570 Biowissenschaften; Biologie
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IMPORTANCE Inflammatory processes have been suggested to have an important role in colorectal cancer (CRC) etiology. Chemerin is a recently discovered inflammatory biomarker thought to exert chemotactic, adipogenic, and angiogenic functions. However, its potential link with CRC has not been sufficiently explored. OBJECTIVE To evaluate the prospective association of circulating plasma chemerin concentrations with incident CRC. DESIGN, SETTING, AND PARTICIPANTS Prospective case-cohort study based on 27 548 initially healthy participants from the European Prospective Investigation Into Cancer and Nutrition (EPIC)-Potsdam cohort who were followed for up to 16 years. Baseline study information and samples were collected between August 23, 1994, and September 25, 1998. Recruitment was according to random registry sampling from the geographical area of Potsdam, Germany, and surrounding municipalities. The last date of study follow-up was May 10, 2010. Statistical analysis was conducted in 2018. MAIN OUTCOMES AND MEASURES Incident CRC, colon cancer, and rectal cancer. Baseline chemerin plasma concentrations were measured by enzyme-linked immunosorbent assay. CONCLUSIONS AND RELEVANCE This study found that the association between chemerin concentration and the risk of incident CRC was linear and independent of established CRC risk factors. Further studies are warranted to evaluate chemerin as a novel immune-inflammatory agent in colorectal carcinogenesis.
Aims/hypothesis This study aimed to evaluate associations of height as well as components of height (sitting height and leg length) with risk of type 2 diabetes and to explore to what extent associations are explainable by liver fat and cardiometabolic risk markers. Methods A case-cohort study within the European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition (EPIC)-Potsdam study comprising 26,437 participants who provided blood samples was designed. We randomly selected a subcohort of 2500 individuals (2029 diabetes-free at baseline and with anamnestic, anthropometrical and metabolic data for analysis). Of the 820 incident diabetes cases identified in the full cohort during 7 years of follow-up, 698 remained for analyses after similar exclusions. Results After adjustment for age, potential lifestyle confounders, education and waist circumference, greater height was related to lower diabetes risk (HR per 10 cm, men 0.59 [95% CI 0.47, 0.75] and women 0.67 [0.51, 0.88], respectively). Leg length was related to lower risk among men and women, but only among men if adjusted for total height. Adjustment for liver fat and triacylglycerols, adiponectin and C-reactive protein substantially attenuated associations between height and diabetes risk, particularly among women. Conclusions/interpretation We observed inverse associations between height and risk of type 2 diabetes, which was largely related to leg length among men. The inverse associations may be partly driven by lower liver fat content and a more favourable cardiometabolic profile.
Die allergische Kontaktdermatitis ist eine immunologisch bedingte Hauterkrankung mit insbesondere in den westlichen Industrienationen hoher und weiter ansteigender Prävalenz. Es handelt sich hierbei um eine Hypersensitivitätsreaktion vom Typ IV, die sich nach Allergenkontakt durch Juckreiz, Rötung, Bläschenbildung und Abschälung der Haut äußert. Zahlreiche Xenobiotika besitzen das Potenzial, Kontaktallergien auszulösen, darunter Konservierungsstoffe, Medikamente, Duftstoffe und Chemikalien. Die wirksamste Maßnahme zur Eindämmung der Erkrankung ist die Expositionsprophylaxe, also die Vermeidung des Kontakts mit den entsprechenden Substanzen. Dies wiederum setzt die Kenntnis des jeweiligen sensibilisierenden Potenzials einer Substanz voraus, dessen Bestimmung aus diesem Grund eine hohe toxikologische Relevanz besitzt. Zu diesem Zweck existieren von der OECD veröffentlichte Testleitlinien, welche auf entsprechend validierten Testmethoden basieren. Goldstandard bei der Prüfung auf hautsensibilisierendes Potenzial war über lange Zeit der murine Lokale Lymphknotentest. Seit der 7. Änderung der EU-Kosmetikrichtlinie, welche Tierversuche für Kosmetika und deren Inhaltsstoffe untersagt, wurden vermehrt Alternativmethoden in die OECD-Testleitlinien implementiert.. Die bestehenden in vitro Methoden sind jedoch alleinstehend nur begrenzt aussagekräftig, da sie lediglich singuläre Mechanismen bei der Entstehung einer Kontaktallergie abbilden. Die Entwicklung von Testmethoden, welche mehrere dieser Schlüsselereignisse berücksichtigen, erscheint daher richtungsweisend. Einen vielversprechenden Ansatz liefert hierbei der Loose-fit coculture-based sensitisation assay (LCSA), welcher eine Kokultur aus primären Keratinozyten und PBMC darstellt. Bei der Kokultivierung von Immunzellen mit anderen Zelltypen stellt sich allerdings die Frage, inwiefern die Nutzung von Zellen derselben Spender*innen (autologe Kokultur) bzw. verschiedener Spender*innen (allogene Kokultur) einen Einfluss nimmt. Zu diesem Zweck wurden im Rahmen dieser Arbeit Hautzellen spenderspezifisch aus gezupften Haarfollikeln isoliert und der LCSA mit den generierten HFDK in autologen und allogenen Ansätzen verglichen. Zusätzlich wurde auch ein Vergleich zwischen der Nutzung von HFDK und NHK, welche aus humaner Vorhaut isoliert wurden, im LCSA durchgeführt. Dabei ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen autologen und allogenen Kokulturen bzw. zwischen der Verwendung von HFDK und NHK. Die Verwendung allogener Zellen aus anonymem Spendermaterial sowie die Nutzung von Keratinozyten aus unterschiedlichen Quellen scheint im Rahmen des LCSA problemlos möglich. Einige der getesteten Kontaktallergene, darunter DNCB und NiCl2, erwiesen sich im LCSA jedoch als problematisch und konnten nicht zufriedenstellend als sensibilisierend detektiert werden. Daher wurde eine Optimierung der Kokultur durch Verwendung ex vivo differenzierter Langerhans Zellen (MoLC) angestrebt, welche ein besseres Modell primärer epidermaler Langerhans Zellen darstellen als die dendritischen Zellen aus dem LCSA. Zusätzlich wurden weitere, den Erfolg der Kokultur beeinflussende Faktoren, wie die Art und Zusammensetzung des Mediums und die Kokultivierungsdauer, untersucht und angepasst. Das schlussendlich etablierte Kokultivierungsprotokoll führte zu einer maßgeblich verstärkten Expression von CD207 (Langerin) auf den MoLC, was auf eine wirkungsvolle Interaktion zwischen Haut- und Immunzellen in der Kokultur hindeutete. Des Weiteren konnten DNCB und NiCl2 im Gegensatz zum LCSA durch Verwendung des kostimulatorischen Moleküls CD86 sowie des Reifungsmarkers CD83 als Ausleseparameter eindeutig als Kontaktallergene identifiziert werden. Die Untersuchungen zur Kokultur von MoLC und HFDK wurden jeweils vergleichend in autologen und allogenen Ansätzen durchgeführt. Ähnlich wie beim LCSA kam es aber auch hier zu keinen signifikanten Unterschieden, weder hinsichtlich der Expression von Charakterisierungs- und Aktivierungsmarkern auf MoLC noch hinsichtlich der Zytokinsekretion in den Zellkulturüberstand. Die Hinweise aus zahlreichen Studien im Mausmodell, dass Zellen des angeborenen Immunsystems zur Erkennung von und Aktivierung durch allogene Zellen bzw. Gewebe in der Lage sind, bestätigten sich im Rahmen dieser Arbeit dementsprechend nicht. Aus diesem Grund wurden abschließend CD4+ T-Lymphozyten, die Effektorzellen des adaptiven Immunsystems, in die Kokultur aus MoLC und autologen bzw. allogenen HFDK integriert. Überraschenderweise traten auch hier keine verstärkten Aktivierungen in allogener Kokultur im Vergleich zur autologen Kokultur auf. Die Nutzung autologer Primärzellen scheint im Rahmen der hier getesteten Methoden nicht notwendig zu sein, was die Validierung von Kokulturen und deren Implementierung in die OECD-Testleitlinien erleichtern dürfte. Zuletzt wurde eine Kokultivierung primärer Haut- und Immunzellen auch im 3D-Vollhautmodell durchgeführt, wobei autologe MoLC in die Epidermisäquivalente entsprechender Modelle integriert werden sollten. Obwohl die erstellten Hautmodelle unter Verwendung autologer Haarfollikel-generierter Keratinozyten und Fibroblasten eine zufriedenstellende Differenzierung und Stratifizierung aufwiesen, gestaltete sich die Inkorporation der MoLC als problematisch und konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht erreicht werden.
Being born large for gestational age is associated with increased global placental DNA methylation
(2020)
Being born small (SGA) or large for gestational age (LGA) is associated with adverse birth outcomes and metabolic diseases in later life of the offspring. It is known that aberrations in growth during gestation are related to altered placental function. Placental function is regulated by epigenetic mechanisms such as DNA methylation. Several studies in recent years have demonstrated associations between altered patterns of DNA methylation and adverse birth outcomes. However, larger studies that reliably investigated global DNA methylation are lacking. The aim of this study was to characterize global placental DNA methylation in relationship to size for gestational age. Global DNA methylation was assessed in 1023 placental samples by LC-MS/MS. LGA offspring displayed significantly higher global placental DNA methylation compared to appropriate for gestational age (AGA; p<0.001). ANCOVA analyses adjusted for known factors impacting on DNA methylation demonstrated an independent association between placental global DNA methylation and LGA births (p<0.001). Tertile stratification according to global placental DNA methylation levels revealed a significantly higher frequency of LGA births in the third tertile. Furthermore, a multiple logistic regression analysis corrected for known factors influencing birth weight highlighted an independent positive association between global placental DNA methylation and the frequency of LGA births (p=0.001).
Being born large for gestational age is associated with increased global placental DNA methylation
(2020)
Being born small (SGA) or large for gestational age (LGA) is associated with adverse birth outcomes and metabolic diseases in later life of the offspring. It is known that aberrations in growth during gestation are related to altered placental function. Placental function is regulated by epigenetic mechanisms such as DNA methylation. Several studies in recent years have demonstrated associations between altered patterns of DNA methylation and adverse birth outcomes. However, larger studies that reliably investigated global DNA methylation are lacking. The aim of this study was to characterize global placental DNA methylation in relationship to size for gestational age. Global DNA methylation was assessed in 1023 placental samples by LC-MS/MS. LGA offspring displayed significantly higher global placental DNA methylation compared to appropriate for gestational age (AGA; p<0.001). ANCOVA analyses adjusted for known factors impacting on DNA methylation demonstrated an independent association between placental global DNA methylation and LGA births (p<0.001). Tertile stratification according to global placental DNA methylation levels revealed a significantly higher frequency of LGA births in the third tertile. Furthermore, a multiple logistic regression analysis corrected for known factors influencing birth weight highlighted an independent positive association between global placental DNA methylation and the frequency of LGA births (p=0.001).
Durch die Zunahme metabolischer Stoffwechselstörungen und Erkrankungen in der Weltbevölkerung wird in der Medizin und den Lebenswissenschaften vermehrt nach Präventionsstrategien und Ansatzpunkten gesucht, die die Gesundheit fördern, Erkrankungen verhindern helfen und damit auch die Gesamtlast auf die Gesundheitssysteme erleichtern. Ein Ansatzpunkt wird dabei in der Ernährung gesehen, da insbesondere der Konsum von gesättigten Fetten die Gesundheit nachträglich zu beeinflussen scheint. Dabei wird übersehen, dass in vielen Studien Hochfettdiäten nicht ausreichend von den Einflüssen einer zum Bedarf hyperkalorischen Energiezufuhr getrennt werden, sodass die Datenlage zu dem Einfluss von (gesättigten) Fetten auf den Metabolismus bei gleichbleibender Energieaufnahme noch immer unzureichend ist.
In der NUtriGenomic Analysis in Twins-Studie wurden 46 Zwillingspaare (34 monozygot, 12 dizygot) über einen Zeitraum von sechs Wochen mittels einer kohlenhydratreichen, fettarmen Diät nach Richtlinien der Deutschen Gesellschaft für Ernährung für ihr Ernährungsverhalten standardisiert, ehe sie zu einer kohlenhydratarmen, fettreichen Diät, die insbesondere gesättigte Fette enthielt, für weitere sechs Wochen wechselten. Beide Diäten waren dem individuellen Energiebedarf der Probanden angepasst, um so sowohl akut nach einerWoche als auch längerfristig nach sechs Wochen Änderungen des Metabolismus beobachten zu können, die sich in der vermehrten Aufnahme von (gesättigten) Fetten begründeten.
Die über die detaillierte Charakterisierung der Probanden an den klinischen Untersuchungstagen generierten Datensätze wurden mit statistischen und mathematischen Methoden (z.B. lineare gemischte Modellierung) analysiert, die der Größe der Datensätze und damit ihrem Informationsvolumen angepasst waren.
Es konnte gezeigt werden, dass die metabolisch gesunden und relativ jungen Probanden, die eine gute Compliance zeigten, im Hinblick auf ihren Glukosestoffwechsel adaptieren konnten, indem die Akutantwort nach einer Woche im Nüchterninsulin und dem Index für Insulinresistenz in den weiteren fünf Wochen ausgeglichen wurde.
Der Lipidstoffwechsel in Form der klassischen Marker wie Gesamtcholesterin, LDL und HDL war dagegen stärker beeinflusst und auch nach insgesamt sechs Wochen deutlich erhöht.
Letzteres unterstützt die Beobachtung im Transkriptom des weißen, subkutanen Fettgewebes, bei der eine Aktivierung der über die Toll-like receptors und das Inflammasom vermittelten subklinischen Inflammation beobachtet werden konnte.
Die auftretenden Veränderungen in Konzentration und Komposition des Plasmalipidoms zeigte ebenfalls nur eine teilweise und auf bestimmte Spezies begrenzte Gegenregulation.
Diesbezüglich kann also geschlussfolgert werden, dass auch die isokalorische Aufnahme von (gesättigten) Fetten zu Veränderungen im Metabolismus führt, wobei die Auswirkungen in weiteren (Langzeit-)Studien und Experimenten noch genauer untersucht werden müssen. Insbesondere wäre dabei ein längerer Zeitraum unter isokalorischen Bedingungen von Interesse und die Untersuchung von Probanden mit metabolischer Vorbelastung (z.B. Insulinresistenz).
Darüber hinaus konnte in NUGAT aber ebenfalls gezeigt werden, dass die Nutrigenetik und Nutrigenomik zwei nicht zu vernachlässigende Faktoren darstellen. So zeigten unter anderem die Konzentrationen einiger Lipidspezies eine starke Erblichkeit und Abhängigkeit der Diät.
Zudem legen die Ergebnisse nahe, dass laufende wie geplante Präventionsstrategien und medizinische Behandlungen deutlich stärker den Patienten als Individuum mit einbeziehen müssen, da die Datenanalyse interindividuelle Unterschiede identifizierte und Hinweise lieferte, dass einige Probanden die nachteiligen, metabolischen Auswirkungen einer Hochfettdiät besser ausgleichen konnten als andere.
Der Bittergeschmack warnt den Organismus vor potentiell verdorbener oder giftiger Nahrung und ist somit ein wichtiger Kontrollmechanismus. Die initiale Detektion der zahlreich vorkommenden Bitterstoffe erfolgt bei der Maus durch 35 Bitterrezeptoren (Tas2rs), die sich im Zungengewebe befinden. Die Geschmacksinformation wird anschließend von der Zunge über das periphere (PNS) ins zentrale Nervensystem (ZNS) geleitet, wo deren Verarbeitung stattfindet. Die Verarbeitung der Geschmacksinformation konnte bislang nicht gänzlich aufgeklärt werden. Neue Studien deuten auf eine Expression von Tas2rs auch im PNS und ZNS entlang der Geschmacksbahn hin. Über Vorkommen und Aufgaben dieser Rezeptoren bzw. Rezeptorzellen im Nervensystem ist bislang wenig bekannt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Tas2r-Expression in verschiedenen Mausmodellen untersucht, Tas2r-exprimierende Zellen identifiziert und deren Funktionen bei der Übertragung der Geschmacksinformationen analysiert. Im Zuge der Expressionsanalysen mittels qRT-PCR konnte die Expression von 25 der 35 bekannten Bittergeschmacksrezeptoren im zentralen Nervensystem der Maus nachgewiesen werden. Die Expressionsmuster im PNS sowie im ZNS lassen darüber hinaus Vermutungen zu Funktionen in verschiedenen Bereichen des Nervensystems zu. Basierend auf den Ergebnissen der Expressionsanalysen war es möglich, stark exprimierte Tas2rs mittels In-situ-Hybridisierung in verschiedenen Zelltypen zu visualisieren. Des Weiteren konnten immunhistochemische Färbungen unter Verwendung eines genetisch modifizierten Mausmodells die Ergebnisse der Expressionsanalysen bestätigen. Sie zeigten eine Expression von Tas2rs, am Beispiel des Tas2r131-Rezeptors, in cholinergen, dopaminergen, GABAergen, noradrenergen und glycinerg-angesteuerten Projektionsneuronen sowie in Interneuronen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen daher erstmals das Vorkommen von Tas2rs in verschiedenen neuronalen Zelltypen in weiten Teilen des ZNS. Dies lässt den Schluss zu, dass Tas2r-exprimierende Zellen potentiell multiple Funktionen innehaben. Anhand von Verhaltensexperimenten in genetisch modifizierten Mäusen wurde die mögliche Funktion von Tas2r131-exprimierenden Neuronen (Tas2r131-Neurone) bei der Geschmackswahrnehmung untersucht. Die Ergebnisse weisen auf eine Beteiligung von Tas2r131-Neuronen an der Signalweiterleitung bzw. -verarbeitung der Geschmacksinformation für eine Auswahl von Bittersubstanzen hin. Die Analysen zeigen darüber hinaus, dass Tas2r131-Neuronen nicht an der Geschmackswahrnehmung anderer Bitterstoffe sowie Geschmacksstimuli anderer Qualitäten (süß, umami, sauer, salzig), beteiligt sind. Eine spezifische „Tas2r131-Bittergeschmacksbahn“, die mit anderen potentiellen „Bitterbahnen“ teils unabhängige, teils überlappende Signalwege bzw. Verarbeitungsbereiche besitzt, bildet eine mögliche zelluläre Grundlage zur Unterscheidung von Bitterstoffen. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandene Hypothese einer potentiellen Diskriminierung von Bitterstoffen soll daher in weiterführenden Studien durch die Etablierung eines Verhaltenstest mit Mäusen geprüft werden.
Boron-associated shifts in sex ratios at birth were suggested earlier and attributed to a decrease in Y- vs. X-bearing sperm cells. As the matter is pivotal in the discussion of reproductive toxicity of boron/borates, re-investigation in a highly borate-exposed population was required. In the present study, 304 male workers in Bandirma and Bigadic (Turkey) with different degrees of occupational and environmental exposure to boron were investigated. Boron was quantified in blood, urine and semen, and the persons were allocated to exposure groups along B blood levels. In the highest ("extreme") exposure group (n = 69), calculated mean daily boron exposures, semen boron and blood boron concentrations were 44.91 +/- 18.32 mg B/day, 1643.23 +/- 965.44 ng B/g semen and 553.83 +/- 149.52 ng B/g blood, respectively. Overall, an association between boron exposure and Y:X sperm ratios in semen was not statistically significant (p > 0.05). Also, the mean Y:X sperm ratios in semen samples of workers allocated to the different exposure groups were statistically not different in pairwise comparisons (p > 0.05). Additionally, a boron-associated shift in sex ratio at birth towards female offspring was not visible. In essence, the present results do not support an association between boron exposure and decreased Y:X sperm ratio in males, even under extreme boron exposure conditions.
Consumption of Brassica vegetables is linked to health benefits, as they contain high concentrations of the following secondary plant metabolites (SPMs): glucosinolate breakdown products, carotenoids, chlorophylls, and phenolic compounds. Especially Brassica vegetables are consumed as microgreens (developed cotyledons). It was investigated how different ontogenetic stages (microgreens or leaves) of pak choi (Brassica rapa subsp. chinensis) and kale (Brassica oleracea var. sabellica) differ in their SPM concentration. The impact of breadmaking on SPMs in microgreens (7 days) and leaves (14 days) in pak choi and kale as a supplement in mixed wheat bread was assessed. In leaves, carotenoids, chlorophylls, and phenolic compounds were higher compared to those of microgreens. Breadmaking caused a decrease of SPMs. Chlorophyll degradation was observed, leading to pheophytin and pyropheophytin formation. In kale, sinapoylgentiobiose, a hydroxycinnamic acid derivative, concentration increased. Thus, leaves of Brassica species are suitable as natural ingredients for enhancing bioactive SPM concentrations in bread.
Mitochondria are critical for hypothalamic function and regulators of metabolism. Hypothalamic mitochondrial dysfunction with decreased mitochondrial chaperone expression is present in type 2 diabetes (T2D). Recently, we demonstrated that a dysregulated mitochondrial stress response (MSR) with reduced chaperone expression in the hypothalamus is an early event in obesity development due to insufficient insulin signaling. Although insulin activates this response and improves metabolism, the metabolic impact of one of its members, the mitochondrial chaperone heat shock protein 10 (Hsp10), is unknown. Thus, we hypothesized that a reduction of Hsp10 in hypothalamic neurons will impair mitochondrial function and impact brain insulin action. Therefore, we investigated the role of chaperone Hsp10 by introducing a lentiviral-mediated Hsp10 knockdown (KD) in the hypothalamic cell line CLU-183 and in the arcuate nucleus (ARC) of C57BL/6N male mice. We analyzed mitochondrial function and insulin signaling utilizing qPCR, Western blot, XF96 Analyzer, immunohistochemistry, and microscopy techniques. We show that Hsp10 expression is reduced in T2D mice brains and regulated by leptin in vitro. Hsp10 KD in hypothalamic cells induced mitochondrial dysfunction with altered fatty acid metabolism and increased mitochondria-specific oxidative stress resulting in neuronal insulin resistance. Consequently, the reduction of Hsp10 in the ARC of C57BL/6N mice caused hypothalamic insulin resistance with acute liver insulin resistance.
Mitochondria are critical for hypothalamic function and regulators of metabolism. Hypothalamic mitochondrial dysfunction with decreased mitochondrial chaperone expression is present in type 2 diabetes (T2D). Recently, we demonstrated that a dysregulated mitochondrial stress response (MSR) with reduced chaperone expression in the hypothalamus is an early event in obesity development due to insufficient insulin signaling. Although insulin activates this response and improves metabolism, the metabolic impact of one of its members, the mitochondrial chaperone heat shock protein 10 (Hsp10), is unknown. Thus, we hypothesized that a reduction of Hsp10 in hypothalamic neurons will impair mitochondrial function and impact brain insulin action. Therefore, we investigated the role of chaperone Hsp10 by introducing a lentiviral-mediated Hsp10 knockdown (KD) in the hypothalamic cell line CLU-183 and in the arcuate nucleus (ARC) of C57BL/6N male mice. We analyzed mitochondrial function and insulin signaling utilizing qPCR, Western blot, XF96 Analyzer, immunohistochemistry, and microscopy techniques. We show that Hsp10 expression is reduced in T2D mice brains and regulated by leptin in vitro. Hsp10 KD in hypothalamic cells induced mitochondrial dysfunction with altered fatty acid metabolism and increased mitochondria-specific oxidative stress resulting in neuronal insulin resistance. Consequently, the reduction of Hsp10 in the ARC of C57BL/6N mice caused hypothalamic insulin resistance with acute liver insulin resistance.
Prostaglandin (PG)F₂α has previously been shown to increase glucose output from perfused livers and isolated hepatocytes, where it stimulated glycogen phosphorylase via an inositol-trisphosphatedependent signal pathway. In this study, PGF₂α binding sites on hepatocyte plasma membranes, that might represent the putative receptor, were characterized. Binding studies could not be performed with intact hepatocytes, because PGF₂α accumulated within the cells even at 4°C. The intracellular accumulation was an order of magnitude higher than binding to plasma membranes. Purified hepatocyte plasma membranes had a high-affinity/low-capacity and a low-affinity/highcapacity binding'site for PGF₂α. The respective binding constants for the high-affinity site were Kd = 3 nM and Bmax = 6 fmol/mg membrane protein, and for the low-affinity site Kd = 426 nM and Bmax = 245 fmol/mg membrane protein. Specific PGF₂α binding to the low-affinity site, but not to the high-affinity site, could be enhanced most potently by GTP[γS] followed by GDP[ϐS] and GTP, but not by ATP[γS] or GMP. PGF₂α competed most potently with [³H]PGF₂α for specific binding to hepatocyte plasma membranes, followed by PGD₂ and PGE₂. Since the low-affinity PGF₂α-binding site had a Kd in the concentration range in which PG had previously been shown to be half-maximally active, and since this binding site showed a sensitivity to GTP, it is concluded that it might represent the receptor involved in the PGF₂α signal chain in hepatocytes. A biological function of the high-affinity site is currently not known.
Inhibition of acid sphingomyelinase (ASM), a lysosomal enzyme that catalyzes the hydrolysis of sphingomyelin into ceramide and phosphorylcholine, may serve as an investigational tool or a therapeutic intervention to control many diseases. Specific ASM inhibitors are currently not sufficiently characterized. Here, we found that 1-aminodecylidene bis-phosphonic acid (ARC39) specifically and efficiently (>90%) inhibits both lysosomal and secretory ASM in vitro. Results from investigating sphingomyelin phosphodiesterase 1 (SMPD1/Smpd1) mRNA and ASM protein levels suggested that ARC39 directly inhibits ASM's catalytic activity in cultured cells, a mechanism that differs from that of functional inhibitors of ASM. We further provide evidence that ARC39 dose- and time-dependently inhibits lysosomal ASM in intact cells, and we show that ARC39 also reduces platelet- and ASM-promoted adhesion of tumor cells. The observed toxicity of ARC39 is low at concentrations relevant for ASM inhibition in vitro, and it does not strongly alter the lysosomal compartment or induce phospholipidosis in vitro. When applied intraperitoneally in vivo, even subtoxic high doses administered short-term induced sphingomyelin accumulation only locally in the peritoneal lavage without significant accumulation in plasma, liver, spleen, or brain. These findings require further investigation with other possible chemical modifications. In conclusion, our results indicate that ARC39 potently and selectively inhibits ASM in vitro and highlight the need for developing compounds that can reach tissue concentrations sufficient for ASM inhibition in vivo.
Inhibition of acid sphingomyelinase (ASM), a lysosomal enzyme that catalyzes the hydrolysis of sphingomyelin into ceramide and phosphorylcholine, may serve as an investigational tool or a therapeutic intervention to control many diseases. Specific ASM inhibitors are currently not sufficiently characterized. Here, we found that 1-aminodecylidene bis-phosphonic acid (ARC39) specifically and efficiently (>90%) inhibits both lysosomal and secretory ASM in vitro. Results from investigating sphingomyelin phosphodiesterase 1 (SMPD1/Smpd1) mRNA and ASM protein levels suggested that ARC39 directly inhibits ASM's catalytic activity in cultured cells, a mechanism that differs from that of functional inhibitors of ASM. We further provide evidence that ARC39 dose- and time-dependently inhibits lysosomal ASM in intact cells, and we show that ARC39 also reduces platelet- and ASM-promoted adhesion of tumor cells. The observed toxicity of ARC39 is low at concentrations relevant for ASM inhibition in vitro, and it does not strongly alter the lysosomal compartment or induce phospholipidosis in vitro. When applied intraperitoneally in vivo, even subtoxic high doses administered short-term induced sphingomyelin accumulation only locally in the peritoneal lavage without significant accumulation in plasma, liver, spleen, or brain. These findings require further investigation with other possible chemical modifications. In conclusion, our results indicate that ARC39 potently and selectively inhibits ASM in vitro and highlight the need for developing compounds that can reach tissue concentrations sufficient for ASM inhibition in vivo.
Background: Being an essential trace element, copper is involved in diverse physiological processes. However, excess levels might lead to adverse effects. Disrupted copper homeostasis, particularly in the brain, has been associated with human diseases including the neurodegenerative disorders Wilson and Alzheimer?s disease. In this context, astrocytes play an important role in the regulation of the copper homeostasis in the brain and likely in the prevention against neuronal toxicity, consequently pointing them out as a potential target for the neurotoxicity of copper. Major toxic mechanisms are discussed to be directed against mitochondria probably via oxidative stress. However, the toxic potential and mode of action of copper in astrocytes is poorly understood, so far. Methods: In this study, excess copper levels affecting human astrocytic cell model and their involvement in the neurotoxic mode of action of copper, as well as, effects on the homeostasis of other trace elements (Mn, Fe, Ca and Mg) were investigated. Results: Copper induced substantial cytotoxic effects in the human astrocytic cell line following 48 h incubation (EC30: 250 ?M) and affected mitochondrial function, as observed via reduction of mitochondrial membrane potential and increased ROS production, likely originating from mitochondria. Moreover, cellular GSH metabolism was altered as well. Interestingly, not only cellular copper levels were affected, but also the homeostasis of other elements (Ca, Fe and Mn) were disrupted. Conclusion: One potential toxic mode of action of copper seems to be effects on the mitochondria along with induction of oxidative stress in the human astrocytic cell model. Moreover, excess copper levels seem to interact with the homeostasis of other essential elements such as Ca, Fe and Mn. Disrupted element homeostasis might also contribute to the induction of oxidative stress, likely involved in the onset and progression of neurodegenerative disorders. These insights in the toxic mechanisms will help to develop ideas and approaches for therapeutic strategies against copper-mediated diseases.
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.
Die Ausstattung der gastrointestinalen Mukosa des Menschen und der Ratte mit Sulfotransferasen wurde mit Hilfe von Immunodetektion und Enzymaktivitätsmessungen untersucht. In Proben aus Colon und Rektum von 39 Personen wurden die Formen h1A1, h1A3 und h1B1 identifiziert, wobei in einer weiteren Probe, die als einzige von einem an Colitis Ulcerosa erkrankten Patienten stammte, keine Sulfotransferasen nachgewiesen werden konnten. Bei der Immunblot-Analyse war das Expressionsmuster der einzelnen Formen in allen Proben ähnlich. In wenigen Proben waren die relativen Signalintensitäten der h1A1 und der h1B1 um die Hälfte erniedrigt. Der Gehalt von SULT an zytosolischem Protein zeigte einen bis zu 8 - 10fachen Unterschied, er betrug jedoch bei zwei Dritteln der Proben zwischen 0,15 und 0,3 (h1A1 und h1A3) bzw. 0,6 und 0,8 Promille (h1B1). Die Variation konnte nicht auf Alter, Geschlecht oder Krankheitsbild der Patienten zurückgeführt werden. Auch der für die allelischen Varianten der h1A1 beschriebene Effekt auf die Enzymaktiviät bzw. Stabilität konnte in der Menge an immunreaktivem Protein nicht in diesem Ausmaß detektiert werden. Die Allelhäufigkeit von h1A1*R und h1A1*H war gegenüber der gesunden Bevölkerung nicht verändert. In den sieben Proben aus dem Dünndarm (Coecum, viermal Ileum, Jejunum) konnten zusätzlich die Formen h1E1 und h2A1 identifiziert werden. Ein möglicherweise der Form h1C1 entsprechendes Protein wurde im Magen detektiert. Im Vergleich zum Menschen war die Expression in der Ratte stärker auf die Leber konzentriert. Während beim Menschen in allen untersuchten Abschnitten Sulfotransferasen in Mengen detektiert wurden, die in zwei Fällen (h1B1 und h1A3) sogar den Gehalt in der Leber überstiegen, beschränkte sich die Expression in der Ratte auf im Vergleich zur Leber geringe Mengen im Magen und Dickdarm. Nachgewiesen wurden die r1B1, r1A1 sowie eine nicht identifizierte Form von 35kD, bei der es sich vermutlich um die r1C2 handelt. Im Vergleich zur Leber enthielt der Dickdarm der Ratte 20 - 30 % an r1B1 und 3 % an r1A1, während im Dickdarm des Menschen die 3 - 5fache Menge an h1B1 und 25 - 50 % an h1A1 gefunden wurden. Die nicht identifizierte Form verhielt sich wie die r1B1. Die für die Leber der Ratte bekannte geschlechtsabhängige Expression wurde im Gastrointestinaltrakt nicht beobachtet. Die Verteilung der Sulfotransferasen im Colon und Ileum des Menschen wurde immunhistochemisch untersucht; für die Gewebe der Ratte war die Spezifität der zur Verfügung stehenden Antiseren nicht ausreichend. Im Colon traten h1B1-spezifische Färbungen in den differenzierten Enterozyten am oberen Ende der Krypten auf, im Dünndarm wurden die Epithelzellen der Zotten gefärbt. Die Färbung konzentrierte sich auf das Zytoplasma. Eine ähnliche Verteilung zeigte sich für h1A1 und h1A3, außer daß zusätzlich eine intensive Färbung der Endothelzellen der Kapillaren in der Submukosa des Ileums auftrat. Im Dickdarm war dies nur bei den Kapillaren in den Lymphfollikeln zu erkennen. Die h2A1 war lediglich im Zytoplasma der Epithelzellen der Zotten des Ileums nachzuweisen, während im Colon keine Farbreaktion auftrat. Durch die Verwendung der rekombinanten Indikatorstämme TA1538-h1A1, -h1A3 und -h1B1 und des Ausgangsstammes Salmonella typhimurium TA1538 im Ames-Test wurde gezeigt, daß verschiedene benzylische und allylische Alkohole durch im humanen Colon exprimierte Sulfotransferasen zu Mutagenen aktiviert werden. In den meisten Fällen erwies sich eine der drei Sulfotransferasen als besonders effizient in der Bioaktivierung, während durch die anderen Formen kein oder nur ein schwacher Effekt verursacht wurde. Die Bioaktivierung von Promutagenen durch Sulfotransferasen im Colon muß im Zusammenhang mit der Lokalisation diskutiert werden. Die Zellen im Darm, in denen immunhistochemisch Sulfotransferasen detektiert wurden, haben mit Ausnahme des Endothels je nach Abschnitt eine Lebensdauer von maximal fünf Tagen und machen keine weiteren Zellteilungen mehr durch. Daher sind DNA-Schäden in diesen Zellen ein sehr geringes Risiko für den Organismus. Soweit die reaktiven Metabolite in diesen Zellen gefangen bleiben, kann die Bioaktivierung in diesen Zellen und die Bildung von Addukten als protektiv betrachten werden, da letztere nach wenigen Tagen mit den toten Zellen in das Darmlumen abgegeben werden. Für den Vergleich der Bioaktiverung von Promutagenen durch die Form 1B1 des Menschen und der Ratte wurden aus V79 Lungenfibroblasten des Chinesischen Hamsters abgeleitete Zellinien hergestellt, die je eine der beiden Formen stabil exprimieren. Damit standen 1B1-profiziente Indikatorzellen für den HPRT-Genmutationstest zur Verfügung, und die 1B1-abhängige Bioaktivierung konnte in einem System untersucht werden, die dem eukaryontischen Organismus näher steht als die für die Ames-Tests verwendeten Bakterien. So war z.B. die Sulfotransferase wie im Gewebe im Zytoplasma lokalisiert. Als Modellsubstanzen wurden hierbei die bereits in TA1538-h1B1 mutagen wirkenden benzylischen Alkohole 6-Hydroxymethylbenzo[a]pyren und 4-Hydroxycyclopenta-[def]chrysen getestet. Da die Sensitivität einer Sulfotransferase-exprimierenden V79-Zellinie sowohl durch die Menge an Sulfotransferase als auch durch die Verfügbarkeit des Sulfodonors limitiert sein könnte, wurden die Mutagenitätsexperimente mit V79-r1B1-Zellinien durchgeführt, die sich in ihrer Enzymaktivität um das Zwanzigfache unterschieden: V79-r1B1/A und -/B. Eine starke Erhöhung der Mutantenfrequenz wurde nur in der hoch exprimierenden Zellinie V79-r1B1/A (1019 ± 224 pmol/mg/min) beobachtet, so daß eine gravierende Beeinträchtigung der Sensitivität durch einen Mangel an Kosubstrat ausgeschlossen wurde. In der niedriger exprimierenden Zellinie V79-r1B1/B (57 ± 9 pmol/mg/min) war nur mit 6-Hydroxymethylbenzo[a]pyren ein schwacher Anstieg der Mutantenfrequenz zu erkennen, der mit 0,3 µM bei einer in etwa 100fach höheren Konzentration begann als bei V79-r1B1/A. Die zytosolische Fraktion aus V79-r1B1/B-Zellen enthielt in etwa die dreifache Menge an r1B1-Protein wie die aus Colonmucosa der Ratte. Da zumindest für die humane Mukosa gezeigt wurde, daß die 1B1 nur im einschichtigen Epithel, nicht aber in allen Zellen der Mukosa exprimiert wird, repräsentiert die zytosolische Fraktion aus der Mukosa nur bedingt die Expression in den Epithelzellen und der Vergleich mit den V79-1B1-Zellen ist grob. Im Gegensatz zu V79-r1B1/B war die Zellinie V79-h1B1, die ebenfalls nur mit Darm und Leber vergleichbare Mengen an h1B1 exprimierte, in der Lage, beide benzylischen Alkohole zu aktivieren. Der Erhöhung der Mutantenfrequenz im Vergleich zur KontrollZellinie war ähnlich wie bei der stark exprimierenden Zellinie V79-r1B1/A, erforderte aber 10fach höhere Konzentrationen. Somit unterscheiden sich Mensch und Ratte nicht nur insgesamt in ihrer Ausstattung des Gastrointestinaltrakts mit Sulfotransferasen, auch bei Betrachtung einer einzelnen Form zeigten sich deutliche Unterschiede in der Aktivierung von zwei Promutagenen. Die Ratte ist daher ein ungeeignetes Modell, um die Rolle von Sulfotransferasen bei tumorinitiierenden Prozessen im Darm zu untersuchen. Dies unterstreicht die Bedeutung von rekombinanten in-vitro-Systemen für die Erfassung des humanen Metabolismus von Fremdstoffen. Insgesamt kennt man nur eine geringe Anzahl von Substanzen, die im Tierexperiment Colontumore erzeugen, und mit Ausnahme der heterozyklischen aromatischen Amine sind diese lediglich von experimenteller Bedeutung. Dies spricht für effiziente Schutzmechanismen der Darmmukosa gegenüber Mutagenen und läßt die Frage nach der hohen Inzidenz des Kolorektalkarzinoms offen.