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Botulinum neurotoxin (BoNT) is produced by the anaerobic bacterium Clostridium botulinum. It is one of the most potent toxins found in nature and can enter motor neurons (MN) to cleave proteins necessary for neurotransmission, resulting in flaccid paralysis. The toxin has applications in both traditional and esthetic medicine. Since BoNT activity varies between batches despite identical protein concentrations, the activity of each lot must be assessed. The gold standard method is the mouse lethality assay, in which mice are injected with a BoNT dilution series to determine the dose at which half of the animals suffer death from peripheral asphyxia. Ethical concerns surrounding the use of animals in toxicity testing necessitate the creation of alternative model systems to measure the potency of BoNT.
Prerequisites of a successful model are that it is human specific; it monitors the complete toxic pathway of BoNT; and it is highly sensitive, at least in the range of the mouse lethality assay. One model system was developed by our group, in which human SIMA neuroblastoma cells were genetically modified to express a reporter protein (GLuc), which is packaged into neurosecretory vesicles, and which, upon cellular depolarization, can be released – or inhibited by BoNT – simultaneously with neurotransmitters. This assay has great potential, but includes the inherent disadvantages that the GLuc sequence was randomly inserted into the genome and the tumor cells only have limited sensitivity and specificity to BoNT. This project aims to improve these deficits, whereby induced pluripotent stem cells (iPSCs) were genetically modified by the CRISPR/Cas9 method to insert the GLuc sequence into the AAVS1 genomic safe harbor locus, precluding genetic disruption through non-specific integrations. Furthermore, GLuc was modified to associate with signal peptides that direct to the lumen of both large dense core vesicles (LDCV), which transport neuropeptides, and synaptic vesicles (SV), which package neurotransmitters. Finally, the modified iPSCs were differentiated into motor neurons (MNs), the true physiological target of BoNT, and hypothetically the most sensitive and specific cells available for the MoN-Light BoNT assay.
iPSCs were transfected to incorporate one of three constructs to direct GLuc into LDCVs, one construct to direct GLuc into SVs, and one “no tag” GLuc control construct. The LDCV constructs fused GLuc with the signal peptides for proopiomelanocortin (hPOMC-GLuc), chromogranin-A (CgA-GLuc), and secretogranin II (SgII-GLuc), which are all proteins found in the LDCV lumen. The SV construct comprises a VAMP2-GLuc fusion sequence, exploiting the SV membrane-associated protein synaptobrevin (VAMP2). The no tag GLuc expresses GLuc non-specifically throughout the cell and was created to compare the localization of vesicle-directed GLuc.
The clones were characterized to ensure that the GLuc sequence was only incorporated into the AAVS1 safe harbor locus and that the signal peptides directed GLuc to the correct vesicles. The accurate insertion of GLuc was confirmed by PCR with primers flanking the AAVS1 safe harbor locus, capable of simultaneously amplifying wildtype and modified alleles. The PCR amplicons, along with an insert-specific amplicon from candidate clones were Sanger sequenced to confirm the correct genomic region and sequence of the inserted DNA. Off-target integrations were analyzed with the newly developed dc-qcnPCR method, whereby the insert DNA was quantified by qPCR against autosomal and sex-chromosome encoded genes. While the majority of clones had off-target inserts, at least one on-target clone was identified for each construct.
Finally, immunofluorescence was utilized to localize GLuc in the selected clones. In iPSCs, the vesicle-directed GLuc should travel through the Golgi apparatus along the neurosecretory pathway, while the no tag GLuc should not follow this pathway. Initial analyses excluded the CgA-GLuc and SgII-GLuc clones due to poor quality protein visualization. The colocalization of GLuc with the Golgi was analyzed by confocal microscopy and quantified. GLuc was strongly colocalized with the Golgi in the hPOMC-GLuc clone (r = 0.85±0.09), moderately in the VAMP2-GLuc clone (r = 0.65±0.01), and, as expected, only weakly in the no tag GLuc clone (r = 0.44±0.10). Confocal microscopy of differentiated MNs was used to analyze the colocalization of GLuc with proteins associated with LDCVs and SVs, SgII in the hPOMC-GLuc clone (r = 0.85±0.08) and synaptophysin in the VAMP2-GLuc clone (r = 0.65±0.07). GLuc was also expressed in the same cells as the MN-associated protein, Islet1.
A significant portion of GLuc was found in the correct cell type and compartment. However, in the MoN-Light BoNT assay, the hPOMC-GLuc clone could not be provoked to reliably release GLuc upon cellular depolarization. The depolarization protocol for hPOMC-GLuc must be further optimized to produce reliable and specific release of GLuc upon exposure to a stimulus. On the other hand, the VAMP2-GLuc clone could be provoked to release GLuc upon exposure to the muscarinic and nicotinic agonist carbachol. Furthermore, upon simultaneous exposure to the calcium chelator EGTA, the carbachol-provoked release of GLuc could be significantly repressed, indicating the detection of GLuc was likely associated with vesicular fusion at the presynaptic terminal. The application of the VAMP2-GLuc clone in the MoN-Light BoNT assay must still be verified, but the results thus far indicate that this clone could be appropriate for the application of BoNT toxicity assessment.
Role of dietary sulfonates in the stimulation of gut bacteria promoting intestinal inflammation
(2021)
The interplay between intestinal microbiota and host has increasingly been recognized as a major factor impacting health. Studies indicate that diet is the most influential determinant affecting the gut microbiota. A diet rich in saturated fat was shown to stimulate the growth of the colitogenic bacterium Bilophila wadsworthia by enhancing the secretion of the bile acid taurocholate (TC). The sulfonated taurine moiety of TC is utilized as a substrate by B. wadsworthia. The resulting overgrowth of B. wadsworthia was accompanied by an increased incidence and severity of colitis in interleukin (IL)-10-deficient mice, which are genetically prone to develop inflammation.
Based on these findings, the question arose whether the intake of dietary sulfonates also stimulates the growth of B. wadsworthia and thereby promotes intestinal inflammation in genetically susceptible mice. Dietary sources of sulfonates include green vegetables and cyanobacteria, which contain the sulfolipids sulfoquinovosyl diacylglycerols (SQDG) in considerable amounts. Based on literature reports, the gut commensal Escherichia coli is able to release sulfoquinovose (SQ) from SQDG and in further steps, convert SQ to 2,3-dihydroxypropane-1-sulfonate (DHPS) and dihydroxyacetone phosphate. DHPS may then be utilized as a growth substrate by B. wadsworthia, which results in the formation of sulfide. Both, sulfide formation and a high abundance of B. wadsworthia have been associated with intestinal inflammation.
In the present study, conventional IL-10-deficient mice were fed either a diet supplemented with the SQDG-rich cyanobacterium Spirulina (20%, SD) or a control diet. In addition SQ, TC, or water were orally applied to conventional or gnotobiotic IL-10-deficient mice. The gnotobiotic mice harbored a simplified human intestinal microbiota (SIHUMI) either with or without B. wadsworthia. During the intervention period, the body weight of the mice was monitored, the colon permeability was assessed and fecal samples were collected. After the three-week intervention, the animals were examined with regard to inflammatory parameters, microbiota composition and sulfonate concentrations in different intestinal sites.
None of the mice treated with the above-mentioned sulfonates showed weight loss or intestinal inflammation. Solely mice fed SD or gavaged with TC displayed a slight immune response. These mice also displayed an altered microbiota composition, which was not observed in mice gavaged with SQ. The abundance of B. wadsworthia was strongly reduced in mice fed SD, while that of mice treated with SQ or TC was in part slightly increased. The intestinal SQ-concentration was elevated in mice orally treated with SD or SQ, whereas neither TC nor taurine concentrations were consistently elevated in mice gavaged with TC. Additional colonization of SIHUMI mice with B. wadsworthia resulted in a mild inflammatory response, but only in mice treated with TC. In general, TC-mediated effects on the immune system and abundance of B. wadsworthia were not as strong as described in the literature.
In summary, neither the tested dietary sulfonates nor TC led to bacteria-induced intestinal inflammation in the IL-10-deficient mouse model, which was consistently observed in both conventional and gnotobiotic mice. For humans, this means that foods containing SQDG, such as spinach or Spirulina, do not increase the risk of intestinal inflammation.
The trace elements zinc and manganese are essential for human health, especially due to their enzymatic and protein stabilizing functions. If these elements are ingested in amounts exceeding the requirements, regulatory processes for maintaining their physiological concentrations (homeostasis) can be disturbed. Those homeostatic dysregulations can cause severe health effects including the emergence of neurodegenerative disorders such as Parkinson’s disease (PD). The concentrations of essential trace elements also change during the aging process. However, the relations of cause and consequence between increased manganese and zinc uptake and its influence on the aging process and the emergence of the aging-associated PD are still rarely understood. This doctoral thesis therefore aimed to investigate the influence of a nutritive zinc and/or manganese oversupply on the metal homeostasis during the aging process. For that, the model organism Caenorhabditis elegans (C. elegans) was applied. This nematode suits well as an aging and PD model due to properties such as its short life cycle and its completely sequenced, genetically amenable genome. Different protocols for the propagation of zinc- and/or manganese-supplemented young, middle-aged and aged C. elegans were established. Therefore, wildtypes, as well as genetically modified worm strains modeling inheritable forms of parkinsonism were applied. To identify homeostatic and neurological alterations, the nematodes were investigated with different methods including the analysis of total metal contents via inductively-coupled plasma tandem mass spectrometry, a specific probe-based method for quantifying labile zinc, survival assays, gene expression analysis as well as fluorescence microscopy for the identification and quantification of dopaminergic neurodegeneration.. During aging, the levels of iron, as well as zinc and manganese increased.. Furthermore, the simultaneous oversupply with zinc and manganese increased the total zinc and manganese contents to a higher extend than the single metal supplementation. In this relation the C. elegans metallothionein 1 (MTL-1) was identified as an important regulator of metal homeostasis. The total zinc content and the concentration of labile zinc were age-dependently, but differently regulated. This elucidates the importance of distinguishing these parameters as two independent biomarkers for the zinc status. Not the metal oversupply, but aging increased the levels of dopaminergic neurodegeneration. Additionally, nearly all these results yielded differences in the aging-dependent regulation of trace element homeostasis between wildtypes and PD models. This confirms that an increased zinc and manganese intake can influence the aging process as well as parkinsonism by altering homeostasis although the underlying mechanisms need to be clarified in further studies.
Brown adipose tissue (BAT) is responsible for non-shivering thermogenesis, thereby allowing mammals to maintain a constant body temperature in a cold environment. Thermogenic capacity of this tissue is due to a high mitochondrial density and expression of uncoupling protein 1 (UCP1), a unique brown adipocyte marker which dissipates the mitochondrial proton gradient to produce heat instead of ATP. BAT is actively involved in whole-body metabolic homeostasis and during aging there is a loss of classical brown adipose tissue with concomitantly reduced browning capacity of white adipose tissue. Therefore, an age-dependent decrease of BAT-related energy expenditure capacity may exacerbate the development of metabolic diseases, including obesity and type 2 diabetes mellitus. Given that direct effects of age-related changes of BAT-metabolic flux have yet to be unraveled, the aim of the current thesis is to investigate potential metabolic mechanisms involved in BAT-dysfunction during aging and to identify suitable metabolic candidates as functional biomarkers of BAT-aging. To this aim, integration of transcriptomic, metabolomic and proteomic data analyses of BAT from young and aged mice was performed, and a group of candidates with age-related changes was revealed. Metabolomic analysis showed age-dependent alterations of metabolic intermediates involved in energy, nucleotide and vitamin metabolism, with major alterations regarding the purine nucleotide pool. These data suggest a potential role of nucleotide intermediates in age-related BAT defects. In addition, the screening of transcriptomic and proteomic data sets from BAT of young and aged mice allowed identification of a 60-kDa lysophospholipase, also known as L-asparaginase (Aspg), whose expression declines during BAT-aging. Involvement of Aspg in brown adipocyte thermogenic function was subsequently analyzed at the molecular level using in vitro approaches and animal models. The findings revealed sensitivity of Aspg expression to β3-adrenergic activation via different metabolic cues, including cold exposure and treatment with β3-adrenergic agonist CL. To further examine ASPG function in BAT, an over-expression model of Aspg in a brown adipocyte cell line was established and showed that these cells were metabolically more active compared to controls, revealing increased expression of the main brown-adipocyte specific marker UCP1, as well as higher lipolysis rates. An in vitro loss-of-function model of Aspg was also functionally analyzed, revealing reduced brown adipogenic characteristics and an impaired lipolysis, thus confirming physiological relevance of Aspg in brown adipocyte function. Characterization of a transgenic mouse model with whole-body inactivation of the Aspg gene (Aspg-KO) allowed investigation of the role of ASPG under in vivo conditions, indicating a mild obesogenic phenotype, hypertrophic white adipocytes, impairment of the early thermogenic response upon cold-stimulation and dysfunctional insulin sensitivity. Taken together, these data show that ASPG may represent a new functional biomarker of BAT-aging that regulates thermogenesis and therefore a potential target for the treatment of age-related metabolic disease.
Mycotoxins are secondary metabolites produced by several filamentous fungal species, thus occurring ubiquitously in the environment and food. While the heterogeneous group shows differences in their bioavailability and toxicity, the low-molecular-weight xenobiotics are capable of impacting human and animal health acutely and chronically. Therefore, maximum levels for the major mycotoxins in food and feed are regulated in the current European legislation. Besides free mycotoxins, naturally occurring modified mycotoxins are gaining more attention in recent years. Modified mycotoxins constitute toxins altered by plants, microorganisms, and living organisms in different metabolic pathways or food processing steps. The toxicological relevant compounds often co-occur with their free forms in infested food and feed. Thus, the toxins may contribute to the overall toxicity of mycotoxins, wherefore their presence and toxicity should be considered in risk assessment. Until now, however, there are no regulated limits for modified mycotoxins within the European Union. In this thesis, rapid, sensitive, and robust methods for the analysis of mycotoxins and their modified forms were developed and validated using state-of-the-art high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) systems. Firstly, two analytical methods for determining 38 mycotoxins in cereals and 41 mycotoxins in beer were established since agricultural products count as the primary source of mycotoxin contamination. For the analysis of cereal samples, a QuEChERS- based extraction approach was pursued, while analytes from beer samples were extracted using an acetonitrile precipitation scheme. Validation in cereals, namely wheat, corn, rice, and barley, as well as in beer, demonstrated satisfactory results. To obtain information regarding the natural occurrence of mycotoxins in food products, the developed methods were applied to the analysis of several commercial samples partly produced worldwide. The Fusarium toxins deoxynivalenol and its conjugated metabolite deoxynivalenol-3-glucoside turned out to be the most abundant toxins. None of the other modified mycotoxins were quantified in the samples. However, one cereal sample showed traces of zearalenone- 14-sulfate below the limit of quantification. Moreover, pesticides, plant growth regulators, and tropane alkaloids were investigated in this thesis. Pesticides present biologically highly effective compounds applied in the environment to protect humans from the hazardous effects of pests. While plant growth regulators show similar functions, mainly improving agricultural production, tropane alkaloids are naturally occurring secondary metabolites mainly in the species of Solanaceae that may pose unintended poisoning of humans. The third part of the present thesis aimed to analyze cereal-relevant compounds simultaneously, wherefore a multi-method for the analysis of (modified) mycotoxins, pesticides, plant growth regulators, and tropane alkaloids was established. After processing the samples, this should be done in a single extraction step with subsequent one-time measurements. Various sample preparation procedures were compared, whereby an approach based on an acidified acetonitrile/water extraction, followed by an online clean-up, was finally chosen. The simultaneous determination of more than 350 analytes required an analytical tool that offered an increased resolving power, represented as an enhanced peak capacity, and the possibility of analyzing a broad polarity range. Thus, a two-dimensional LC-MS/MS system based on two different separation mechanisms that performed orthogonal to one another was used for the analysis. Validation of the developed method revealed good performance characteristics for most analytes, while subsequent application showed that 86% of the samples were contaminated with at least one compound. In summary, this thesis provides novel insights into the analysis of food-relevant (modified) mycotoxins. Different sample preparation and LC-MS/MS approaches were introduced, resulting in the development of three new analytical methods. For the first time, such a high number of modified mycotoxins was included in multi-mycotoxin methods and a multi-method ranging both contaminants and residues. Although first steps towards the analysis of modified mycotoxins have been made, further research is needed to elucidate their (co-) occurrence and toxicological behavior in order to understand their relevance to human health in the future.
The mitochondrial chaperone complex HSP60/HSP10 facilitates mitochondrial protein homeostasis by folding more than 300 mitochondrial matrix proteins. It has been shown previously that HSP60 is downregulated in brains of type 2 diabetic (T2D) mice and patients,
causing mitochondrial dysfunction and insulin resistance. As HSP60 is also decreased in peripheral tissues in T2D animals, this thesis investigated the effect of overall reduced HSP60 in the development of obesity and associated co-morbidities.
To this end, both female and male C57Bl/6N control (i.e. without further alterations in their genome, Ctrl) and heterozygous whole-body Hsp60 knock-out (Hsp60+/-) mice, which exhibit a 50 % reduction of HSP60 in all tissues, were fed a normal chow diet (NCD) or a highfat diet (HFD, 60 % calories from fat) for 16 weeks and were subjected to extensive metabolic phenotyping including indirect calorimetry, NMR spectroscopy, insulin, glucose and pyruvate tolerance tests, vena cava insulin injections, as well as histological and molecular analysis.
Interestingly, NCD feeding did not result in any striking phenotype, only a mild increase in energy expenditure in Hsp60+/- mice. Exposing mice to a HFD however revealed an increased body weight due to higher muscle mass in female Hsp60+/- mice, with a simultaneous decrease in energy expenditure. Additionally, these mice displayed decreased fasting glycemia. Opposingly, male Hsp60+/- compared to control mice showed lower body weight gain due to decreased fat mass and an increased energy expenditure, strikingly independent of lean mass. Further, only male Hsp60+/- mice display improved HOMA-IR and Matsuda
insulin sensitivity indices.
Despite the opposite phenotype in regards to body weight development, Hsp60+/- mice of both sexes show a significantly higher cell number, as well as a reduction in adipocyte size in the subcutaneous and gonadal white adipose tissue (sc/gWAT). Curiously, this adipocyte hyperplasia – usually associated with positive aspects of WAT function – is disconnected from metabolic improvements, as the gWAT of male Hsp60+/- mice shows mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and insulin resistance. Transcriptomic analysis of gWAT shows an up
regulation of genes involved in macroautophagy. Confirmatory, expression of microtubuleassociated protein 1A/1B light chain 3B (LC3), as a protein marker of autophagy, and direct measurement of lysosomal activity is increased in the gWAT of male Hsp60+/- mice.
In summary, this thesis revealed a novel gene-nutrient interaction. The reduction of the crucial chaperone HSP60 did not have large effects in mice fed a NCD, but impacted metabolism during DIO in a sex-specific manner, where, despite opposing body weight and
body composition phenotypes, both female and male Hsp60+/- mice show signs of protection from high fat diet-induced systemic insulin resistance.
Investigation of Sirtuin 3 overexpression as a genetic model of fasting in hypothalamic neurons
(2021)
Diabetes is a major public health problem with increasing global prevalence. Type 2 diabetes (T2D), which accounts for 90% of all diagnosed cases, is a complex polygenic disease also modulated by epigenetics and lifestyle factors. For the identification of T2D-associated genes, linkage analyses combined with mouse breeding strategies and bioinformatic tools were useful in the past. In a previous study in which a backcross population of the lean and diabetes-prone dilute brown non-agouti (DBA) mouse and the obese and diabetes-susceptible New Zealand obese (NZO) mouse was characterized, a major diabetes quantitative trait locus (QTL) was identified on chromosome 4. The locus was designated non-insulin dependent diabetes from DBA (Nidd/DBA). The aim of this thesis was (i) to perform a detailed phenotypic characterization of the Nidd/DBA mice, (ii) to further narrow the critical region and (iii) to identify the responsible genetic variant(s) of the Nidd/DBA locus. The phenotypic characterization of recombinant congenic mice carrying a 13.6 Mbp Nidd/DBA fragment with 284 genes presented a gradually worsening metabolic phenotype. Nidd/DBA allele carriers exhibited severe hyperglycemia (~19.9 mM) and impaired glucose clearance at 12 weeks of age. Ex vivo perifusion experiments with islets of 13-week-old congenic mice revealed a tendency towards reduced insulin secretion in homozygous DBA mice. In addition, 16-week-old mice showed a severe loss of β-cells and reduced pancreatic insulin content. Pathway analysis of transcriptome data from islets of congenic mice pointed towards a downregulation of cell survival genes. Morphological analysis of pancreatic sections displayed a reduced number of bi-hormonal cells co-expressing glucagon and insulin in homozygous DBA mice, which could indicate a reduced plasticity of endocrine cells in response to hyperglycemic stress. Further generation and phenotyping of recombinant congenic mice enabled the isolation of a 3.3 Mbp fragment that was still able to induce hyperglycemia and contained 61 genes. Bioinformatic analyses including haplotype mapping, sequence and transcriptome analysis were integrated in order to further reduce the number of candidate genes and to identify the presumable causative gene variant. Four putative candidate genes (Ttc39a, Kti12, Osbpl9, Calr4) were defined, which were either differentially expressed or carried a sequence variant. In addition, in silico ChIP-Seq analyses of the 3.3 Mbp region indicated a high number of SNPs located in active regions of binding sites of β-cell transcription factors. This points towards potentially altered cis-regulatory elements that could be responsible for the phenotype conferred by the Nidd/DBA locus. In summary, the Nidd/DBA locus mediates impaired glucose homeostasis and reduced insulin secretion capacity which finally leads to β-cell death. The downregulation of cell survival genes and reduced plasticity of endocrine cells could further contribute to the β-cell loss. The critical region was narrowed down to a 3.3 Mbp fragment containing 61 genes, of which four might be involved in the development of the diabetogenic Nidd/DBA phenotype.
Sekundäre Pflanzenstoffe und ihre gesundheitsfördernden Eigenschaften sind in den letzten zwei Jahrzehnten vielfach ernährungsphysiologisch untersucht und spezifische positive Effekte im humanen Organismus zum Teil sehr genau beschrieben worden. Zu den Carotinoiden zählend ist der sekundäre Pflanzenstoff Lutein insbesondere in der Prävention von ophthalmologischen Erkrankungen in den Mittelpunkt der Forschung gerückt. Das ausschließlich von Pflanzen und einigen Algen synthetisierte Xanthophyll wird über die pflanzliche Nahrung insbesondere grünes Blattgemüse in den humanen Organismus aufgenommen. Dort akkumuliert es bevorzugt im Makulapigment der Retina des menschlichen Auges und ist bedeutend im Prozess der Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit der Photorezeptorzellen. Im Laufe des Alterns kann die Abnahme der Dichte des Makulapigments und der Abbau von Lutein beobachtet werden. Die dadurch eintretende Destabilisierung der Photorezeptorzellen im Zusammenhang mit einer veränderten Stoffwechsellage im alternden Organismus kann zur Ausprägung der altersbedingten Makuladegeneration (AMD) führen. Die pathologische Symptomatik der Augenerkrankung reicht vom Verlust der Sehschärfe bis hin zum irreversiblen Erblinden. Da therapeutische Mittel ausschließlich ein Fortschreiten verhindern, bestehen hier Forschungsansätze präventive Maßnahmen zu finden. Die Supplementierung von luteinhaltigen Präparaten bietet dabei einen Ansatzpunkt. Auf dem Markt finden sich bereits Nahrungsergänzungsmittel (NEM) mit Lutein in verschiedenen Applikationen. Limitierend ist dabei die Stabilität und Bioverfügbarkeit von Lutein, welches teilweise kostenintensiv und mit unbekannter Reinheit zu erwerben ist. Aus diesem Grund wäre die Verwendung von Luteinestern als die pflanzliche Speicherform des Luteins im Rahmen eines NEMs vorteilhaft. Neben ihrer natürlichen, höheren Stabilität sind Luteinester nachhaltig und kostengünstig einsetzbar.
In dieser Arbeit wurden physikochemische und ernährungsphysiologisch relevante Aspekte in dem Produktentwicklungsprozess eines NEMs mit Luteinestern in einer kolloidalen Formulierung untersucht. Die bisher einzigartige Anwendung von Luteinestern in einem Mundspray sollte die Aufnahme des Wirkstoffes insbesondere für ältere Menschen erleichtern und verbessern. Unter Beachtung der Ergebnisse und der ernährungsphysiologischen Bewertung sollten u.a. Empfehlungen für die Rezepturzusammensetzungen einer Miniemulsion (Emulsion mit Partikelgrößen <1,0 µm) gegeben werden. Eine Einschätzung der Bioverfügbarkeit der Luteinester aus den entwickelten, kolloidalen Formulierungen konnte anhand von Studien zur Resorption- und Absorptionsverfügbarkeit in vitro ermöglicht werden.
In physikalischen Untersuchungen wurden zunächst Basisbestandteile für die Formulierungen präzisiert. In ersten wirkstofffreien Musteremulsionen konnten ausgewählte Öle als Trägerphase sowie Emulgatoren und Löslichkeitsvermittler (Peptisatoren) hinsichtlich ihrer Eignung zur Bereitstellung einer Miniemulsion physikalisch geprüft werden. Die beste Stabilität und optimale Eigenschaften einer Miniemulsion zeigten sich bei der Verwendung von MCT-Öl (engl. medium chain triglyceride) bzw. Rapsöl in der Trägerphase sowie des Emulgators Tween® 80 (Tween 80) allein oder in Kombination mit dem Molkenproteinhydrolysat Biozate® 1 (Biozate 1).
Aus den physikalischen Untersuchungen der Musteremulsionen gingen die Präemulsionen als Prototypen hervor. Diese enthielten den Wirkstoff Lutein in verschiedenen Formen. So wurden Präemulsionen mit Lutein, mit Luteinestern sowie mit Lutein und Luteinestern konzipiert, welche den Emulgator Tween 80 oder die Kombination mit Biozate 1 enthielten. Bei der Herstellung der Präemulsionen führte die Anwendung der Emulgiertechniken Ultraschall mit anschließender Hochdruckhomogenisation zu den gewünschten Miniemulsionen. Beide eingesetzten Emulgatoren boten optimale Stabilisierungseffekte. Anschließend erfolgte die physikochemische Charakterisierung der Wirkstoffe. Insbesondere Luteinester aus Oleoresin erwiesen sich hier als stabil gegenüber verschiedenen Lagerungsbedingungen. Ebenso konnte bei einer kurzzeitigen Behandlung der Wirkstoffe unter spezifischen mechanischen, thermischen, sauren und basischen Bedingungen eine Stabilität von Lutein und Luteinestern gezeigt werden. Die Zugabe von Biozate 1 bot dabei nur für Lutein einen zusätzlichen Schutz. Bei längerer physikochemischer Behandlung unterlagen die in den Miniemulsionen eingebrachten Wirkstoffe moderaten Abbauvorgängen. Markant war deren Sensitivität gegenüber dem basischen Milieu. Im Rahmen der Rezepturentwicklung des NEMs war hier die Empfehlung, eine Miniemulsion mit einem leicht saurem pH-Milieu zum Schutz des Wirkstoffes durch kontrollierte Zugabe weiterer Inhaltstoffe zu gestalten.
Im weiteren Entwicklungsprozess des NEMs wurden Fertigrezepturen mit dem Wirkstoff Luteinester aufgestellt. Die alleinige Anwendung des Emulgators Biozate 1 zeigte sich dabei als ungeeignet. Die weiterhin zur Verfügung stehenden Fertigrezepturen enthielten in der Öl-phase neben dem Wirkstoff das MCT-ÖL oder Rapsöl sowie a-Tocopherol zur Stabilisierung. Die Wasserphase bestand aus dem Emulgator Tween 80 oder einer Kombination aus Tween 80 und Biozate 1. Zusatzstoffe waren zudem als mikrobiologischer Schutz Ascorbinsäure und Kaliumsorbat sowie für sensorische Effekte Xylitol und Orangenaroma. Die Anordnung der Basisrezeptur und das angewendete Emulgierverfahren lieferten stabile Miniemulsionen. Weiterhin zeigten langfristige Lagerungsversuche mit den Fertigrezepturen bei 4°C, dass eine Aufrechterhaltung der geforderten Luteinestermenge im Produkt gewährleistet war. Analoge Untersuchungen an einem luteinhaltigen, marktgängigen Präparat bestätigten dagegen eine bereits bei kurzfristiger Lagerung auftretende Instabilität von Lutein.
Abschließend wurde durch Resorptions- und Absorptionsstudien in vitro mit den Präemulsionen und Fertigrezepturen die Bioverfügbarkeit von Luteinestern geprüft. Nach Behandlung in einem etablierten in vitro Verdaumodell konnte eine geringfügige Resorptionsverfügbarkeit der Luteinester definiert werden. Limitiert war eine Micellarisierung des Wirkstoffes aus den konzipierten Formulierungen zu beobachten. Eine enzymatische Spaltung der Luteinester zu freiem Lutein wurde nur begrenzt festgestellt. Spezifität und Aktivität von entsprechenden hydrolytischen Lipasen sind als äußerst gering gegenüber Luteinestern zu bewerten. In sich anschließenden Zellkulturversuchen mit der Zelllinie Caco-2 wurden keine zytotoxischen Effekte durch die relevanten Inhaltsstoffe in den Präemulsionen gezeigt. Dagegen konnten eine Sensibilität gegenüber den Fertigrezepturen beobachtet werden. Diese sollte im Zusammenhang mit Irritationen der Schleimhäute des Magen-Darm-Traktes bedacht werden. Eine weniger komplexe Rezeptur könnte die beobachteten Einschränkungen möglicherweise minimieren. Abschließende Absorptionsstudien zeigten, dass grundsätzlich eine geringfügige Aufnahme von vorrangig Lutein, aber auch Luteinmonoestern in den Enterocyten aus Miniemulsionen erfolgen kann. Dabei hatte weder Tween 80 noch Biozate 1 einen förderlichen Einfluss auf die Absorptionsrate von Lutein oder Luteinestern. Die Metabolisierung der Wirkstoffe durch vorherigen in vitro-Verdau steigerte die zelluläre Aufnahme von Wirkstoffen aus Formulierungen mit Lutein und Luteinestern gleichermaßen. Die beobachtete Aufnahme von Lutein und Luteinmonoestern in den Enterocyten scheint über passive Diffusion zu erfolgen, wobei auch der aktive Transport nicht ausgeschlossen werden kann. Dagegen können Luteindiester aufgrund ihrer Molekülgröße nicht über den Weg der Micellarisierung und einfachen Diffusion in die Enterocyten gelangen. Ihre Aufnahme in die Dünndarmepithelzellen bedarf einer vorherigen hydrolytischen Spaltung durch spezifische Lipasen. Dieser Schritt limitiert wiederum die effektive Aufnahme der Luteinester in die Zellen bzw. stellt eine Einschränkung in ihrer Bioverfügbarkeit im Vergleich zu freiem Lutein dar.
Zusammenfassend konnte für die physikochemisch stabilen Luteinester eine geringe Bioverfügbarkeit aus kolloidalen Formulierungen gezeigt werden. Dennoch ist die Verwendung als Wirkstoffquelle für den sekundären Pflanzenstoff Lutein in einem NEM zu empfehlen. Im Zusammenhang mit der Aufnahme von luteinreichen, pflanzlichen Lebensmitteln kann trotz der zu erwartenden geringen Bioverfügbarkeit der Luteinester aus dem NEM ein Beitrag zur Verbesserung des Luteinstatus erreicht werden. Entsprechende Publikationen zeigten eindeutige Korrelationen zwischen der Aufnahme von luteinesterhaltigen Präparaten und einem Anstieg der Luteinkonzentration im Serum bzw. der Makulapigmentdichte in vivo. Die geringfügig bessere Bioverfügbarkeit von freiem Lutein steht im kritischen Zusammenhang mit seiner Instabilität und Kostenintensität. Bilanzierend wurde im Rahmen dieser Arbeit das marktgängige Produkt Vita Culus® konzipiert. Im Ausblick sollten humane Interventionsstudien mit dem NEM die abschließende Bewertung der Bioverfügbarkeit von Luteinestern aus dem Präparat möglich machen.
The hepatokine FGF21 and the adipokine chemerin have been implicated as metabolic regulators and mediators of inter-tissue crosstalk. While FGF21 is associated with beneficial metabolic effects and is currently being tested as an emerging therapeutic for obesity and diabetes, chemerin is linked to inflammation-mediated insulin resistance. However, dietary regulation of both organokines and their role in tissue interaction needs further investigation.
The LEMBAS nutritional intervention study investigated the effects of two diets differing in their protein content in obese human subjects with non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). The study participants consumed hypocaloric diets containing either low (LP: 10 EN%, n = 10) or high (HP: 30 EN%, n = 9) dietary protein 3 weeks prior to bariatric surgery. Before and after the intervention the participants were anthropometrically assessed, blood samples were drawn, and hepatic fat content was determined by MRS. During bariatric surgery, paired subcutaneous and visceral adipose tissue biopsies as well as liver biopsies were collected. The aim of this thesis was to investigate circulating levels and tissue-specific regulation of (1) FGF21 and (2) chemerin in the LEMBAS cohort. The results were compared to data obtained in 92 metabolically healthy subjects with normal glucose tolerance and normal liver fat content.
(1) Serum FGF21 concentrations were elevated in the obese subjects, and strongly associated with intrahepatic lipids (IHL). In accordance, FGF21 serum concentrations increased with severity of NAFLD as determined histologically in the liver biopsies. Though both diets were successful in reducing IHL, the effect was more pronounced in the HP group. FGF21 serum concentrations and mRNA expression were bi-directionally regulated by dietary protein, independent from metabolic improvements. In accordance, in the healthy study subjects, serum FGF21 concentrations dropped by more than 60% in response to the HP diet. A short-term HP intervention confirmed the acute downregulation of FGF21 within 24 hours. Lastly, experiments in HepG2 cell cultures and primary murine hepatocytes identified nitrogen metabolites (NH4Cl and glutamine) to dose-dependently suppress FGF21 expression.
(2) Circulating chemerin concentrations were considerably elevated in the obese versus lean study participants and differently associated with markers of obesity and NAFLD in the two cohorts. The adipokine decreased in response to the hypocaloric interventions while an unhealthy high-fat diet induced a rise in chemerin serum levels. In the lean subjects, mRNA expression of RARRES2, encoding chemerin, was strongly and positively correlated with expression of several cytokines, including MCP1, TNFα, and IL6, as well as markers of macrophage infiltration in the subcutaneous fat depot. However, RARRES2 was not associated with any cytokine assessed in the obese subjects and the data indicated an involvement of chemerin not only in the onset but also resolution of inflammation. Analyses of the tissue biopsies and experiments in human primary adipocytes point towards a role of chemerin in adipogenesis while discrepancies between the in vivo and in vitro data were detected.
Taken together, the results of this thesis demonstrate that circulating FGF21 and chemerin levels are considerably elevated in obesity and responsive to dietary interventions. FGF21 was acutely and bi-directionally regulated by dietary protein in a hepatocyte-autonomous manner. Given that both, a lack in essential amino acids and excessive nitrogen intake, exert metabolic stress, FGF21 may serve as an endocrine signal for dietary protein balance. Lastly, the data revealed that chemerin is derailed in obesity and associated with obesity-related inflammation. However, future studies on chemerin should consider functional and regulatory differences between secreted and tissue-specific isoforms.
Eine Störung des Leberstoffwechsels durch die Ausbildung einer Insulinresistenz kann zu Folgeerkrankungen wie der nicht alkoholischen Fettlebererkrankung (NAFLD) bis hin zur Steatohepatitis (NASH) und zur Entwicklung eines Diabetes Typ II führen. Am Krankheitsverlauf sind residente (Kupfferzellen) sowie infiltrierende Makrophagen beteiligt, die durch inflammatorische Stimuli aktiviert werden und zur Progression von Lebererkrankungen führen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle von mPGES1-abhängig gebildetem Prostaglandin E2 (PGE2) an der Modulation von aktivierten Lebermakrophagen untersucht. Dazu wurden Kupfferzellen und Peritonealmakrophagen (als Modell für infiltrierende Makrophagen) aus Wildtyp und mPGES1-defizienten Mäusen isoliert. Beide Makrophagenpopulationen wurden in Zellkulturversuchen mit Lipopolysacchariden (LPS) aktiviert und auf ihre PGE2-Synthese, Genexpression und Sekretion von verschiedenen Cytokinen hin untersucht. Die beiden Makrophagenpopulationen unterschieden sich hinsichtlich der PGE2-Synthese bei mPGSE1-Defizienz. Während bei Peritonealmakrophagen die LPS-abhängige PGE2-Synthese bei Abwesenheit der mPGES1 fast vollständig reprimiert war, war bei Kupfferzellen nur eine 25%ige Abnahme zu verzeichnen. Die postulierte selbstverstärkende Rückkopplungsschleife von PGE2 im Hinblick auf seine eigene Synthese konnte in isolierten Peritonealmakrophagen, nicht jedoch in Kupfferzellen, bestätigt werden. In Kupfferzellen führte exogenes PGE2 ferner zu einer Repression von den pro-inflammatorischen Cytokinen TNFα und IL-1β und für endogenes PGE2 konnte in diesem Zelltyp kein Effekt festgestellt werden. In Peritonealmakrophagen konnte hingegen auch für endogenes PGE2 eine reprimierende Wirkung auf die Expression von TNFα beobachtet werden. Das ist eventuell auf eine höhere Sensitivität gegenüber PGE2 von Peritonealmakrophagen im Vergleich zu Kupfferzellen zurückzuführen. PGE2 wirkte unter den gewählten Versuchsbedingungen in vitro somit eher anti-inflammatorisch. Cholesterolkristalle induzierten in Kupfferzellen die Expression der PGE2-synthetisierenden Enzyme und verschiedener pro-inflammatorische Cytokine. Sie könnten somit zu einer Progression von NAFL zu NASH beitragen. Die Daten aus dieser Arbeit deuten darauf hin, dass PGE2 im Rahmen von entzündlichen Leberveränderungen eine eher protektive Wirkung im Hinblick auf die Progression von NAFLD und Insulinresistenz haben könnte.
Frailty and sarcopenia share some underlying characteristics like loss of muscle mass, low muscle strength, and low physical performance. Imaging parameters and functional examinations mainly assess frailty and sarcopenia criteria; however, these measures can have limitations in clinical settings. Therefore, finding suitable biomarkers that reflect a catabolic muscle state e.g. an elevated muscle protein turnover as suggested in frailty, are becoming more relevant concerning frailty diagnosis and risk assessment.
3-Methylhistidine (3-MH) and its ratios 3-MH-to-creatinine (3-MH/Crea) and 3 MH-to-estimated glomerular filtration rate (3-MH/eGFR) are under discussion as possible biomarkers for muscle protein turnover and might support the diagnosis of frailty. However, there is some skepticism about the reliability of 3-MH measures since confounders such as meat and fish intake might influence 3-MH plasma concentrations. Therefore, the influence of dietary habits and an intervention with white meat on plasma 3-MH was determined in young and healthy individuals. In another study, the cross-sectional associations of plasma 3-MH, 3-MH/Crea and 3-MH/eGFR with the frailty status (robust, pre-frail and frail) were investigated.
Oxidative stress (OS) is a possible contributor to frailty development, and high OS levels as well as low micronutrient levels are associated with the frailty syndrome. However, data on simultaneous measures of OS biomarkers together with micronutrients are lacking in studies including frail, pre-frail and robust individuals. Therefore, cross-sectional associations of protein carbonyls (PrCarb), 3-nitrotyrosine (3-NT) and several micronutrients with the frailty status were determined.
A validated UPLC-MS/MS (ultra-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry) method for the simultaneous quantification of 3-MH and 1-MH (1 methylhistidine, as marker for meat and fish consumption) was presented and used for further analyses. Omnivores showed higher plasma 3-MH and 1-MH concentrations than vegetarians and a white meat intervention resulted in an increase in plasma 3-MH, 3 MH/Crea, 1-MH and 1-MH/Crea in omnivores. Elevated 3-MH and 3-MH/Crea levels declined significantly within 24 hours after this white meat intervention. Thus, 3-MH and 3-MH/Crea might be used as biomarker for muscle protein turnover when subjects did not consume meat 24 hours prior to blood samplings.
Plasma 3-MH, 3-MH/Crea and 3-MH/eGFR were higher in frail individuals than in robust individuals. Additionally, these biomarkers were positively associated with frailty in linear regression models, and higher odds to be frail were found for every increase in 3 MH and 3-MH/eGFR quintile in multivariable logistic regression models adjusted for several confounders. This was the first study using 3-MH/eGFR and it is concluded that plasma 3-MH, 3-MH/Crea and 3-MH/eGFR might be used to identify frail individuals or individuals at higher risk to be frail, and that there might be threshold concentrations or ratios to support these diagnoses.
Higher vitamin D3, lutein/zeaxanthin, γ-tocopherol, α-carotene, β-carotene, lycopene and β-cryptoxanthin concentrations and additionally lower PrCarb concentrations were found in robust compared to frail individuals in multivariate linear models. Frail subjects had higher odds to be in the lowest than in the highest tertile for vitamin D3 α-tocopherol, α-carotene, β-carotene, lycopene, lutein/zeaxanthin, and β cryptoxanthin, and had higher odds to be in the highest than in the lowest tertile for PrCarb than robust individuals in multivariate logistic regression models. Thus, a low micronutrient together with a high PrCarb status is associated with pre-frailty and frailty.
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.
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.
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.
Identifizierung früher epigenetischer Veränderungen, die zur Ausbildung einer Fettleber beitragen
(2018)
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.
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.
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.
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.