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All components of the endothelin (ET) system are present in renal tubular cells. In this review, we summarize current knowledge about ET and the most common tubular diseases: acute kidney injury (AKI) and polycystic kidney disease. AKI originally was called acute tubular necrosis, pointing to the most prominent morphologic findings. Similarly, cysts in polycystic kidney disease, and especially in autosomal-dominant polycystic kidney disease, are of tubular origin. Preclinical studies have indicated that the ET system and particularly ETA receptors are involved in the pathogenesis of ischemia-reperfusion injury, although these findings have not been translated to clinical studies. The ET system also has been implicated in radiocontrast-dye-induced AKI, however, ET-receptor blockade in a large human study was not successful. The ET system is activated in sepsis models of AKI; the effectiveness of ET blocking agents in preclinical studies is variable depending on the model and the ET-receptor antagonist used. Numerous studies have shown that the ET system plays an important role in the complex pathophysiology associated with cyst formation and disease progression in polycystic kidney disease. However, results from selective targeting of ET-receptor subtypes in animal models of polycystic kidney disease have proved disappointing and do not support clinical trials. These studies have shown that a critical balance between ETA and ETB receptor action is necessary to maintain structure and function in the cystic kidney. In summary, ETs have been implicated in the pathogenesis of several renal tubulointerstitial diseases, however, experimental animal findings have not yet led to use of ET blockers in human beings. (C) 2015 Elsevier Inc. All rights reserved.
Mitochondrial dysfunction promotes metabolic stress responses in a cell-autonomous as well as organismal manner. The wasting hormone growth differentiation factor 15 (GDF15) is recognized as a biomarker of mitochondrial disorders, but its pathophysiological function remains elusive. To test the hypothesis that GDF15 is fundamental to the metabolic stress response during mitochondrial dysfunction, we investigated transgenic mice (Ucp1-TG) with compromised muscle-specific mitochondrial OXPHOS capacity via respiratory uncoupling. Ucp1-TG mice show a skeletal muscle-specific induction and diurnal variation of GDF15 as a myokine. Remarkably, genetic loss of GDF15 in Ucp1-TG mice does not affect muscle wasting or transcriptional cell-autonomous stress response but promotes a progressive increase in body fat mass. Furthermore, muscle mitochondrial stress-induced systemic metabolic flexibility, insulin sensitivity, and white adipose tissue browning are fully abolished in the absence of GDF15. Mechanistically, we uncovered a GDF15-dependent daytime-restricted anorexia, whereas GDF15 is unable to suppress food intake at night. Altogether, our evidence suggests a novel diurnal action and key pathophysiological role of mitochondrial stress-induced GDF15 in the regulation of systemic energy metabolism.
Obesity is a worldwide epidemic and contributes to global morbidity and mortality mediated via the development of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD), type 2 diabetes (T2D), cardiovascular (CVD) and other diseases. It is a consequence of an elevated caloric intake, a sedentary lifestyle and a genetic as well as an epigenetic predisposition. This review summarizes changes in DNA methylation and microRNAs identified in blood cells and different tissues in obese human and rodent models. It includes information on epigenetic alterations which occur in response to fat-enriched diets, exercise and metabolic surgery and discusses the potential of interventions to reverse epigenetic modifications.
Aromatische Amine und Amide (aAA) sind aufgrund ihrer starken Verbreitung in der menschlichen Umwelt und ihres kanzerogenen Potenzials von großer toxikologischer Bedeutung. Die Kanzerogenität der aAA wird durch die Mutagenität hochreaktiver Stoffwechselprodukte vermittelt, die in zwei sequenziellen katalytischen Reaktionen entstehen. Die erste ist meistens eine N-Hydroxylierung, die oft durch Cytochrom P450 1A2 (CYP1A2) katalysiert wird. Daran schließt sich eine O-Konjugation durch Sulfotransferasen (SULT) oder N-Acetyltransferasen (NAT) an. Die Bioaktivierung ist ein kritischer Parameter für die Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Tiermodellen auf den Menschen. Rekombinante in vitro Systeme, die fremdstoffmetabolisierende Enzyme verschiedener Spezies exprimieren, ermöglichen die vergleichende Untersuchung der Bioaktivierung im Menschen und in Versuchstieren. Ziel des Projektes war die Aufklärung der Bioaktivierung der aAA durch humane Enzyme. Im Vordergrund stand die Untersuchung der Rolle humaner SULT in diesem Prozess. Es wurden rekombinante in vitro Systeme, konstruiert, die CYP1A2 und SULT des Menschen koexprimieren. SULT-cDNAs wurden in den Säugerzell Expressionsvektor pMPSV kloniert und in Standardindikatorzellen für Mutagenitätsuntersuchungen (V79 Zellen aus dem Chinesischen Hamster) transfiziert. Das Expressionsniveau von CYP1A2 und SULT wurde mittels Immunblotanalyse und radiometrischen Aktivitätsmessungen charakterisiert. In den rekombinanten Zellen wurden vier aAA als Modellsubstanzen (2-Acetylaminofluoren, 2-Aminoanthracen, 3′-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol, 2,4-Diaminotoluol) auf ihre Mutagenität am hprt-Locus hin untersucht.Die aAA waren in Zellen, die keine rekombinanten Enzyme oder lediglich CYP1A2 exprimierten, nicht mutagen. In Zellen, die CYP1A2 und SULT der Subfamilie 1A koexprimierten, erzeugten sie bereits in geringen Konzentrationen klare mutagene Effekte (0,3 µM für 2-Acetylaminofluoren und 3′-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol; 0,1 µM für 2-Aminoanthracen; 10 µM für 2,4-Diaminotoluol). Die stärkste Aktivierung von 2-Acetylaminofluoren und 3′-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol erfolgte in der Zelllinie, die CYP1A2 und SULT1A2 koexprimierte; die stärkste Aktivierung von 2,4-Diaminotoluol und 2-Aminoanthracen erfolgte in der Zelllinie, die CYP1A2 und SULT1A1 koexprimierte. Sowohl SULT1A1 als auch SULT1A2 sind im Menschen genetisch polymorph. Ein unterschiedlich starkes Aktivierungspotenzial der Alloenzyme könnte eine individuell unterschiedliche Suszeptibilität für die durch aAA ausgelöste Kanzerogenese bedingen. In HPRT-Mutationsuntersuchungen mit rekombinanten Zellen zeigten die allelischen Varianten der SULT1A2 starke Unterschiede in ihrem Aktivierungpotenzial. Nur in der Zelllinie, die das Alloenzym SULT1A2*1 mit CYP1A2 koexprimierte, wurde 2-Acetylaminofluoren zum Mutagen aktiviert. Zur Aktivierung von 3′-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol waren jedoch sowohl das Alloenzym SULT1A2*1 als auch das Alloenzym SULT1A2*2 in der Lage. Die Alloenzyme der SULT1A1 zeigten ein ähnlich gutes Aktivierungspotenzial für aAA. In früheren Studien wurde gezeigt, dass die SULT1C1 der Ratte eine wichtige Rolle bei der Aktivierung der aAA in dieser Spezies spielt. Dahingegen war die humane SULT1C1 nicht in der Lage die untersuchten aAA zu aktivieren. Die Kenntnis solcher Spezieunterschiede könnte wichtig sein um unterschiedliche Organotropismen aAA in Menschen und Tiermodellen zu erklären, da SULT mit starker Gewebespezifität exprimiert werden und das Expressionsmuster für die einzelnen SULT-Formen in Menschen und Ratten sich stark unterscheidet.
Im Rahmen der EU-weiten REACH-Verordnung haben Alternativmethoden zum Tierversuch in der Toxikologie an Bedeutung gewonnen. Die Alternativmethoden gliedern sich auf in In-vitro- und In-silico-Methoden. In dieser Dissertation wurden verschiedene Konzepte der In-silico-Toxikologie behandelt.
Die bearbeiteten Themen reichen von quantitativen Strukturaktivitätsbeziehungen (QSAR) über eine neue Herangehensweise an das gängige Konzept zur Festlegung von Grenzwerten bis hin zu computerbasierten Modellierungen zum Alkohol- und Bisphenol-A-Stoffwechsel.
Das Kapitel über QSAR befasst sich im Wesentlichen mit der Erstellung und Analyse einer Datenbank mit 878 Substanzen, die sich aus Tierversuchsstudien aus dem Archiv des Bundesinstituts für Risikobewertung zusammensetzt. Das Design wurde dabei an eine bereits bestehende Datenbank angepasst, um so einen möglichst großen Datenpool zu generieren. In der Analyse konnte u.a. gezeigt werden, dass Stoffe mit niedrigerem Molekulargewicht ein erhöhtes Potential für toxikologische Schäden aufwiesen als größere Moleküle.
Mit Hilfe des sogenannten TTC-Konzepts können Grenzwerte für Stoffe geringer Exposition festgelegt werden, zu denen keine toxikologischen Daten zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurden für die Stoffe dreier Datenbanken entsprechende Grenzwerte festgelegt. Es erfolgte zunächst eine gängige strukturbasierte Aufteilung der Substanzen in die Kategorien "nicht toxisch", "möglicherweise toxisch" und "eindeutig toxisch". Substanzen, die aufgrund ihrer Struktur in eine der drei Klassen eingeordnet werden, erhalten den entsprechenden Grenzwert. Da in die dritte Klasse auch Stoffe eingeordnet werden, deren Toxizität nicht bestimmbar ist, ist sie sehr groß. Daher wurden in dieser Arbeit die ersten beiden Klassen zusammengelgt, um einen größeren Datenpool zu ermöglichen. Eine weitere Neuerung umfasst die Erstellung eines internen Grenzwerts. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass der Expositionsweg herausgerechnet wird und somit beispielsweise Studien mit oraler Verabreichung mit Studien dermaler Verabreichung verglichen werden können.
Mittels physiologisch basiertem kinetischem Modelling ist es möglich, Vorgänge im menschlichen Körper mit Hilfe spezieller Software nachzuvollziehen. Durch diese Vorgehensweise können Expositionen von Chemikalien simuliert werden. In einem Teil der Arbeit wurden Alkoholexpositionen von gestillten Neugeborenen simuliert, deren Mütter unmittelbar zuvor alkoholische Getränke konsumiert hatten. Mit dem Modell konnte gezeigt werden, dass die Expositionen des Kindes durchweg gering waren. Nach einem Glas Wein wurden Spitzenkonzentrationen im Blut von Neugeborenen von 0,0034 Promille ermittelt. Zum Vergleich wurde die Exposition durch ein für Säuglinge zugelassenes alkoholhaltiges pflanzliches Arzneimittel simuliert. Hier wurden Spitzenkonzentrationen von 0,0141 Promille erreicht. Daher scheinen Empfehlungen wie gelegentlicher Konsum ohne schädigende Wirkung auf das Kind wissenschaftlich fundiert zu sein.
Ein weiteres Kinetik-Modell befasste sich mit dem Stoffwechsel von Bisphenol A. Teils widersprüchliche Daten zur Belastung mit BPA in der wissenschaftlichen Literatur führen wiederholt zu Anregungen, den Grenzwert der Chemikalie anzupassen. Die Funktionalität der am Metabolismus beteiligten Enzyme kann je nach Individuum unterschiedlich ausgeprägt sein. Mittels Modellings konnte hier gezeigt werden, dass dies maßgeblich dazu führt, dass sich berechnete Plasmaspiegel von Individuen bis zu 4,7-fach unterscheiden.
Die Arbeit konnte somit einen Beitrag zur Nutzung und Weiterentwicklung von In-silico-Modellen für diverse toxikologische Fragestellungen leisten.
Background Dietary calcium (Ca) concentrations might affect regulatory pathways within the Ca and vitamin D metabolism and consequently excretory mechanisms. Considering large variations in Ca concentrations of feline diets, the physiological impact on Ca homeostasis has not been evaluated to date. In the present study, diets with increasing concentrations of dicalcium phosphate were offered to ten healthy adult cats (Ca/phosphorus (P): 6.23/6.02, 7.77/7.56, 15.0/12.7, 19.0/17.3, 22.2/19.9, 24.3/21.6 g/kg dry matter). Each feeding period was divided into a 10-day adaptation and an 8-day sampling period in order to collect urine and faeces. On the last day of each feeding period, blood samples were taken. Results Urinary Ca concentrations remained unaffected, but faecal Ca concentrations increased (P < 0.001) with increasing dietary Ca levels. No effect on whole and intact parathyroid hormone levels, fibroblast growth factor 23 and calcitriol concentrations in the blood of the cats were observed. However, the calcitriol precursors 25(OH)D-2 and 25(OH)D-3, which are considered the most useful indicators for the vitamin D status, decreased with higher dietary Ca levels (P = 0.013 and P = 0.033). Increasing dietary levels of dicalcium phosphate revealed an acidifying effect on urinary fasting pH (6.02) and postprandial pH (6.01) (P < 0.001), possibly mediated by an increase of urinary phosphorus (P) concentrations (P < 0.001). Conclusions In conclusion, calcitriol precursors were linearly affected by increasing dietary Ca concentrations. The increase in faecal Ca excretion indicates that Ca homeostasis of cats is mainly regulated in the intestine and not by the kidneys. Long-term studies should investigate the physiological relevance of the acidifying effect observed when feeding diets high in Ca and P.