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Brain aging even in healthy older adults is characterized by a decline in cognitive functions including memory, learning and attention. Among others, memory is one of the major cognitive functions affected by aging. Understanding the mechanisms underlying age-related memory decline may help pave the road for novel treatment strategies. Here, we tried to elucidate the neural correlates associated with memory decline using structural and functional neuroimaging and neuromodulation with transcranial direct current stimulation (tDCS).
Over the course of three studies, we investigated 1) the influence of white matter integrity and grey matter volume on memory performance in healthy older adults, 2) the role of functional coupling within the memory network in predicting memory performance and the impact of tDCS in modulating retrieval performance in healthy older adults, 3) the effect of tDCS over the sensorimotor cortex on cognitive performance in young adults.
MRI was used to study associations of cognitive performance with white matter integrity and grey matter volume, and examine their causal relationship in the course of aging. White matter integrity was assessed by acquiring diffusion tensor imaging (DTI) and performing deterministic tractography based on constrained spherical deconvolution. Grey matter volume was estimated using fully automated segmentation. Both white matter integrity and grey matter volume were correlated with behavioral data of a verbal episodic memory task. Percentage of correct answers at retrieval was used to measure memory performance (Manuscript 1). In addition, anodal tDCS (atDCS) (1 mA, 20 min) was applied over CP5 (left temporoparietal cortex) to modulate memory formation in healthy older adults. Participants underwent resting-state fMRI before the stimulation. Functional connectivity analysis was performed to determine whether functional coupling within the memory network predicted initial memory performance, and to examine its association to tDCS-induced enhancement effect (Manuscript 2). Finally, atDCS (1 mA, 20 min) was applied over C3 (left sensorimotor cortex) to explore the effect of tDCS over the sensorimotor cortex on cognitive performance in young adults. During the stimulation, participants performed three tasks; gestural task, attentional load task and simple reaction time task (Manuscript 3).
Results showed that volumes of the left dentate gyrus (DG) and tractography-based fractional anisotropy (FA) of individual fornix pathways were positively related to memory retrieval in older adults. Brain-behavior associations were observed for correct rejections rather than hits of memory performance, indicating specificity of memory network functioning for detecting false associations. Thus, the data suggested a particular role of neural integrity that promotes successful memory retrieval in older adults. Subsequent mediation analysis showed that left DG volume mediated the effect of fornix FA on memory performance (48%), corrected for age, revealing a crucial role of hippocampal pathway microstructure in modulating memory performance in older adults (Manuscript 1). tDCS results showed that atDCS led to better retrieval performance and increasing learning curves, indicating that brain stimulation can induce plasticity of episodic memory processes in older adults. Combining tDCS and fMRI, hippocampo-temporoparietal functional connectivity was positively associated with initial memory performance in healthy older adults and was positively correlated with the magnitude of individual tDCS-induced enhancement, suggesting that individual tDCS responsiveness may be determined by intrinsic network coupling (Manuscript 2). Finally, our findings suggested that atDCS over left sensorimotor cortex reduced reaction times in the gestural-verbal integration task, specifically for incongruent pairs of gestures and verbal expressions, indicating the role of sensorimotor cortex in gestural-verbal integration in young adults (Manuscript 3).
The results of all three studies may help to elucidate age-related structural deterioration and functional coupling network underlying cognitive processes in healthy adults. Furthermore, these studies emphasized the importance of interventions like tDCS in modulating cognitive performance, specifically episodic verbal memory and gestural-verbal integration. By unveiling the specific role of brain structures and functional network coupling as well as the role of tDCS in modulating cognitive performance, our results contribute to a better understanding of brain-behavior associations, and may help to develop clinical interventional approaches, tailored for specific cognitive functions in aging.
Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung konnten die Assoziationen zwischen 25(OH)D und der kardiopulmonalen Leistungsfähigkeit, sowie der Lungenfunktion und deren potentielle Mediation durch gesundheitsrelevante Einflussfaktoren in einer großen bevölkerungsbasierten Studienpopulation aufgedeckt und bezugnehmend auf die körperliche Leistungsfähigkeit in einer zweiten, unabhängigen, großen Kohorte reproduziert werden. Nicht nur das Erweitern untersuchter Variablen zur Beschreibung von körperlicher Leistungsfähigkeit und Lungenfunktion, im Vergleich zur bisherigen Erkenntnissen, sondern auch der methodische Einsatz der Spiroergometrie zur Datengewinnung stellt eine weitere Stärke vorliegender Studie dar. Komplettierend wurde zudem erstmals eine Mediatoranalyse durchgeführt, um die eventuelle Vermittlung der gefundenen Effekte durch Mediatoren zu überprüfen.
Allerdings sind in der Interpretation der Studienergebnisse Einschränkungen zu berücksichtigen, wie z. B. Ernährungsgewohnheiten (insbesondere vegane Ernährung), die 25(OH)D-Werte beeinflussen können109 und in der vorliegenden Untersuchung nicht berücksichtigt wurden. Trotz enormer Stärken sind die vorliegenden Untersuchungen durch ihr Querschnittsdesign limitiert, welches nicht geeignet ist eine Kausalität der Zusammenhänge aufzuzeigen. Auch wenn ein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen 25(OH)D und der körperlichen Leistungsfähigkeit, sowie der Lungenfunktion bei gesunden Probanden auf Grundlage der dargestellten Ergebnisse eindeutig ist, sind Längsschnittanalysen wünschenswert, um zu beweisen, dass 25(OH)D ursächlich mit der körperlichen Leistungsfähigkeit und Lungenfunktion in Verbindung steht. Zwar hat eine erst kürzlich erschienene französische Untersuchung gezeigt, dass Vitamin D Werte von Probanden, die im Zeitraum von November bis April unzulängliche Werte aufwiesen, durch eine zusätzliche Gabe von 80.000 internationalen Einheiten (IU) normwertig angehoben werden konnte, ohne dabei überdosiert zu sein110, jedoch fehlen Daten hinsichtlich einer Beeinflussung der körperlichen Leistungsfähigkeit, weswegen zukunftsorientiert anzumerken bleibt, dass weitere interventionelle Studien erforderlich sind, um zu untersuchen, inwieweit eine Vitamin-D-Ergänzung einer Verbesserung der allumfassenden körperlichen Leistungsfähigkeit zuträglich ist und somit zur Gesundheitsversorgung in der allgemeinen Bevölkerung beitragen kann.
Ausgewählte Lyrik
(2019)
Ausgewählte Lyrik
(2019)
In this thesis, we elaborate upon Bayesian changepoint analysis, whereby our focus is on three big topics: approximate sampling via MCMC, exact inference and uncertainty quantification. Besides, modeling matters are discussed in an ongoing fashion. Our findings are underpinned through several changepoint examples with a focus on a well-log drilling data.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde bei 41 Patienten mit JME das EFHC1-Gen sequenziert und die identifizierten Varianten mit in mehreren vorherigen Studien beschriebenen Prädiktoren für das klinische Outcome korreliert. Insgesamt konnten drei Varianten - p.Phe229Leu, p.Arg182His und p.Arg294His - identifiziert werden.
Die Variante p.Phe229Leu, welche bei zwei Patienten auftrat, konnte mit einem milderen JME Subtyp assoziiert werden. Drei Patienten wiesen die Variante p.Arg182His auf und zeigten eine erhöhte Neigung zur Ausbildung einer photoparoxysmalen Reaktion. Eine Assoziation mit einem frühen Auftreten der Epilepsie (≤10. Lebensjahr) und einem Subtyp der JME, die sich aus einer kindlichen Absencenepilepsie entwickelt, konnte bei den zwei Patienten mit Variante p.Arg294His nachgewiesen werden, aufgrund der geringen Zahl an untersuchten Patienten jedoch ohne statistische Relevanz. In Zukunft könnte möglicherweise das Vorliegen einer dieser Varianten für klinische Fragestellungen hilfreich sein, um im Zusammenspiel mit klinischen Parametern eine Aussage über den Langzeitverlauf der JME und damit verbundene Therapieentscheidungen treffen zu können.
Nach aktuellen Bewertungen in der Human Gene Mutation Database sind p.Arg182His und p.Arg294His als benigne Varianten/Polymorphismen und die Variante p.Phe229Leu als wahrscheinlich pathogene Variante einzustufen. Somit muss eingeschätzt werden, dass die Varianten eher einen modifizierenden Einfluss auf den Krankheitsverlauf nehmen und nicht ursächlich für die JME sind.
Zusammenfassend sprechen die Ergebnisse dafür, dass es sich bei der JME um ein heterogenes Krankheitsbild handelt. Vorrangiges Ziel zukünftiger Studien sollte sein, weitere potenzielle Kandidatengene zu identifizieren und zu untersuchen.
Staphylococcus aureus is one of the commonly encountered bacteria of the human microbiome. Although mostly a seemingly harmless commensal microbe, S. aureus can act as an invasive pathogen with seriously devastating effects on its host’s health and wellbeing. A wide range of infections caused by this bacterium has been reported to affect diverse parts of the human body, including the skin, soft tissues and bones, as well as important organs like the heart, kidneys and lungs. Particularly, S. aureus is infamous for being a major causative agent of respiratory tract infections that may escalate up to necrotizing pneumonia. Due to its clinical relevance, this pathogen has been intensively studied for many years. Nonetheless, further research in this field is still needed, because of the high capacity of S. aureus to evolve drug resistance, its high genomic plasticity and adaptability and, not in the last place, the plethora of niches within the human body where it can thrive and survive. In this regard, there are still many uncertainties concerning the specific adaptations carried out by S. aureus during colonization and infection of the human body, the transition between both stages, and upon the invasion of different types of host cells. To shed more light on some of these adaptations, the research described in this thesis has employed in vitro models of infection that mimic particular conditions during the infectious process with special focus on the lung epithelium. The adaptations displayed by S. aureus were monitored using advanced proteomics. Furthermore, the analyses documented in this thesis included S. aureus strains with diverse backgrounds and epidemiology to take into account the genetic diversity encountered in this species.
Nachdem ab 2012 mehr als 200, vor allem kleinere, Untersuchungen, zum Thema Irisin veröffentlicht wurden, jedoch noch sehr große Diskrepanzen bezüglich der Ergebnisse herrschten, war Ziel meiner Arbeit, die Beziehung zwischen körperlicher Aktivität mittels kardiopulmonaler Parameter und Irisin-Spiegel erstmals in einer großen Population zu untersuchen. Hierzu wurden Daten von 740 Probanden der SHIP-Trend Kohorte herangezogen und geschlechtsspezifische Analysen zum Zusammenhang zwischen Irisin-Spiegeln und kardiopulmonaler Leistungsfähigkeit durchgeführt.
Die Ergebnisse weisen bei den Männern eine inverse Beziehung zwischen Irisin und Belastungskapazität gemessen mittels VO2,peak und maximaler Leistung auf. Demgegenüber steht eine positive Beziehung zwischen Irisin und VO2,peak bei Frauen, welche mögliche geschlechtsspezifische Unterschiede nahelegt. Darüber hinaus zeigten die Analysen erstmals einen speziellen jahreszeitlichen Verlauf des Irisin-Spiegels mit zwei Gipfeln in den Winter- (Dezember bis Februar) und in den Sommermonaten (Juli bis August) mit höheren Werten im Vergleich zu den restlichen Monaten.
Trotz diverser Studien zum Thema Irisin gibt es noch viele ungeklärte Aspekte in Hinblick auf die Sekretion und Wirkung. So ist momentan noch unklar, ob Irisin auch von Fettzellen gebildet werden kann. Auch die laborchemischen Detektionsmethoden für Irisin sind verbesserungswürdig, um eine verlässliche und standardisierte Quantifikation von Irisin zu gewährleisten. Zudem sollte in Zukunft neben der Entstehung und Detektion Irisins die Wirkung auf die menschlichen Körperzellen eingehend geklärt werden, um weitergehende Schlüsse aus dem propagierten „Adipositas-Heilmittel“ Irisin zu ziehen. Die von uns erstmals entdeckten jahreszeitlichen Schwankungen des Irisins sind ein weiterer Punkt, der momentan noch zu wenig erforscht ist, und in künftigen Studien weiter analysiert und standardisiert werden sollte, um letztendlich Gewissheit bezüglich der Wirkungsweise des Irisins und der möglichen klinischen Relevanz dieses Hormons zu erlangen.
Bildgebung zur Vorhersage und Verlaufsbetrachtung der motorischen Restitution nach Schlaganfall
(2019)
In dieser kumulativen Dissertation wird erörtert, welche Rolle die Bildgebung mittels MRT bei der Beantwortung von wichtigen Fragen im Hinblick auf die Erholung nach einem Schlaganfallereignis spielt.
Da Schlaganfälle gerade in Deutschland noch immer die Hauptursache von längerfristigen Behinderungen und Einschränkungen darstellen, ist es von großem Interesse, zu ergründen, inwiefern ein einzelner Patient wieder volle Funktionsfähigkeit und somit eine Wiederintegration in den Alltag erlangen kann.
Ein frühzeitiger Einsatz bildgebender Verfahren kann die Vorhersage der motorischen Fähigkeiten eines Patienten wesentlich verbessern. Dieses Vorgehen ist jedoch mit zahlreichen Schwierigkeiten versehen, die im Übersichtsartikel [Horn et al., 2016a] erläutert werden und der somit Gründe liefert, weshalb eine solche Prädiktion nicht bereits in den Klinikalltag integriert werden konnte. Im Artikel werden strukturelle und funktionelle Bildgebungsparameter hinsichtlich ihrer Eignung als Biomarker für die Vorhersage der motorischen Fähigkeiten nach dem Schlaganfall bewertet. Begleitend dazu werden in der vorliegenden Arbeit Beispiele für eine solche Vorhersage anhand eines weiteren Artikels erläutert [Lindow et al., 2016].
Es zeigen sich deutliche Unterschiede in der Prädiktionskraft struktureller Parameter im Vergleich zu funktionellen Parametern.
Neben den zahlreichen Faktoren, die die Bildgebung und die Vorhersage daraus beeinflussen, fehlen auch grundsätzlich die Datenmengen, die ein strukturiertes Abarbeiten verschiedener Hypothesen ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird beschrieben, weshalb zunächst bereits erforschte Parameter erhoben werden müssten, um Patienten diesbezüglich zu gruppieren. Erst dann können neue Bildgebungsparameter in den Vorhersage- oder Klassifizierungsprozess eingefügt werden. Ist das nicht der Fall, sind kleine Stichproben mit verschiedenen Vorhersage- und Outcome-Parametern nur schwer vergleichbar und die Forschung bewegt sich wenig voran in Richtung einer individuellen Vorhersage.
Es kann zudem durchaus vorteilhaft sein, eine Prädiktion nicht nur datengetrieben durchzuführen, sondern zusätzlich Modelle zu entwickeln, wieso gewisse Prädiktionen so gut funktionieren und auf welchem Wege gewisse Parameter diese Vorhersage ermöglichen.
Ein weitergehendes Verständnis und eine Verfeinerung dieser Prädiktion würde eventuell irgendwann dazu führen, dass man anhand diverser Messungen eines Patienten eine Art Simulation durchführen könnte, wie sich dessen Gehirn über die Zeit entwickeln wird und so individuelle Vorhersagen ermöglichen. Hier braucht es jedoch nicht nur entsprechende biophysikalische Modelle der Interaktion der verschiedenen hierarchischen Ebenen sondern auch grundlegende Forschung, die alle Faktoren bestimmt, die einen Einfluss auf die Bildgebungsergebnisse haben.
Das Verständnis für die zugrundeliegenden strukturellen und funktionellen Veränderungen während der Erholung ist wesentlich für eine verbesserte Vorhersage der Endzustände solcher Plastizitätsprozesse. Aus diesem Grund ist eine andere sinnvolle Herangehensweise an die Gesamtproblematik Schlaganfallforschung mittels longitudinaler Studien zu bewerkstelligen. Hierbei können während mehrfacher Messungen Prozesse abgebildet werden, die ausgehend von einem Initialzustand des geschädigten Netzwerks vonstattengehen. Auch dabei gilt es, sich auf bestimmte Patienten zu beschränken, damit so viele Faktoren wie möglich konstant gehalten werden können, die für eine gewisse Varianz zwischen Patienten verantwortlich sind. In einer weiteren hier beschriebenen Studie [Horn et al., 2016b] geschah dies durch eine Beschränkung auf eine Gruppe, die schon bestimmte motorische Fertigkeiten aufwies und dementsprechend lediglich eine mäßige Schädigung des motorischen Systems. Die Veränderungen der Gehirnaktivierung beschränkten sich auf eine spezifische Region, den ventralen prämotorischen Kortex, dessen Aktivität mit der Zeit zunahm. Die funktionellen Veränderungen dieses Areals, das vermehrt für Objektmanipulation aktiviert wird, konnten zudem mittels einer Analyse der Verbindungsstärken ergänzt werden. Zahlreiche weitere Untersuchungen sind notwendig, um zu verstehen, wie diese verschiedenen Ebenen der Reorganisation miteinander interagieren und welche Faktoren einen Einfluss auf diese Messungen haben. Dies muss bereits an Gesunden erforscht werden, um die pathologischen Prozesse in Patienten von weiteren Faktoren abzugrenzen, die einen Einfluss auf die Bildgebungsergebnisse
Biocatalytic Production of Amino Carbohydrates through Oxidoreductase and Transaminase Cascades
(2019)
Plant-derived carbohydrates are an abundant renewable re- source. Transformation of carbohydrates into new products, in- cluding amine-functionalized building blocks for biomaterials applications, can lower reliance on fossil resources. Herein, bio- catalytic production routes to amino carbohydrates, including oligosaccharides, are demonstrated. In each case, two-step bio- catalysis was performed to functionalize d-galactose-contain- ing carbohydrates by employing the galactose oxidase from Fusarium graminearum or a pyranose dehydrogenase from
Agaricus bisporus followed by the w-transaminase from Chro- mobacterium violaceum (Cvi-w-TA). Formation of 6-amino-6- deoxy-d-galactose, 2-amino-2-deoxy-d-galactose, and 2-amino- 2-deoxy-6-aldo-d-galactose was confirmed by mass spectrome- try. The activity of Cvi-w-TA was highest towards 6-aldo-d-gal- actose, for which the highest yield of 6-amino-6-deoxy-d-galac- tose (67%) was achieved in reactions permitting simultaneous oxidation of d-galactose and transamination of the resulting 6- aldo-d-galactose.
Weltweit leiden 4,4% der Weltbevölkerung an einer Depression. Das variable Erscheinungsbild dieser Erkrankung erschwert deren Erforschung. Dass ein besseres Verständnis und die Entwicklung optimaler Therapiemöglichkeiten dieser Erkrankung sehr wichtig sind, zeigen die starke Einschränkung des gesamten Lebensalltags Betroffener (DALYs) und auch die hohe Suizidalität. Es existieren verschiedene ätiologische Theorien zur Depression, wie zum Beispiel die Monoaminmangel-Hypothese, die auf einen Mangel an Neurotransmittern im synaptischen Spalt und deren sekundären Effekte beruht. Neuroendokrine Theorien verweisen auf einen Hyperkortisolismus mit Störung der HPA-Achse und eine Stress-bezogene Ätiologie. Ein andauernder Hyperkortisolismus führt laut der Neutrophin-Hypothese zu Neurotoxizität, zu einer verminderten Neurogenese, Atrophie und Volumenminderung. Bildmorphologische Untersuchungen mittels PET-CT oder fMRT verweisen auf strukturelle und funktionelle Veränderungen bestimmter Hirnregionen bei depressiven Probanden. Auf zellulärer Ebene kann eine veränderte Zellaktivität mittels immunhistochemischer Methoden wie der C-Fos-Färbung dargestellt werden.
Für die vorliegende Untersuchung wurden Hirne von 8 männlichen Ratten untersucht, die zuvor einen Verhaltensversuch der Erlernten Hilflosigkeit zugeführt wurden. Dieser von M. Seligman entwickelte Verhaltensversuch gilt als tierexperimentelles Modell der Depressionsforschung. Durch Selektion wurden Tiere mit angeborener Erlernter Hilflosigkeit gezüchtet (congenitally Learned Helplessness, cLH) und von nicht-hilflosen Tieren unterschieden (congenitally Non Learned Helplessness, cNLH). Tiere mit Erlernter Hilflosigkeit zeigen ein mit dem Menschen vergleichbares depressives Verhalten.
Die Rattenhirne von je 4 cLH- und cNLH-Tieren wurden mit indirekter Immunhistochemie auf ihre C-Fos-Expression untersucht. Dabei wurden die Hirne in 40 μm dicke Scheiben geschnitten und nach Anwendung eines standardisierten Färbeprotokolls 11 Hirnregionen unter Rhodaminfilter mikroskopiert. In einem 200 x 200 μm großen Rahmen wurden die C-Fos-positiven Zellen ausgezählt. Im Vergleich der cLH und cNLH-Hirne ergab sich hierbei eine signifikant geringere C-Fos-Expression der cLH-Tiere in der hippocampalen Regionen CA1 und CA3, dem medialen und centralen Amygdalakern und der Substantia nigra. Kein signifikanter Unterschied fand sich in den hippocampalen Regionen CA2 und dem Gyrus dentatus, dem basolateralen und lateralen Amygdalakern, dem Nucleus accumbens und dem prälimbischen Kortex. Die signifikanten Ergebnisse verweisen auf eine Hypoaktivität bei Depression in bestimmten Hirnregionen. Eine Hypotrophie und Hypoaktivität bestimmter Regionen (z. B. dem Hippocampus) wurde bereits in weiteren Studien beschrieben, während in anderen Regionen (z.B. den Amygdalakernen) eher Hyperaktivität vorbeschrieben wurde. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass in einigen Hirnregionen eine verminderte Aktivität in Zusammenhang mit der depressiven Erkrankung steht.
Long-term nationally representative caries data in the primary dentition are rare, but nonetheless central to assess needs in caries prevention and treatment. This study evaluated the prevalence and trends of caries levels in the primary dentition of 6- to 7-year-olds in Germany as a whole and its federal states individually. In 2016, employing a randomized cluster selection, 6- to 7-year-old first graders were included in the National German Oral Health Survey performed regularly since 1994/95. Children were examined by 482 calibrated dentists in all 17 German regions using the WHO criteria for the decayed, missing, and filled teeth (dmft) including the assessment of initial carious lesions (it). In total, 151,555 6- to 7-year-olds were examined. Caries prevalence in the primary dentition dropped from 65% in 1994 to 44% in 2016, while the mean caries experience dropped from 2.89 to 1.73 dmft (dt = 0.74, mt = 0.19, ft = 0.80). When initial lesions were included, the mean caries experience increased to idmft = 2.12 (it = 0.38). In 2016, 49.7% of the examined 6- to 7-year-olds were caries-free including initial lesions. The Care Index at the tooth level was 57.5%, and the Significant Caries Index was 4.84 dmft. Depending on the German region, the mean dmft varied considerably, ranging from 1.37 to 2.31. In conclusion, despite the overall caries decline in 6- to 7-year-olds in Germany, only minor caries reductions were observed over the last decade, with a still existing high proportion of untreated dental decay. This calls for more effective preventive and restorative efforts with focus on the primary dentition in Germany.
Changes in Interhemispheric Motor Connectivity Across the Lifespan: A Combined TMS and DTI Study
(2019)
Age-related decline in interhemispheric connectivity between motor areas has been reported with both transcranial magnetic stimulation (TMS) and diffusion tensor imaging (DTI) measurements. However, not all studies were able to confirm these findings, and previous studies did not apply structural (DTI) and functional (TMS) measurements within each individual appropriately. Here, we investigated age dependency of the ipsilateral silent period (ISP) and integrity of fibers in the corpus callosum as operationalized by fractional anisotrophy (FA), using TMS and DTI, respectively, in 20 participants between 19 and 72 years of age. We found age-dependent increase for ISP, and decrease of FA, both indicating a decrease in interhemispheric inhibition, with a negative association between FA and ISP for the dominant hemisphere (r = −0.39, p = 0.043). Our findings suggest that aging leads to decline of interhemispheric motor connectivity, as evidenced in both structural and functional parameters, which should be taken into account when interpreting disease- or medication-related changes.
Transportproteine und metabolisierende Enzyme sind wesentliche Bestandteile der intestinalen Absorptionsbarriere und entscheidend für die Aufnahme, Verteilung, Metabolisierung und Exkretion von Nährstoffen, Arzneimitteln oder Xenobiatika. Es gibt Hinweise darauf, dass sowohl deren Expression als auch Funktion im Zusammenhang mit entzündlichen Prozessen beeinträchtigt sind. Um die Auswirkung von Colitis Ulcerosa auf das lokale Expressionsmuster klinisch relevanter intestinaler Transporter und Enzyme abschätzen zu können, wurde in der vorliegenden Arbeit u.a. deren Genexpression, Proteingehalt sowie mögliche krankheitsbezogene Regulationsmechanismen untersucht. Mit Biopsien aus entzündetem und nicht entzündetem Gewebe von 10 Colitis Ulcerosa-Patienten als auch mit gesundem Kolongewebe ohne Entzündungszeichen wurden mittels real-time quantitative PCR mRNA- (9 Enzyme, 15 Transporter, 9 Zytokine) und microRNA- (N = 54) Expressionsanalysen durchgeführt. Der Proteingehalt wurde durch validierte HPLC-MS/MS targeted proteomics Verfahren ermittelt. Die Genexpression folgender Enzyme und Transporter zeigten sich während intestinaler Entzündung signifikant reduziert: CYP2B6, CYP2C9, UGT1A1, UGT1A3, UGT2B7, UGT2B15, ABCB1, ABCG2, SLC16A1 und SLC22A3. Ein signifikanter Anstieg der mRNA-Level im entzündeten Gewebe von Colitis Ulcerosa-Patenten konnte für ABCC1, ABCC4, ORCTL2 und OATP2B1 nachgewiesen werden. Bezogen auf den Proteingehalt ließen sich die auf mRNA Ebene beobachteten Expressionsunterschiede nur für MCT1 bestätigen. Korrelationsanalysen demonstrierten den möglichen Einfluss von Zytokinen und microRNAs auf die Regulation intestinaler Enzym- und Transporterexpression. Insbesondere scheinen TNFα, IL17 A sowie miR-142-3p/5p, miR-146a-5p und miR 223-3p starken Einfluss auf krankheitsbezogene Expressionsmuster zu besitzen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Colitis Ulcerosa mit komplexen Veränderungen in der intestinalen Expression von metabolisierenden Enzymen, Transportern, Zytokinen und microRNAs einhergeht, welche sowohl Auswirkungen auf die medikamentöse Therapie als auch auf die Pathogenese der Erkrankung selbst haben können.
Charakterisierung der Expression und Funktion metabolischer Enzyme im humanen intestinalen Gewebe
(2019)
Bei der Arzneimittelentwicklung liegt der Fokus nicht nur auf der Wirksamkeit und Sicherheit einer pharmakologisch aktiven Substanz, sondern auch auf einer möglichst einfachen, idealerweise oralen Applikation. Um die benötigten Wirkstoffkonzentrationen im Zielorgan zu erreichen, wird die einzunehmende Dosis eines Medikaments in Abhängigkeit der präsystemischen Elimination ermittelt. Inzwischen ist bekannt, dass nicht ausschließlich der hepatische, sondern auch der intestinale Stoffwechsel die orale Bioverfügbarkeit eines Medikaments wesentlich beeinflussen kann. Arzneistoffe, die während der Darmpassage einer starken Metabolisierung unterliegen, sind zudem prädestiniert für unerwünschte Interaktionen mit anderen Substanzen, welche die entsprechenden Stoffwechselenzyme hemmen oder induzieren. Für die Abschätzung pharmakokinetischer Parameter eines neuen Wirkstoffs sind daher Kenntnisse zur Expression sowie Funktion klinisch relevanter intestinaler Stoffwechselenzyme von Bedeutung.
Bisher publizierte Daten basieren größtenteils auf der Genexpression, obwohl aufgrund posttranskriptionaler Prozesse nicht zwingend Aussagen zur resultierenden Proteinmenge getroffen werden können. Die verfügbaren Daten zum intestinalen Proteingehalt wurden mittels immunologischer Methoden erhoben, die erhebliche Limitationen in Bezug auf Spezifität, Reproduzierbarkeit und Robustheit aufweisen. Diese Aspekte finden bei den inzwischen etablierten LC-MS/MS-basierten Targeted-Proteomics-Methoden Berücksichtigung. Dazu werden die Proteine einer Messprobe enzymatisch gespalten, um entstehende proteospezifische Peptide zur Quantifizierung der Proteine von Interesse zu nutzen.
Ein Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Entwicklung und Validierung einer entsprechenden Methode zur gleichzeitigen Bestimmung von CYP1A2, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP3A4, CYP3A5, UGT1A1, UGT1A3, UGT2B7 sowie UGT2B15 in biologischen Matrices, welche die aktuell gültigen Leitlinien in Bezug auf Selektivität, Linearität, Richtigkeit, Präzision und Stabilität erfüllt. Bereits bei der ersten Anwendung der Methode zur Quantifizierung der Enzyme in kommerziell erhältlichen und selbst isolierten Mikrosomen zeigte sich, welchen erheblichen Einfluss die Probenvorbereitung auf die ermittelten Proteingehalte hat.
Diese Erkenntnis wurde im Rahmen eines internationalen Projektes bestätigt, bei dem humane Leberproben desselben Ursprungs in diversen Laboren mit den dort etablierten Methoden prozessiert worden sind. Bezogen auf die eingesetzte Gewebemenge ergaben sich bei der Messung der Mikrosomen 6 - 30-fach geringere Enzymgehalte als bei der Analyse des nicht-fraktionierten Gewebes, da die subzelluläre Aufspaltung einer Probe mit erheblichen Proteinverlusten einhergeht. Folglich wurden alle weiteren Untersuchungen zur absoluten Enzymquantifizierung unter Verwendung von filterbasierten Zentrifugaleinheiten (filter aided sample preparation; FASP) mit Gesamtgewebelysatproben durchgeführt. Sowohl die optimierte Probenaufarbeitung als auch die validierte Targeted-Proteomics-Methode fanden bei der Untersuchung der Darmsegmente von 9 Spendern Anwendung, wobei jeweils Gewebe aus dem Duodenum, oberen und unteren Jejunum, Ileum sowie Colon zur Verfügung stand. Von den 13 untersuchten Enzymen wurden in allen Dünndarmabschnitten nur CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP3A4, CYP3A5, UGT1A1, UGT1A3 und UGT2B7 nachgewiesen, deren Gehalt im Jejunum am höchsten war. Im Colon wurde auf Proteinebene keines der Metabolisierungsenzyme detektiert. Die entsprechenden Genexpressionsdaten dieser 8 Enzyme korrelieren signifikant mit den ermittelten Proteinwerten. Korrespondierend zur fehlenden Nachweisbarkeit der übrigen 5 Enzyme auf Proteinebene waren die Gene CYP2B6, CYP2C8, CYP2E1 sowie UGT2B15 nur sehr geringfügig und CYP1A2 gar nicht exprimiert.
Zur Charakterisierung der metabolischen Aktivität der intestinalen Enzyme wurde eine weitere LC-MS/MS-basierte Methode entwickelt und validiert. Als Modellsubstrate fungierten Diclofenac (CYP2C9), Omeprazol (CYP2C19), Dextromethorphan (CYP2D6), Midazolam (CYP3A), Ezetimib (UGT1A) und Naloxon (UGT2B7). Die begrenzte Verfügbarkeit des intestinalen Gewebes sowie dessen sehr geringer mikrosomaler Proteingehalt stellten besondere Anforderungen an die Sensitivität der Methode. Ihre Eignung zur Charakterisierung der intestinalen Metabolisierungsaktivität wurde bei der Anwendung auf ein jejunales Mikrosomen-Gemisch gezeigt.
Die im Rahmen dieser Arbeit generierten Daten zur Expression klinisch bedeutsamer Metabolisierungsenzyme entlang des humanen Darms tragen zu einem besseren Verständnis des intestinalen First-Pass-Metabolismus bei. Diese Kenntnisse können sowohl bei der Entwicklung neuer Arzneistoffe als auch für die Erstellung von Physiologie-basierten pharmakokinetischen Modellen (PBPK-Modellen) nützlich sein, um die orale Bioverfügbarkeit sowie das Interaktionspotential pharmakologisch aktiver Substanzen abzuschätzen.
Das klarzellige Nierenzellkarzinom (ccRCC) ist eine von vielen Krebserkrankungen. Viele Patienten weisen eine Mutation im Von-Hippel-Lindau-Gen (VHL) auf und/ oder zeigen eine Überexpression des Enzyms Nicotinamid-N-Metyltransferase (NNMT).
Es wurden insgesamt fünf etablierte Zelllinien verwendet, die embryonale Nierenzelllinie HEK-293 und vier ccRCC-Zelllinien (Caki-1, Caki-2, 769-P, 786-O), welche sich in ihrer Expression der Proteine NNMT und VHL unterscheiden.
Zudem wurde eine stabile Zelllinie aus den Caki-2 Zellen generiert, die durch ein Doxycyclin induzierbares Tet-On-System NNMT vermehrt exprimiert (C2NNMTs).
Es wurden sowohl molekularbiologische als auch biochemische Methoden zur Analyse angewendet.
Die Zelllinien wurden für Transfektionsstudien zur Überexpression oder zum Knockdown von NNMT genutzt, um die Einflussnahme auf die Enzyme Nikotinamid-phosphoribosyltransferase (NAMPT), Sirtuin 1 (SIRT1), Methioninadenosyltransferase-2 β-Untereinheit (MAT2B) und Aldehydoxidase (AOX1) zu analysieren.
Da SAM (S-Adenosylmethionin) der Methyldonor von NNMT ist, wurde auch der Einfluss der Methioninkonzentration betrachtet. Viele der bisherigen publizierten Versuche wurden bei 100 µM Methionin durchgeführt, was jedoch nicht der humanen Serumkonzentration entspricht, welche bei 20 µM Methionin liegt.
Umfangreiche massenspektrometrische Analysen führten zur Identifizierung weiterer Proteine, welche durch die NNMT-Modulation beeinflusst wurden. Die Identifikation einer Vielzahl veränderter Targets verdeutlichte den Einfluss auf den Energiemetabolismus bis hin zur Apoptose. Es zeigten sich unterschiedliche Regulationen von Glykolyse-, Respirations-, Citratzyklus-, Pentosephosphatweg- und Lipidsyntheseproteinen. Insgesamt ergaben sich individuelle, zellspezifische Regulierungen, welche auf die Sirtuine zurückzuführen sind.
Weiterhin wurden Untersuchungen zur erhöhten Expression von NNMT unter Einfluss von Nikotinamid (NAM) sowie Interleukin-6 (IL-6) durchgeführt. Die Analysen zeigten, dass zwischen der Pseudohypoxie und der Erhöhung der NNMT-Expression ein Zusammenhang besteht, denn IL-6 phosphoryliert ERK (engl. Extracellular-signal Regulated Kinases) und STAT3 (engl. Signal transducer and activator of transcription 3), welche beide benötigt werden, um die Transkription des NNMT-Gens zu beeinflussen und die NNMT-Proteinexpression zu fördern.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen dazu dienen, die biochemischen Zusammenhänge einer veränderten Expression von NNMT besser zu verstehen und damit neue diagnostische Ansätze zu ermöglichen.