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Ziel dieser Studie war es, das metabolische Speichelprofil in Zusammenhang mit Parodontitis zu untersuchen und potentielle Biomarker sowie Stoffwechselwege im Rahmen der Erkrankung zu erforschen. Speichelproben von 938 Proband*innen wurden in Abhängigkeit von dentalen Gesundheitsvariablen betrachtet und anschließend, auf Basis dieser Ergebnisse, mit dem Zahnverlust nach fünf Jahren assoziiert.
Die Querschnittsanalyse ergab mehrere signifikant assoziierte Speichelmetabolite, wovon Butyrylputrescin mit den meisten oralen Variablen verknüpft war. Außerdem konnten wir die Kernergebnisse einer unabhängigen Studie replizieren und das Potenzial von Phenylacetat, 3-Phenylpropionat und 3-(4-Hydroxyphenyl)Propionat
bekräftigen. In der Längsschnittanalyse war der Zahnverlust nach fünf Jahren am stärksten mit N,N-Dimethyl-5-Aminovalerat verbunden. Die Mehrzahl aller auffälligen Metabolite steht in Zusammenhang mit Zellvermehrung, bakteriellem Stoffwechsel und Gewebedestruktion. Fasst man die Analysen zusammen, sind 2-Pyrr und Butyrylputrescin die beständigsten Metabolite mit signifikanten Korrelationen. Daher erscheinen sie als besonders geeignet, das Ungleichgewicht der Mundflora widerzuspiegeln.
In vitro and in vivo analyses of mono- and mixed-species biofilms formed by microbial pathogens
(2022)
Microbial biofilms can be defined as multicellular clusters of microorganisms embedded in a self-produced extracellular matrix (ECM), which is primarily composed of polymeric biomolecules. Biofilms represent one of the most severe burdens in both industry and healthcare worldwide, causing billions of dollars of treatment costs annually because biofilms are inherently difficult to prevent, treat, and eradicate. In health care settings, patients suffering from cystic fibrosis, or patients with medical implants are highly susceptible to biofilm infections. Once a biofilm is formed, it is almost impossible to quantitatively eradicate it by mechanical, enzymatical, chemical, or antimicrobial treatment. Often the only remaining option to fully eradicate the biofilm is removing of the infected implant or body part. The primary reasons for the inherent resistance of biofilms against all forms of antimicrobial treatment are (I) a reduced metabolic activity of biofilm-embedded cells climaxing in the presence of metabolic inactive persister cells, as well as (II) the protective nature of the biofilm matrix acting as a (diffusion) barrier against antimicrobials and the host immune system. Consequently, there is an urgent need to better understand microbial biofilms from a structural and (patho-) physiological point of view in order to be able to develop new treatment strategies.
Therefore, the aims of this study were to investigate fundamental physiological properties of different clinically relevant single and multi-species biofilms, both in vitro and in vivo. Furthermore, the effectiveness of a novel treatment strategy using cold atmospheric pressure plasma was evaluated in vitro to treat biofilms of the pathogenic fungus C. albicans.
In article I, the intracellular and ECM protein inventory of Staphylococcus aureus during in vitro biofilm growth in a flow reactor was analyzed by liquid-chromatography coupled to tandem mass-spectrometry (LC-MS/MS) analysis combined with metabolic footprint analysis. This analysis showed that anaerobiosis within biofilms releases organic acids lowering the ECM pH. This, in turn, leads to protonation of alkaline proteins – mostly ribosomal proteins originating from cell lysis as well as actively secreted virulence factors – resulting in a positive net charge of these proteins. As a consequence, these proteins accumulate within the ECM and form an electrostatic network with negatively charged cell surfaces, eDNA, and metabolites contributing to the overall biofilm stability.
In article II, the in vivo metaproteome of the multi-species biofilm community in cystic fibrosis sputum was investigated. To this end, an innovative protocol was developed allowing the enrichment of microbial cells, the extraction of proteins from a small amount of cystic fibrosis sputum, and subsequent metaproteome analysis. This protocol also allows 16S sequencing, metabolic footprint analysis, and microscopy of the same sample to complement the metaproteome data. Applying this protocol, we were able to significantly enhance microbial protein coverage providing first insights into important physiological pathways during CF lung infection. A key finding was that the arginine deaminase pathway as well as microbial proteases play a so far underappreciated role in CF pathophysiology.
In articles III and IV, a novel treatment strategy for biofilms formed by the important fungal pathogen Candida albicans was evaluated in vitro. Biofilms were treated with two different sources of nonthermal plasma (with the Nonthermal Plasma Jet “kINPen09” as well as with the Microwave-induced plasma torch “MiniMIP”) and the effect on growth, survival, and viability was assessed by counting colony-forming units (CFU), by cell proliferation assays, as well as by live/dead staining combined with fluorescence microscopy, confocal laser scanning microscopy, (CLSM) and atomic force microscopy (AFM). These tests revealed that biofilms were effectively inactivated mostly on the bottom side of biofilms, indicating a great potential of these two plasma sources to fight biofilms.
Aiming at the goal of individualized medicine, this dissertation develops a generic methodology to individualize risk factors and phenotypes via metabolomic data from the urine. As metabolomic data can be seen as a holistic representation of the metabolism of an organism at certain time point, metabolomic data contain not only information about current life-style factors like diet and smoking but also about latent genetic traits. Utilizing this integrative attribute, the dissertation delivers a metric for biological age (the metabolic age score) which was shown to be informative beyond chronological age in three independent samples. It was associated with a broad range of age-related comorbidities in two large population-based cohorts, predicted independently of classical risk factors mortality and, moreover, it predicted weight loss subsequently to bariatric surgery in a small sample of heavily obese individuals.
Subsequently to this work, the dissertation built a definitional framework justifying the procedure underlying the metabolic age score, delivering a general framework for the construction of individualized phenotypes and thereby an operationalization of individualization in statistical terms. Conceptualizing individualization of the process of differentiation of individuals showing the same phenotype despite different underlying biological traits, it was shown formally that the prediction error of a statistical model approximating a phenotype is always informative about the underlying biology beyond the phenotype if the predictors fulfill certain statistical requirements. Thus, the prediction error facilitates the meaningful differentiation of individuals showing the same phenotype. The definitional framework presented here is not restricted to any kind of data and is therefore applicable to a broad range of medical research questions.
However, when utilizing metabolomic data, technical factors, data-preprocessing, pre-analytic features introduce unwanted variance into the statistical modeling. Thus, it is unclear whether predictive models like the metabolic age score are stable enough for clinical application. The third part of this doctoral thesis provided two statistical criteria to decide which normalization method to remove the dilution variance from urinary metabolome data performs best in terms of erroneous variance introduced by the different methods, aiding the minimization of biological irrelevant variance in metabolomic analyses.
In conclusion, this doctoral thesis developed a general, applicable, definitional framework for the construction of individualized phenotypes and demonstrated the value of the methodology for clinical phenotypes on metabolomic data, improving on the way the statistical treatment of urinary data regarding the dilution correction.
Adipositas ist medizinisch und sozioökonomisch ein weltweit an Bedeutung gewinnendes Problem. Bariatrische Chirurgie hat sich als effektivste Möglichkeit zur Behandlung morbider Adipositas erwiesen. Dabei ergeben sich deutliche Verbesserungen des diabetischen Stoffwechsels bereits kurz nach dem Eingriff, bevor ein signifikanter Gewichtsverlust eingetreten ist. Die Mechanismen, die dazu führen, sind dabei noch nicht vollständig aufgeklärt. Ziel der Arbeit war es, mit Hilfe des Metabolomikansatzes herauszufinden, ob bariatrische Chirurgie einen Einfluss auf das Metabolom des Urins hat. Dazu wurden Urinproben von 50 Patienten jeweils prä-operativ und bis zu 13 Tage post-operativ mittels 1H-NMR untersucht und mit Hilfe von multivariaten statistischen Methoden analysiert. Dabei konnte deutlich zwischen prä- und post-operativen Proben unterschieden werden. PLS-DA und OPLS-DA Modelle waren in der Lage, 95 % der Spektren richtig in prä- und post-operativ zu klassifizieren. Zur Unterscheidung trugen in erster Linie die Buckets b20, b49 und b50 bei. Bei Betrachtung der gemittelten Spektren fielen eine Heraufregulation in den ppm-Bereichen 1,20-1,24, 2,1-2,5, 3,2-3,6, 4,1-4,2, 7,40-7,45 und 7,6-7,7 sowie eine Herabregulation in den ppm-Bereichen 7,5-7,6 und 7,8-7,9 jeweils post-operativ auf. Bariatrische Chirurgie verändert somit das Metabolom des Urins. Den Variationen im Spektrum liegen Metabolite zu Grunde, deren Identifikation Rückschlüsse auf Stoffwechselprozesse erlauben. Diese können wiederum Erklärungsansätze für den Gewichtsverlust und die Stoffwechselbeeinflussung in Folge einer bariatrischen Chirurgie liefern. Dieses bessere Verständnis der pathophysiologischen Vorgänge könnte weiterhin zur Entwicklung weniger invasiver chirurgischer Eingriffe oder spezieller, individueller pharmakologischer Therapien führen, zielgerichtet auf Gewichtsverlust und Remission des Diabetes mellitus. Weiterhin könnte Metabolomik bei der Entscheidung über die OP-Methode helfen. Dazu müsste es gelingen, aus einem großen Patientenkollektiv mit mehreren OP-Methoden im Urin z.B. einen Prädiktor zu finden, welcher Gewichtsverlust und Resolution von Komorbidität für einen individuellen Patienten vorhersagt. Insgesamt befindet sich die Metabolomikforschung noch in den Anfängen. Im Besonderen gilt dies für die Dokumentation des Einflusses chirurgischer Eingriffe auf das Metabolom des Urins. Weitere Studien mit einem größeren Patientenkollektiv und alternativen Fragestellungen könnten hier zu einem Erkenntnisgewinn führen.
Die vorliegende Studie ist die erste, die den breiten Effekt von IGF-I auf den menschlichen Metabolismus abbildet. Es zeigt sich ein facettenreiches Bild aus IGF-I assoziierten Metaboliten in Plasma und Urin, das die vielfältigen biologischen Effekte von IGF-I repräsentiert. Ein besonderer Befund ist die große Diskrepanz zwischen Frauen und Männern in den metabolischen Profilen von IGF-I, die eine Verbindung zu geschlechtsspezifischen Assoziationen zwischen IGF-I und bevölkerungsrelevanten Erkrankungen darstellen könnte. Zudem konnte der Zusammenhang von IGF-I mit dem Lipidstoffwechsel sowie Peptiden und Aminosäuren bestätigt werden. Für einige dieser Assoziationen gibt es nach aktuellem Forschungsstand bereits molekulare zellbiologische Erklärungsansätze. Viele der detektierten Metaboliten lassen sich in den Zusammenhang zu IGF-I assoziierten Erkrankungen einordnen: beispielsweise Betaine und Cortisol mit kardiovaskulären Erkrankungen, Diabetes, Dyslipiämie und dem Metabolischen Syndrom. Bradykinin und einige Fettsäurederivate sowie Cortisol verbinden IGF-I mit inflammatorischen Prozessen, ihre inverse Assoziation mit IGF-I kann unter anderem zur Erklärung des Zusammenhangs mit endothelialen Entzündungsprozessen wie der Atherosklerose beitragen. Für andere Metabolite ergeben sich Assoziationen zu Wachstum und Zelldifferenzierung, darunter Phospholipide sowie Aminosäure- bzw. Peptidabkömmlinge. Unsere Daten bestätigen den vielfältigen Einfluss von IGF-I auf den menschlichen Metabolismus, wie aus vorherigen Experimentalstudien beschrieben. Die vorliegenden Ergebnisse aus relativ gesunden Probanden erlaubt die Identifikation von IGF-I assoziierten Biomarkern. Warum sich nur für einige spezifische Repräsentanten pro Stoffgruppe signifikante Assoziationen ergeben und welche spezifischen molekularen zellbiologischen Prozesse dem zugrunde liegen, kann hier nicht allumfassend beantwortet werden. Zur weiteren Überprüfung der generierten Hypothesen, zur Klärung der genauen pathophysiologischen Auswirkungen von IGF-I auf den Metabolismus und auch zur Findung neuer Diagnose- und Therapiekonzepte für IGF-I assoziierte Erkrankungen, sind weitere unabhängige, interventionelle und experimentelle Studien erforderlich.
The discovery of antibiotics around one century ago was a milestone for medicine. However, despite the warning of Alexander Fleming in 1945, antibiotics were used poorly, resulting in many antibiotic-resistant pathogens. Patients infected with resistant pathogens need to get treated with additional antibiotics or, as a last resort, trust completely on their immune system. This causes 700,000 deaths per year. Most clinically used antibiotics have been derived from soil microorganisms, while other niches stayed unexplored. Exploring new niches inhabiting antibiotic-producing microorganisms may result in novel antibiotics. Furthermore, expanding the search from frequently investigated soluble metabolites to volatiles may open up numerous compounds as potential future antibiotics. This thesis is about the search for antimicrobial volatiles produced (among others) by microorganisms from social spider ecosystems, a niche that was little explored until now.
Volatiles are characterized by their high vapor pressure at ambient temperatures, allowing them to distribute fast in both the gas and water phase. They can spread quickly even in complex ecosystems using the air and potentially fulfill functions like communication and antimicrobial defense. Especially, volatiles with antimicrobial activities caught the attention of many scientists because of their potential role in pathogen defense, as we have reviewed (Article I). Volatiles are usually produced in the primary metabolism and belong to diverse chemical classes, like hydrocarbons, aromates, alcohols, aldehydes, acids, esters, amides, and thiols. Their antimicrobial spectrum ranges from antifungal, to antibacterial, anti-oomycete, and even broad-spectrum activity. Volatiles are ubiquitously produced. Especially Bacillus and Streptomyces species are often reported to produce antimicrobial volatiles. Knowledge about antimicrobial volatiles – for example, details about their modes of action – is lacking yet, but these compounds may help to overcome the antimicrobial resistance crisis in the future. Volatiles could be used in medicine and agriculture, either alone or in combination with traditional antibiotics, opening new strategies against antimicrobial resistance.
A promising source of (volatile) antimicrobials is the ecosystem of social arthropods. Due to their lifestyle in dense colonies, they likely spread pathogens between individuals, making antimicrobial defense crucial. Since the presence of antimicrobial volatiles was reported in social insect ecosystems, we investigated the unexplored volatilome of the Namibian social spider Stegodyphus dumicola (Articles II and III). In the first study, we analyzed the in situ volatilomes of the spiders’ nest, web, and bodies using GC/Q-TOF and revealed that more than 40 % of the tentatively identified volatiles were already known for their antimicrobial activities (Article II). We proved the antimicrobial activity of five pure compounds found in the samples, among others against the suggested spider pathogen Bacillus thuringiensis. These results indicate the potential role of antimicrobial volatiles for pathogen defense and could ultimately help explain the spiders’ ecological success.
Volatiles from the spider volatilome can originate from various sources, including microorganisms, surrounding plants, the spiders themselves, the spiders’ prey, so we analyzed the volatilomes of microbial nest members in a second study. The microbial nest members we selected for this were the bacteria Massilia sp. IC2-278, Massilia sp. IC2-477, Sphingomonas sp. IC-11, and Streptomyces sp. IC-207, and the fungus Aureobasidium sp. CE_32 (Article III). Several volatilomes showed antibacterial and/or antifungal activities against two suggested spider pathogens. The subsequent volatilome analyses using GC/Q-TOF revealed the presence of many volatiles that have already been described as antimicrobials. Five pure volatiles were tested against two suggested spider pathogens, revealing all volatiles as antibacterial, antifungal, or both. These results support the potential role of antimicrobial volatiles in social spider pathogen defense and indicate microbial nest members as the origin of (novel) antimicrobial volatiles.
Together, the articles that constitute this thesis highlight the antimicrobial power of volatiles (Article I), indicates the volatilome of the ecosystem of S. dumicola as a potential pathogen defense (Article II), and finally reveal the spider nest microbiome as a source for antimicrobial volatiles (Article III). This knowledge not only adds to the understanding of social spider ecosystems (and likely other social arthropod ecosystems) but also has the potential to open a novel source for antimicrobial compounds that may help to counter the antimicrobial resistance crisis.
Analyse der metabolischen Anpassung von Streptococcus pneumoniae an antimikrobielle Umwelteinflüsse
(2019)
Das Gram-positive Bakterium Streptococcus pneumoniae ist ein humanspezifisches Pathogen des oberen Respirationstraktes. Der opportunistische Krankheitserreger kann jedoch mehrere Organe befallen und tiefer in den Körper vordringen, was zu lokalen Entzündungen wie Sinusitis und Otitis media oder zu lebensbedrohlichen Infektionen wie Pneumonie, Meningitis oder Sepsis führen kann. Für das Bakterium S. pneumoniae wurden bisher kaum Metabolom-Daten erhoben. Daher war das Ziel dieser Dissertation eine umfassende Charakterisierung des Metaboloms von S. pneumoniae. In dieser Dissertation wurden als analytische Methoden die Gaschromatografie (GC) und Flüssigkeitschromatografie (LC) jeweils gekoppelt mit Massenspektrometrie (MS) sowie die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) verwendet, um die Metaboliten zu analysieren. Es sind mehrere Analysetechniken erforderlich, um den Großteil des Metaboloms mit seinen chemisch verschiedenen Metaboliten zu erfassen. Artikel I fasst die Literatur zu Untersuchungen des Metabolismus von S. pneumoniae in den letzten Jahren zusammen. Um eine Momentaufnahme des biologischen Systems zum jeweiligen Zeitpunkt zu erhalten, ist neben dem reproduzierbaren Wachstum während der Kultivierung auch die exakte Probenahme zu beachten. Aus diesem Grund wurde in dieser Dissertation ein Probenahmeprotokoll für das Endometabolom von S. pneumoniae etabliert (Artikel II). Mithilfe des optimierten Protokolls wurde eine umfassende Metabolomanalyse in einem chemisch definierten Medium durchgeführt (Artikel II). Um S. pneumoniae in einer Umgebung ähnlich der im Wirt zu untersuchen, wurde in einem modifizierten Zellkulturmedium kultiviert. Intermediate zentraler Stoffwechselwege von S. pneumoniae wurden analysiert. Das intrazelluläre Stoffwechselprofil wies auf einen hohen glykolytischen Flux hin und bot Einblicke in den Peptidoglykan-Stoffwechsel. Darüber hinaus widerspiegelten die Ergebnisse die biochemische Abhängigkeit von S. pneumoniae von aus dem Wirt stammenden Nährstoffen. Ein umfassendes Verständnis der Stoffwechselwege von Pathogenen ist wichtig, um Erkenntnisse über die Anpassungsstrategien während einer Infektion zu gewinnen und so neue Angriffspunkte für Wirkstoffe zu identifizieren.
Die zunehmende Verbreitung von resistenten S. pneumoniae-Stämmen zwingt zur Suche nach neuen antibiotisch wirksamen Substanzen. Im Zuge dessen wurde in Artikel III die metabolische Reaktion von S. pneumoniae während des Wachstums unter dem Einfluss antibakterieller Substanzen mit dem Ziel der Identifizierung metabolischer Anpassungsprozesse untersucht. Dabei wurden Antibiotika mit unterschiedlichen Wirkmechanismen verwendet, wie die Beeinflussung der Zellwandbiosynthese (Cefotaxim, Teixobactin-Arg10), der Proteinbiosynthese (Azithromycin) sowie Nukleotidsynthese (Moxifloxacin). Es konnten keine Wirkmechanismus-spezifischen Marker-Metaboliten identifiziert werden. Jedes Antibiotikum verursachte weitreichende Veränderungen im gesamten Metabolom von S. pneumoniae. Die Nukleotid- und Zellwandsynthese waren am stärksten betroffen. Besonders vielversprechend sind Antibiotika mit zwei Wirkorten wie Teixobactin-Arg10 und Kombinationen aus zwei Antibiotika. In dieser Dissertation wurde das erste Mal das synthetisch hergestellte Teixobactin-Arg10 mittels einer der modernen OMICS-Techniken untersucht. Die vorliegende umfassende Metabolom-Studie bietet wertvolle Erkenntnisse für Forscher, die an der Identifizierung neuer antibakterieller Substanzen arbeiten.
Insgesamt tragen die Ergebnisse der Dissertation zu einem besseren Verständnis der bakteriellen Physiologie bei.
Periodontitis is one of the most prevalent oral diseases worldwide caused by multifactorial interactions between host and oral bacteria. Altered cellular metabolism of host and microbes releases a number of intermediary end-products known as metabolites. Recently, there is an increasing interest in identifying metabolites from oral fluids like saliva to widen the understanding of the complex pathogenesis of periodontitis. It is believed, that some metabolites might serve as indicators toward early detection and screening of periodontitis and perhaps even for monitoring its prognosis in the future. Because contemporary periodontal screening methods are deficient, there is an urgent need for novel approaches in periodontal screening procedures. To this end we associated oral parameters (clinical attachment level, periodontal probing depth, supragingival plaque, supragingival calculus, number of missing teeth, and removable denture) with a large set of salivary metabolites (n=383) obtained by mass spectrometry among a subsample (n=909) of non-diabetic participants of the Study of Health in Pomerania (SHIP-Trend-0). Linear regression analyses were performed in age-stratified groups and adjusted for potential confounders. A multifaceted image of associated metabolites (n=107) with considerable differences according to age groups was revealed. In the young (20-39 years) and middle-aged groups (40-59 years), we found metabolites predominantly associated with periodontal variables; whereas among the older subjects (60 + years), tooth loss was strongly associated with metabolite levels. Metabolites associated with periodontal variables were clearly linked to tissue destruction, host- defence mechanisms and bacterial metabolism. Across all age groups, the bacterial metabolite phenylacetate was significantly associated with periodontal variables. Our results revealed alterations of the salivary metabolome in association with age and oral health status. Among our comprehensive panel of metabolites, periodontitis was significantly associated with the bacterial metabolite phenylacetate, a promising substance for further biomarker research.
The thyroid gland is of crucial importance in human metabolism. Its main secretion products, L-thyroxine (T4) and 3,3’,5-triiodo-L-thyronine (T3), are essential for proper development of multiple tissues and organs as well as for their functioning in the adult organism. The secretion of thyroid hormones (TH) is stimulated by thyrotropin (TSH) released from the pituitary gland. This tight connection between both hormones is of crucial importance for the clinical diagnosis of thyroid dysfunction. During the last two decades the concept of TH action developed to increased complexity. However, most of the recent advances in the field of TH research are based either on cell culture, tissue or animal models or stem from studies investigating specific hypotheses in humans. Thus, experimental approaches for the comprehensive, hypothesis-free characterization of metabolic effects of classical and non-classical TH in human are urgently needed. This holds true in particular for the TH derivative 3,5-diiodothyronine (3,5-T2). It was described to alleviate the typical detrimental metabolic consequences of a high-fat diet and even reversed hepatic steatosis. To replicate these experimental findings from rodents in humans, comprehensive data from the population-based Study of Health in Pomerania (SHIP) was analyzed in the present work. Based on a euthyroid, diabetes-free SHIP-subsample (N=761), non-linear associations between the serum concentrations of 3,5-T2 and glucose as well as TSH were detected. In contrast, no significant 3,5-T2 associations with several anthropometric markers or blood lipid parameters were observed, partially questioning the transferability of the beneficial metabolic 3,5-T2 effects reported for pharmacological intervention studies on rodents to humans. Recent advances in technological development now allow for the use of high-throughput spectrometric platforms to characterize the small molecule content (metabolome) of blood and urine samples. The detected metabolome constituents can be associated with any relevant parameters of interest, thereby extending the scope of classical association studies. Therefore, in the second part of the present thesis, the metabolic fingerprints of FT4, TSH as well as the ratio log(TSH)/FT4 as markers of thyroid function were profiled. Strong differences between the metabolic fingerprints of FT4 and TSH were observed, partially alleviated by the log(TSH)/FT4 ratio. These findings not only emphasize the high diagnostic value of the combined evaluation of TSH and FT4 in the assessment of thyroid function but additionally argue for a holistic approach in the diagnosis of thyroid function. More moderate endogenous effects of 3,5-T2 were evaluated by comparing its urinary metabolic fingerprint with that of the classical TH. A number of associations became apparent, indicating a function of endogenous 3,5-T2 in intermediary metabolism. Besides partially confirming associations with respect to the presented findings in animal studies, the strongest 3,5-T2-association was observed with trigonelline, a metabolite described earlier to exhibit similar beneficial effects as 3,5-T2 on glucose metabolism when used as a pharmacological agent in animal studies. An association towards hippurate indicated a partial overlap with the metabolic profile of TSH and hence consolidated results from the first two projects in the sense of a thyromimetic role of 3,5-T2 in the feedback regulation of TH. The diagnosis of thyroid disorders based on the classical markers TSH and FT4 suffers from restricted sensitivity in the subclinical range as both parameters have broad reference ranges in the general population. Therefore, in an approach to detect novel peripheral biomarkers of thyroid function, sixteen healthy young men were challenged with 250 µg of levothyroxine (L-T4) over a period of eight weeks in the fourth project presented here as part of this thesis. Monitoring of the volunteers over a period of sixteen weeks allowed delineation of the metabolic shifts first towards thyrotoxicosis and later in the context of the restoration of euthyroidism. The use of mass spectrometry for the comprehensive characterization of the metabolite as well as the protein content of samples taken at the different time points revealed profound molecular alterations, despite the lack of any clinical symptoms in the volunteers. Molecular signatures of thyrotoxicosis indicated increased energy expenditure, pronounced defense against systemic oxidative stress, a general drop in apolipoproteins, as well as increased abundances of proteins related to the coagulation cascade and the complement system. Good and robust classification of the thyroid state independent of TSH and FT4 was achieved using random forest analysis with a subset of fifteen metabolites and proteins, indicating new options in the individualized diagnosis of thyroid disorders.
Androgene sind bei Männern und Frauen hochkomplex in die Regulation des humanen
Metabolismus involviert, prägen in beträchtlichem Ausmaß die Körpermorphologie und können bei
Dysregulation in zahlreichen Erkrankungen resultieren. Jedoch ist die Rolle der Androgene auf den
Metabolismus bisher nicht vollständig erforscht und auch die detaillierten Mechanismen der
Interaktion sowie die abschließende Bedeutung für die Entstehung von Krankheiten sind
größtenteils unklar. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, mit Hilfe der Metabolomik - der
Bestimmung molekularer Stoffwechselzwischen- und endprodukte - einen Beitrag zum besseren
Verständnis der Wechselwirkungen zwischen dem Androgenhaushalt und Metabolismus zu leisten.
Die Datengrundlage der vorliegenden Arbeit wird aus einer Studienpopulation bestehend aus 430
Männern und 343 Frauen in einem Alter zwischen 20 und 79 Jahren gebildet, welche im Rahmen
der populationsbasierten Querschnittsstudie SHIP-TREND rekrutiert wurden. Unter Verwendung
von massenspektrometrischen Messmethoden und durch lineare Regressionsmodelle wurden
Assoziationen zwischen den Androgenen Testosteron, Androstendion und
Dehydroepiandrosteronsulfat beziehungsweise dem Transportprotein SHBG (sexual hormonebinding globulin) und Metaboliten aus Plasma und Urin identifiziert und anschließend ausgewertet.
Die Analysen offenbarten eine deutliche geschlechtsspezifische Differenz in Androgen-assoziierten
Metaboliten, beispielsweise bezüglich Urat, verschiedenen Lipiden und zahlreichen
Surrogatparametern für Lebensstilfaktoren, wie Piperin, Cotinin oder Trigonellin. Auffallend ist
hierbei, dass, im Vergleich zu Männern, Androgene bei Frauen, insbesondere bei Betrachtung von
postmenopausalen Frauen, eine deutlich stärkere Assoziation mit Metabolitkonzentrationen in
Plasma und Urin zeigten. Besonders deutlich wurde dieses Phänomen bei Untersuchungen
zwischen Dehydroepiandrosteronsulfat und verschiedenen Lipidderivaten. Letzterem ist eine
besonders hohe klinische Bedeutung beizumessen, da sich Veränderungen im Androgenhaushalt
bei Frauen häufig im Zusammenhang mit metabolischen und kardiovaskulären Erkrankungen
präsentieren. Weiterhin konnte in der vorliegenden Arbeit eine neuartige Beobachtung bezüglich
der Assoziation zwischen Androstendion und dem Metabolismus biogener Amine, wie Dopamin
oder Serotonin, dokumentiert werden. Überraschend war die geringe Überschneidung von
Androgen-assoziierten Metaboliten, insbesondere Dehydroepiandrosteron, über die Geschlechter
hinweg.
Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern neue Einblicke in die Interaktion zwischen Androgenen und dem
humanen Metabolismus und ermöglichen es, insbesondere für den weiblichen Stoffwechsel,
Rückschlüsse zu ziehen sowie etwaige klinische Fragestellungen zukünftig in isolierten Studien zu
untersuchen.