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In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde untersucht, zu welchen Veränderungen es im Proteom der pankreatischen β-Zelle durch Erzeugung von Hyperglykämie und/oder Hyperlipidämie kommt, die z.B. im Rahmen des Metabolischen Syndroms auftreten können.
Für die Experimente wurde die Zelllinie BRIN BD11 verwendet. Eine Behandlung erfolgte vergleichend mit Glucose (25 mM) und/oder Docosahexaensäure (DHA 0,1 mM) für 24 Stunden.
Das Proteom der BRIN-BD11 Zellen wurde mit Hilfe von 2D Differenzial-Fluoreszenz-Gelelektrophorese (DIGE) analysiert und die Proteine unter Verwendung der Massenspektrometrie identifiziert. Es konnten insgesamt 1101 Proteine in 1487 detektierten Spots bestimmt werden. Darunter stellten sich 90 Spots unter den oben genannten Stimulationen als signifikant reguliert dar. Aus diesen wurden 63 regulierte Proteine identifiziert, die sich verschiedenen Bereichen des Stoffwechsels zuordnen lassen, u.a. dem Glucosestoffwechsel, der Atmungskette, katabolen Prozessen oder den Reparatur- und Schutzmechanismen.
Eine Ingenuity Pathway Analyse anhand der regulierten Proteine ergab Zuordnungen zu 3 Netzwerken:
1 Nukleinsäuremetabolismus, Lipidmetabolismus und Biochemie kleiner Moleküle,
2 DNA -Replikation, -Rekombination und -Reparatur, Nukleinsäuremetabolismus und Biochemie kleiner Moleküle,
3 Kohlenhydratmetabolismus, molekularer Transport und Biochemie kleiner Moleküle.
Weiterhin konnte eine funktionelle Einteilung sowie die Verteilung der Proteine nach Zellkompartimenten dargestellt werden.
Eine Verifizierung der Ergebnisse mittels RT-qPCR erfolgte für Cathepsin D, Endoplasmic reticulum lipid raft-associated protein 2, Melanocyte proliferating gene 1, Glutamat-Cystein-Ligase sowie für die Thioredoxin-Reduktase und das Dihydropyrimidinase-related protein 2. Desweiteren wurden Western Blot Analysen zu Thioredoxin-Reduktase und das Dihydropyrimidinase-related protein 2 durchgeführt.
Die Ergebnisse weisen auf eine Regulation im Sinne einer Kompensation der Stressoren hin, die durch gesteigerte Expression/Aktivität antioxidativer Systeme wie Glutathion und Thioredoxin erklärbar wären. Zudem konnte ein Proteommuster der BRIN BD11 Zellen erstellt werden und bildet mit der massenspekrometrischen Identifizierung der Proteine eine Grundlage für weitere Untersuchungen an der Zelllinie.
Im Rahmen der Karlsburger Typ-1-Diabetes-Risikostudie wurden 11.986 Schulkinder in einem kombinierten Screening auf die diabetes-assoziierten Autoantikörper (AAk) GADA, IAA und IA-2A mittels Radioliganden-Bindungsassays untersucht, AAk-positive Probanden HLA-DQB1 genotypisiert und hinsichtlich der Entwicklung eines Typ-1-Diabetes mellitus (T1DM) über fast 20 Jahre beobachtet. Die vorliegende Untersuchung zeigt, dass ein Screening auf diese biochemisch definierten AAk das T1DM-Risiko in der Allgemeinbevölkerung ebenso gut differenzieren kann, wie dies bereits in anderen Studien bei Probanden mit einer genetischen Prädisposition beschrieben wurde. Die starke positive Assoziation der AAk mit immungenetischen diabetes-assoziierten Risikomarkern (HLA-DQB1*0302 und/oder *02) konnte in der vorliegenden Studie auch für die Allgemeinbevölkerung bestätigt werden. Positivität für multiple diabetes-assoziierte AAk hatte das größte kumulative T1DM-Risiko und ist vergleichbar mit Ergebnissen von Studien bei erstgradigen Verwandten. Die Ergebnisse konnten außerdem zeigen, dass Studien, welche Probanden aufgrund genetischer Vorselektion rekrutierten, eine substantielle Anzahl der im Rahmen der Karlsburger Typ-1-Diabetes-Risikostudie manifestierten Kinder übersehen hätten. Diabetes-assoziierte HLA-DQB1-Allele hatten zwar eine hohe Sensitivität, aber nur eine geringe Spezifität zur Identifizierung von späteren Diabetikern in dieser Kohorte. Das AAk-Screening mit Nachweis von multipler AAk-Positivität war somit mit hoher Sensitivität und Spezifität zur Identifizierung von Diabetikern der Analyse der HLA-DQB1-Risikoallele bei AAk-positiven Probanden überlegen. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass ein kombiniertes Populationsscreening auf die diabetes-assoziierten Autoantikörper geeignet ist, um Probanden aus der Allgemeinbevölkerung mit höchstem T1DM-Risiko für Präventionsprogramme zu identifizieren. Dies könnte, sobald sichere und effektive Strategien zur Prävention des T1DM zur Verfügung stehen, zum Beispiel im Rahmen der gesetzlichen Vorsorgeuntersuchungen im Kleinkindalter flächendeckend realisiert werden.
Das Renin-Angiotensin-System (RAS) ist ein Hormonsystem, das über die Bindung von Angiotensin-Peptiden an ihre spezifischen Rezeptoren vielfältige physiologische Prozesse beeinflussen kann. In den letzten Jahren gelangte die alternative Angiotensin-Converting-Enzym 2 (ACE2)/Angiotensin (Ang)-(1-7)/Mas-Rezeptor-Achse des RAS aufgrund ihrer protektiven Rolle bei pathophysiologischen Zuständen in den Fokus der Forschung. Wenig untersucht war bislang die Relevanz der lokalen ACE2/Ang-(1-7)/Mas-Achse für die Funktion von Langerhans-Inseln, besonders in Hinblick auf die Produktion und Sekretion von Insulin. Daher sollte im Rahmen der vorliegenden Arbeit der Einfluss des Mas-Rezeptors und seines Liganden Ang-(1-7) auf die β-Zell-Funktion bestimmt und verantwortliche molekulare Mechanismen aufgeklärt werden. Dazu wurden isolierte Langerhans-Inseln von Wildtyp (WT) und Mas-defizienten Mäusen genutzt, die zunächst umfassend hinsichtlich der Expression der Komponenten der ACE2/Ang-(1-7)/Mas-Achse charakterisiert wurden. Dann wurde der Einfluss des Ang-(1-7) sowie der Ang-(1-7)-Antagonisten D-Ala7-Ang-(1-7) (A779) und D-Pro7-Ang-(1-7) (D-Pro) auf die Insulinproduktion und Glucose-stimulierte Insulinsekretion (GSIS) bestimmt. Isolierte Inseln von Mas-defizienten Mäusen zeigten im Vergleich zu WT-Inseln eine signifikant reduzierte GSIS. Entsprechend bewirkte in WT-Inseln die Inkubation mit A779 und D-Pro eine Reduktion der GSIS, wohingegen der Mas-Ligand Ang-(1-7) diese signifikant steigern konnte. Diese Befunde unterstreichen die Bedeutung der ACE2/Ang-(1-7)/Mas-Achse für die Modulation der Insulinsekretion in Langerhans-Inseln.
Unter Verwendung pharmakologischer Hemmstoffe wurden zugrunde liegende Signal-Transduktionswege untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse sprechen für die Beteiligung von cyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) an der Mas-abhängigen Regulation der Insulinsekretion. Ergebnisse weiterführender Experimente machen wahrscheinlich, dass diese Ang-(1-7)-stimulierte Insulinsekretion hauptsächlich über das exchange protein directly activated by cAMP 2 (EPAC2) verläuft. Auch nach Langzeit-Applikation von Ang-(1-7) in vivo zeigte sich ein stimulierender Effekt von Ang-(1-7) auf die GSIS von WT-Inseln. Es wurden auch Hinweise auf Mas-Rezeptor-unabhängige Ang-(1-7)-Wirkungen erhalten, die Gegenstand weiterführender Untersuchungen sind. Der Einfluss von Ang-(1-7) und A779 auf die Glucosetoleranz in vivo war dagegen marginal.
Um weitere Signalwege und Komponenten zu identifizieren, die an der Mas-abhängigen Regulation der GSIS beteiligt sind, wurde eine Massenspektrometrie-basierte Proteomanalyse von Langerhans-Inseln aus WT- und Mas-defizienten Mäusen ohne und unter Einwirkung von Ang-(1-7) und A779 durchgeführt. Die Kandidaten mit signifikanten Mengenänderungen wurden anschließend über die Ingenuity® Pathway Analyse (IPA) in molekulare Netzwerke und funktionelle Kategorien eingeordnet. Die stärkste Beeinflussung konnte bei den funktionellen Kategorien Zelltod und Zellüberleben, gastrointestinale Erkrankungen, Erkrankungen des endokrinen Systems, Stoffwechselerkrankungen und Zellzyklus festgestellt werden.
Die Sekretions-Maschinerie wurde als ein wahrscheinlicher Angriffspunkt der Ang-(1-7)/Mas-vermittelten Signale in den Langerhans-Inseln identifiziert, da einige regulierte Proteine sekretionsassoziierte Signalwege, vesikelassoziierte Faktoren, Komponenten des Endoplasmatischen Retikulums und des Golgi-Apparates sowie Regulatoren des Zytoskeletts betreffen oder als potenziell übergeordnete Regulatoren vorhergesagt werden konnten. Als eines der interessantesten Proteine wurde dabei das Golgi-reassembly stacking protein 2 (GORASP2) identifiziert, das für die akkurate Golgi-Stapelung in der Zelle verantwortlich ist und auch in die unkonventionelle Proteinsekretion involviert ist. Eine Mas-Rezeptor-abhängige Beeinflussung von GORASP2 und damit der Insulinsekretion erscheint möglich und sollte in weiterführenden Analysen verifiziert und hinsichtlich der molekularen Prozesse detailliert untersucht werden.
Die vorgelegten Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die ACE2/Ang-(1-7)/Mas-Achse des RAS sowohl in vitro als auch in vivo einen positiven Einfluss auf die β-Zell-Funktion ausübt. Inwieweit sich daraus neue Ansatzpunkte für die Behandlung von Erkrankungen mit gestörter β-Zell-Funktion ergeben können, müssen Folgeuntersuchungen zeigen. Denkbar wäre die Steigerung der GSIS bei Typ-2-Diabetes mellitus mittels stabilen Ang-(1-7)-Agonisten. Diese Möglichkeit zeigt die Wichtigkeit zur weiteren Erforschung der ACE2/Ang-(1-7)/Mas-Achse in Langerhans-Inseln und ihrer genauen Wirkungen auf die Funktion von β-Zellen.
Zink-Transporter 8-Autoantikörper sind auch in Kindern ohne hereditäres Diabetes-Risiko in der Lage, das Erkrankungsrisiko zu stratifizieren, was auf eine ähnliche Pathophysiologie hinweist, und insbesondere in anderweitig als niedrig-risikobehaftet eingestuften und in IA-2A-negativen Individuen diejenigen identifiziert, die manifestieren werden.
ZnT8A sind zudem hilfreich in der Identifizierung eines autoimmun-vermittelten Diabetes mellitus im Erwachsenenalter, insbesondere bei phänotypisch als T2D eingestuften Patient*innen, sodass eine entsprechende Therapie und damit die Prognose sowie das Langzeit-Outcome in diesem Patientenkollektiv positiv beeinflusst werden kann.
Das entsprechend des SNP im kodierenden SLC30A8-Gen getriggerte Reaktionsmuster ist in T1D-Patient*innen und hoch-risikobehafteten Kindern mit überwiegend davon unabhängiger Autoantikörperantwort gegenüber der ZnT8WA-dominierenden Antwort in LADA-Patient*innen deutlich different, was die Hypothese unterschiedlicher Pathomechanismen dieser beiden Diabetesformen unterstützt.
Die zusätzliche Testung von ZnT8QA trägt nicht zu einer zusätzlichen Risikostratifizierung bei, sodass ein kombiniertes ZnT8A-Screening mit einem ZnT8-Arg325-Trp325-Hybridkonstrukt eine deutliche Zeit- und Kostenersparnis ohne Sensitivitätsverlust darstellt.