Thesis. 1978. M.S.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Chemical Engineering. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND SCIENCE. / Bibliography: leaves 253-265. / M.S.

Insulin resistance is central to the pathogenesis of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) and type 2 diabetes mellitus (T2DM). Intrahepatic triglyceride (IHTG), the primary feature of NAFLD, strongly predicts insulin resistance in the liver and peripheral (skeletal muscle and adipose) tissues. Hepatokines (e.g. fibroblast growth factor 21 (FGF21), leukocyte cell-derived chemotaxin 2 (LECT2), follistatin, selenoprotein P, and fetuin-A) are liver-derived proteins with capacity to exert endocrine effects and may potentially modulate the link between IHTG and peripheral insulin sensitivity/glycaemic control. Exercise is integral to the management of NAFLD and T2DM, with evidence suggesting that high-intensity exercise may provide the greatest benefits. Chapter 4 of this thesis demonstrates that, in individuals without chronic metabolic disease, plasma concentrations of FGF21 and LECT2 are higher, and follistatin lower, in individuals with overweight or obesity compared with normal weight individuals. Furthermore, FGF21 and follistatin are transiently elevated for up to 6 h after acute aerobic exercise (60 min at 60% V̇O2 peak). The response of follistatin to acute moderate-intensity exercise is also present in individuals with impaired glucose regulation (Chapter 5), but the response of FGF21 is abolished. A single bout of low-volume high-intensity interval training has no effect on FGF21, follistatin or fetuin-A in individuals with dysglycaemia (Chapter 5). Chapter 6 demonstrates that six weeks of sprint interval training (SIT) is feasible for men with NAFLD and reduces IHTG despite no change in body weight. Peripheral insulin sensitivity tends to increase after SIT but hepatic insulin sensitivity and circulating hepatokines remain unchanged. Through meta-analyses, Chapter 7 confirms that exercise training reduces IHTG, even in the absence of weight loss. However, the magnitude of this effect is greater when weight loss occurs and benefits increase proportionally. Exercise training improves basal hepatic insulin sensitivity, but evidence in this area is currently limited (Chapter 7). Collectively, the studies in this thesis demonstrate that some hepatokines may be sensitive to acute and chronic changes in energy metabolism. However, further evidence is required before definitive statements can be made. Exercise training, including SIT, has the potential to reduce IHTG in men with NAFLD, even in the absence of weight loss. However, the greatest benefits on IHTG will likely be elicited when exercise training is performed in combination with dietary energy restriction to elicit sustained reduction in body weight.

Diabetes Mellitus (DM) and insulin resistant (IR) are highly prevalent among heart failure (HF) patients. There is now increasing evidence to suggest a bidirectional relationship between IR and HF. DM and IR not only lead to heart failure, but heart failure can also lead to the development of DM or IR. The degree of IR also correlates with the severity and mortality of CHF. The pathophysiology of IR in CHF has yet to be fully defined. Activation of sympathetic nervous system, abnormal regulation of adipocytokines systems, activation of inflammatory and coagulation cascade, accumulation of glycated products, endothelial dysfunction and hyperinsulinaemia are potential explanations of the development of IR in CHF. Additionally, it remains to be determined if IR is merely a marker reflecting the severity of CHF or whether it contributes to the disease in CHF. If IR is truly a culprit that worsens CHF, reversing IR may potentially be a new target for treatment in CHF, which may result in an improvement in symptoms and even mortality in patients with CHF. However, there are concerns over the use of certain insulin sensitizers, most notably, the thiazolidinediones (TZDs), which has been linked with increased risk of hospitalizations for CHF and concerns regarding its association with increased myocardial infarction. Despite previous concerns of lactic acidosis, there is now evidence that metformin may not only be safe but could potentially be useful in the setting of CHF. We have conducted a randomised double-blind, placebo-controlled trial testing the hypothesis of reversing IR with metformin in insulin-resistant CHF will have beneficial effects. If IR is a possible target for the treatment of CHF, what are the new and potential treatment modalities? We have now had better understandings of the adipocytokines systems, which may prove to be a therapeutic option to improve IR in CHF. AMP-activated protein kinase (AMPK) pathway has become the focus of research as a novel therapeutic target in cardio-metabolic disease. It has been shown to mediate, at least in part, the effects of a number of physiological and pharmacological factors that improve IR. It also exerts beneficial effects on the vasculature and the heart. There have been some new AMPK activators that are currently being tested in vivo setting or phase 1-2 trials, and the early results are somewhat promising. Increased understandings and refreshed insights of IR and CHF have opened a new horizon and encouraged us to explore more therapeutics options in CHF.

acase@tulane.edu / The goal of the following experiments was to determine the cellular mechanisms through which estrogen receptor activity is maintained in hippocampal cells following termination of ovarian function. Aim 1 determined that kinase signaling contributes to the maintenance of estrogen receptor activity in the hippocampus of ovariectomized mice in addition to local synthesis of brain derived “neuroestrogens”. Inhibition of both the mitogen activated protein kinase (MAPK) and phosphoinositide-3 kinase (PI3K) cascades with intracerebroventricular infusion of specific kinase inhibitors reduced estrogen response element (ERE)-dependent gene expression in the hippocampus of ovariectomized mice. Aim 2 determined that neuroestrogen synthesis, MAPK signaling, and PI3K signaling interact to regulate the transcriptional output of estrogen receptors in response to insulin like growth factor-1 receptor (IGF-1R) activation in the Neuro-2A cell culture model. Rapid IGF-1R-dependent MAPK signaling promotes, while PI3K signaling inhibits, IGF-1R-dependent activation of endogenous estrogen receptors in Neuro-2A cells. Long-term IGF-1R stimulation reduces ERE-dependent gene expression in part through phosphorylation of estrogen receptor alpha (ERα). Rapid IGF-1R-dependent activation but not long-term repression of estrogen receptor activity in Neuro-2A cells requires neuroestrogen synthesis. Aim 3 determined that exposure to 40 days of continuous unopposed estradiol at the time of ovariectomy results in lasting enhancement of estrogen receptor activity in the hippocampus and lasting enhancement of hippocampus dependent memory in female mice beyond the period of short-term estradiol exposure. Together these three aims determine that neuroestrogen synthesis and kinase signaling interact to actively maintain estrogen receptor signaling in neuronal cells and these autonomous neuronal mechanisms of estrogen receptor activation have functional consequences on cognition long after cessation of ovarian function. / 1 / Kevin J Pollard

Das atriale natriuretische Peptid (ANP) beeinflusst den arteriellen Blutdruck und das intravasale Volumen durch Stimulation der intrazellulären Produktion von cGMP über den membranständigen Guanylyl Cyclase-A (GC-A)-Rezeptor. ANP stimuliert außerdem die Angiogenese und ist am Wachstum der Kardio-myozyten beteiligt. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die dynamische Interaktion zwischen den rezeptoraktivierten Kationenkanälen Transient Receptor Potential Canonical Type 3 und Type 6 (TRPC3/C6) und dem GC-A-Rezeptor untersucht. Erst kürzlich konnte gezeigt werden, dass ANP über GC-A den TRPC-vermittelten Ca2+-Einstrom in Kardiomyozyten auf cGMP-unabhängige Weise stimuliert. Um eine mögliche direkte Interaktion von TRPC3/C6 und GC-A zu zeigen, wurde TRPC3 oder C6 mit Flag-GC-A in HEK293-Zellen koexprimiert. Die Membranfraktion der Zellen wurde nach Immunpräzipitation mit einem anti-Flag-Antikörper im Western Blot untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass TRPC3/C6 unabhängig von ANP mit GC-A ko-immunpräzipitieren. Die Interaktion erfolgte auch mit einem modifizierten GC-A-Rezeptor, dem die Cyclase-Domäne fehlt. Um die Interaktion in Kardiomyozyten zu untersuchen, wurde ein transgenes Mausmodell mit einer Überproduktion von HA-GC-A in Kardiomyozyten verwendet. Auch bei diesem Modell konnte mittels anti-HA- Antikörper die Koimmunpräzipitation von GC-A und TRPC3/C6 nachgewiesen werden. Schließlich wurden FRET-basierte Untersuchungen durchgeführt, um die lokale Nähe von GC-A und TRPC3 zu beweisen und eine mögliche ANP-induzierte Konformationsänderung zu untersuchen. Die Koexpression von GC-A-CFP und TRPC3-YFP in HEK293 Zellen führte zu einem FRET-Signal, welches durch ANP konzentrationsabhängig (1-100 nM) gesenkt wurde. Die Gabe des membranpermeablen cGMP-Analagons 8-Br-cGMP führte dagegen zu keiner Veränderung des FRET-Signals. Die Ergebnisse bestätigen das Vorhandensein eines stabilen Proteinkomplexes von GC-A und TRPC3, der für den neuen cGMP-unabhängigen Signalweg von GC-A ausschlaggebend ist. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt die Rolle von ANP/GC-A für die Insulinausschüttung der pankreatischen β-Zellen. Es ist bereits bekannt, dass GC-A in den β-Zellen exprimiert wird und dass ANP an isolierten Langerhans’schen Inseln das β-Zell-Wachstum und die Insulinsekretion moduliert. Um langfristig die Bedeutung von ANP für die systemische Glukose-Homöostase zu ergründen, wurde ein Mausmodell mit einer β-Zell-spezifischen GC-A-Deletion generiert. Der Nachweis des konditionellen GC-A knock out (KO) erfolgte mittels genomischer PCR und Immunhistochemie. Eine Detektion von GC-A in den Langerhans’schen Inseln auf Proteinebene war leider nicht möglich. Aber es konnte gezeigt werden, dass der β-Zell-spezifische KO zu keiner Expressionsänderung von GC-A in anderen Geweben führte. Auch der Blutdruck und das Herzgewicht der KO Mäuse blieb unauffällig. Zur Untersuchung der Bedeutung von ANP für die Insulinausschüttung unter pathologischen Bedingungen wurden KO- und Kontrolltiere für 12 Wochen einer fettreichen Ernährung (60% Fett) ausgesetzt um einen Prädiabetes auszulösen. Zu verschiedenen Zeitpunkten der Studie wurden orale Glukose-Toleranz-Tests (oGTT), Blutdruckmessungen und Gewichtsbestimmungen durchgeführt. Bereits vor der Studie wurde beobachtet, dass der Nüchternglukosewert in den weiblichen KO-Mäusen leicht erhöht ist. Daher wurden die oGTT‘s in der Studie geschlechtsspezifisch ausgewertet. Am Ende der Studie zeigten alle Mäuse eine vergleichbare insuffiziente Blutzuckerregulierung. Der Blutdruck war sowohl in KO- als auch in Kontrolltieren um ca. 60% erhöht. Einigen Tieren wurde das Pankreas entnommen und für immunhistologische Zwecke präpariert. Die morphometrische Auswertung der Pankreas-Schnitte ergab eine signifikant vergrößerte durchschnittliche Inselfläche und eine erhöhte durchschnittliche β-Zellfläche der KO-Tiere im Vergleich zu den Kontrollen. Die β-Zellen der KO-Tieren waren im Vergleich zu den Kontrollen hypertroph. Die Studie zeigt also, dass die Deletion von GC-A in den β-Zellen unter pathologischen Bedingungen zu einer Hypertrophie der β-Zellen führt und zu einem geringeren Schutz gegen die Ausbildung eines Prädiabetes beiträgt. Eine mögliche verstärkte periphere Insulinresistenz in den KO-Tieren ist auch nicht auszuschließen. Weitere Studien an dem neuen Mausmodell könnten die Bedeutung des ANP/GC-A-Systems für die Insulinausschüttung näher ergründen und dadurch eventuell neue Therapieansätze für Diabetes mellitus Typ 2 bringen. / Atrial natriuretic peptide (ANP) modulates blood pressure and volume by its cGMP generating guanylyl cyclase-A (GC-A) receptor. ANP also stimulates cardiomyocyte growth and angiogenesis. This work concentrates on two separate mechanisms where ANP/GC-A system plays an important role. The first part of this work concerns the dynamic interaction of the transient receptor potential canonical type 3 or type 6 (TRPC3/C6) cation channels with GC-A receptor. Recently, it was indicated that ANP via GC-A stimulates the TRPC-mediated Ca2+ influx in cardiomyocytes in a cGMP-independent manner. To analyze the presumed direct interaction between TRPC3/C6 and GC-A the proteins TRPC3 or C6 and Flag-GC-A were coexpressed in HEK293 cells in presence or absence of ANP. After lysis GC-A was precipitated from the membrane fraction of the cells with anti-Flag-antibodies. TRPC3 and TRPC6 were detected in this fraction. The co-immunoprecipitation was also performed with a modified GC-A receptor lacking the cyclase domain as well as with cardiomyocytes from transgenic mice characterized by cardiomyocyte overexpression of HA-GC-A. In all cases TRPC3/C6 co-immunoprecipitated with GC-A. Finally, FRET-based approaches were used to examine the local distance between GC-A and TRPC3. Coexpression of GC-A-CFP and TRPC3-YFP in HEK293 cells led to a FRET signal which was decreased by ANP (1-100 nM) in a concentration dependent manner. Incubation of the membrane permeable cGMP analog 8-Br-cGMP did not alter the FRET signal. All results confirm the presence of a stable protein interaction between GC-A and TRPC3 or TRPC6. In the second part of this work the role of ANP/GC-A system for (patho)physiologic insulin release in pancreatic β-cells was investigated. It was recently shown that GC-A is expressed in β-cells and that ANP modulates β-cell growth and insulin secretion in isolated pancreatic islets. To analyze the relevance of ANP for the systemic glucose homeostasis a new mouse model was generated characterized by a β-cell-specific GC-A deletion. To prove the conditional GC-A knock out (KO) we used genomic PCR and immunohistochemistral approaches. The specific deletion did alter neither the GC-A expression in other tissues nor blood pressure and heart weight in KO mice. Fasting blood glucose levels were slightly elevated in female KO mice. Therefore all subsequent experiments were evaluated gender-related. Male and female controls and KO mice were fed a high fat diet (60 % fat) for 12 weeks to provoke a prediabetic state and insulin resistance. Oral glucose tolerance tests (oGTT), blood pressure measurements and weight analysis were performed to analyze if the KO affects insulin homeostasis under pathophysiological conditions. All mice developed an insufficient blood glucose regulation which was evident using the oGTT. Blood pressure was increased by 60% both in controls and KO mice. For immunohistochemical studies the pankreata from several animals were dissected and fixed in formalin. The cut organ slices were treated with glucagon and insulin antibodies. All islets were documented and analyzed morphometrically. The mean islet area and the mean β-cell area was significantly increased in KO animals. In summary, the β-cell-specific KO of GC-A led to hypertrophic β-cells under pathophysiological conditions. To uncover the entire role of ANP/GC-A system for the insulin release further studies have to be performed. The new mouse model provides the potential to find new therapeutic strategies for the treatment diabetes mellitus type 2.

Hyperinsulinemia, a condition with excessively high insulin blood levels, is related to an increased cancer incidence. Diabetes mellitus, metabolic syndrome, obesity and polycystic ovarian syndrome are the most common of several diseases accompanied by hyperinsulinemia. Since an elevated cancer risk especially for colon and kidney cancers, was reported for those patients, we investigated for the first time the induction of genomic damage by insulin mainly in HT29 (human colon cells), LLC-PK1 (pig kidney cells), HK2 (human kidney cells) and peripheral lymphocytes, and to confirm the genotoxicity of insulin in other cells from different tissues. To ascertain that the insulin effects were not only limited to permanent cell lines, rat primary colon, kidney, liver and fatty tissue cells were also studied. To connect the study and the findings to in vivo conditions, two in vivo models for hyperinsulinemia were used; Zucker diabetic fatty rats in a lean and diabetic state infused with different insulin concentrations and peripheral lymphocytes from type 2 diabetes mellitus patients. First, the human colon adenocarcinoma cells (HT29) showed significant elevation of DNA damage using comet assay and micronucleus frequency analysis upon treatment with 5 nM insulin in standard protocols. Extension of the treatment to 6 days lowered the concentration needed to reach significance to 0.5-1 nM. Insulin enhanced the cellular ROS production as examined by the oxidation of the dyes 2´,7´-dichlorodihydrofluorescein diacetate (H2DCF-DA) and dihydroethidium (DHE). The FPG modified comet assay and the reduction of damage by the radical scavenger tempol connected the insulin-mediatedDNA damage to ROS production. To investigate the sources of ROS upon insulin stimulation, apocynin and VAS2870 as NADPH oxidase inhibitors and rotenone as mitochondrial inhibitor were applied in combination with insulin and all of them led to a reduction of the genomic damage. Investigation of the signaling pathway started by evaluation of the binding of insulin to its receptor and to the IGF-1 receptor. The results showed the involvement of both receptors in the signaling mechanism. Following the activation of both receptors, PI3K activation occurs leading to phosphorylation of AKT which in turn activates two pathways for ROS production, the first related to mitochondria and the second through activation of Rac1 , resulting in the activation of Nox1. Both pathways could be activated through AKT or through the mitochondrial ROS which in turn could activates Nox1. Studying another human colon cancer cell line, Caco-2 and rat primary colon cells in vitro confirmed the effect of insulin on cellular chromatin. We conclude that pathophysiological levels of insulin can cause DNA damage in colon cells, which may contribute to the induction or progression of colon cancer. Second, in kidney cells, insulin at a concentration of 5 nM caused a significant increase in DNA damage in vitro. This was associated with the formation of reactive oxygen species (ROS). In the presence of antioxidants, blockers of the insulin and IGF-1 receptors, and a phosphatidylinositol 3-kinases (PI3K) inhibitor, the insulin mediated DNA damage was reduced. Phosphorylation of AKT was increased and p53 accumulated. Inhibition of the mitochondrial and NADPH oxidase related ROS production reduced the insulin mediated damage. In primary rat cells insulin also induced genomic damage. HK2 cells were used to investigate the mechanistic pathway in the kidney The signaling is identical to the one in the colon cells untill the activation of the mitochondrial ROS production, because after the activation of PI3K activation of Nox4 occurs at the same time across talk between mitochondria and Nox4 activation has been suggested and might play a role in the observed effects. In the in vivo model, kidneys from healthy, lean ZDF rats, which were infused with insulin to yield normal or high blood insulin levels, while keeping blood glucose levels constant, the amounts of ROS and p53 were elevated in the high insulin group compared to the control level group. ROS and p53 were also elevated in diabetic obese ZDF rats. The treatment of the diabetic rats with metformin reduced the DNA oxidation measured as 8-oxodG as well as the ROS production in that group. HL60 the human premyelocytic cells and cultured lymphocytes as models for the hemopoietic system cells showed a significant induction for DNA damage upon treatment with insulin. The diabetic patients also exhibited an increase in the micronucleus formation over the healthy individuals. In the present study, we showed for the first time that insulin induced oxidative stress resulting in genomic damage in different tissues, and that the source of the produced ROS differs between the tissues. If the same mechanisms are active in patients, hyperinsulinemia might cause genomic damage through the induction of ROS contributing to the increased cancer risk, against which the use of antioxidants as well as mitochondrial and NADPH oxidase inhibitors might exert protective effects with cancer preventive potential under certain conditions. Normal healthy human plasma insulin concentrations are in the order of 0.04 nM after overnight fasting and increase to less than about 0.2 nM after a meal. Pathophysiological levels can reach 1 nM and can stay above 0.2 nM for the majority of the daytime yielding condictions close to the insulin concentrations determined in the present study. Whether the observed effects also occur in vivo and whether they actually initiate or promote tumor formation remains to be determined. However, if proof of that can be obtained, our experiments with inhibitors indicate chances for pharmacological intervention applying antioxidants or enzyme inhibitors. It will not be the aim to reduce ROS in any case or as much as possible because ROS have now been recognized as important signaling molecules and participatants in immune defense, but a reduction to physiological levels instead of pathophysiological levels in the context of a disease associated with ROS overproduction might be beneficial. / Hyperinsulinämie, ein Zustand mit sehr hohen Blutspiegeln an Insulin, ist mit einer erhöhten Krebsinzidenz verbunden. Diabetes mellitus, das metabolische Syndrom, Adipositas und das polyzystische Ovarialsyndrom sind die häufigsten Krankheiten, die mit Hyperinsulinämie einhergehen. Da ein erhöhtes Krebsrisiko insbesondere für Krebserkrankungen des Dickdarms und der Niere beobachtet wurde, untersuchten wir erstmals die Induktion von Genomschäden durch Insulin in HT29-Zellen (humane Dickdarmzellen), LLC-PK1-Zellen (Nierenzellen vom Schwein), HK2-Zellen (humane Nierenzellen) und peripheren humanen Lymphozyten. Um die Gentoxizität von Insulin zu bestätigen, wurden auch andere Zellen aus unterschiedlichen Geweben untersucht. Um sicherzustellen, dass die Effekte durch Insulin nicht auf permanente Zelllinien beschränkt sind, wurden außerdem primäre Rattenzellen aus Dickdarm, Niere, Leber und Fettgewebe untersucht. Um die Befunde auf die in-vivo-Situation übertragen zu können, kamen zwei Hyperinsulinämie-Modelle zum Einsatz: mit Insulin infundierte ZDF-Ratten (Zucker Diabetic Fatty Rats) und periphere Lymphozyten von Patienten mit Diabetes Typ 2. Zuerst konnte in humanen Adenokarzinomzellen des Dickdarms (HT29) eine signifikante Erhöhung des DNA-Schadens in Standard-Protokollen des Comet Assays und des Mikrokerntests nach Behandlung mit 5 nM Insulin gezeigt werden. Bei Verlängerung der Behandlungszeit auf 6 Tage wurden signifikante Effekte bereits ab 0,5 nM beobachtet. Insulin erhöhte die zelluläre ROS-Produktion, die als Oxidation der Farbstoffe 2‘,7‘-Dichlorodihydrofluoresceindiacetat (H2DCF-DA) und Dihydroethidium (DHE) nachgewiesen wurde. Befunde aus dem FPG-modifizierten Comet Assay und das Ergebnis, dass der Radikalfänger Tempol die Zellen schützte stellen die Verbindung zwischen Insulin-verursachtem DNA-Schaden und ROS produktion her. Um die ROS-Quelle nach Stimulation mit Insulin zu untersuchen, wurden Apocynin und VAS2870 als NADPH-Oxidase-Inhibitoren und Rotenon als Inhibitor der Mitochondrien mit Insulin kombiniert. Alle diese Stoffe reduzierten den Genomschaden. Zur Charakterisierung der Signalwege wurde zunächst die Bindung von Insulin an seinen Rezeptor und an den IGF1-Rezeptor untersucht. Beide Rezeptoren sind an der Signaltransduktion beteiligt. Nach Aktivierung der Rezeptoren wird die PI3K aktiviert, dies führt zur Phosphorylierung von AKT. Dadurch werden zwei Wege zur ROS-Produktion aktiviert, der erste involviert die mitochondriale Atmungskette , der zweite agiert durch Rac1-Aktivierung. Letzteres resultiert in der Aktivierung der NADPH-Oxidase Isoform Nox1. Der Effekt von Insulin auf zelluläres Chromatin konnte in einer weiteren humanen Dickdarmkrebs-Zelllinie und in primären Dickdarmzellen der Ratte in vitro bestätigt werden. Wir schlussfolgern aus diesen Ergebnissen, dass pathophysiologische Insulin-Blutspiegel DNA-Schäden im Dickdarm verursachen können. Dies könnte zur Induktion oder Progression von Dickdarmkrebs beitragen. Weiterhin verursachte Insulin bei einer Konzentration von 5 nM einen signifikanten Anstieg von DNA-Schäden in vitro. Dies war verbunden mit der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS). Bei Anwesenheit von Antioxidantien, von Inhibitoren des Insulin-Rezeptors bzw. des IGF-1-Rezeptors und eines Phosphatidylinositol-3-Kinase(PI3K)-Inhibitors war der Insulin-vermittelte DNA-Schaden reduziert. Phosphorylierung von AKT war erhöht und das Protein P53 akkumulierte. Inhibierung der ROS-Produktion der Mitochondrien bzw. der NADPH-Oxidase reduzierte den Insulin-vermittelten Schaden. In primären Rattenzellen induzierte Insulin ebenfalls Genomschaden. HK2-Zellen wurden zur Untersuchung der mechanistischen Signalwege in der Niere eingesetzt. Die Signalwege entsprechen denen der Dickdarmzellen bis zur Aktivierung der ROS-Produktion in den Mitochondrien. Als Folge der Aktivierung von PI3K wird Nox4 aktiviert. Eine Verbindung zwischen Mitochondrien und Nox4-Aktivierung wird vorgeschlagen. Als in-vivo-Modell wurden gesunde ZDF-Ratten mit Insulin infundiert, um normale bzw. erhöhte Insulin-Blutspiegel bei konstanten Glukose-Blutspiegeln zu erreichen. In den Nieren war der Gehalt an ROS und an P53 in der Gruppe mit erhöhten Insulin-Blutspiegeln im Vergleich zur Kontrolle erhöht. ROS und P53 waren ebenfalls in den diabetischen und adipösen ZDF-Ratten erhöht. Die Behandlung der diabetischen Ratten mit Metformin reduzierte die DNA-Oxidation, die in Form von 8-oxodG bestimmt wurde, und die ROS-Produktion in dieser Gruppe. HL60-Zellen und kultivierte Lymphozyten als Modelle für das hämatopoetische System zeigten eine signifikante Induktion von DNA-Schäden nach Behandlung mit Insulin. Diabetes-Patienten zeigten eine erhöhte Mikrokern-Bildung im Vergleich zu gesunden Probanden. In der vorliegenden Studie konnten wir erstmals zeigen, dass Insulin-induzierter oxidativer Stress zu Genomschaden führt, und dass in unterschiedlichen Geweben ROS aus verschiedenen Quellen stammten. Falls diese Mechanismen auch in Patienten auftreten, könnte Hyperinsulinämie durch ROS-Induktion zu Genomschaden führen und damit zu einem erhöhten Krebsrisiko beitragen. Unter bestimmten Bedingungen könnten Antioxidantien bzw. Inhibitoren der Mitochondrien oder der NADPH-Oxidase protektive Effekte ausüben.

SUMMARY Insulin-like growth factor I (IGF-I) is a polypeptide with a molecular weight of 7.649 kDa and an anabolic potential. Thereby, IGF-I has a promising therapeutic value e.g. in muscle wasting diseases such as sarcopenia. IGF-I is mainly secreted by the liver in response to growth hormone (GH) stimulation and is rather ubiquitously found within all tissues. The effects of IGF-I are mediated by its respective IGF-I transmembrane tyrosine kinase receptor triggering the stimulation of protein synthesis, glucose uptake and the regulation of cell growth. The actions of IGF-I are modulated by six IGF binding proteins binding and transporting IGF-I in a binary or ternary complex to tissues and receptors and modulating the binding of IGF-I to its receptor. The nature of the formed complexes impacts IGF-I`s half-life, modulating the half-life between 10 minutes (free IGF-I) to 12 - 15 hours when presented in a ternary complex with IGF binding protein 3 and an acid labile subunit (ALS). Therefore, sustained drug delivery systems of free IGF-I are superficially seen as interesting for the development of controlled release profiles, as the rate of absorption is apparently and easily set slower by simple formulation as compared to the rapid rate of elimination. Thereby, one would conclude, the formulation scientist can rapidly develop systems for which the pharmacokinetics of IGF-I are dominated by the formulation release kinetics. However, the in vivo situation is more complex and as mentioned (vide supra), the half-life may easily be prolonged up to hours providing proper IGF-I complexation takes place upon systemic uptake. These and other aspects are reviewed in Chapter I, within which we introduce IGF-I as a promising therapeutic agent detailing its structure and involved receptors along with the resulting signaling pathways. We summarize the control of IGF-I pharmacokinetics in nature within the context of its complex system of 6 binding proteins to control half-life and tissue distribution. Furthermore, we describe IGF-I variants with modulated properties in vivo and originated from alternative splicing. These insights were translated into sophisticated IGF-I delivery systems for therapeutic use. Aside from safety aspects, the challenges and requirements of an effective IGF-I therapy are discussed. Localized and systemic IGF-I delivery strategies, different routes of administration as well as liquid and solid IGF-I formulations are reviewed. Effective targeting of IGF-I by protein decoration is outlined and consequently this chapter provides an interesting guidance for successful IGF-I-delivery. In Chapter II, we firstly outline the stability of IGF-I in liquid formulations with the intention to deliver the biologic through the lung and the impact of buffer type, sodium chloride concentration and pH value on IGF-I stability is presented. IGF-I integrity was preserved in histidine buffer over 4 months at room temperature, but methionine 59 oxidation (Met(o)) along with reducible dimer and trimer formation was observed in an acidic environment (pH 4.5) and using acetate buffer. Strong aggregation resulted in a complete loss of IGF-I bioactivity, whereas the potency was partly maintained in samples showing a slight aggregation and complete IGF-I oxidation. Atomization by air-jet or vibrating-mesh nebulizers yielded in limited Met(o) formation and no aggregation. The results of IGF-I nebulization experiments regarding aerosol output rate, mass median aerodynamic diameter and fine particle fraction were comparable with 0.9% sodium chloride reference, approving the applicability of liquid IGF-I formulations for pulmonary delivery. In Chapter III we escalated the development to solid delivery systems designed for alveolar landing upon inhalation and by deploying trehalose and the newly introduced for pulmonary application silk-fibroin as carriers. Microparticles were produced using nano spray drying following analyses including IGF-I integrity, IGF-I release profiles and aerodynamic properties. In vitro transport kinetics of IGF-I across pulmonary Calu-3 epithelia were suggesting similar permeability as compared to IGF-I’s cognate protein, insulin that has already been successfully administered pulmonary in clinical settings. These in vivo results were translated to an ex vivo human lung lobe model. This work showed the feasibility of pulmonary IGF-I delivery and the advantageous diversification of excipients for pulmonary formulations using silk-fibroin. Chapter IV focuses on an innovative strategy for safe and controllable IGF-I delivery. In that chapter we escalated the development to novel IGF-I analogues. The intention was to provide a versatile biologic into which galenical properties can be engineered through chemical synthesis, e.g. by site directed coupling of polymers to IGF-I. For this purpose we genetically engineered two IGF-I variants containing an unnatural amino acid at two positions, respectively, thereby integrating alkyne functions into the primary sequence of the protein. These allowed linking IGF-I with other molecules in a site specific manner, i.e. via a copper catalyzed azide-alkyne Huisgen cycloaddition (click reaction). In this chapter we mainly introduce the two IGF-I variants, detail the delivery concept and describe the optimization of the expression conditions of the IGF-I variants. In conclusion, we span from simple liquid formulations for aerolization through solid systems for tailored for maximal alveolar landing to novel engineered IGF-I analogues. Thereby, three strategies for advanced IGF-I delivery were addressed and opportunities and limitations of each were outlined. Evidence was provided that sufficiently stable and easy to manufacture formulations can be developed as typically required for first in man studies. Interestingly, solid systems – typically introduced in later stages of pharmaceutical development – were quite promising. By use of silk-fibroin as a new IGF-I carrier for pulmonary administration, a new application was established for this excipient. The demonstrated success using the ex vivo human lung lobe model provided substantial confidence that pulmonary IGF-I delivery is possible in man. Finally, this work describes the expression of two IGF-I variants containing two unnatural amino acids to implement an innovative strategy for IGF-I delivery. This genetic engineering approach was providing the fundament for novel IGF-I analogues. Ideally, the biologic is structurally modified by covalently linked moieties for the control of pharmacokinetics or for targeted delivery, e.g. into sarcopenic muscles. One future scenario is dicussed in the ‘conclusion and outlook’ section for which IGF-I is tagged to a protease sensitive linker peptide and this linker peptide in return is coupled to a polyethylenglykole (PEG) polymer (required to prolong the half-life). Some proteases may serve as proxy for sarcopenia such that protease upregulation in compromised muscle tissues drives cleavage of IGF-I from the PEG. Thereby, IGF-I is released at the seat of the disease while systemic side effects are minimized. / ZUSAMMEMFASSUNG Insulin-like growth factor I (IGF-I) ist ein 7.6 kDa großes Polypeptid, das eine anabole Wirkung besitzt und dadurch ein vielversprechendes Therapeutikum in Muskelerkrankungen wie z.B. Sarkopenie darstellt. IGF-I wird hauptsächlich von der Leber gebildet und infolge der Stimulation des Wachstumshormons Somatropin sezerniert. In fast jedem Gewebe des Körpers kommt IGF-I vor. Die Wirkungen von IGF-I werden über eigene Rezeptoren, die an die Zellmembran gebunden sind, die Rezeptor-Tyrosinkinasen, ausgeführt. Zu den Wirkungen gehören unter anderem die Stimulation der Proteinsynthese, die Aufnahme von Glucose in die Zellen und die Regulierung des Zellwachstums. Die Effekte von IGF-I werden von 6 IGF- Bindungsproteinen (IGFBP 1-6) gesteuert, indem IGF-I in einem binären oder ternären Komplex zu den Geweben transportiert oder auch die Bindung von IGF-I an den Rezeptor verhindert werden kann. Die sich bildenden Komplexe haben auch einen Einfluss auf die Halbwertszeit (HWZ) von IGF-I, da für ungebundenes IGF-I eine HWZ von ca. 10 Minuten festgestellt werden konnte, aber IGF-I, gebunden in einem ternären Komplex mit dem Bindungsprotein 3 und der säurelabilen Untereinheit (ALS) eine erhöhte HWZ von 12 – 15 Stunden aufweist. Deswegen sind „sustained drug delivery“ Systeme von ungebundenem IGF-I auf den ersten Blick interessant für die Entwicklung von kontrollierten Freisetungsprofilen, da die Absorptionsgeschwindigkeit offensichtlich und problemlos durch triviale Formulierung verlangsamt werden kann im Vergleich zu der schnellen Eliminationsgeschwindigkeit. Deshalb könnte man daraus schließen, dass ein Formulierungsexperte recht schnell Systeme entwickeln kann, in denen die Freisetzungskinetik der Formulierung über die pharmakokinetischen Eigenschaften von IGF-I dominiert. Jedoch ist die in vivo Situation wesentlich komplexer und wie oben bereits erwähnt, könnte die Halbwertszeit problemlos bis zu mehreren Stunden verlängert werden, sofern geeignete Komplexbildung von IGF-I nach systemischer Aufnahme erfolgt. Diese und weitere Aspekte werden in Kapitel I beschrieben. Außerdem stellen wir IGF-I als wertvolles Therapeutikum vor, beschreiben dessen Struktur, die beteiligten Rezeptoren und die daraus resultierenden Signalwege. Wir fassen die Kontrolle der Pharmakokinetik von IGF-I in der Natur zusammen, im Rahmen von einem komplexen System aus 6 Bindungsproteinen, die die Halbwertszeit und die Gewebeverteilung steuern. Außerdem beschreiben wir IGF-I Varianten, die veränderte Eigenschaften in vivo aufweisen und durch alternatives Spleißen entstanden sind. Diese Erkenntnisse werden in hochentwickelte „IGF-I delivery“ Systeme für den therapeutischen Gebrauch umgesetzt. Neben Sicherheitsaspekten werden die Herausforderungen und Anforderungen einer effektiven IGF-I Therapie diskutiert. Darüber hinaus wird über lokale und systemische „IGF-I delivery“ Strategien, verschiedene Verabreichungswege sowie flüssige und feste IGF-I Formulierungen berichtet. Ebenso wird die wirkungsvolle IGF-I Freisetzung am Zielort durch Ausschmückung des Proteins beschrieben und dementsprechend liefert dieses Kapitel eine interessante Orientierungshilfe für eine erfolgreiche IGF-I Therapie. Im Kapitel II untersuchen wir die Stabilität von IGF-I in flüssigen Formulierungen zur pulmonalen Anwendung bezüglich Puffersystem, Natriumchlorid Konzentration und pH Wert. Die IGF-I Integrität wurde im Histidin Puffer über 4 Monate bei Raumtemperatur aufrechterhalten. Allerdings wurde bei Verwendung eines Acetat Puffers pH 4.5, Oxidation am Methionin 59 (Met(o)) sowie die Entstehung von reduzierbaren Dimeren und Trimeren beobachtet. Starke Aggregation führte zum vollständigen Verlust der IGF-I Bioaktivität, während die Wirkung in Proben aufrechterhalten werden konnte, in denen eine geringe Aggregation, aber deutliche Oxidation festgestellt wurde. Nach der Verneblung der flüssigen IGF-I Formulierung im Histidin-Puffer pH 6.5 mit einem Druckluftvernebler und einem Schwingmembranvernebler wurde jeweils eine leichte Bildung von Met(o), aber keine Aggregatbildung ermittelt. Die Ergebnisse der IGF-I Verneblungsexperimente waren vergleichbar mit den Referenzwerten einer isotonischen Kochsalzlösung bezüglich der Abgabeleistung, dem massenbezogenen medianen aerodynamischen Durchmesser und dem Feinpartikel Anteil. Hierdurch wurde gezeigt, dass sich flüssige IGF-I Formulierungen zur pulmonalen Anwendung eignen. Im Kapitel III berichten wir von einer Weiterentwicklung zu festen IGF-I Formulierungen für die pulmonale Route unter Verwendung von Trehalose und Seidenfibroin als neues Trägermaterial für die pulmonale Applikation. Mikropartikel wurden durch Nanosprühtrocknung hergestellt und anschließend auf IGF-I Integrität, IGF-I Freisetzung und dem aerodynamischen Durchmesser untersucht. Die Kinetik des in vitro Transportes von IGF-I durch Calu-3 Lungenepithelzellen war vergleichbar zur Durchgängigkeit von Insulin, das bereits erfolgreich pulmonal verabreicht wurde. Dieser Erfolg wurden auch ex vivo in einem menschlichen Lungenlappen Model bestätigt. In der Arbeit wird somit gezeigt, dass IGF-I zur pulmonalen Anwendung geeignet ist und die Verwendung von Seidenfibroin eine nützliche Erweiterung zu den bisher eingesetzten Trägermaterialien darstellt. Das Kapitel IV konzentriert sich auf eine innovative Strategie, um IGF-I sicher und kontrollierbar zu verabreichen. In diesem Kapitel erweitern wir die Entwicklung zu neuartigen IGF-I Varianten. Wir streben damit an ein vielseitiges Biologikum zu entwickeln, dessen Eigenschaften durch chemische Reaktionen verändert werden können wie zum Beispiel die spezifische Verknüpfung mit Polymeren. Zu diesem Zweck erzeugten wir gentechnisch zwei IGF-I Varianten, die jeweils an zwei Positionen eine unnatürliche Aminosäure aufweisen und führten dadurch Alkine Gruppen in die Primärstruktur der Proteine ein. Diese Vorgehensweise ermöglicht es nun IGF-I mit anderen Molekülen positionsspezifisch zu verbinden wie zum Beispiel durch die kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (Click – Reaktion). In diesem Kapitel stellen wir hauptsächlich die zwei IGF-I Varianten vor, beschreiben ausführlich das Konzept der IGF-I Zustellung und erklären die Vorgehensweise zur Optimierung der Expressionsbedingungen der IGF-I Varianten. Abschließend lässt sich sagen, dass sich diese Arbeit über einfach flüssige Formulierungen zur Verneblung, feste Formulierung mit guten aerodynamischen Eigenschaften zur Erreichung der Alveolen und neuartig entwickelte IGF-I Varianten erstreckt. Hierzu werden drei Strategien zur modernen IGF-I Gabe thematisiert und sowohl die Möglichkeiten als auch die Grenzen der jeweiligen Therapie erörtert. Wir haben den Nachweis erbracht, dass ausreichend stabile und leicht herzustellende Formulierungen entwickelt werden können, die üblicherweise für „First-In-Man“ Studien benötigt werden. Interessanterweise stellten sich die festen Formulierungen, die eigentlich in den späteren Phasen der pharmazeutischen Entwicklung eingeführt werden, als sehr vielversprechend heraus. Durch den Einsatz von Seidenfibroin als neuen Träger zur pulmonalen Anwendung haben wir einen neuen Verwendungszweck für Seidenfibroin etabliert. Der erfolgreiche Versuch ex vivo am menschlichen Lungenlappen Model liefert die feste Überzeugung, dass es möglich ist, IGF-I im Menschen pulmonal anzuwenden. Letztendlich, beschreibt die Arbeit die Expression von zwei IGF-I Varianten, die zwei unnatürliche Aminosäuren aufweisen, um eine neuartige Strategie zur IGF-I Verabreichung umzusetzen. Dieser gentechnische Ansatz liefert die Grundlage für neue IGF-I Varianten. Idealerweise, wird das Biopharmazeutikum strukturell durch kovalent gebundene Reste verändert, um die pharmakokinetischen Eigenschaften zu steuern oder um zielgenaue Wirkstoffabgabe zu erreichen zum Beispiel in den sarkopenischen Muskeln. Ein Zukunftsszenarium wird im Abschnitt „Conclusion and Outlook“ diskutiert, in dem IGF-I mit einem Protease empfindlichen Linker versehen wird, der wiederum mit einem Polyethylenglykol (PEG) Polymer verknüpft ist. Der PEG Rest wird benötigt, um die Hablbwertszeit von IGF-I zu erhöhen. Einige Proteasen könnten als Stellvertreter für Sarkopenie dienen, so dass die Hochregulierung der Proteasen in gefährdeten Muskelgeweben zur Spaltung von IGF-I und dem PEG Rest führt. Dadurch wird IGF-I am Ursprung der Erkrankungen freigesetzt, während die systemischen Nebenwirkungen weitgehend vermindert sind.

The insulin-dependent uptake of glucose by adipose and muscle tissues is accomplished through the regulated vesicle trafficking of the GLUT4 glucose transporter to the plasma membrane. The distal trafficking events comprising the tethering, docking and fusion of GLUT4 vesicles with the plasma membrane are poorly defined, but represent vital steps in this pathway. This dissertation encompasses a series of complementary studies that have provided new insights into how these events are regulated in the adipocyte. The Sec1p homologue Munc18c, is believed to play a central role in the docking of GLUT4 vesicles by controlling SNARE complex assembly. Munc18c was shown to bind the t-SNARE Syntaxin4 and form a stable complex in vivo. Protein binding studies demonstrated that Munc18c interacts with Syntaxin4 via an evolutionarily conserved N-terminal binding mode and the formation of the Munc18c/Syntaxin4 hetero-dimer was shown to promote SNARE complex assembly. In contrast to previous reports, I propose that Munc18c is positive regulator of SNARE assembly and vesicle docking. The exocyst complex is thought to promote the tethering of exocytic GLUT4 vesicles with the plasma membrane. Yeast two-hybrid screens revealed interactions between the exocyst subunits Sec6 and Exo70 and the SNARE-associated proteins Munc18c and Snapin, respectively. Snapin was subsequently shown to have a novel role in GLUT4 trafficking. These interactions suggest Munc18c and Snapin provide a course for cross-talk between the exocyst complex and the SNAREs to stimulate GLUT4 vesicle tethering and docking. In addition to its interactions with Munc18c and Snapin, the exocyst was also found to interact with the GTP-bound form of RalA, a small GTPase regulated by insulin. RalA was almost exclusively localised to the plasma membrane of the adipocyte and a novel role for the RalA/exocyst interaction in GLUT4 trafficking was demonstrated. Specifically, overexpression of a GTP-deficient RalA mutant significantly inhibited insulin-stimulated GLUT4 appearance on the plasma membrane. In addition to its role in GLUT4 trafficking, a novel role for RalA was demonstrated in insulin release from pancreatic -cells, indicating that RalA may represent a universal component of regulated exocytosis. It is becoming increasingly apparent that vesicle trafficking events from yeast to mammals rely on similar protein complexes which communicate through multiple protein interactions, ensuring vesicle transport is highly coupled. Similarly, the Munc18c studies demonstrate that while mammalian cells have evolved to fulfil specialised functions throughout the body, some proteins appear to have retained the biochemical properties of their ancestors, emphasing the importance of this family of proteins throughout eukaryotic vesicle transport. In contrast, proteins such as RalA have evolved only in higher eukaryotes and appear to play a universal role in vesicle transport despite vast differences in the specialised functioning of mammalian cells.

Includes bibliographical references (leaves 291-311)

Obesity and type 2 diabetes are the most prevalent metabolic diseases affecting over 50% of people in the western world. Although the pathogenesis of type 2 diabetes is not fully understood, growing evidence links this disease to a state of chronic inflammation, which occurs in metabolically active tissue such as the liver, adipose tissue and skeletal muscle and results in the secretion of inflammatory cytokines, of which interleukin-6 (IL-6) is one. It is generally accepted that elevations in the plasma and/or tissue of this family of cytokines have a negative effect on whole body glucose homeostasis. While there is compelling evidence for the negative effects of resistin and TNF-á on insulin sensitivity, the role of IL-6 in the etiology of insulin resistance is not fully understood. The notion of negative effects of IL-6 in metabolic processes is further confounded by the marked elevations of IL-6 which occur in conjunction with the beneficial activity of exercise. We firstly sought to examine the effect of the lipolytic hormone adrenaline on IL-6 expression and release in order to establish whether IL-6 acts independently of adrenaline in the regulation of fat metabolism. Reporting the absence of an effect of adrenaline on IL-6, we then investigated the role of IL-6 on metabolic processes in humans at rest and during exercise in circumstances where lipolysis was inhibited. Marked increases in IL-6 circulating protein and tissue gene expression were observed with exercise and further so with fatty acid suppression. In a mouse model of IL-6 depletion marked insulin sensitivity was observed, which was reversed with IL-6 treatment. In a mouse model with normal endogenous IL-6 levels IL-6 treatment also impaired glucose tolerance. Contrastingly, in a rat model both chronic and acute IL-6 treatment improved glucose tolerance In summary, studies from this thesis suggest that, rather than being causally related to insulin resistance, the cytokine IL-6 increases lipolysis, fat oxidation, and glucose metabolism in insulin sensitive tissues in humans. This does not appear to be the case in the mouse, where contrasting actions are observed, perhaps due to differences in the reliance of various parameters for metabolic processes between the species.