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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 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.
Systemic inflammation is a hallmark of cancer cachexia. Among tumor-host interactions, the white adipose tissue (WAT) is an important contributor to inflammation as it suffers morphological reorganization and lipolysis, releasing free fatty acids (FA), bioactive lipid mediators (LM) and pro-inflammatory cytokines, which accentuate the activation of pro-inflammatory signaling pathways and the recruitment of immune cells to the tissue. This project aimed to investigate which inflammatory factors are involved in the local adipose tissue inflammation and what is the influence of such factors upon enzymes involved in FA or LM metabolism in healthy individuals (Control), weight stable gastro-intestinal cancer patients (WSC) and cachectic cancer patients (CC). The results demonstrated that the inflammatory signature of systemic inflammation is different from local adipose tissue inflammation. The systemic inflammation of the cachectic cancer patients was characterized by higher levels of circulating saturated fatty acids (SFA), tumor-necrosis-factor-α (TNF-α), interleukins IL-6, IL-8 and CRP while levels of polyunsaturated fatty acids (PUFAs), especially n3-PUFAs, were lower in CC than in the other groups. In vitro and in adipose tissue explants, pro-inflammatory cytokines and SFAs were shown to increase the chemokines IL-8 and CXCL10 that were found to be augmented in adipose tissue inflammation in CC which was more profound in the visceral adipose tissue (VAT) than in subcutaneous adipose tissue (SAT). Systemic inflammation was negatively associated with the expression of PUFA synthesizing enzymes, though gene and protein expression did hardly differ between groups. The effects of inflammatory factors on enzymes in the whole tissue could have been masked by differentiated modulation of the diverse cell types in the same tissue. In vitro experiments showed that the expression of FA-modifying enzymes such as desaturases and elongases in adipocytes and macrophages was regulated into opposing directions by TNF-α, IL-6, LPS or palmitate. The higher plasma concentration of the pro-resolving LM resolvin D1 in CC cannot compensate the overall inflammatory status and the results indicate that inflammatory cytokines interfere with synthesis pathways of pro-resolving LM. In summary, the data revealed a complex inter-tissue and inter-cellular crosstalk mediated by pro-inflammatory cytokines and lipid compounds enhancing inflammation in cancer cachexia by feed-forward mechanisms.
Kolorektalkrebs (CRC) ist die dritthäufigste Tumorerkrankung weltweit. Neben dem Alter spielt auch die Ernährung eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Krankheit. Eine vermutlich krebspräventive Wirkung wird dabei dem Spurenelement Selen zugeschrieben, das fast ausschließlich über Lebensmittel aufgenommen wird. So hängt beispielsweise ein niedriger Selenstatus mit dem Risiko, im Laufe des Lebens an CRC zu erkranken, zusammen. Seine Funktionen vermittelt Selen dabei überwiegend durch Selenoproteine, in denen es in Form von Selenocystein eingebaut wird. Zu den bisher am besten untersuchten Selenoproteinen mit möglicher Funktion während CRC zählen die Glutathionperoxidasen (GPXen). Die Mitglieder dieser Familie tragen aufgrund ihrer Hydroperoxid-reduzierenden Eigenschaften entscheidend zum Schutz der Zellen vor oxidativem Stress bei. Dies kann je nach Art und Stadium des Tumors entweder krebshemmend oder -fördernd wirken, da auch transformierte Zellen von dieser Schutzfunktion profitieren.
In dieser Arbeit wurde die GPX2 in HT29-Darmkrebszellen mithilfe stabil-transfizierter shRNA herunterreguliert, um die Funktion des Enzyms vor allem in Hinblick auf regulierte Signalwege zu untersuchen. Ein Knockdowns (KD) der strukturell ähnlichen GPX1 kam ebenfalls zum Einsatz, um gezielt Isoform-spezifische Funktionen unterscheiden zu können. Anhand eines PCR-Arrays wurden Signalwege identifiziert, die auf einen Einfluss der beiden Proteine im Zellwachstum hindeuteten. Anschließende Untersuchungen ließen auf einen verminderten Differenzierungsstatus in den GPX1- und GPX2-KDs aufgrund einer geringeren Aktivität der Alkalischen Phosphatase schließen. Zudem war die Zellviabilität im Neutralrot-Assay (NRU) bei Fehlen der GPX1 bzw. GPX2 im Vergleich zur Kontrolle reduziert. Die Ergebnisse des PCR-Arrays, und speziell für die GPX2 frühere Untersuchungen der Arbeitsgruppe, wiesen weiterhin auf eine Rolle der beiden Proteine in der entzündungsgetriebenen Karzinogenese hin. Daher wurden auch mögliche Interaktionen mit dem NFκB-Signalweg analysiert. Eine Stimulation der Zellen mit dem proinflammatorischen Zytokin IL1β ging mit einer verstärkten Aktivierung der MAP-Kinasen ERK1/2 in den Zellen mit GPX1- bzw. GPX2-KD einher. Die gleichzeitige Behandlung mit dem Antioxidans NAC führte nicht zur Rücknahme der Effekte in den KDs, sodass möglicherweise nicht nur die antioxidativen Eigenschaften der Enzyme bei der Interaktion mit diesen Signalwegsproteinen relevant sind.
Weiterhin wurden Analysen zum Substratspektrum der GPX2 in HCT116-Zellen mit einer Überexpression des Proteins durchgeführt. Dabei zeigte sich mittels NRU-Assay und DNA-Laddering, dass die GPX2 besonders vor den proapoptotischen Effekten einer Behandlung mit den Lipidhydroperoxiden HPODE und HPETE schützt.
Im Gegensatz zur GPX2 lässt sich Selenoprotein H (SELENOH) stärker durch die alimentäre Selenzufuhr beeinflussen. Einer möglichen Nutzung als Biomarker oder gar als Ansatzpunkt bei der Prävention bzw. Behandlung von CRC steht allerdings unvollständiges Wissen über die Funktion des Proteins gegenüber. Zur genaueren Charakterisierung von SELENOH wurden daher stabil-transfizierte KD-Klone in HT29- und Caco2-Zellen hergestellt und zunächst auf ihre Tumorigenität untersucht.
Zellen mit SELENOH-KD bildeten mehr und größere Kolonien im Soft Agar und zeigten ein erhöhtes Proliferations- und Migrationspotenzial im Vergleich zur Kontrolle.
Ein Xenograft in Nacktmäusen resultierte zudem in einer stärkeren Tumorbildung nach Injektion von KD-Zellen. Untersuchungen zur Beteiligung von SELENOH an der Zellzyklusregulation deuten auf eine hemmende Rolle des Proteins in der G1/S-Phase hin.
Die weiterhin beobachtete Hochregulation von SELENOH in humanen Adenokarzinomen und präkanzerösem Mausgewebe lässt sich möglicherweise mit der postulierten Schutzfunktion vor oxidativen Zell- und DNA-Schäden erklären. In gesunden Darmepithelzellen war das Protein vorrangig am Kryptengrund lokalisiert, was zu einer potenziellen Rolle während der gastrointestinalen Differenzierung passt.
Microbiota analyses of patients suffering from various diseases suggest a beneficial role of Akkermansia muciniphila in the maintenance of health, whereas several studies in animal models of intestinal inflammation report that this organism may aggravate inflammation. Therefore, it is important to clarify under which circumstances A. muciniphila exerts negative effects in the intestine of its host.
The previously reported observation that A. muciniphila aggravates acute intestinal inflammation in the Salmonella enterica serovar Typhimurium infection mouse model colonized with a simplified human intestinal microbiota was investigated in this study. To unravel the underlying mechanism that led to the observed phenomenon, the time course of events following the infection was analyzed. In mice colonized with a simplified human intestinal microbiota, Salmonella infection induced clear signs of intestinal inflammation three days post infection. The inflammatory response was similar in mice colonized with A. muciniphila before Salmonella infection. These observations were independent of the time when colonization with the simplified human intestinal microbiota occurred, right after birth or only after weaning, and contradict the previous report.
To find out whether A. muciniphila influences the development of chronic intestinal inflammation in a genetically predisposed host, mono-associated interleukin-10-deficient (Il10-/-) mice, Il10-/- mice dual-associated with A. muciniphila and colitogenic Escherichia coli NC101, as well as Il10-/- mice associated with A. muciniphila and a simplified human intestinal microbiota were compared to the respective mice without A. muciniphila. The data clearly show that in these gnotobiotic Il10-/- mice, A. muciniphila neither induces intestinal inflammation itself nor modulates it after induction by a colitogenic bacterium or by a simplified human intestinal microbiota.
The experiments lead to the conclusion that the promotion of intestinal inflammation is not an intrinsic feature of this bacterium. The results of this study encourage the proposed use of A. muciniphila for the prevention or treatment of metabolic disorders.
Identifizierung früher epigenetischer Veränderungen, die zur Ausbildung einer Fettleber beitragen
(2018)
Einleitung: Die Erdnussallergie zählt zu den häufigsten Nahrungsmittelallergien im Kindesalter. Bereits kleine Mengen Erdnuss (EN) können zu schweren allergischen Reaktionen führen. EN ist der häufigste Auslöser einer lebensbedrohlichen Anaphylaxie bei Kindern und Jugendlichen. Im Gegensatz zu anderen frühkindlichen Nahrungsmittelallergien entwickeln Patienten mit einer EN-Allergie nur selten eine natürliche Toleranz. Seit mehreren Jahren wird daher an kausalen Therapiemöglichkeiten für EN-Allergiker, insbesondere an der oralen Immuntherapie (OIT), geforscht. Erste kleinere Studien zur OIT bei EN-Allergie zeigten erfolgsversprechende Ergebnisse. Im Rahmen einer randomisierten, doppelblind, Placebo-kontrollierten Studie mit größerer Fallzahl werden in der vorliegenden Arbeit die klinische Wirksamkeit und Sicherheit dieser Therapieoption bei Kindern mit EN-Allergie genauer evaluiert. Des Weiteren werden immunologische Veränderungen sowie die Lebensqualität und Therapiebelastung unter OIT untersucht.
Methoden: Kinder zwischen 3-18 Jahren mit einer IgE-vermittelten EN-Allergie wurden in die Studie eingeschlossen. Vor Beginn der OIT wurde eine orale Provokation mit EN durchgeführt. Die Patienten wurden 1:1 randomisiert und entsprechend der Verum- oder Placebogruppe zugeordnet. Begonnen wurde mit 2-120 mg EN bzw. Placebo pro Tag, abhängig von der Reaktionsdosis bei der oralen Provokation. Zunächst wurde die tägliche OIT-Dosis alle zwei Wochen über etwa 14 Monate langsam bis zu einer Erhaltungsdosis von mindestens 500 mg EN (= 125 mg EN-Protein, ~ 1 kleine EN) bzw. Placebo gesteigert. Die maximal erreichte Dosis wurde dann über zwei Monate täglich zu Hause verabreicht. Im Anschluss erfolgte erneut eine orale Provokation mit EN. Der primäre Endpunkt der Studie war die Anzahl an Patienten der Verum- und Placebogruppe, die unter oraler Provokation nach OIT ≥1200 mg EN vertrugen (=„partielle Desensibilisierung“). Sowohl vor als auch nach OIT wurde ein Hautpricktest mit EN durchgeführt und EN-spezifisches IgE und IgG4 im Serum bestimmt. Außerdem wurden die Basophilenaktivierung sowie die Ausschüttung von T-Zell-spezifischen Zytokinen nach Stimulation mit EN in vitro gemessen. Anhand von Fragebögen wurde die Lebensqualität vor und nach OIT sowie die Therapiebelastung während OIT erfasst.
Ergebnisse: 62 Patienten wurden in die Studie eingeschlossen und randomisiert. Nach etwa 16 Monaten unter OIT zeigten 74,2% (23/31) der Patienten der Verumgruppe und nur 16,1% (5/31) der Placebogruppe eine „partielle Desensibilisierung“ gegenüber EN (p<0,001). Im Median vertrugen Patienten der Verumgruppe 4000 mg EN (~8 kleine EN) unter der Provokation nach OIT wohingegen Patienten der Placebogruppe nur 80 mg EN (~1/6 kleine EN) vertrugen (p<0,001). Fast die Hälfte der Patienten der Verumgruppe (41,9%) tolerierten die Höchstdosis von 18 g EN unter Provokation („komplette Desensibilisierung“). Es zeigte sich ein vergleichbares Sicherheitsprofil unter Verum- und Placebo-OIT in Bezug auf objektive Nebenwirkungen. Unter Verum-OIT kam es jedoch signifikant häufiger zu subjektiven Nebenwirkungen wie oralem Juckreiz oder Bauchschmerzen im Vergleich zu Placebo (3,7% der Verum-OIT-Gaben vs. 0,5% der Placebo-OIT-Gaben, p<0,001). Drei Kinder der Verumgruppe (9,7%) und sieben Kinder der Placebogruppe (22,6%) beendeten die Studie vorzeitig, je zwei Patienten beider Gruppen aufgrund von Nebenwirkungen. Im Gegensatz zu Placebo, zeigten sich unter Verum-OIT signifikante immunologische Veränderungen. So kam es zu einer Abnahme des EN-spezifischen Quaddeldurchmessers im Hautpricktest, einem Anstieg der EN-spezifischen IgG4-Werte im Serum sowie zu einer verminderten EN-spezifischen Zytokinsekretion, insbesondere der Th2-spezifischen Zytokine IL-4 und IL-5. Hinsichtlich der EN-spezifischen IgE-Werte sowie der EN-spezifischen Basophilenaktivierung zeigten sich hingegen keine Veränderungen unter OIT. Die Lebensqualität von Kindern der Verumgruppe war nach OIT signifikant verbessert, jedoch nicht bei Kindern der Placebogruppe. Während der OIT wurde die Therapie von fast allen Kindern (82%) und Müttern (82%) als positiv bewertet (= niedrige Therapiebelastung).
Diskussion: Die EN-OIT führte bei einem Großteil der EN-allergischen Kinder zu einer Desensibilisierung und einer deutlich erhöhten Reaktionsschwelle auf EN. Somit sind die Kinder im Alltag vor akzidentellen Reaktionen auf EN geschützt, was die Lebensqualität der Kinder deutlich verbessert. Unter den kontrollierten Studienbedingungen zeigte sich ein akzeptables Sicherheitsprofil, mit vorrangig milder Symptomatik. Die klinische Desensibilisierung ging mit Veränderungen auf immunologischer Ebene einher. Langzeitstudien zur EN-OIT müssen jedoch abgewartet werden, um die klinische und immunologische Wirksamkeit hinsichtlich einer möglichen langfristigen oralen Toleranzinduktion sowie die Sicherheit unter langfristiger OIT zu untersuchen, bevor das Therapiekonzept in die Praxis übertragen werden kann.
Im Sinne des Refinements von Tierversuchen sollen alle Bedingungen während der Zucht, der Haltung und des Transports von zu Versuchszwecken gehaltenen Tieren und alle Methoden während des Versuchs so verbessert werden, dass die verwendeten Tiere ein minimales Maß an potentiellem Distress, Schmerzen oder Leiden erfahren. Zudem soll ihr Wohlbefinden durch die Möglichkeit des Auslebens speziesspezifischer Verhaltensweisen und die Anwendung tierschonender Verfahren maximal gefördert werden. Zur Etablierung von Grundsätzen des Refinements sind grundlegende Kenntnisse über die physiologischen Bedürfnisse und Verhaltensansprüche der jeweiligen Spezies unabdingbar. Die Experimentatoren sollten das Normalverhalten der Tiere kennen, um potentielle Verhaltensabweichungen, wie Stereotypien, zu verstehen und interpretieren zu können. Standardisierte Haltungsbedingungen von zu Versuchszwecken gehaltenen Mäusen weichen in diversen Aspekten von der natürlichen Umgebung ab und erfordern eine gewisse Adaptation. Ist ein Tier über einen längeren Zeitraum unfähig, sich an die gegebenen Umstände anzupassen, können abnormale Verhaltensweisen, wie Stereotypien auftreten. Stereotypien werden definiert als Abweichungen vom Normalverhalten, die repetitiv und ohne Abweichungen im Ablauf ausgeführt werden, scheinbar keiner Funktion dienen und der konkreten Umweltsituation nicht immer entsprechen.
Bisher war unklar, in welchem Ausmaß stereotypes Verhalten den metabolischen Phänotyp eines Individuums beeinflusst. Ziel dieser Arbeit war es daher, das stereotype Verhalten der FVB/NJ-Maus erstmals detailliert zu charakterisieren, systematisch zusammenzutragen, welche metabolischen Konsequenzen dieses Verhalten bedingt und wie sich diese auf das Wohlbefinden der Tiere und die Verwendung stereotyper Tiere in Studien mit tierexperimentellem Schwerpunkt auswirken.
Der Versuch begann mit der Charakterisierung der mütterlichen Fürsorge in der Parentalgeneration. Insgesamt wurden 35 Jungtiere der F1-Generation vom Absatz an, über einen Zeitraum von 11 Wochen einzeln gehalten, kontinuierlich beobachtet, bis zum Versuchsende wöchentlich Kotproben gesammelt und das Körpergewicht bestimmt. Zusätzlich erfolgten begleitende Untersuchungen wie Verhaltenstests und die Erfassung der physischen Aktivität und metabolischer Parameter. Anschließend wurden u.a. die zerebralen Serotonin- und Dopamingehalte, fäkale Glucocorticoidlevels, hepatisches Glykogen und muskuläre Glykogen- und Triglyceridlevels bestimmt.
Nahezu unabhängig von der mütterlichen Herkunft entwickelte sich bei mehr als der Hälfte der 35 Jungtiere in der F1-Generation stereotypes Verhalten. Diese Daten deuten darauf hin, dass es keine Anzeichen für das Erlernen oder eine direkte genetische Transmission stereotypen Verhaltens bei der FVB/NJ-Maus gibt. Über den gesamten Beobachtungszeitraum zeichneten sich die stereotypen FVB/NJ-Mäuse durch ein eingeschränktes Verhaltensrepertoire aus. Zu Gunsten der erhöhten Aktivität und des Ausübens stereotypen Verhaltens lebten sie insgesamt weniger andere Verhaltensweisen (Klettern, Graben, Nagen) aus. Darüber hinaus waren Stereotypien sowohl im 24-Stunden Open Field Test als auch in der Messeinrichtung der indirekten Tierkalorimetrie mit einer erhöhten Aktivität und Motilität assoziiert, während die circadiane Rhythmik nicht divergierte. Diese erhöhte körperliche Betätigung spiegelte sich in den niedrigeren Körpergewichtsentwicklungen der stereotypen Tiere wieder. Außerdem unterschieden sich die Körperfett- und Körpermuskelanteile.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Ausüben stereotypen Verhaltens zu Differenzen im metabolischen Phänotyp nicht-stereotyper und stereotyper FVB/NJ-Mäuse führt. Im Sinne der „Guten Wissenschaftlichen Praxis“ sollte das zentrale Ziel jedes Wissenschaftlers sein, aussagekräftige und reproduzierbare Daten hervorzubringen. Jedoch können keine validen Resultate von Tieren erzeugt werden, die in Aspekten variieren, die für den vorgesehenen Zweck der Studie nicht berücksichtigt wurden. Deshalb sollten nicht-stereotype und stereotype Individuen nicht innerhalb einer Versuchsgruppe randomisiert werden. Stereotype Tiere demzufolge von geplanten Studien auszuschließen, würde allerdings dem Gebot des zweiten R’s – der Reduction – widersprechen. Um Refinement zu garantieren, sollte der Fokus auf der maximal erreichbaren Prävention stereotypen Verhaltens liegen. Diverse Studien haben bereits gezeigt, dass die Anreicherung der Haltungsumwelt (environmental enrichment) zu einer Senkung der Prävalenz von Stereotypien bei Mäusen führt, dennoch kommen sie weiterhin vor. Daher sollte environmental enrichment zukünftig weniger ein „Kann“, sondern ein „Muss“ sein – oder vielmehr: der Goldstandard. Zudem würde eine profunde phänotypische Charakterisierung dazu beitragen, Mausstämme zu erkennen, die zu Stereotypien neigen und den für den spezifischen Zweck am besten geeigneten Mausstamm zu identifizieren, bevor ein Experiment geplant wird.
Background: Consumption of whole-grain, coffee, and red meat were consistently related to the risk of developing type 2 diabetes in prospective cohort studies, but potentially underlying biological mechanisms are not well understood. Metabolomics profiles were shown to be sensitive to these dietary exposures, and at the same time to be informative with respect to the risk of type 2 diabetes. Moreover, graphical network-models were demonstrated to reflect the biological processes underlying high-dimensional metabolomics profiles.
Aim: The aim of this study was to infer hypotheses on the biological mechanisms that link consumption of whole-grain bread, coffee, and red meat, respectively, to the risk of developing type 2 diabetes. More specifically, it was aimed to consider network models of amino acid and lipid profiles as potential mediators of these risk-relations.
Study population: Analyses were conducted in the prospective EPIC-Potsdam cohort (n = 27,548), applying a nested case-cohort design (n = 2731, including 692 incident diabetes cases). Habitual diet was assessed with validated semiquantitative food-frequency questionnaires. Concentrations of 126 metabolites (acylcarnitines, phosphatidylcholines, sphingomyelins, amino acids) were determined in baseline-serum samples. Incident type 2 diabetes cases were assed and validated in an active follow-up procedure. The median follow-up time was 6.6 years.
Analytical design: The methodological approach was conceptually based on counterfactual causal inference theory. Observations on the network-encoded conditional independence structure restricted the space of possible causal explanations of observed metabolomics-data patterns. Given basic directionality assumptions (diet affects metabolism; metabolism affects future diabetes incidence), adjustment for a subset of direct neighbours was sufficient to consistently estimate network-independent direct effects. Further model-specification, however, was limited due to missing directionality information on the links between metabolites. Therefore, a multi-model approach was applied to infer the bounds of possible direct effects. All metabolite-exposure links and metabolite-outcome links, respectively, were classified into one of three categories: direct effect, ambiguous (some models indicated an effect others not), and no-effect.
Cross-sectional and longitudinal relations were evaluated in multivariable-adjusted linear regression and Cox proportional hazard regression models, respectively. Models were comprehensively adjusted for age, sex, body mass index, prevalence of hypertension, dietary and lifestyle factors, and medication.
Results: Consumption of whole-grain bread was related to lower levels of several lipid metabolites with saturated and monounsaturated fatty acids. Coffee was related to lower aromatic and branched-chain amino acids, and had potential effects on the fatty acid profile within lipid classes. Red meat was linked to lower glycine levels and was related to higher circulating concentrations of branched-chain amino acids. In addition, potential marked effects of red meat consumption on the fatty acid composition within the investigated lipid classes were identified.
Moreover, potential beneficial and adverse direct effects of metabolites on type 2 diabetes risk were detected. Aromatic amino acids and lipid metabolites with even-chain saturated (C14-C18) and with specific polyunsaturated fatty acids had adverse effects on type 2 diabetes risk. Glycine, glutamine, and lipid metabolites with monounsaturated fatty acids and with other species of polyunsaturated fatty acids were classified as having direct beneficial effects on type 2 diabetes risk.
Potential mediators of the diet-diabetes links were identified by graphically overlaying this information in network models. Mediation analyses revealed that effects on lipid metabolites could potentially explain about one fourth of the whole-grain bread effect on type 2 diabetes risk; and that effects of coffee and red meat consumption on amino acid and lipid profiles could potentially explain about two thirds of the altered type 2 diabetes risk linked to these dietary exposures.
Conclusion: An algorithm was developed that is capable to integrate single external variables (continuous exposures, survival time) and high-dimensional metabolomics-data in a joint graphical model. Application to the EPIC-Potsdam cohort study revealed that the observed conditional independence patterns were consistent with the a priori mediation hypothesis: Early effects on lipid and amino acid metabolism had the potential to explain large parts of the link between three of the most widely discussed diabetes-related dietary exposures and the risk of developing type 2 diabetes.
Adipositas wird mit einer Vielzahl schwerwiegender Folgeerkrankungen in Verbindung gebracht. Eine Gewichtsreduktion führt zu einer Verbesserung der metabolischen Folgen der Adipositas. Es ist bekannt, dass die Mehrzahl der adipösen Personen in den Monaten nach der Gewichtsreduktion einen Großteil des abgenommenen Gewichts wieder zunimmt. Nichtsdestotrotz existiert eine hohe Variabilität hinsichtlich des Langzeiterfolges einer Gewichtsreduktion. Der erfolgreiche Erhalt des reduzierten Körpergewichts einiger Personen führt zu der Frage nach den Faktoren, die einen Gewichtserhalt beeinflussen, mit dem Ziel einen Ansatzpunkt für mögliche Therapiestrategien zu identifizieren.
In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen einer kontrollierten, randomisierten Studie mit 143 übergewichtigen Probanden untersucht, ob nach einer dreimonatigen Gewichtsreduktion eine zwölfmonatige gewichtsstabilisierende Lebensstilintervention einen Einfluss auf die Veränderungen der neuroendokrinen Regelkreisläufe und damit auf den langfristigen Gewichtserhalt über einen Zeitraum von achtzehn Monaten hat.
Hierbei wurde im Vergleich der beiden Behandlungsgruppen primär festgestellt, dass die multimodale Lebensstilintervention zu einer Gewichtstabilisierung über die Dauer dieser zwölfmonatigen Behandlungsphase führte. In der Kontrollgruppe kam es zu einer moderaten Gewichtszunahme . Dadurch war nach Beendigung der Interventionsphase der BMI der Teilnehmer in der Kontrollgruppe höher als der in der Interventionsgruppe (34,1±6,0 kg*m-2 vs. 32,4±5,7 kg*m-2; p<0,01).
Während der Nachbeobachtungszeit war die Interventionsgruppe durch eine signifikant stärkere Gewichtswiederzunahme im Vergleich zur Kontrollgruppe gekennzeichnet, so dass der BMI zwischen beiden Behandlungsgruppen bereits sechs Monate nach der Intervention keinen Unterschied mehr aufwies.
Bezüglich der hormonellen Veränderung durch die Gewichtsreduktion wurde, wie erwartet, eine Auslenkung des endokrinen Systems beobachtet. Jedoch konnte kein Unterschied der untersuchten Hormone im Vergleich der beiden Behandlungsgruppen ausfindig gemacht werden.
Im Verlauf der Gewichtsabnahme und der anschließenden Studienphasen zeigten sich tendenziell drei verschiedene Verlaufsmuster in den hormonellen Veränderungen. Nach einer zusätzlichen Adjustierung auf den jeweiligen BMI des Untersuchungszeitpunktes konnte für die TSH-Spiegel (p<0,05), die Schilddrüsenhormone (p<0,001) und für die IGF 1-Spiegel (p<0,001) eine über die Studienzeit anhaltende Veränderung festgestellt werden.
Abschließend wurde behandlungsgruppenunabhängig untersucht, ob die Hormonspiegel nach Gewichtsreduktion oder ob die relative hormonelle Veränderung während der Gewichtsreduktion prädiktiv für den Erfolg der Gewichterhaltungsphase ist. Hier fand sich für die Mehrzahl der hormonellen Parameter kein Effekt auf die Langzeitentwicklung der Gewichtszunahme. Jedoch konnte gezeigt werden, dass eine geringere Abnahme der 24h Urin-Metanephrin-Ausscheidung während der Gewichtsabnahmephase mit einem besseren Erfolg bezüglich des Gewichtserhalts über die achtzehnmonatige Studienzeit assoziiert war (standardisiertes Beta= -0,365; r2=0,133 p<0,01). Die anderen hormonellen Achsen zeigten keinen nachweislichen Effekt.
Background: Obesity is thought to be the consequence of an unhealthy nutrition and a lack of physical activity. Although the resulting metabolic alterations such as impaired glucose homeostasis and insulin sensitivity can usually be improved by physical activity, some obese patients fail to enhance skeletal muscle metabolic health with exercise training. Since this might be largely heritable, maternal nutrition during pregnancy and lactation is hypothesized to impair offspring skeletal muscle physiology.
Objectives: This PhD thesis aims to investigate the consequences of maternal high-fat diet (mHFD) consumption on offspring skeletal muscle physiology and exercise performance. We could show that maternal high-fat diet during gestation and lactation decreases the offspring’s training efficiency and endurance performance by influencing the epigenetic profile of their skeletal muscle and altering the adaptation to an acute exercise bout, which in long-term, increases offspring obesity susceptibility.
Experimental setup: To investigate this issue in detail, we conducted several studies with a similar maternal feeding regime. Dams (C57BL/6J) were either fed a low-fat diet (LFD; 10 energy% from fat) or high-fat diet (HFD; 40 energy% from fat) during pregnancy and lactation. After weaning, male offspring of both maternal groups were switched to a LFD, on which they remained until sacrifice in week 6, 15 or 25. In one study, LFD feeding was followed by HFD provision from week 15 until week 25 to elucidate the effects on offspring obesity susceptibility. In week 7, all mice were randomly allocated to a sedentary group (without running wheel) or an exercised group (with running wheel for voluntary exercise training). Additionally, treadmill endurance tests were conducted to investigate training performance and efficiency. In order to uncover regulatory mechanisms, each study was combined with a specific analytical setup, such as whole genome microarray analysis, gene and protein expression analysis, DNA methylation analyses, and enzyme activity assays.
Results: mHFD offspring displayed a reduced training efficiency and endurance capacity. This was not due to an altered skeletal muscle phenotype with changes in fiber size, number, and type. DNA methylation measurements in 6 week old offspring showed a hypomethylation of the Nr4a1 gene in mHFD offspring leading to an increased gene expression. Since Nr4a1 plays an important role in the regulation of skeletal muscle energy metabolism and early exercise adaptation, this could affect offspring training efficiency and exercise performance in later life.
Investigation of the acute response to exercise showed that mHFD offspring displayed a reduced gene expression of vascularization markers (Hif1a, Vegfb, etc) pointing towards a reduced angiogenesis which could possibly contribute to their reduced endurance capacity. Furthermore, an impaired glucose utilization of skeletal muscle during the acute exercise bout by an impaired skeletal muscle glucose handling was evidenced by higher blood glucose levels, lower GLUT4 translocation and diminished Lactate dehydrogenase activity in mHFD offspring immediately after the endurance test. These points towards a disturbed use of glucose as a substrate during endurance exercise. Prolonged HFD feeding during adulthood increases offspring fat mass gain in mHFD offspring compared to offspring from low-fat fed mothers and also reduces their insulin sensitivity pointing towards a higher obesity and diabetes susceptibility despite exercise training. Consequently, mHFD reduces offspring responsiveness to the beneficial effects of voluntary exercise training.
Conclusion: The results of this PhD thesis demonstrate that mHFD consumption impairs the offspring’s training efficiency and endurance capacity, and reduced the beneficial effects of exercise on the development of diet-induced obesity and insulin resistance in the offspring.
This might be due to changes in skeletal muscle epigenetic profile and/or an impaired skeletal muscle angiogenesis and glucose utilization during an acute exercise bout, which could contribute to a disturbed adaptive response to exercise training.
Hintergrund: Die Untersuchung von Ernährungsmustern als komplementärer Ansatz zu der Untersuchung einzelner Lebensmittel nimmt stetig zu. Generell können drei verschiedene Ansätze unterschieden werden um Ernährungsmuster herzuleiten: A priori Indizes, welche das Wissen über gesundheitsförderliche und –schädliche Eigenschaften eines Lebensmittels für einen gewissen Endpunkt nutzen; A posteriori (exploratorische) Ernährungsmuster, welche die populationsspezifischen vorliegenden Daten ohne eine vorangegangene Hypothese nutzen; gemischte Methoden, die das Wissen über bestimmte Nährstoffe oder Biomarker, welche in der Krankheitsentstehung eine Rolle spielen, nutzen und mit einer exploratorischen Methode kombinieren um krankheitsrelevante Ernährungsmuster zu generieren. Vorangegangene systematische Übersichtsarbeiten, welche die Evidenz der Assoziation zwischen Ernährungsmustern und Diabetes mellitus Typ 2 zusammenfassten, waren entweder beschränkt auf eine Mustermethode oder kombinierten die Muster verschiedener Methoden, ohne die Zusammensetzung der Ernährungsmuster zu berücksichtigen.
Ziel: Das Ziel dieser Dissertation war eine umfassende Untersuchung der Assoziation von Ernährungsmustern mit Diabetes mellitus Typ 2. Das erste Teilprojekt zielte auf die Erstellung einer systematischen Übersichtsarbeit von prospektiven Studien ab, unter der Berücksichtigung der verschiedenen Methoden zur Herleitung von Ernährungsmustern in der meta-analytischen Zusammenfassung, was in vorangegangen Übersichtsarbeiten eine Limitation darstellte. Das zweite Teilprojekt hatte die Untersuchung der Assoziation mit Diabetes mellitus Typ 2 von exploratorischen Ernährungsmustern, welche mit der Hauptkomponentenanalyse in einer multi-zentrischen europäischen Fall-Kohorten Studie hergeleitet wurden, zum Ziel. Des Weiteren wurde der eingeschränkten Anwendbarkeit von exploratorischen Mustern in anderen Studienpopulationen mit Methoden der Replikation dieser Ernährungsmuster begegnet.
Methoden: Im ersten Teilprojekt wurde eine systematische Literatursuche in den Datenbanken MEDLINE und Web of Science vorgenommen, sowie ein dreistufiger Screeningprozess. Die identifizierten Studien wurden nach den jeweiligen Methoden zur Erstellung von Ernährungsmustern zusammengefasst und Meta-Analysen nur für diejenigen Ernährungsmuster mit vergleichbarer Zusammensetzung vorgenommen. Im zweiten Teilprojekt wurden länderspezifische Ernährungsmuster mittels Hauptkomponentenanalyse aus 36 standardisierten Lebensmittelgruppen hergeleitet. Die Assoziation mit Diabetes mellitus Typ 2 Risiko wurde mit verschieden adjustierten Cox Regressionsmodellen zur Berechnung von Hazardratenverhältnissen untersucht. Die Ernährungsmuster, welche eine signifikante Assoziation mit dem Diabetesrisiko aufzeigten, wurden anschließend über alle Länder in der EPIC-InterAct Studie repliziert: Entweder wurden Summenscores ungewichteter standardisierter Lebensmittelgruppen berechnet (wenn die Korrelation mit dem originalen Ernährungsmuster r ≥ 0.90 war) oder Summenscores der Produkte von standardisierten Scoringkoeffizienten mit standardisierten Lebensmittelgruppen (wenn die Korrelation mit dem originalen Ernährungsmuster r < 0.90). Die resultierenden Scores wurden standardisiert nach der Verteilung der gesamten EPIC-InterAct Subkohorte, dann in jedem Land angewendet und die Assoziation mit Diabetes mellitus Typ 2 anhand der Cox Regressionsmodelle berechnet. Anschließend wurden Meta-Analysen zur Berechnung der gepoolten Schätzer durchgeführt.
Ergebnisse: Im ersten Teilprojekt ergab die Literatursuche 48 Artikel, welche 16 Kohorten umfassten. Die Einhaltung der Mediterranen Diät (relatives Risiko (RR) für den Vergleich der extremen Quantile: 0,87; 95%-Konfidenzintervall (KI): 0,82, 0,93), der DASH Diät (RR: 0,81; 95%-KI: 0,72, 0,92) und des Alternative Healthy Eating Index (AHEI) (RR: 0,79; 95%-KI: 0,69, 0,90) war mit einer signifikanten Reduzierung des Diabetesrisikos assoziiert. Exploratorische Ernährungsmuster, charakterisiert durch rotes und verarbeitetes Fleisch, prozessiertes Getreide, hochfette Milchprodukte, Eier und frittierte Produkte, waren positiv mit dem Diabetesrisiko assoziiert (RR: 1,44; 95%-KI: 1,27, 1,62), während Ernährungs-muster, charakterisiert durch Gemüse, Hülsenfrüchte, Obst, Geflügel und Fisch, invers mit dem Diabetesrisiko assoziiert waren (RR: 0,84; 95%-KI: 0,77, 0,91). Ernährungsmuster, welche mit reduzierter Rangregression hergeleitet wurden und charakterisiert waren durch eine hohe Aufnahme von prozessiertem Getreide, zuckergesüßten Getränken und verarbeitetem Fleisch und einen niedrigen Weinkonsum, waren alle signifikant mit dem Diabetesrisiko assoziiert. Im zweiten Teilprojekt konnten zwei wesentliche Ernährungsmuster in jedem Land mit der Hauptkomponentenanalyse hergeleitet werden. Ein Ernährungsmuster, welches in Frankreich hergeleitet wurde und charakterisiert war durch Nüsse, andere Früchte, verarbeitetes Fleisch, Fisch, Eier, Kuchen und Kekse, Kaffee und andere alkoholische Getränke, war signifikant assoziiert mit einem erniedrigten Diabetesrisiko. Drei andere Ernährungsmuster, hergeleitet in Spanien, Norfolk und Oxford, welche sich erheblich in ihrer Zusammensetzung unterschieden, waren mit einem erhöhten Diabetesrisiko assoziiert. Keine der Replikationen dieser vier Ernährungsmuster konnte die signifikante Assoziation mit Diabetes mellitus Typ 2 über andere Länder bestätigen.
Schlussfolgerung: Aus der systematischen Übersichtsarbeit ließ sich schlussfolgern, dass Ernährungsweisen gemäß der Mediterranen Diät, DASH und AHEI ein starkes Potenzial zur Prävention von Diabetes mellitus Typ 2 zu haben, obwohl sie sich in einigen Komponenten unterscheiden. Exploratorische Ernährungsmuster wurden basierend auf konkordanten Lebensmitteln gruppiert und waren signifikant mit dem Diabetesrisiko assoziiert, auch wenn die Untersuchungen einzelner Lebensmittel eher begrenzte Evidenz für einen Zusammenhang aufwiesen. Trotzdem bleiben sie populationsspezifische Beobachtungen. Das wurde auch in dem zweiten Teilprojekt unterstrichen, als länderspezifische Ernährungsmuster generiert wurden und keines der Ernährungsmuster, welches signifikant mit dem Diabetesrisiko assoziiert war, durch Simplifizierung oder Replikation der Musterstruktur des Originalmusters über alle Länder bestätigt werden konnte. Für drei RRR-Muster konnten konsistente positive Assoziationen mit dem Diabetesrisiko über verschiedene Studienpopulationen beobachtet werden.
Der Bittergeschmack warnt den Organismus vor potentiell verdorbener oder giftiger Nahrung und ist somit ein wichtiger Kontrollmechanismus. Die initiale Detektion der zahlreich vorkommenden Bitterstoffe erfolgt bei der Maus durch 35 Bitterrezeptoren (Tas2rs), die sich im Zungengewebe befinden. Die Geschmacksinformation wird anschließend von der Zunge über das periphere (PNS) ins zentrale Nervensystem (ZNS) geleitet, wo deren Verarbeitung stattfindet. Die Verarbeitung der Geschmacksinformation konnte bislang nicht gänzlich aufgeklärt werden. Neue Studien deuten auf eine Expression von Tas2rs auch im PNS und ZNS entlang der Geschmacksbahn hin. Über Vorkommen und Aufgaben dieser Rezeptoren bzw. Rezeptorzellen im Nervensystem ist bislang wenig bekannt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Tas2r-Expression in verschiedenen Mausmodellen untersucht, Tas2r-exprimierende Zellen identifiziert und deren Funktionen bei der Übertragung der Geschmacksinformationen analysiert. Im Zuge der Expressionsanalysen mittels qRT-PCR konnte die Expression von 25 der 35 bekannten Bittergeschmacksrezeptoren im zentralen Nervensystem der Maus nachgewiesen werden. Die Expressionsmuster im PNS sowie im ZNS lassen darüber hinaus Vermutungen zu Funktionen in verschiedenen Bereichen des Nervensystems zu. Basierend auf den Ergebnissen der Expressionsanalysen war es möglich, stark exprimierte Tas2rs mittels In-situ-Hybridisierung in verschiedenen Zelltypen zu visualisieren. Des Weiteren konnten immunhistochemische Färbungen unter Verwendung eines genetisch modifizierten Mausmodells die Ergebnisse der Expressionsanalysen bestätigen. Sie zeigten eine Expression von Tas2rs, am Beispiel des Tas2r131-Rezeptors, in cholinergen, dopaminergen, GABAergen, noradrenergen und glycinerg-angesteuerten Projektionsneuronen sowie in Interneuronen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen daher erstmals das Vorkommen von Tas2rs in verschiedenen neuronalen Zelltypen in weiten Teilen des ZNS. Dies lässt den Schluss zu, dass Tas2r-exprimierende Zellen potentiell multiple Funktionen innehaben. Anhand von Verhaltensexperimenten in genetisch modifizierten Mäusen wurde die mögliche Funktion von Tas2r131-exprimierenden Neuronen (Tas2r131-Neurone) bei der Geschmackswahrnehmung untersucht. Die Ergebnisse weisen auf eine Beteiligung von Tas2r131-Neuronen an der Signalweiterleitung bzw. -verarbeitung der Geschmacksinformation für eine Auswahl von Bittersubstanzen hin. Die Analysen zeigen darüber hinaus, dass Tas2r131-Neuronen nicht an der Geschmackswahrnehmung anderer Bitterstoffe sowie Geschmacksstimuli anderer Qualitäten (süß, umami, sauer, salzig), beteiligt sind. Eine spezifische „Tas2r131-Bittergeschmacksbahn“, die mit anderen potentiellen „Bitterbahnen“ teils unabhängige, teils überlappende Signalwege bzw. Verarbeitungsbereiche besitzt, bildet eine mögliche zelluläre Grundlage zur Unterscheidung von Bitterstoffen. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandene Hypothese einer potentiellen Diskriminierung von Bitterstoffen soll daher in weiterführenden Studien durch die Etablierung eines Verhaltenstest mit Mäusen geprüft werden.
Die hohe Energieaufnahme durch Fette ist ein Hauptfaktor für die Entstehung von Adipositas, was zu weltweiten Bestrebungen führte, die Fettaufnahme zu verringern. Fettreduzierte Lebensmittel erreichen jedoch, trotz ihrer Weiterentwicklung, nicht die Schmackhaftigkeit ihrer Originale. Die traditionelle Sichtweise, dass die Attraktivität von Fetten allein durch Textur, Geruch, Aussehen und postingestive Effekte bestimmt wird, wird nun durch das Konzept einer gustatorischen Wahrnehmung ergänzt. Bei Nagetieren zeigte sich, dass Lipide unabhängig von den vorgenannten Eigenschaften erkannt werden, sowie, dass Fettsäuren, freigesetzt durch linguale Lipasen, als gustatorische Stimuli fungieren und Fettsäuresensoren in Geschmackszellen exprimiert sind. Die Datenlage für den Menschen erwies sich jedoch als sehr begrenzt, daher war es Ziel der vorliegenden Arbeit molekulare und histologische Voraussetzungen für eine gustatorische Fettwahrnehmung beim Menschen zu untersuchen.
Zunächst wurde humanes Geschmacksgewebe mittels RT-PCR und immunhistochemischen Methoden auf die Expression von Fettsäuresensoren untersucht, sowie exprimierende Zellen in Kofärbeexperimenten charakterisiert und quantifiziert. Es wurde die Expression fettsäuresensitiver Rezeptoren nachgewiesen, deren Agonisten das gesamte Spektrum an kurz- bis langkettigen Fettsäuren abdecken (GPR43, GPR84, GPR120, CD36, KCNA5). Ein zweifelsfreier Nachweis des Proteins konnte für den auf langkettige Fettsäuren spezialisierten Rezeptor GPR120 in Typ-I- und Typ-III-Geschmackszellen der Wallpapillen erbracht werden. Etwa 85 % dieser GPR120-exprimierenden Zellen enthielten keine der ausgewählten Rezeptoren der Geschmacksqualitäten süß (TAS1R2/3), umami (TAS1R1/3) oder bitter (TAS2R38). Somit findet sich in humanen Geschmackspapillen nicht nur mindestens ein Sensor, sondern möglicherweise auch eine spezifische, fettsäuresensitive Zellpopulation. Weitere RT-PCR-Experimente und Untersuchungen mittels In-situ-Hybridisierung wurden zur Klärung der Frage durchgeführt, ob Lipasen in den Von-Ebner-Speicheldrüsen (VED) existieren, die freie Fettsäuren aus Triglyceriden als gustatorischen Stimulus freisetzen können. Es zeigte sich zwar keine Expression der bei Nagetieren gefundenen Lipase F (LIPF), jedoch der eng verwandten Lipasen K, M und N in den serösen Zellen der VED. In-silico-Untersuchungen der Sekundär- und Tertiärstrukturen zeigten die hohe Ähnlichkeit zu LIPF, erwiesen aber auch Unterschiede in den Bindungstaschen der Enzyme, welche auf ein differenziertes Substratspektrum hinweisen. Die Anwesenheit eines spezifischen Signalpeptids macht eine Sekretion der Lipasen in den die Geschmacksporen umspülenden Speichel wahrscheinlich und damit auch eine Bereitstellung von Fettsäuren als Stimuli für Fettsäuresensoren. Die Übertragung des durch diese Stimuli hervorgerufenen Signals von Geschmackszellen auf gustatorische Nervenfasern über P2X-Rezeptormultimere wurde mit Hilfe einer vorherigen Intervention mit einem P2X3 /P2X2/3-spezifischen Antagonisten an der Maus als Modellorganismus im Kurzzeit-Präferenztest untersucht. Es zeigte sich weder eine Beeinträchtigung der Wahrnehmung einer Fettsäurelösung, noch einer zuckerhaltigen Kontrolllösung, wohingegen die Wahrnehmung einer Bitterstofflösung reduziert wurde. Somit ist anhand der Ergebnisse dieser Arbeit eine Beteiligung des P2X3-Homomers bzw. des P2X2/3-Heteromers unwahrscheinlich, jedoch die des P2X2-Homomers und damit der gustatorischen Nervenfasern nicht ausgeschlossen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen auf die Erfüllung grundlegender Voraussetzungen für die gustatorische Fett(säure)wahrnehmung hin und tragen zum Verständnis der sensorischen Fettwahrnehmung und der Regulation der Fettaufnahme bei. Das Wissen um die Regulation dieser Mechanismen stellt eine Grundlage zur Aufklärung der Ursachen und damit der Bekämpfung von Adipositas und assoziierten Krankheiten dar.
The ever-increasing fat content in Western diet, combined with decreased levels of physical activity, greatly enhance the incidence of metabolic-related diseases. Cancer cachexia (CC) and Metabolic syndrome (MetS) are both multifactorial highly complex metabolism related syndromes, whose etiology is not fully understood, as the mechanisms underlying their development are not completely unveiled. Nevertheless, despite being considered “opposite sides”, MetS and CC share several common issues such as insulin resistance and low-grade inflammation. In these scenarios, tissue macrophages act as key players, due to their capacity to produce and release inflammatory mediators. One of the main features of MetS is hyperinsulinemia, which is generally associated with an attempt of the β-cell to compensate for diminished insulin sensitivity (insulin resistance). There is growing evidence that hyperinsulinemia per se may contribute to the development of insulin resistance, through the establishment of low grade inflammation in insulin responsive tissues, especially in the liver (as insulin is secreted by the pancreas into the portal circulation). The hypothesis of the present study was that insulin may itself provoke an inflammatory response culminating in diminished hepatic insulin sensitivity. To address this premise, firstly, human cell line U937 differentiated macrophages were exposed to insulin, LPS and PGE2. In these cells, insulin significantly augmented the gene expression of the pro-inflammatory mediators IL-1β, IL-8, CCL2, Oncostatin M (OSM) and microsomal prostaglandin E2 synthase (mPGES1), and of the anti-inflammatory mediator IL-10. Moreover, the synergism between insulin and LPS enhanced the induction provoked by LPS in IL-1β, IL-8, IL-6, CCL2 and TNF-α gene. When combined with PGE2, insulin enhanced the induction provoked by PGE2 in IL-1β, mPGES1 and COX2, and attenuated the inhibition induced by PGE2 in CCL2 and TNF-α gene expression contributing to an enhanced inflammatory response by both mechanisms. Supernatants of insulin-treated U937 macrophages reduced the insulin-dependent induction of glucokinase in hepatocytes by 50%. Cytokines contained in the supernatant of insulin-treated U937 macrophages also activated hepatocytes ERK1/2, resulting in inhibitory serine phosphorylation of the insulin receptor substrate. Additionally, the transcription factor STAT3 was activated by phosphorylation resulting in the induction of SOCS3, which is capable of interrupting the insulin receptor signal chain. MicroRNAs, non-coding RNAs linked to protein expression regulation, nowadays recognized as active players in the generation of several inflammatory disorders such as cancer and type II diabetes are also of interest. Considering that in cancer cachexia, patients are highly affected by insulin resistance and inflammation, control, non-cachectic and cachectic cancer patients were selected and the respective circulating levels of pro-inflammatory mediators and microRNA-21-5p, a posttranscriptional regulator of STAT3 expression, assessed and correlated. Cachectic patients circulating cytokines IL-6 and IL-8 levels were significantly higher than those of non-cachectic and controls, and the expression of microRNA-21-5p was significantly lower. Additionally, microRNA-21-5p reduced expression correlated negatively with IL-6 plasma levels. These results indicate that hyperinsulinemia per se might contribute to the low grade inflammation prevailing in MetS patients and thereby promote the development
of insulin resistance particularly in the liver. Diminished MicroRNA-21-5p expression may enhance inflammation and STAT3 expression in cachectic patients, contributing to the development of insulin resistance.
Dietary approaches contribute to the prevention and treatment of type 2 diabetes. High protein diets were shown to exert beneficial as well as adverse effects on metabolism. However, it is unclear whether the protein origin plays a role in these effects. The LeguAN study investigated in detail the effects of two high protein diets, either from plant or animal origin, in type 2 diabetic patients. Both diets contained 30 EN% protein, 40 EN% carbohydrates, and 30 EN% fat. Fiber content, glycemic index, and composition of dietary fats were similar in both diets. In comparison to previous dietary habits, the fat content was exchanged for protein, while the carbohydrate intake was not modified. Overall, both high protein diets led to improvements of glycemic control, insulin sensitivity, liver fat, and cardiovascular risk markers without remarkable differences between the protein types.
Fasting glucose together with indices of insulin resistance were ameliorated by both interventions to varying extents but without significant differences between protein types. The decline of HbA1c was more pronounced in the plant protein group, whereby the improvement of insulin sensitivity in the animal protein group. The high protein intake had only slight influence on postprandial metabolism seen for free fatty acids and indices of insulin secretion, sensitivity and degradation. Except for GIP release, ingestion of animal and plant meals did not provoke differential metabolic and hormonal responses despite diverse circulating amino acid levels.
The animal protein diets led to a selective increase of fat-free mass and decrease of total fat mass, which was not significantly different from the plant protein diet. Moreover, the high protein diets potently decreased liver fat content by 42% on average which was linked to significantly diminished lipogenesis, free fatty acids flux and lipolysis in adipose tissue. Moderate decline of circulating liver enzymes was induced by both interventions. The liver fat reduction was associated with improved glucose homeostasis and insulin sensitivity which underlines the protective effect of the diets.
Blood lipid profile improved in all subjects and was probably related to the lower fat intake. Reductions in uric acid and markers of inflammation further argued for metabolic benefits of both high protein diets. Systolic and diastolic blood pressure declined only in the PP group pointing a possible role of arginine.
Kidney function was not altered by high protein consumption over 6 weeks. The rapid decrease of serum creatinine in the PP group was noteworthy and should be further investigated. Protein type did not seem to play a role but long-term studies are warranted to fully elucidate safety of high protein regimen.
Varying the source of dietary proteins did not affect the mTOR pathway in adipose tissue and blood cells under neither acute nor chronic settings. Enhancement of whole-body insulin sensitivity suggested also no alteration of mTOR and no impairment of insulin sensitivity in skeletal muscle.
A remarkable outcome was the extensive reduction of FGF21, critical regulator of metabolic processes, by approximately 50% independently of protein type. Whether hepatic ER-stress, ammonia flux or rather macronutrient preferences is behind this paradoxical finding remains to be investigated in detail.
Unlike initial expectations and previous reports plant protein based diet had no clear advantage over animal proteins. The pronounced beneficial effect of animal protein on insulin homeostasis despite high BCAA and methionine intake was certainly unexpected assuming more complex metabolic adaptations occurring upon prolonged consumption. In addition, the reduced fat intake may have also contributed to the overall improvements in both groups.
Taking into account the above observed study results, a short-term diet containing 30 EN% protein (either from plant or animal origin), 40 EN% carbohydrates, and 30 EN% fat with lower SFA amount leads to metabolic improvements in diabetic patients, regardless of protein source.
The impact of collagen modifications by methylglyoxal on fibroblast function and the role in aging
(2016)
Durch die Zunahme metabolischer Stoffwechselstörungen und Erkrankungen in der Weltbevölkerung wird in der Medizin und den Lebenswissenschaften vermehrt nach Präventionsstrategien und Ansatzpunkten gesucht, die die Gesundheit fördern, Erkrankungen verhindern helfen und damit auch die Gesamtlast auf die Gesundheitssysteme erleichtern. Ein Ansatzpunkt wird dabei in der Ernährung gesehen, da insbesondere der Konsum von gesättigten Fetten die Gesundheit nachträglich zu beeinflussen scheint. Dabei wird übersehen, dass in vielen Studien Hochfettdiäten nicht ausreichend von den Einflüssen einer zum Bedarf hyperkalorischen Energiezufuhr getrennt werden, sodass die Datenlage zu dem Einfluss von (gesättigten) Fetten auf den Metabolismus bei gleichbleibender Energieaufnahme noch immer unzureichend ist.
In der NUtriGenomic Analysis in Twins-Studie wurden 46 Zwillingspaare (34 monozygot, 12 dizygot) über einen Zeitraum von sechs Wochen mittels einer kohlenhydratreichen, fettarmen Diät nach Richtlinien der Deutschen Gesellschaft für Ernährung für ihr Ernährungsverhalten standardisiert, ehe sie zu einer kohlenhydratarmen, fettreichen Diät, die insbesondere gesättigte Fette enthielt, für weitere sechs Wochen wechselten. Beide Diäten waren dem individuellen Energiebedarf der Probanden angepasst, um so sowohl akut nach einerWoche als auch längerfristig nach sechs Wochen Änderungen des Metabolismus beobachten zu können, die sich in der vermehrten Aufnahme von (gesättigten) Fetten begründeten.
Die über die detaillierte Charakterisierung der Probanden an den klinischen Untersuchungstagen generierten Datensätze wurden mit statistischen und mathematischen Methoden (z.B. lineare gemischte Modellierung) analysiert, die der Größe der Datensätze und damit ihrem Informationsvolumen angepasst waren.
Es konnte gezeigt werden, dass die metabolisch gesunden und relativ jungen Probanden, die eine gute Compliance zeigten, im Hinblick auf ihren Glukosestoffwechsel adaptieren konnten, indem die Akutantwort nach einer Woche im Nüchterninsulin und dem Index für Insulinresistenz in den weiteren fünf Wochen ausgeglichen wurde.
Der Lipidstoffwechsel in Form der klassischen Marker wie Gesamtcholesterin, LDL und HDL war dagegen stärker beeinflusst und auch nach insgesamt sechs Wochen deutlich erhöht.
Letzteres unterstützt die Beobachtung im Transkriptom des weißen, subkutanen Fettgewebes, bei der eine Aktivierung der über die Toll-like receptors und das Inflammasom vermittelten subklinischen Inflammation beobachtet werden konnte.
Die auftretenden Veränderungen in Konzentration und Komposition des Plasmalipidoms zeigte ebenfalls nur eine teilweise und auf bestimmte Spezies begrenzte Gegenregulation.
Diesbezüglich kann also geschlussfolgert werden, dass auch die isokalorische Aufnahme von (gesättigten) Fetten zu Veränderungen im Metabolismus führt, wobei die Auswirkungen in weiteren (Langzeit-)Studien und Experimenten noch genauer untersucht werden müssen. Insbesondere wäre dabei ein längerer Zeitraum unter isokalorischen Bedingungen von Interesse und die Untersuchung von Probanden mit metabolischer Vorbelastung (z.B. Insulinresistenz).
Darüber hinaus konnte in NUGAT aber ebenfalls gezeigt werden, dass die Nutrigenetik und Nutrigenomik zwei nicht zu vernachlässigende Faktoren darstellen. So zeigten unter anderem die Konzentrationen einiger Lipidspezies eine starke Erblichkeit und Abhängigkeit der Diät.
Zudem legen die Ergebnisse nahe, dass laufende wie geplante Präventionsstrategien und medizinische Behandlungen deutlich stärker den Patienten als Individuum mit einbeziehen müssen, da die Datenanalyse interindividuelle Unterschiede identifizierte und Hinweise lieferte, dass einige Probanden die nachteiligen, metabolischen Auswirkungen einer Hochfettdiät besser ausgleichen konnten als andere.
Die sensorisch einwandfreie, konstant gute Qualität von Backprodukten, die beim Verbraucher einen hohen Stellenwert hat, wird maßgeblich durch den Gehalt endogener Getreideenzyme beeinflusst. Seit dem Auftreten züchtungsbedingter Enzymdefizite ist der Einsatz technischer Enzyme zur Gewährleistung dieser geforderten Qualität eine feste Größe in der Backwarenindustrie. Lebensmittelrechtlich werden technische Enzyme nicht als Zutat betrachtet, da sie theoretisch während des Backprozesses umgesetzt werden und im Endprodukt keine technologische Wirkung mehr zeigen. Vor allem in gebackenen Produkten bedarf es der Prüfung, dass die eingesetzten technischen Enzyme nicht mehr als Zutat vorliegen und sich somit einer potentiellen Deklarationspflicht entziehen. Zur Gewährleistung der Wirtschaftlichkeit muss der quantitative Einsatz technischer Enzyme in der Backwarenindustrie gesteuert werden, um optimale Effekte zu erzielen und Kosten zu sparen. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung eines Analysenverfahrens, das den simultanen Nachweis verschiedener technischer Enzyme und deren Quantifizierung im Spurenbereich auch in gebackenen Produkten ermöglicht.
Für die Einschätzung der Wirkung der technischen Enzyme Fungamyl (Novozymes), Amylase TXL (ASA Spezialenzyme GmbH) sowie Lipase FE-01 (ASA Spezialenzyme GmbH) wurden Backversuche durchgeführt, die zeigten, dass Fungamyl und Amylase TXL zu einer verbesserten Brotqualität (Volumenausbeute, Feuchtegehalt, Sensorik) beitrugen. Die Zugabe der Lipase FE-01 führte zu einer vermehrten Bildung freier Fettsäuren und wirkte sich negativ auf die sensorische Brotqualität aus. Dieser bisher nicht beschriebene Effekt konnte auf die Nutzung eines Spezialöls als Backzutat zurückgeführt werden, welches ausschließlich aus gesättigten Fettsäuren besteht. Dies bestätigt die Bedeutung der Auswahl eines geeigneten Fettes beim Zusatz technischer Lipase zum Backprozess.
Um die in Fungamyl und Lipase FE-01 enthaltenen Enzyme zu identifizieren, wurden SDS-PAGE und anschließender In-Gel-Verdau angewendet um die Analyse proteolytisch gespaltener Proteine mit MALDI-TOF-MS zu ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass Fungamyl ein Gemisch aus 9,8 % alpha-Amylase (Aspergillus oryzae) und 5,2 % Endo-1,4-Xylanase (Thermomyces lanuginosus) enthält. Lipase FE-01 besteht aus der Lipase (Thermomyces lanuginosus), Amylase TXL wurde als alpha-Amylase (Aspergillus oryzae) identifiziert.
Zur Analyse der technischen Enzyme in Backwaren wurde aufgrund seiner Robustheit und Sensitivität das Verfahren der LC-MS/MS gewählt. Die Entwicklung einer solchen Methode zur Detektion spezifischer Peptide ermöglichte den qualitativen Nachweis der 3 Enzyme alpha-Amylase (Aspergillus oryzae), Endo-1,4-Xylanase (Thermomyces lanuginosus) und Lipase (Thermomyces lanuginosus). Durch eine lineare Kalibrierung aus synthetisch hergestellten Peptiden unter Einbeziehung eines Protein-Internen-Standards sowie isotopenmarkierter Peptidstandards erfolgte darüber hinaus die quantitative Bestimmung in selbst hergestellten Referenzmaterialien (Weizenmehl, Toastbrot und Biskuitkeks). In weniger als 20 Minuten Messzeit kann das Enzym alpha-Amylase ab einer Konzentration von 2,58 mg/kg (Mehl, Keks), bzw. 7,61 mg/kg (Brot) quantitativ nachgewiesen werden. Zeitgleich können die Enzyme Endo-1,4-Xylanase ab einer Konzentration von 7,75 mg/kg (Brot), 3,64 mg/kg (Keks) bzw. 15,60 mg/kg (Mehl) sowie Lipase ab einer Konzentration von 1,26 mg/kg (Mehl, Keks), bzw. 2,68 mg/kg (Brot) quantifiziert werden. Die Methode wurde nach allgemein verwendeten Richtlinien im Zuge einer Validierung statistisch geprüft und lieferte sehr robuste und reproduzierbare quantitative Werte mit Wiederfindungsraten zwischen 50 % und 122 %. Das primäre Ziel dieser Arbeit, die Entwicklung eines quantitativen Multiparameterverfahrens zum Nachweis technischer Enzyme in Backwaren, wurde somit erfolgreich umgesetzt.
Protektiver Effekt von 6-Shogaol, Ellagsäure und Myrrhe auf die intestinale epitheliale Barriere
(2016)
Viele bioaktive Pflanzeninhaltsstoffe bzw. Pflanzenmetabolite besitzen antiinflammatorische Eigenschaften. Diese versprechen ein hohes Potential für den Einsatz in der Phytotherapie bzw. Prävention von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED). Eine intestinale Barrieredysfunktion ist ein typisches Charakteristikum von CED Patienten, die dadurch an akuter Diarrhoe leiden.
In dieser Arbeit werden die Pflanzenkomponenten 6-Shogaol, Ellagsäure und Myrrhe an den intestinalen Kolonepithelzellmodellen HT-29/B6 und Caco-2 auf ihr Potential hin, die intestinale Barriere zu stärken bzw. eine Barrieredysfunktion zu verhindern, untersucht. Hauptschwerpunkt der Analysen ist die parazelluläre Barrierefunktion und die Regulation der dafür entscheidenden Proteinfamilie der Tight Junctions (TJs), der Claudine.
Die Barrierefunktion wird durch Messung des transepithelialen Widerstands (TER) und der Fluxmessung in der Ussing-Kammer bestimmt. Dazu werden die HT-29/B6- und Caco-2-Monolayer mit den Pflanzenkomponenten (6-Shogaol, Ellagsäure, Myrrhe), dem proinflammatorischen Zytokin TNF-α oder der Kombination von beiden Subsztanzen für 24 oder 48 h behandelt. Außerdem wurden zur weiteren Charakterisierung die Expression sowie die Lokalisation der für die parazelluläre Barriere relevanten Claudine, die TJ-Ultrastruktur und verschiedene Signalwege analysiert.
In Caco-2-Monolayern führten Ellagsäure und Myrrhe, nicht aber 6-Shogaol, allein zu einem TER-Anstieg bedingt durch eine verringerte Permeabilität für Natriumionen. Myrrhe verminderte die Expression des Kationenkanal-bildenden TJ-Proteins Claudin-2 über die Inhibierung des PI3K/Akt-Signalweges, während Ellagsäure die Expression der TJ-Proteine Claudin-4 und -7 reduzierte. Alle Pflanzenkomponenten schützten in den Caco-2-Zellen vor einer TNF-α-induzierten Barrieredysfunktion.
An den HT-29/B6-Monolayern änderte keine der Pflanzenkomponenten allein die Barrierefunktion. Die HT-29/B6-Zellen reagierten auf TNF-α mit einer deutlichen Verminderung des TER und einer erhöhten Fluoreszein-Permeabilität. Die TER-Abnahme war durch eine PI3K/Akt-vermittelte gesteigerte Claudin-2-Expression sowie eine NFκB-vermittelte Umverteilung des abdichtenden TJ-Proteins Claudin-1 gekennzeichnet. 6-Shogaol konnte den TER-Abfall partiell hemmen sowie die PI3K/Akt-induzierte Claudin-2-Expression und die NFκB-bedingte Claudin-1-Umverteilung verhindern. Ebenso inhibierte Myrrhe, nicht aber Ellagsäure, den TNF-α-induzierten TER-Abfall. Dabei konnte Myrrhe zwar den Claudin-2-Expressionsanstieg und die Claudin-1-Umverteilung unterbinden, jedoch weder die NFκB- noch die PI3K/Akt-Aktivierung hemmen. Diese Arbeit zeigt, dass auch STAT6 an dem Claudin-2-Expressionsanstieg durch
TNF-α in HT-29/B6-Zellen beteiligt ist. So wurde durch Myrrhe die TNF-α-induzierte Phosphorylierung von STAT6 und die erhöhte Claudin-2-Expression inhibiert.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Pflanzenkomponenten 6-Shogaol, Ellagsäure und Myrrhe mit unterschiedlichen Mechanismen stärkend auf die Barriere einwirken. Zur Behandlung von intestinalen Erkrankungen mit Barrieredysfunktion könnten daher Kombinationspräparate aus verschiedenen Pflanzen effektiver sein als Monopräparate.