The prevalence of obesity is dramatically increasing and thus constitutes a major risk factor for developing chronic diseases such as type 2 diabetes, dyslipidemia, cardiovascular diseases, and certain forms of cancer. High-caloric nutrition and a lack of physical activity are the main contributing factors for this global epidemic. Estrogen receptors (ERs) are recognized to be involved in many processes related to the control of energy homeostasis. In my studies, I investigated the impact of estrogens (17beta-estradiol (E2)) on energy homeostasis. Special emphasis was given to the effects of two synthetic ER subtype-selective agonists, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), to determine to what extend the two distinct ER subtypes are involved in the underlying molecular mechanisms. Because of its estrogenic activity and also its widespread use as a nutritional supplement the influence of the isoflavone genistein (Gen) was examined. For this purpose two different female rat models were used: Wistar rats with nutrition-induced obesity and leptin resistant Zucker diabetic fatty (ZDF) rats. In both experiments, the animals were ovariectomized (OVX) and treated with vehicle (untreated controls) or the estrogenic compounds. The most important finding was that treatment of OVX animals with Beta enlarges soleus muscle fiber sizes in both animal models compared to untreated OVX animals. This anabolic effect may in turn improve the muscle/fat ratio of the body that enhances muscular uptake and utilization of fuels. By contrast, in the gastrocnemius muscle of OVX ZDF rats substitution with Alpha increased expression and distribution of the insulin-dependent glucose transporter 4 (GLUT4). Consequently, systemic insulin sensitivity in both animal models was improved by treatment with estrogenic compounds compared to untreated OVX animals. The strongest effect was observed in E2-treated rats that indicate an additive effect through activation of both pathways. In all OVX rats, treatment with either ER subtype-selective agonist showed an anti-lipogenic effect in adipose tissue, liver, and skeletal muscle of nutrition-induced obese Wistar rats in comparison to OVX animals without treatment. Decreased visceral fat mass, adipocyte sizes, serum leptin levels, triglyceride accumulation in liver and muscle as well as mRNA expression of genes that are involved in lipo-/adipogenesis reflected this. Therefore, the lower visceral fat mass as well as decreased accumulation of triglycerides in non-adipose tissues such as liver and skeletal muscle most likely contributes to the improved insulin sensitivity in such treated animals. Gen exerted effects similar to those of the ER beta-selective agonist (except on adipose tissue in Wistar rats). Especially, the similar ability to induce anabolic activity in the soleus muscle might be highly relevant. Gen-treated animals might have a more effective utilization of fuels compared to untreated OVX animals because they showed a lower TG content in muscle and liver as well as improved glucose metabolism. In conclusion, because of my studies and the fact that ER beta signaling is not involved in proliferation of uterus and mammary gland, an effective way to treat obesity and co-morbidities in postmenopausal women might be substances that only activate ER beta. A combination with physical activity may support the therapy of obesity and co-morbidities. The isoflavone Gen is able to activate both ER-subtypes. This compound is already placed on the market for treatment of postmenopausal complaints, although adverse effects of Gen cannot be excluded so far (e.g., increased risk of breast cancer). However, Gen might be a natural alternative – not only to the conventional hormone replacement therapy, but also as a strategy for treatment of obesity and co-morbidities – that deserves further research with respect to these new data. / Die dramatisch zunehmende Prävalenz der Adipositas und das damit verbundene Risiko für Folgeerkrankungen wie Diabetes mellitus, Hypertonie, Dyslipidämie und koronare Herzkrankheiten stellt eine große Herausforderung für das Gesundheitswesen dar. Als Hauptursache wird ein chronisches Missverhältnis der Energiehomöostase aufgrund permanenter Überernährung und Bewegungsmangel postuliert. Estrogene beeinflussen den Glukose- und Lipidstoffwechsel und sind somit in die Regulation des Energiehaushaltes involviert. Estrogene vermitteln ihre Effekte über zwei Estrogenrezeptor (ER)-Subtypen, den ER alpha und den ER beta. Ziel der vorliegenden Arbeit war es mittels tierexperimentellen Studien den Einfluss von Estrogenen, speziell 17beta-Estradiol, auf den Energiehaushalt zu untersuchen. Um einen tieferen Einblick in die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu erhalten, wurden zwei Subtyp-selektive ER-Agonisten, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), synthetischer Herkunft eingesetzt. Aufgrund der estrogenen Aktivität und der Verfügbarkeit als Nahrungsergänzungsmittel wurde des Weiteren der Einfluss des Isoflavons Genistein untersucht. Für die Studien wurden zwei Tiermodelle genutzt: zum einen weibliche Wistar-Ratten mit ernährungsinduzierter Adipositas und zum anderen weibliche leptinresistente „Zucker diabetic fatty“ (ZDF)-Ratten. Die Tiere wurden ovarektomiert (OVX) und entweder mit einem Vehikel (unbehandelte Kontrolltiere) oder mit der entsprechenden estrogenen Substanz behandelt. Die interessanteste Erkenntnis war, dass im Vergleich zu unbehandelten OVX-Tieren beider Tiermodelle die Behandlung mit Beta zur Vergrößerung der Faserquerschnitte im Soleusmuskel führte. Dieser anabole Effekt könnte die muskuläre Aufnahme und Verwertung von Brennstoffmolekülen verbessern und sich insgesamt positiv auf die Körperzusammensetzung auswirken. Den stärksten Effekt hinsichtlich einer erhöhten Expression und Translokation des insulinabhängigen Glukosetransporters 4 (GLUT4) in die Zellmembran des Gastrocnemiusmuskels zeigte sich dagegen durch die Behandlung von OVX ZDF-Ratten mit Alpha. Im Endergebnis zeigten die Tiere beider Modelle durch die Behandlung mit estrogenen Substanzen eine verbesserte systemische Insulinsensitivität im Vergleich zu unbehandelten Kontrolltieren. E2-behandelte Tiere tolerierten die Glukose am besten und lassen einen additiven Effekt aufgrund der Aktivierung beider Signalwege vermuten. Im Vergleich zu unbehandelten OVX Wistar-Ratten führte die Behandlung mit E2 oder mit jeweils einem der beiden ER-Subtyp-selektiven Agonisten zu einer geringeren viszeralen Fettmasse, kleineren Fettzellen, niedrigeren Leptinspiegeln im Serum und geringeren Triglyzeridwerten in Leber und Muskel. Auf der Ebene der Genexpression waren zudem geringere mRNA-Spiegel von lipo- und adipogenen Genen messbar. Somit scheinen beide ER-Subtypen in die antilipogene Wirkung von E2 involviert zu sein. Sowohl die reduzierte viszerale Fettmasse als auch die geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Leber und Muskel tragen sehr wahrscheinlich ebenfalls zur verbesserten Insulinsensitivität bei. Die Behandlung von OVX Tieren mit Gen führte zu ähnlichen Ergebnissen wie die Behandlung mit Beta. Eine alleinige Ausnahme stellte das Fettgewebe dar, da hier eine Gen-Behandlung keine antilipogenen/-adipogenen Effekte zeigte. Speziell die Fähigkeit von Gen ebenfalls anabol zu wirken, könnte die molekulare Grundlage sein, weshalb Gen-behandelte Tiere im Vergleich zu unbehandelten Tiere eine verbesserte Toleranz gegenüber Glukose und eine geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Muskel und Leber zeigten. Der ER beta ist nicht in die estrogenvermittelte Proliferation von Uterus und Brustdrüse involviert. Vor diesem Hintergrund lassen meine Ergebnisse vermuten, dass eine Behandlung mit ER beta-selektiven Substanzen eine effektive Möglichkeit darstellt, um Adipositas und deren Folgeerkrankungen in postmenopausalen Frauen zu behandeln, ohne deren Risiko für estrogenabhängige Krebsformen zu erhöhen. Eine Kombination mit regelmäßiger körperlicher Aktivität könnte die Erfolge bei der Behandlung von Adipositas und deren Folgeerkrankungen noch maximieren bzw. eine geringere Dosierung der verwendeten Substanz bei gleichbleibendem Behandlungserfolg ermöglichen. Das Isoflavon Gen mit seiner Fähigkeit beide ERs zu aktivieren ist eine bereits auf dem Markt befindliche Substanz und wird zur Behandlung von postmenopausalen Beschwerden eingesetzt, obwohl mögliche negative Effekte (z.B. ein erhöhtes Brustkrebsrisiko) noch nicht abschließend geklärt sind. Falls diese Risiken von Gen ausgeräumt werden können, könnte diese Substanz eventuell eine kostengünstige Alternative darstellen, um sowohl postmenopausale Beschwerden als auch Adipositas und deren Folgekrankheiten zu behandeln.

The prevalence of obesity is dramatically increasing and thus constitutes a major risk factor for developing chronic diseases such as type 2 diabetes, dyslipidemia, cardiovascular diseases, and certain forms of cancer. High-caloric nutrition and a lack of physical activity are the main contributing factors for this global epidemic. Estrogen receptors (ERs) are recognized to be involved in many processes related to the control of energy homeostasis. In my studies, I investigated the impact of estrogens (17beta-estradiol (E2)) on energy homeostasis. Special emphasis was given to the effects of two synthetic ER subtype-selective agonists, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), to determine to what extend the two distinct ER subtypes are involved in the underlying molecular mechanisms. Because of its estrogenic activity and also its widespread use as a nutritional supplement the influence of the isoflavone genistein (Gen) was examined. For this purpose two different female rat models were used: Wistar rats with nutrition-induced obesity and leptin resistant Zucker diabetic fatty (ZDF) rats. In both experiments, the animals were ovariectomized (OVX) and treated with vehicle (untreated controls) or the estrogenic compounds. The most important finding was that treatment of OVX animals with Beta enlarges soleus muscle fiber sizes in both animal models compared to untreated OVX animals. This anabolic effect may in turn improve the muscle/fat ratio of the body that enhances muscular uptake and utilization of fuels. By contrast, in the gastrocnemius muscle of OVX ZDF rats substitution with Alpha increased expression and distribution of the insulin-dependent glucose transporter 4 (GLUT4). Consequently, systemic insulin sensitivity in both animal models was improved by treatment with estrogenic compounds compared to untreated OVX animals. The strongest effect was observed in E2-treated rats that indicate an additive effect through activation of both pathways. In all OVX rats, treatment with either ER subtype-selective agonist showed an anti-lipogenic effect in adipose tissue, liver, and skeletal muscle of nutrition-induced obese Wistar rats in comparison to OVX animals without treatment. Decreased visceral fat mass, adipocyte sizes, serum leptin levels, triglyceride accumulation in liver and muscle as well as mRNA expression of genes that are involved in lipo-/adipogenesis reflected this. Therefore, the lower visceral fat mass as well as decreased accumulation of triglycerides in non-adipose tissues such as liver and skeletal muscle most likely contributes to the improved insulin sensitivity in such treated animals. Gen exerted effects similar to those of the ER beta-selective agonist (except on adipose tissue in Wistar rats). Especially, the similar ability to induce anabolic activity in the soleus muscle might be highly relevant. Gen-treated animals might have a more effective utilization of fuels compared to untreated OVX animals because they showed a lower TG content in muscle and liver as well as improved glucose metabolism. In conclusion, because of my studies and the fact that ER beta signaling is not involved in proliferation of uterus and mammary gland, an effective way to treat obesity and co-morbidities in postmenopausal women might be substances that only activate ER beta. A combination with physical activity may support the therapy of obesity and co-morbidities. The isoflavone Gen is able to activate both ER-subtypes. This compound is already placed on the market for treatment of postmenopausal complaints, although adverse effects of Gen cannot be excluded so far (e.g., increased risk of breast cancer). However, Gen might be a natural alternative – not only to the conventional hormone replacement therapy, but also as a strategy for treatment of obesity and co-morbidities – that deserves further research with respect to these new data. / Die dramatisch zunehmende Prävalenz der Adipositas und das damit verbundene Risiko für Folgeerkrankungen wie Diabetes mellitus, Hypertonie, Dyslipidämie und koronare Herzkrankheiten stellt eine große Herausforderung für das Gesundheitswesen dar. Als Hauptursache wird ein chronisches Missverhältnis der Energiehomöostase aufgrund permanenter Überernährung und Bewegungsmangel postuliert. Estrogene beeinflussen den Glukose- und Lipidstoffwechsel und sind somit in die Regulation des Energiehaushaltes involviert. Estrogene vermitteln ihre Effekte über zwei Estrogenrezeptor (ER)-Subtypen, den ER alpha und den ER beta. Ziel der vorliegenden Arbeit war es mittels tierexperimentellen Studien den Einfluss von Estrogenen, speziell 17beta-Estradiol, auf den Energiehaushalt zu untersuchen. Um einen tieferen Einblick in die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu erhalten, wurden zwei Subtyp-selektive ER-Agonisten, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), synthetischer Herkunft eingesetzt. Aufgrund der estrogenen Aktivität und der Verfügbarkeit als Nahrungsergänzungsmittel wurde des Weiteren der Einfluss des Isoflavons Genistein untersucht. Für die Studien wurden zwei Tiermodelle genutzt: zum einen weibliche Wistar-Ratten mit ernährungsinduzierter Adipositas und zum anderen weibliche leptinresistente „Zucker diabetic fatty“ (ZDF)-Ratten. Die Tiere wurden ovarektomiert (OVX) und entweder mit einem Vehikel (unbehandelte Kontrolltiere) oder mit der entsprechenden estrogenen Substanz behandelt. Die interessanteste Erkenntnis war, dass im Vergleich zu unbehandelten OVX-Tieren beider Tiermodelle die Behandlung mit Beta zur Vergrößerung der Faserquerschnitte im Soleusmuskel führte. Dieser anabole Effekt könnte die muskuläre Aufnahme und Verwertung von Brennstoffmolekülen verbessern und sich insgesamt positiv auf die Körperzusammensetzung auswirken. Den stärksten Effekt hinsichtlich einer erhöhten Expression und Translokation des insulinabhängigen Glukosetransporters 4 (GLUT4) in die Zellmembran des Gastrocnemiusmuskels zeigte sich dagegen durch die Behandlung von OVX ZDF-Ratten mit Alpha. Im Endergebnis zeigten die Tiere beider Modelle durch die Behandlung mit estrogenen Substanzen eine verbesserte systemische Insulinsensitivität im Vergleich zu unbehandelten Kontrolltieren. E2-behandelte Tiere tolerierten die Glukose am besten und lassen einen additiven Effekt aufgrund der Aktivierung beider Signalwege vermuten. Im Vergleich zu unbehandelten OVX Wistar-Ratten führte die Behandlung mit E2 oder mit jeweils einem der beiden ER-Subtyp-selektiven Agonisten zu einer geringeren viszeralen Fettmasse, kleineren Fettzellen, niedrigeren Leptinspiegeln im Serum und geringeren Triglyzeridwerten in Leber und Muskel. Auf der Ebene der Genexpression waren zudem geringere mRNA-Spiegel von lipo- und adipogenen Genen messbar. Somit scheinen beide ER-Subtypen in die antilipogene Wirkung von E2 involviert zu sein. Sowohl die reduzierte viszerale Fettmasse als auch die geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Leber und Muskel tragen sehr wahrscheinlich ebenfalls zur verbesserten Insulinsensitivität bei. Die Behandlung von OVX Tieren mit Gen führte zu ähnlichen Ergebnissen wie die Behandlung mit Beta. Eine alleinige Ausnahme stellte das Fettgewebe dar, da hier eine Gen-Behandlung keine antilipogenen/-adipogenen Effekte zeigte. Speziell die Fähigkeit von Gen ebenfalls anabol zu wirken, könnte die molekulare Grundlage sein, weshalb Gen-behandelte Tiere im Vergleich zu unbehandelten Tiere eine verbesserte Toleranz gegenüber Glukose und eine geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Muskel und Leber zeigten. Der ER beta ist nicht in die estrogenvermittelte Proliferation von Uterus und Brustdrüse involviert. Vor diesem Hintergrund lassen meine Ergebnisse vermuten, dass eine Behandlung mit ER beta-selektiven Substanzen eine effektive Möglichkeit darstellt, um Adipositas und deren Folgeerkrankungen in postmenopausalen Frauen zu behandeln, ohne deren Risiko für estrogenabhängige Krebsformen zu erhöhen. Eine Kombination mit regelmäßiger körperlicher Aktivität könnte die Erfolge bei der Behandlung von Adipositas und deren Folgeerkrankungen noch maximieren bzw. eine geringere Dosierung der verwendeten Substanz bei gleichbleibendem Behandlungserfolg ermöglichen. Das Isoflavon Gen mit seiner Fähigkeit beide ERs zu aktivieren ist eine bereits auf dem Markt befindliche Substanz und wird zur Behandlung von postmenopausalen Beschwerden eingesetzt, obwohl mögliche negative Effekte (z.B. ein erhöhtes Brustkrebsrisiko) noch nicht abschließend geklärt sind. Falls diese Risiken von Gen ausgeräumt werden können, könnte diese Substanz eventuell eine kostengünstige Alternative darstellen, um sowohl postmenopausale Beschwerden als auch Adipositas und deren Folgekrankheiten zu behandeln.

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Die Wirkung von zwei endogen neuroprotektiven Substanzen, Melatonin und 17 beta-Estradiol wurde an drei Caspase-abhängigen, apoptotischen, aber Exzitotoxin-unabhängigen Schadensmodellen an neuronalen Primärkulturen untersucht und mit der bei vorwiegend nekrotischen Schadensmodellen verglichen. Es zeigten sich eine Abhängigkeit des neuroprotektiven Potentials von der Art des Zelluntergangs sowie unterschiedliche Mechanismen der Neuroprotektion. Melatonin wirkte in allen drei apoptischen Modellen nicht neuroprotektiv, sondern verstärkte die Schädigung der Neurone noch, während partiell gegen die OGD-induzierte Nekrose (OGD, engl. Oxygen glucose deprivation, kombinierter Sauerstoff- und Glukoseentzug) kortikaler Neurone Schutz erzielt wurde. Der Einsatz des endogenen neuroprotektiven Faktors Melatonin als Therapeutikum ist möglicherweise nur bei neurodegenerativen Erkrankungen mit exzitotoxischer Schädigung durch Glutamat oder oxidativem Stress wie bei Epilepsie oder dem Schlaganfall durch Ischämie sinnvoll. Die fehlende bzw. potenzierenden Wirkung von Melatonin bei neuronaler Apoptose in vitro, stellt jedoch einen therapeutischen Erfolg bei der Behandlung der mit apoptotischer Schädigung einhergehenden Alzheimer'schen Erkrankung in Frage. Bei klinischer Anwendung ist auch der von uns erhobene Befund zu beachten, dass in vitro native neuronale Zellen durch Melatonin geschädigt werden. 17 beta-Estradiol wirkte sowohl bei nekrotischer als auch bei apoptotischer Zellschädigung. Dabei zeigten sich wesentliche Unterschiede in den Mechanismen der Neuroprotektion und in der Ansprechbarkeit verschiedener Regionen des Gehirns. Schutz vor Apoptose konnte nur durch eine Langzeitvorbehandlung (20 h) in septalen und hippokampalen Kulturen, nicht jedoch in kortikalen Kulturen beobachtet werden. Dieser Effekt liess sich durch Rezeptorantagonisten, Proteinsynthesehemmung sowie durch Hemmung der Phosphoinositol-3-Kinase blockieren. Eine Kurzzeitbehandlung war gegen Apoptose nicht wirksam, zeigte gegen OGD und Glutamattoxizität jedoch neuroprotektives Potential. Dieser Effekt liess sich nicht antagonisieren, so dass hier ein direkter antioxidativer Mechanismus wahrscheinlich erscheint. Die antiapoptotische Wirkung in septalen und hippokampalen Kulturen korrelierte mit einer höheren Dichte des Estrogenrezeptors-alpha und einer erhöhten Expression antiapoptotischer Proteine in diesen Regionen. Da bei der Alzheimer'schen Erkrankung der Kortex betroffen ist, könnte der fehlende Effekt von 17 beta-Estradiol in kortikalen Neuronen sowohl auf die neuronale Apoptose als auch auf die Proteinexpression von Bcl-2 und Bcl-xL möglicherweise auf experimenteller Basis erklären, warum eine langfristige Estrogentherapie bei Frauen mit milder bis moderater Alzeimer'scher Erkrankung den Progress der Erkrankung nicht aufhalten konnte (Mulnard et al. 2000). / The neuroprotective effect of melatonin and 17 beta-estradiol has been evaluated in several in vitro models of neuronal apoptosis and necrosis. Melatonin was not neuroprotective in three models of apoptosis but showed a pro-apoptotic effect in primary cortical neurons. Melatonin revealed to damage naïve neurons, too. Partial protection was observed against necrotic neurodegeneration after oxygen-glucose deprivation (OGD). The use of melatonin as a therapeutic agent might be of interest in neurodegenerative diseases with excitotoxic damage like epilepsia or ischemia, but is questioned in case of apoptotic neurodegeneration. 17 beta-estradiol was neuroprotectiv in both necrotic and apoptotic neurodegeneration. Differences in the mechanism of neuroprotetion and in the efficacy in different regions of the brain were observed. A neuroprotective effect was visible only in hippocampal and septal cultures if 17 beta-estradiol was applied 20 h prior (long term pre-treatment) but not in cortical neurons. This effect correlates with an increased density of estrogen receptor-alpha and an increased expression of anti-apoptotic proteins like Bcl-2 and Bcl-xL in these regions. These effect could be blocked with receptor antagonists, protein synthesis inhibitors and an inhibitor of the phosphatidylinositol 3-kinase. A short term pre-treatment revealed a receptor independent neuroprotective potential against OGD and glutamate toxicity. The failure of 17 beta-estradiol to protect cortical neurons against apoptosis could be an experimental basis to understand, why a long lasting treatment with estrogens of women with mild to moderate Alzheimer´s disease failed to inhibit the progress of the illness (Mulnard et al., 2000)