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Die gestörte Glukosetoleranz (engl. impaired glucose tolerance, IGT) ist eines der präsymptomatischen Zustände des Typ-2-Diabetes mellitus (T2DM) und erfordert zur Diagnose einen oralen Glukosetoleranztest (oGTT). Ziele dieser Arbeit waren:
1) die Identifikation einer Metabolitsignatur zur Vorhersage einer IGT,
2) die pathophysiologische Einordnung der bedeutendsten Assoziationen und
3) die Identifizierung von Untergruppen innerhalb der IGT-Population, um so erste
Hinweise auf eine Patientenstratifizierung anhand objektivierbarer Metabolitmarker im
Blut zu erlangen.
Dazu dienten Metabolomdaten basierend auf Massenspektrometrie und Kernspinresonanzspektroskopie von 827 Teilnehmern der Study of Health in Pomerania (SHIP)-TREND. Durch einen targeted und non-targeted Anlayseansatz konnte ein breites Spektrum an Metaboliten erfasst und mithilfe statistischer und bioinformatischer Methoden die Assoziationen zum oGTT-Outcome, zur 2-Stunden Insulinkonzentration und daraus abgeleitet zur IGT, ausgewertet werden. Aus über 100 assoziierten Molekülen konnten beteiligte Stoffwechselwege, wie etwa der Katabolismus von verzweigtkettigen Aminosäuren und Veränderungen im Lipoprotein- und Fettstoffwechsel herausgearbeitet werden. Zudem konnte eine integrative Signatur zur Vorhersage einer IGT abgeleitet werden. Es wurde ein verbessertes IGT-Prädiktionsmodell etabliert, welches auf einer Kombination von Metaboliten und klinischen Merkmalen basiert. Diese Befunde sind jedoch in klinischen Studien zu prüfen. Über Verfahren des maschinellen Lernens konnten zwei Cluster innerhalb der IGT-Population identifiziert werden. Die IGT-Cluster spiegeln möglicherweise unterschiedlich fortgeschrittene IGT-Stadien oder verschiedene Ätiopathogenesen wider. Metabolitsignaturen könnten demnach gegebenenfalls eine frühzeitige Patientenstratifizierung ermöglichen. Somit wären bereits IGT-Patienten einem Risikoprofil zuzuordnen, was eine zuverlässigere T2DM- Risikoprognose erlauben würde. Durch rechtzeitige Präventivmaßnahmen bei IGT-betroffenen Personen könnte die Manifestation eines T2DM unter Umständen verhindert werden.
Die hier vorgestellten Befunde sind jedoch als vorläufig zu betrachten und bedürfen einer Replikation in unabhängigen Studien. Die Subtypen-Klassifizierung sollte idealerweise in einer längsschnittlichen Follow-up-Studie examiniert werden, um eine tatsächliche klinische Relevanz zu belegen. Von besonderer Bedeutung wäre dabei die Untersuchung der IGT-Cluster im Follow-up hinsichtlich eines Ansprechens auf allgemeine Interventionsmaßnahmen wie z.B. Lebensstiländerungen aber auch hinsichtlich einer spontanen IGT-Regredienz oder Progression zu einem T2DM und damit einhergehenden Komplikationen.
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.
Analysis of bioactive lipids from different infection models during bacterial and viral infections
(2021)
Bioactive lipids or lipid mediators influence numerous processes like the reproduction, the bone turnover, the pain perception, the cardiovascular function and the immune system. Eicosanoids and oxylipins are parts of the immunomodulatory lipid mediators, which can be synthesized from polyunsaturated fatty acids (PUFAs) by enzymatic and non-enzymatic reactions. Typical members of eicosanoids are prostaglandins and leukotrienes. The properties of bioactive lipids include the activation of inflammatory reactions as well as the support of resolution. Like hormones, they act locally restricted and in low concentrations. Further bioactive lipids exist i.e. intermediates of the sphingolipid class. The biosynthesis of some of these compounds like the prostaglandins can be influenced by different drugs whereas for other groups of lipid selective inhibitors are still missing. Their impact on inflammatory processes and against chronic diseases has already been analyzed, while studies in context with infection are largely limited. Infection of the upper respiratory tract caused by viral and bacterial pathogens constitute a huge burden for the human healthcare. The main pathogens are the Influenza A virus (IAV), Staphylococcus aureus (S. aureus), Streptococcus pneumoniae (S. pneumoniae) and Streptococcus pyogenes (S. pyogenes). Besides mono-infection with one of these pathogens, frequently occurring bacto-viral co-infections exist, which negatively influence the etiopathology. The main task of the immune system is the detection and the elimination of pathogens, which can essentially be affected by lipid mediators. Their instability due to oxidizability, the existence of regioisomers and the low abundance of eicosanoids and other oxylipins are the main problems for their analytical measurement.
The mayor objective of this dissertation was the establishment of a suitable analytical method for selected lipid mediators and the detection of infection-related changes. The separation and detection was performed by using high-performance liquid chromatography (HPLC) coupled with triple quad mass spectrometry. This combination is called tandem mass spectrometry (MS/MS). The MS parameters were optimized for approximately 30 lipid mediators by use of chemical standards and the detection was achieved by dynamic multiple reaction monitoring (MRM). Furthermore, the spatial resolution of selected sphingolipids was analyzed in tissue samples using matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging (MALDI-MS-Imaging). Concerning the HPLC-MS/MS detection, an MS method was established and optimized with standard compounds. Another crucial part of the establishment was the extraction of bioactive lipids from the different sampling materials. Whereas well tested protocols exist for the extraction and detection of lipid mediators, such protocols for MALDI-MS-Imaging are still limited due to the novelty of this measurement. Ultimately, robust and reproducible protocols for both techniques that were used for the analysis of a broad array of samples from infection experiments were established for both techniques. The analyses of infected cell culture, mice and pigs revealed infection-related perturbations of host lipid mediator levels. Depending on the scientific issue, the sample types cell pellets, lungs, spleens, livers, blood plasmas, pawns including bones or bronchoalveolar lavages were analyzed. For MALDI-MS-Imaging, the spatial distribution of sphingolipids in lung and spleen was detected.
The present dissertation includes four coherent research scopes, in which the pathogen impact on host-derived lipid mediators was detected with the above mentioned analytical methods. The infection models epithelial cells (article II), mouse (article III and IV) and pig (article I) – the latter as the most human like model - showed different aspects of the host-pathogen interaction. The analysis of samples from IAV infection for all three hosts revealed a couple of similarities for some oxylipins that were also described in human infections. Additionally, cell culture and mouse samples from mono-infections as well as co-infections with the pathogens S. aureus and S. pneumoniae were measured. In particular for the bacterial mono- and co-infections, these are the first published results with aspects of infection related changes of lipid mediators. The additional spatial resolution of the sphingolipid intermediates sphingosine 1-phosphate and ceramide 1-phosphate revealed important new insights into their tissue distribution and changes during co-infection.
Article I describes the IAV-specific oxylipin changes in the pig (german landrace) as infection model. Therefore, the sample types lung, spleen, blood plasma, and bronchoalveolar lavage from infected animals at different time points after infection were analyzed and compared with samples from uninfected pigs. Mainly in the lung and the spleen, increased amounts of certain lipid mediators were observed. These changes coincide well with already described alterations in humans and mice. Furthermore, the analysis of different sample material provided an overview about appropriate sample types. Surprisingly, many perturbations were detected in the spleen, which itself was uninfected. Based on the local reaction of lipid mediators, most studies concentrate on sample material with close contact to side of infection. Therefore, this dissertation reveals new insights into a form of systemic immune response. Besides the use of animals with a complex immune system for infection experiments, human bronchial epithelial cells (16HBE) were mono- and co-infected with the pathogens S. aureus, S. pneumoniae and IAV as described in article II. Such cells are the initial barrier for and first contact site with pathogens and thus the comprehension of this host-pathogen interaction is of essential importance. Most changes were detected during pneumococcal infection. Furthermore, the analyzed infections with bacterial pathogens differed from IAV infection by an increased synthesis of 5-hydroxyeicosatetraenoic acid (HETE). For further infections with the above mentioned pathogens, the mouse was used as an infection model. Besides infections affecting the respiratory tract, also the impact of an S. pyogenes infection in different mice strains was analyzed and described in article III. Infection-related changes in prostaglandins, which are involved in bone turnover in swollen pawns as well as enhanced amounts of sepsis- and arthritis-associated lipid mediators were detected, in case arthritis had been induced prior to infection. Furthermore, increased amounts of 20-HETE could be observed for such severe infections. An enhanced biosynthesis of 20-HETE was further confirmed in a high-pathogenic S. aureus LUG2012 infection in article IV for all examined sample types. In this last article of this dissertation, bacterial and viral infections in mice were analyzed similar to those described in article II. Mainly IAV-specific lipid mediator alterations were detected, which are in accordance with the findings of the infected pigs. The additional MALDI-MS-Imaging measurements revealed so far unknown accumulation of ceramide 1-phosphate in lung and spleen as well as enrichment in the red pulp of the spleen.
In summary, this dissertation provides substantial lipid mediator profiles for infections in three different model systems with selected bacterial and viral pathogens. The obtained data constitute a suitable basis for continuative research projects, in which the influence of single bioactive lipids on the course of infection could be examined in more detail.