auf. Die Nutzung autologer Primärzellen scheint im Rahmen der hier getesteten Methoden nicht notwendig zu sein, was die Validierung von Kokulturen und deren Implementierung in die OECD-Testleitlinien erleichtern dürfte. Zuletzt wurde eine Kokultivierung primärer Haut- und Immunzellen auch im 3D-Vollhautmodell durchgeführt, wobei autologe MoLC in die Epidermisäquivalente entsprechender Modelle integriert werden sollten. Obwohl die erstellten Hautmodelle unter Verwendung autologer Haarfollikel-generierter Keratinozyten und Fibroblasten eine zufriedenstellende Differenzierung und Stratifizierung aufwiesen, gestaltete sich die Inkorporation der MoLC als problematisch und konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht erreicht werden.