Das polyzystische Ovarsyndrom (PCOS) mit einer Prävalenz von 5 % – 10 % ist eine der häufigsten Endokrinopathien bei Frauen vor der Menopause. Wie bisher vermutet, handelt es sich bei PCOS um ein sogenanntes multifaktorielles Krankheitsgeschehen. Einzelne Manifestationen des Metabolischen Syndroms (MetS), wie Hyperandrogenämie, Insulinresistenz (IR) und damit verbundene Hyperinsulinämie, Dyslipidämie und ein erhöhter CRP-Spiegel, werden bereits als Risikofaktoren für Typ 2 Diabetes mellitus (DM-II) und kardiovaskulären Krankheiten (KVK) bei den Patientinnen mit PCOS verwendet. Die Konzentrationen von Leptin und Adiponektin könnten nützliche und zuverlässige Marker für das Ausmaß der metabolischen Störung bei PCOS-Patientinnen sein. In zahlreichen Studien wurde davon berichtet, dass eine additive Gabe von Metformin die IR und andere Surrogat-Parameter des MetS in gleicher Weise bei adipösen und normalgewichtigen Probandinnen verbessert. In dieser Studie wurde der Insulin-Spiegel im Rahmen eines oralen Glukose-Toleranz-Test bei der Erstdiagnose und ca. ein bis eineinhalb Jahren nach der Metformintherapie bestimmt. Die Nüchtern-Insulinwerte der Vor-Therapie-Gruppe sind im Vergleich zur Nach-Therapie-Gruppe bei 75 % der Teilnehmerinnen signifikant aus dem hyperinsulinämischen Bereich in den normoinsulinämischen Bereich abgesunken (29.7 ± 6.7 µU/ml bzw. 13.7 ± 2.7 µU/ml, P = 0.045). Vergleichbar signifikant haben sich die Werte nach ein und zwei Stunden verbessert (154.5 ± 13.6 µU/ml vs. 96.2 ± 13.9 µU/ml, P = 0.0096 bzw. 128.0 ± 19.0 µU/ml vs. 59.2 ± 13.3 µU/ml, P = 0,0104). Konsistent damit senkte sich der HOMA-Index (5.9 ± 1.4 vs. 2.8 ± 1.6, P = 0,521). Die Leptin-Konzentration sank um 50 % (39.9 ± 9.7 vs. 20.3 ± 2.9 ng/ml, P = 0.0737 bzw. (mittlere Insulinspiegel nüchtern) 29.7 ± 6.7 µU/ml vs. 13.7 ± 2.7 µU/ml, P = 0,045), und die Adiponektin-Konzentration der Nach-Therapie-Gruppe im Vergleich zur Vor-Therapie-Gruppe stieg deutlich an (5.34 ± 0.6 vs. 6.35 ± 0.8 ug/ml, P = 0.4666, ns). Somit sind die Plasmaspiegel von Leptin und Adiponektin günstige Marker zur Risikoabschätzung und Diagnostik eines PCOS, zweitens eine metabolische Frühdiagnostik, und eine frühere Erwägung und Anwendung einer Strategie zur Senkung der Insulinresistenz sind aus präventiver Sicht ratsam.

Apelin ist ein Adipokin, das Einfluß auf die Glukosehomöostase hat und vermutlich eine wichtige Rolle in der Regulation von Adipositas und den damit assoziierten Erkrankungen einnimmt. Die Effekte von Apelin scheinen metabolisch günstig zu sein. In dieser Arbeit wurden zunächst Apelin-Serumkonzentrationen und metabolische Parameter bei 740 Studienteilnehmern bestimmt und in einer Querschnittsstudie (n=629) sowie in drei Interventionsstudien (n=111) dargestellt. In einer Subgruppe (n=161) wurde die mRNA-Expression von Apelin und dessen Rezeptor APJ im viszeralen und subkutanen Fettgewebe bei Patienten mit Typ-2-Diabetes genauer untersucht. Im Rahmen der Interventionsstuden wurde der Einfluß von 12 Wochen körperlichem Training (n=60), 6 Monaten hypokalorischer Mischkost (n=19) und bariatrischer Chirurgie (n=32) auf den Serum-Apelinspiegel sowie Zusammenhänge mit Gewichtsreduktion, verbesserter Insulinsensitivität und subklinischer Inflammation analysiert. Die höchsten Apelin-Serumkonzentrationen fanden sich beim adipösen Typ-2-Diabetiker. Die Apelin-Serumkonzentration korrelierte aber auch unabhängig vom Bodymassindex signifikant mit Parametern für Insulinresistenz und subklinischer Inflammation. Die Apelin-Expression war in den unterschiedlichen Fettgewebsdepots bei normal glukosetoleranten Patienten gleich, beim Typ-2-Diabetiker mit insgesamt höherer Expression überwog sie im viszeralen Fettgewebe. Nach allen Interventionsstudien kam es zur Abnahme der Apelin-Serumkonzentration und korrelierte auch dann signifikant mit einer verbesserten Insulinsensitivität, wenn es zu keiner Gewichtsreduktion kam. Die Apelinkonzentration im Serum sowie die Expression im Fettgewebe ist nicht nur vom Bodymassindex abhängig, sondern steht im direkten Zusammenhang mit Insulinsensitivität und inflammatorischen Prozessen. Die unterschiedliche fettdepotspezifische Regulation unterstreicht die pathogenetische Bedeutung eines „kranken“ viszeralen Fettgewebes in der Entwicklung von Typ-2-Diabetes, wobei Apelin als metabolisch günstiges Adipokin vermutlich eine kompensatorische Rolle einnimmt.

Adipokine sind Proteine, die aus dem Fettgewebe freigesetzt werden. Viele dieser Fettzell-sezernierten Proteine sind bei Adipositas dysreguliert und beeinflussen das Risiko für kardiometabolische Folgeerkrankungen. Die vorliegende Arbeit untersucht daher im Speziellen die neuartigen Adipokine Angiopoietin-like protein 8/Betatrophin, Irisin, Progranulin, Adipocyte fatty acid-binding protein (AFABP) und Fibroblast growth factor 21 (FGF21) als potentiellen Link zwischen dem Fettgewebe sowie den kardiometabolischen Erkrankungen Niereninsuffizienz und Gestationsdiabetes (GDM). Die Grundlage der vorliegenden Arbeit bilden humane Studien in Patienten mit chronischer und akuter Niereninsuffizienz sowie in Patientinnen mit GDM. Zudem wurden einzelne Ergebnisse der humanen Studien in einer großen Kohortenstudie mit >1000 Probanden verifiziert. Des Weiteren wurden einzelne Adipokine in tierexperimentellen Studien genauer untersucht, um kausale Assoziationen zu detektieren. Hierdurch gelang es, bestimmte Regulationsmuster von Adipokinen in den kardiometabolischen Erkrankungen Niereninsuffizienz und GDM zu erkennen, um so mögliche pharmakologische Targets zu identifizieren. Bei Frauen mit GDM könnte insbesondere Angiopoietin-like protein 8/Betatrophin in Zukunft als pharmakologisches Target in Betracht kommen. Andere Adipokine zeigen jedoch bei GDM unterschiedliche Regulationen im Vergleich zu Diabetes mellitus Typ 2. Hier müssen zunächst weitere Untersuchungen die exakten Pathomechanismen für diese divergierenden Ergebnisse identifizieren. In den Studien zu chronischer und akuter Niereninsuffizienz konnte gezeigt werden, dass insbesondere die Adipokine Progranulin, AFABP und FGF21 direkt mit der Nierenfunktion assoziiert sind. Andere Adipokine wie z.B. Angiopoietin-like protein 8/Betatrophin scheinen nicht renal eliminiert zu werden. Basierend auf diesen Ergebnissen muss nun untersucht werden, ob bestimmte Adipokine eine kausale Rolle in der Entwicklung und Progression einer Niereninsuffizienz spielen. Zusammenfassend wurden somit verschiedene Adipokine in kardiometabolischen Risikoerkrankungen charakterisiert. Es konnten mögliche zukünftige pharmakologische Targets für die Behandlung von Niereninsuffizienz sowie für die bei GDM zugrundeliegende Insulinresistenz identifiziert werden.:1. Einleitung 1.1 Adipokine 1.2 Adipokine sind dysreguliert bei Adipositas 1.3 Adipokine bei kardiovaskulären Erkrankungen, Diabetes mellitus und chronischer Niereninsuffizienz 1.4 Definition der Krankheitsentitäten Niereninsuffizienz und Gestationsdiabetes als kardiometabolische Risikoerkrankungen 1.4.1 Chronische Niereninsuffizienz 1.4.2 Akute Niereninsuffizienz 1.4.3 Gestationsdiabetes 1.5 Hypothese 2. Methoden 2.1 Humane Studien 2.1.1 Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz 2.1.2 Patienten mit akuter Niereninsuffizienz 2.1.3 Patientinnen mit Gestationsdiabetes 2.1.4 Humane Querschnittsstudien 2.2 Tierexperimentelle Studien 2.2.1 Tiere mit akuter Niereninsuffizienz: nephrektomierte Sprague Dawley-Ratten 2.2.2 Tiere mit chronischer Niereninsuffizienz: eNOS-/- C57BLKS db/db-Mäuse 2.3 Charakterisierung und Assays 2.4 Statistik 3. Resultate 3.1 Angptl8/Betatrophin 3.2 Irisin 3.3 Progranulin 3.4 AFABP 3.5 FGF21 4. Diskussion und Ausblick 5. Anlagen 5.1 Anlage 1: Erklärungen zur vorgelegten Habilitationsschrift 5.2 Anlage 2: Lebenslauf 5.3 Anlage 3: Publikationsverzeichnis 5.4 Anlage 4: Danksagung 5.5 Anlage 5: Referenzen

Zusammenfassend erweitert die vorliegende Arbeit die bisherigen Befunde, dass Adipositas mit einer verminderten Glutathionperoxidase 3 (GPX3)-Expression im Fettgewebe in Verbindung steht, indem sie zeigt, dass ein signifikanter Gewichtsverlust nach einer bariatrischen Operation die GPX3-Expression im subkutanen Fettgewebe signifikant erhöhen kann. Darüber hinaus legen die Daten von Patienten der vorliegenden Studie mit insulinsensitiver Fettleibigkeit nahe, dass die GPX3-Expression im Fettgewebe durch andere Faktoren als die erhöhte Fettmasse reguliert wird. Die Humanstudie unterstützt Daten aus einem Ratenmodell für Adipositas, wonach die GPX3-Expression im Fettgewebe nicht signifikant zu einer veränderten zirkulierenden GPX3-Konzentration beiträgt. Die erhobenen Daten zeigen, dass eine Fehlregulation von GPX3 mit Adipositas, Fettverteilung und Ganzkörperinsulinresistenz zusammenhängt. Sie lassen jedoch keine Rückschlüsse darauf zu, ob die GPX3-Expression im Fettgewebe die FG-Funktionsstörung bei Adipositas und insulinresistenten Zuständen lediglich widerspiegeln oder dazu ursächlich beitragen.

Obesity is a major health concern that is accompanied by a high risk for several disorders such as type 2 diabetes, cardiovascular disease and certain forms of cancer (Stevens et al., 2012; Lahey and Khan, 2018). Since the prevalence of obesity has nearly tripled within the last 45 years and is still on the rise (WHO, 2018), it is imperative to understand mechanisms that might underlie the emergence and maintenance of obesity to develop new prevention- and intervention strategies. The high availability of energy-rich food is one of the main contributing factors for the increasing prevalence of obesity. Hence, the mechanisms underlying eating without physiological needs come into focus. In that regard, the olfactory system plays a major role: it is equally involved in homeostatic signaling of hunger and hedonic eating (Palouzier-Paulignan et al., 2012). Given that the sense of smell is altered in obesity (for an overview see Peng et al., 2019), the overall goal of this thesis is to contribute to further understanding of the mechanisms that might underlie this phenomenon. It has been previously shown that people with obesity evaluate food odors as more pleasant (Stafford and Whittle, 2015) and show higher reactivity towards them (Proserpio et al., 2019), however, they persistently have lower olfactory function. This low function is most evident in olfactory sensitivity, i.e. picking up odors from the environment, and is therefore related to appetite and food search. Odor sensitivity evaluation is usually a lengthy procedure and is standardly performed with non-food odors. However, Stafford and Whittle (2015), revealed a different result for sensitivity to food odors: obese outperformed normal-weight participants for chocolate odor. Strikingly, further scrutiny reveals that metabolic and endocrine health factors could provide a possible explanation for divergent results of olfactory sensitivity to food and non-food odors in obesity: whereas the chocolate-study included only class 1 obese participants (BMI 30-35 kg/m2), all other studies included class 2-3 obese participants (BMI > 35 kg/m2). It is likely that obese class 2-3 participants are more affected by hormonal changes, such as higher insulin resistance and higher leptin levels than their less obese counterparts. On a recent note, it has been shown that the olfactory and endocrine systems are closely linked (Palouzier-Paulignan et al., 2012). As such there are many receptors for hunger-related hormones located in brain structures that are highly relevant for odor processing as well as for the regulation of homeostatic needs (Baly et al., 2007; Lacroix et al., 2008; Henkin, 2010). Especially, the olfactory bulbs, where olfactory information is firstly processed in the brain, have a high density of insulin and leptin receptors (Baskin et al., 1983; Thanarajah et al., 2019; Havrankova et al., 1981; Marks et al., 1990). Further, animal studies have reliably demonstrated that obesity leads to structural and functional changes in the olfactory system (Thiebaud et al., 2014; Fadool et al.2011; Riviére et al., 2016). However, brain anatomical changes in the olfactory system of humans have not been studied yet. To conclude, we firstly aimed to develop an olfactory test that is easy to administer and of short duration to apply in a complex research design, because available tests are time consuming and highly variable in duration (10-25 min). Secondly, in order to elucidate the potential link between olfactory impairments in obesity and metabolic health factors, we investigated food and non-food odor sensitivity in a wide body weight range and related it to metabolic and endocrine factors such as insulin resistance. Third, we aimed to investigate the possible relationship between obesity and brain anatomical changes in the olfactory bulbs. Study 1: In our first study, we measured olfactory sensitivity in a within-subject repeated-measures design in 20 young and healthy participants. Using the odor detection threshold subtest from the “Sniffin’ Sticks” test battery, we applied three different presentation methods: (1) gold standard, (2) shorter single staircase method and (3) ascending procedure. Compared to the gold-standard, the shorter single staircase procedure was 26% and the ascending procedure was 51% shorter in duration. Both short procedure thresholds correlated highly with the gold standard threshold. All three tests showed similar test-retest reliability. To conclude, we have developed a test that takes on average 5-7 minutes less time and is as reliable as the gold standard. Study 2: Within the second study, we focused on metabolic health parameters that might explain the relationship between odor sensitivity and obesity. We investigated food and non-food odor sensitivity in the hungry and sated state in 75 young healthy participants with normal weight, overweight and obesity in a within-subject, repeated-measures design. We assessed metabolic health status with BMI, WHR, pre- and postprandial levels of insulin, leptin, glucose, and ghrelin. We showed that odor sensitivity did not directly depend on body weight status or BMI. However, we found a strong negative mediating effect of insulin resistance as assessed by HOMA-IR score on the relationship between BMI and olfactory sensitivity for the food odor. Post-hoc regression models revealed that insulin resistance rather than obesity is responsible for this effect. To conclude, our findings indicate a strong negative association between insulin resistance and sensitivity to food odors. Study 3: In the third study, we examined neuroanatomical correlates of smell perception in obesity and its relationship with metabolic health factors. Olfactory bulb volume was assessed with magnetic resonance imaging in 67 healthy normal weight, overweight and obese participants. To examine recently proposed mechanistic explanatory models of altered smell perception in obesity, we collected parameters that are associated with metabolic health in obesity, such as insulin resistance, leptin, body fat percentage and fat mass index. We showed that in our sample, people with obesity had significantly lower olfactory bulb volume when compared to people with normal weight. Further, we found that olfactory bulb volume was negatively associated with other measures of metabolic health, especially insulin resistance, leptin, and body fat percentage. Our results imply that, similar to other diseases such as depression and Parkinson’s disease, obesity also involves a neuroanatomical change in the olfactory bulbs compared to healthy participants with normal weight. Hence, our study provides first indications that obesity is associated with brain anatomical changes in the olfactory bulbs. Conclusion The overall aim of this thesis was to shed light on the complex relationship between obesity and olfaction. Study 1 provides two easy-to-use odor threshold test procedures for clinical use or for complex research designs with limited time frames. Importantly, this thesis emphasizes the major role of metabolic health status and especially insulin resistance in the altered smell perception in obesity. Most notably, poor metabolic health mediates the relationship between obesity and olfactory sensitivity (study 2). Metabolic health parameters rather than obesity per se might be responsible for low olfactory function and should be further scrutinized in future studies. In particular, a group-design with elevated vs. normal HOMA-IR participants instead of BMI groups could provide more insights. Intriguingly, a high BMI and related metabolic health factors, such as high insulin resistance and high body fat percentage are associated with neuroanatomical changes in the olfactory system, i.e., lower olfactory bulb volume (study 3). These findings contribute to a further understanding of explanatory models introduced by Peng et al. (2019). In accordance with this metabolic and hormonal model our results support the theoretical framework that metabolic and hormonal shifts in obesity might be crucial for changes in olfactory perception. Thereby, these results provide a deeper understanding of the pathophysiological mechanisms underlying altered olfactory function in obesity. Subsequently, olfaction might represent a new target for prevention or therapy.:LIST OF ABBREVIATIONS I LIST OF FIGURES II LIST OF TABLES III I. INTRODUCTION 1 1. THE OBESITY PANDEMIC 1 2. HORMONES INVOLVED IN OBESITY AND OLFACTION 4 2.1 HORMONES IN THE REGULATION OF EATING BEHAVIOR AND OBESITY 4 2.2 HORMONES IN THE CONTEXT OF SMELL PERCEPTION 7 3. THE OLFACTORY SYSTEM 9 3.1 ANATOMY AND PHYSIOLOGY 9 3.2 MEASURING SMELL ABILITY: THREE DIMENSIONS OF OLFACTORY FUNCTION 13 3.3 THE ROLE OF OLFACTION IN THE CONTROL OF EATING BEHAVIOR 14 3.4 SMELL PERCEPTION IN OBESITY 15 4. THE LINK: WHY TARGET THE OLFACTORY SYSTEM IN OBESITY? 19 II. RATIONALE OF THE EXPERIMENTAL WORK 20 III. EXPERIMENTAL WORK 21 STUDY 1: SHORT PROCEDURE TO ASSESS ODOR DETECTION THRESHOLDS 21 STUDY 2: ODOR SENSITIVITY FOR FOOD AND NON-FOOD ODORS IN OBESITY 30 STUDY 3: BRAIN ANATOMICAL CORRELATES OF SMELL PERCEPTION IN OBESITY 47 IV. SUMMARY 60 V. REFERENCES 65 VI. APPENDIX 75 A. DECLARATION OF AUTHENTICITY 75 B. AUTHOR CONTRIBUTIONS 76 C. CURRICULUM VITAE 80 D. ACKNOWLEDGEMENTS 83

Dem Spurenelement Chrom wird seit mehreren Jahrzehnten eine maßgebliche Funktion im Glucosestoffwechsel zugeschrieben. In der vorliegenden placebokontrollierten Studie wurden die Effekte einer Chromhefezulage bei insulinresistenten Ponies und Pferden untersucht. Aus dem Patientenklientel der Pferdeklinik an der Rennbahn wurden mittels eines Stärketoleranztest 27 Ponies und Pferde ausgewählt, welche einen veränderten Glucosestoffwechsel aufwiesen. Die Versuchsprobanden waren 13,9 ± 4,8 Jahre alt, wiesen eine mittlere Körpermasse von 422 ± 138 kg und einen mittleren Body Condition Score von 7,6 ± 0,8 (Skala 1-9) auf. Die 27 Ponies und Pferde wurden nach dem Zufallsprinzip in 2 Gruppen unterteilt. Die Chromgruppe (N=15) erhielt über einen Zeitraum von 28 ± 7 Tagen eine Chromhefezulage in einer täglichen Dosierung von 25 μg/kg KM, die Placebogruppe (N=12) erhielt eine Hefezulage ohne Chrom in derselben Hefemenge wie die Chromgruppe. Während des Versuchszeitraumes wurden alle Probanden mit Heu 1,5 kg /100 kg KM gefüttert. Zu Beginn und am Ende des Versuchszeitraumes wurde jeweils ein Stärketoleranztest (1,5 g Stärke/kg KM) über eine Dauer von 420 min durchgeführt. Die Blutproben wurden postprandial in definierten Intervallen entnommen. In beiden Gruppen konnte ein deutlicher Gewichtsverlust über die vierwöchige Versuchszeit beobachtet werden. Dabei wurde ein signifikanter Gewichtsverlust bei der chromsupplementierten Gruppe von 3,8 ± 4,3 % (p < 0,05) und ein ebenfalls signifikanter Gewichtsverlust bei der Placebogruppe von 2,1 ± 3,2 % (p < 0,05) verzeichnet. Unterschiede zwischen den Behandlungsgruppen konnten aber nicht mit p < 0,05 abgesichert werden. Die Ruheglucosekonzentrationen bewegten sich bei den chromsupplementierten Tieren im Mittel bei 6,3 ± 2,1 mmol/l, die placebosupplementierte Gruppe wies mittlere Werte von 5,5 ± 0,9 mmol/l auf. Nach der Behandlung konnten Ruheglucosekonzentrationen von 6,0 ± 2,0 mmol/l für die chromsupplementierten Tiere und Ruheglucosekonzentrationen von 5,6 ± 0,5 mmol/l für die placebosupplementierten Probanden gemessen werden. Die Nüchterninsulinkonzentrationen im Plasma lagen vor der Supplementierung bei 63,7 ± 81,9 μU/ml für die Chromgruppe und bei 42,9 ± 47,8 μU/ml für die Placebogruppe. Nach der Behandlung konnten Nüchterinsulinkonzentrationen bei den chromsupplementierten Pferden und Ponies von 33,2 ± 35,7 μU/ml sowie bei den placebosupplementierten Tieren von 14,4 ± 8,7 μU/ml verzeichnet werden. Diese Veränderung der Nüchterninsulinwerte innerhalb der beiden Behandlungsgruppen war jedoch nicht signifikant. Beim 1. Stärketoleranztest erreichte die Chromgruppe eine mittlere maximale Plasmaglucosekonzentration von 12,4 ± 2,6 mmol/l mit Einzelwerten bis zu 19,3 mmol/l, die Placebogruppe wies eine mittlere maximale Plasmaglucosekonzentration von 11,8 ± 2,0 mmol/l mit Einzelwerten bis 16,3 mmol/l auf. Die Plasmainsulinkonzentrationen stiegen im 1. Stärketoleranztest bei der Chromgruppe auf mittlere maximale Werte von 1902 ± 1393 μU /ml sowie in der Placebogruppe auf 1158 ± 753 μU/ml. Im 2. Stärketoleranztest erreichte die Chromgruppe eine mittlere maximale Plasmaglucosekonzentration von 11,0 ± 3,0 mmol/l und die Placebogruppe wies eine mittlere maximale Plasmaglucosekonzentration von 10,7 ± 2,6 mmol/l auf (Behandlung und Zeit: nicht signifikant). Die Plasmainsulinkonzentrationen der Chromgruppe stiegen im 2. Stärketoleranztest auf mittlere maximale Plasamainsulinkonzentrationen von 1277 ± 856 μU/ml, für die placebosupplementierte Gruppe wurden mittlere Maximalwerte von 883 ± 725 μU/ml ermittelt; diese Unterschiede waren jedoch nicht signifikant. Der beobachtete Körpergewichtsverlust scheint für beide Gruppen von Bedeutung für die Verbesserung der Insulinresistenz zu sein. Nach der vierwöchigen Supplementierungsphase konnte allerdings bei den Tieren die Cr erhielten, eine deutlichere Reduktion bei der Insulinreaktion im Verlaufe des 2. STT beobachtet werden, wohingegen die Placebopferde nur eine moderate Veränderung in der Insulinreaktion aufwiesen.:Inhaltsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abkürzungen 1 Einleitung 1 2 Schrifttum 2 2.1 Definition des Equinen Metabolischen Syndroms 2 2.2 Vorkommen und klinisches Erscheinungsbild des EMS 2 2.3 Pathogenese des equinen metabolischen Syndroms in Anlehnung an das metabolische Syndrom beim Menschen 4 2.3.1 Insulinresistenz 4 2.3.2 Ursachen der Insulinresistenz auf zellulärer Ebene 5 2.4 Folgen der Insulinresistenz für den Organismus 12 2.4.1 Glucotoxizität 13 2.4.2 Insulintoxizität 14 2.5 Risikofaktoren für die Entstehung von EMS 16 2.5.1 Bewegungsmangel 16 2.5.2 Quantität der Energiezufuhr 16 2.5.3 Qualität der Energiezufuhr 17 2.6 Einsatz von Chrom zur Behandlung des metabolischen Syndroms 18 2.6.1 Wertigkeit 18 2.6.2 Chrom, Absorption und Transport 19 2.6.3 Serumgehalt und Organspeicherung 19 2.6.4 Bindung von Chrom an den Insulinrezeptor 20 2.6.5 Chromausscheidung 20 2.6.6 Weitere Chromverluste 20 2.6.7 Toxizität 20 2.6.8 Chromgehalt in Futtermitteln 21 2.6.9 Biologische Wirksamkeit 21 2.6.10 Chrombedarf 23 2.6.11 Studien über die Wirkung von Chrom im Organismus bei Mensch und Pferd 23 3 Tiere, Material und Methoden 27 3.1 Versuchsziel 27 3.2 Versuchsübersicht 27 3.3 Vorversuch 27 3.3.1 Durchführung Vorversuch 27 3.4 Hauptversuch 29 3.4.1 Pferde / Ponies 29 3.4.2 Haltung der Pferde und Ponies 29 3.4.3 Fütterung der Versuchspferde und -ponies 29 3.4.4 Chromsupplementation 31 3.4.5 Stärketoleranztest 32 4 Untersuchungsmethoden 33 4.1 Körpergewicht vor und nach Supplementierung 33 4.2 Erhebung des BCS HENNEKE et al. (1983) 33 4.3 Untersuchungsmethoden der Blutproben im Vorversuch 33 4.4 Untersuchungsmethode zur Glucosebestimmung im Hauptversuch 34 4.5 Untersuchungsmethode zur Bestimmung von Insulin im Hauptversuch 35 4.6 Statistische Auswertung 35 5 Ergebnisse 36 5.1 Vorversuch 36 5.1.1 Glucosekonzentration im Plasma 36 5.2 Hauptversuch 38 5.2.1 Körpergewichtsentwicklung 38 5.2.2 Body Condition Score (BCS) 38 5.2.3 Glucosekonzentration im Plasma vor Behandlungsbeginn 39 5.2.4 Glucosekonzentration im Plasma nach Behandlungsende 40 5.2.5 Insulinkonzentration im Plasma vor Behandlungsbeginn 42 5.2.6 Insulinkonzentration im Plasma nach Behandlungsende 44 5.2.7 Beziehung zwischen Plasmaglucosekonzentration und Plasmainsulinkonzentration 47 5.2.8 Beziehung zwischen den Veränderungen der Plasmaglucosekonzentration bzw. Plasmainsulinkonzentration und den Veränderungen in der KM 49 5.3 Zusammenfassung der Ergebnisse 51 6 Diskussion 52 6.1 Kritik der Methoden 52 6.1.1 Auswahl der Versuchstiere 52 6.1.2 Haltung und Fütterung 52 6.1.3 Auswahl der Chromhefe und Dosierung 53 6.1.4 Supplementationsdauer 54 6.1.5 Rechtsgrundlage 55 6.1.6 Stärkedosierung im Stärketoleranztest 57 6.1.7 Durchführung des Stärketoleranztest 57 6.1.8 Diagnostik der Insulinresistenz 58 6.1.9 KM - Entwicklung 60 6.2 Nüchternwerte von Glucose und Insulin beim Pferd und ihre Bedeutung beim equinen metabolischen Syndrom 63 6.3 Veränderungen im Glucosestoffwechsel- und Insulinreaktion vor und nach Chromsupplementation 65 7 Schlussfolgerung 70 8 Zusammenfassung 71 9 Summary 73 10 Literaturverzeichnis 75 11 Anhang 96 Danke

Die subklinische Klauenrehe ist eine weltweit vorkommende, multifaktorielle und bei Rindern vor allem nach der Abkalbung gehäuft auftretende Erkrankung. Als prädisponierender Faktor für weitere, z. T. sehr schmerzhafte Klauenerkrankungen wie Sohlengeschwüre oder White-Line-Disease besitzt sie nicht nur eine hohe tierschutzrelevante, sondern auch eine große wirtschaftliche Bedeutung. Die Ätiologie und Pathogenese der Klauenrehe sind bis heute nicht hinreichend geklärt. In neuerer Zeit konzentrieren sich die Forschungen auf den peripartalen Zeitraum und den damit verbundenen metabolischen und hormonellen Einflüssen auf das Klauengewebe. In dieser Arbeit wird der Frage nachgegangen, inwieweit eine erhöhte Fettmobilisation bei Kühen in der negativen Energiebilanz nach der Abkalbung sowie eine verstärkte Lipolyse bei antepartal verfetteten Kühen zur Entstehung der subklinischen Klauenrehe beitragen. Gleichzeitig soll die Frage beantwortet werden, welche Rolle die postpartale Insulinresistenz und die dadurch verminderte Glucoseaufnahme ins periphere Gewebe bei der Ausbildung der subklinischen Klauenrehe spielen. Außerdem soll untersucht werden, inwiefern sich systemische Einflüsse auf die verstärkte Ausbildung der Sohlenhämorrhagien nach der Abkalbung nachweisen lassen und ob diese anhand ausgewählter Blutparameter vorhersehbar sind. Für die Untersuchung wurden 30 primi- und 44 multipare Milchkühe aus drei Betrieben mit Laufstallhaltung ausgewählt. Die Sohlenflächen aller acht Hauptklauen eines Tieres wurden nach funktionellem Klauenschnitt 1 Woche und 8 Wochen p.p. fotografiert, in fünf Zonen eingeteilt und anhand Anzahl, Größe und Schweregrad der sichtbaren Läsionen beurteilt. Zur weiteren Differenzierung wurden verschiedene Klauenscores gebildet. 2 - 3 Wochen vor der Abkalbung sowie 1 Woche, 4 und 8 Wochen p.p. wurden Blutproben entnommen und die Konzentrationen der Freien Fettsäuren (FFS), ß-Hydroxy-Butyrat (BHB), Glucose, Insulin und Haptoglobin bestimmt. Die IGF-1-Konzentration wurde zur weiteren Einschätzung der Energiebilanz bzw. Energieaufnahme und der Körperkondition gemessen. Die Insulinresistenz wurde anhand basaler Insulin- und Glucose-Konzentrationen bestimmt. Des Weiteren wurde vor und nach der Abkalbungdie Rückenfettdicke sonographisch gemessen und die peripartale Fettmobilisierung über die Rückenfettdickenänderung errechnet. Nahezu alle untersuchten Tiere (96 %) zeigten für die subklinische Klauenrehe typische Veränderungen. Bei über der Hälfte der Kühe waren 8 Wochen p.p. an allen vier Gliedmaßen Sohlenhämorrhagien vorhanden. Es konnten signifikante Korrelationen der Klauenscoreparameter sowohl zwischen den einzelnen Zonen als auch zwischen den Hinter- und Vordergliedmaßen gefunden werden. 8 Wochen p.p. war eine signifikante Verschlechterung der Klauengesundheit im Gegensatz zur ersten Woche p.p. zu verzeichnen. Da diese Hämorrhagien erst nach zwei Monaten an der Fußungsfläche sichtbar werden, sind die ursächlichen Veränderungen in der Lederhaut zum Zeitpunkt der Abkalbung entstanden. Dabei waren die lateralen Klauen der Hintergliedmaße an der Rusterholzstelle am stärksten betroffen. Ein Einfluss auf die Klauengesundheit durch die Fütterung, die Bodenbeschaffenheit der Haltungssysteme, altersbedingt sowie durch peripartale Erkrankungen konnte nicht gefunden werden. Ungefähr zwei Drittel der untersuchten Kühe hatten nach der Abkalbung eine negative Energiebilanz. Sie zeigten signifikant weniger Läsionen an den Sohlenflächen als Kühe mit positiver Energiebilanz. Eine übermäßige Rückenfettmobilisierung führte in diesen Untersuchungen nicht zu einer Verschlechterung der Klauengesundheit. Antepartal unterkonditionierte Tiere mit wenig Fettmobilisierung waren sogar stärker von Klauenläsionen betroffen als normal- oder überkonditionierte Kühe. Bei Tieren mit einem peripartalen Abfall der IGF-1-Konzentration waren signifikant mehr Veränderungen an der Sohlenfläche nachzuweisen. Die IGF-1-Konzentration korrelierte dabei aber, im Gegensatz zu vielen Angaben in der Literatur, hochsignifikant negativ mit der Energiebilanz und zeigte keinen Bezug zur RFD, so dass fraglich ist, ob dieser Parameter alleine überhaupt geeignet wäre, eine Aussage über die Energiebilanz oder die Ausbildung einer subklinischen Klauenrehe zu treffen. Bei insulinresistenten Kühen waren eine signifikante Erhöhung der Klauenläsionen sowie ein signifikanter Abfall der IGF-1-Konzentration zu verzeichnen. Die Bestimmung der Insulinresistenz anhand basaler Blutglucose- und Insulin-Konzentrationen bei Kühen nach der Abkalbung erwies sich jedoch als äußerst fragwürdig. Signifikante Korrelationen zwischen den Konzentrationen der einzelnen Blutparameter und den Klauenscoreparametern bestanden, bis auf die FFSKonzentration 2 - 3 Wochen a.p., ausschließlich 1 Woche p.p.. Allerdings blieben die Korrelationen insgesamt relativ niedrig. Die IGF-1-Konzentration korrelierte am häufigsten sowie am engsten, Insulin und Haptoglobin korrelierten zu keinem Zeitpunkt mit den Klauenscoreparametern. Es kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei den gefundenen Hämorrhagien an der Sohlenfläche um die Ausbildung einer subklinischen Klauenrehe aufgrund systemischer Einflüsse im peripartalen Zeitraum handelt. Eine negative Energiebilanz sowie die antepartale Verfettung der Milchkühe stellen nach den vorliegenden Untersuchungen keinen Risikofaktor dar. In dieser Arbeit konnte nicht bestätigt werden, dass Lipidmobilisation oder mangelnde Glucoseversorgung nach der Abkalbung eine Rolle bei der Entstehung der subklinischen Klauenrehe spielen.

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Das polyzystische Ovarsyndrom (PCOS) mit einer Prävalenz von 5 % – 10 % ist eine der häufigsten Endokrinopathien bei Frauen vor der Menopause. Wie bisher vermutet, handelt es sich bei PCOS um ein sogenanntes multifaktorielles Krankheitsgeschehen. Einzelne Manifestationen des Metabolischen Syndroms (MetS), wie Hyperandrogenämie, Insulinresistenz (IR) und damit verbundene Hyperinsulinämie, Dyslipidämie und ein erhöhter CRP-Spiegel, werden bereits als Risikofaktoren für Typ 2 Diabetes mellitus (DM-II) und kardiovaskulären Krankheiten (KVK) bei den Patientinnen mit PCOS verwendet. Die Konzentrationen von Leptin und Adiponektin könnten nützliche und zuverlässige Marker für das Ausmaß der metabolischen Störung bei PCOS-Patientinnen sein. In zahlreichen Studien wurde davon berichtet, dass eine additive Gabe von Metformin die IR und andere Surrogat-Parameter des MetS in gleicher Weise bei adipösen und normalgewichtigen Probandinnen verbessert. In dieser Studie wurde der Insulin-Spiegel im Rahmen eines oralen Glukose-Toleranz-Test bei der Erstdiagnose und ca. ein bis eineinhalb Jahren nach der Metformintherapie bestimmt. Die Nüchtern-Insulinwerte der Vor-Therapie-Gruppe sind im Vergleich zur Nach-Therapie-Gruppe bei 75 % der Teilnehmerinnen signifikant aus dem hyperinsulinämischen Bereich in den normoinsulinämischen Bereich abgesunken (29.7 ± 6.7 µU/ml bzw. 13.7 ± 2.7 µU/ml, P = 0.045). Vergleichbar signifikant haben sich die Werte nach ein und zwei Stunden verbessert (154.5 ± 13.6 µU/ml vs. 96.2 ± 13.9 µU/ml, P = 0.0096 bzw. 128.0 ± 19.0 µU/ml vs. 59.2 ± 13.3 µU/ml, P = 0,0104). Konsistent damit senkte sich der HOMA-Index (5.9 ± 1.4 vs. 2.8 ± 1.6, P = 0,521). Die Leptin-Konzentration sank um 50 % (39.9 ± 9.7 vs. 20.3 ± 2.9 ng/ml, P = 0.0737 bzw. (mittlere Insulinspiegel nüchtern) 29.7 ± 6.7 µU/ml vs. 13.7 ± 2.7 µU/ml, P = 0,045), und die Adiponektin-Konzentration der Nach-Therapie-Gruppe im Vergleich zur Vor-Therapie-Gruppe stieg deutlich an (5.34 ± 0.6 vs. 6.35 ± 0.8 ug/ml, P = 0.4666, ns). Somit sind die Plasmaspiegel von Leptin und Adiponektin günstige Marker zur Risikoabschätzung und Diagnostik eines PCOS, zweitens eine metabolische Frühdiagnostik, und eine frühere Erwägung und Anwendung einer Strategie zur Senkung der Insulinresistenz sind aus präventiver Sicht ratsam.

Zusammenfassung: Effekte der L-Carnitinsupplementierung auf das metabolische Profil adipöser und insulinre- sistenter Ponys im Verlaufe einer mehrwöchigen Körpergewichtsreduktion Author: Uta Schmengler Institut für Tierernährung, Ernährungsschäden und Diätetik, Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig Eingereicht im September 2012 76 S., 16 Abb., 23 Tab., 169 Lit., Anhang Einleitung: Das ”Equine Metabolische Syndrom” ist gekennzeichnet durch eine regionale oder generalisierte Adipositas, eine periphere Insulinresistenz sowie akute oder chronische Hufreheschübe. Die Ursache ist in einer bedarfsübersteigenden, hochkalorischen Fütterung und einem relativen Bewegungsmangel zu suchen, wobei auch der genetischen Prädisposition spezieller Rassen eine gewisse Bedeutung zukommt. Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Effekte einer L-Carnitinsupplementierung in Kombination mit einer restriktiven Füt- terung und täglicher moderater Bewegung auf Körpermasseverlust, Insulinsensitivität und ausgewählte Parameter des Energiestoffwechsels adipöser und insulinresistenter Ponys. Material und Methoden: Für die placebokontrollierte Doppelblindstudie wurden 16 adipöse Ponys per Losverfahren in zwei Gruppen (N=8) eingeteilt. Zu Versuchsbeginn wiesen die Ponys einen mittleren Body Condition Score von 8,0±2,0 (Skala 1-9) und einen mittleren Cresty Neck Score von 4,0±1,0 (Skala 0-5) auf. Während des 14-wöchigen Körpermassere- duktionsprogramms wurden die Ponys restriktiv gefüttert mit 1 - 1,2 kg Heu/100 kg KM/d. Zusätzlich erhielten 8 Ponys eine L-Carnitin-Zulage (1,3 g/100 kg KM/2d) und 8 Tiere ein Placebo in Form einer Kieselsäureverbindung (1,3 g/100 kg KM/ 2d). Die Ergänzungen wur- den in einem Gemisch aus Grünmehl (50 g/2d) und Mineralfutter verabreicht. Über die 14-wöchige Versuchszeit wurde ein Bewegungsprogramm an sechs Tagen in der Woche durch- geführt, das 25 Minuten Schritt und 15 Minuten Trab beinhaltete. Zu Versuchsbeginn und nach Versuchsende wurde mit beiden Versuchsgruppen ein Frequently sampled intravenous glucose tolerance test (FSIGTT) zur Überprüfung der Insulinsensitivität durchgeführt. Über die gesamte Versuchszeit wurden wöchentlich Blutproben gewonnen zur Bestimmung der ba- salen Serum-Insulinaktivität und Plasma-Glucosekonzentration sowie der Konzentration der Freien Fettsäuren (FFS), Triacylglyceride (TAG), Harnstoff und Betahydroxybutyrat (BHB) im Serum. Die Körpermasseverluste wurden über wöchentliche Wägungen sowie Ermittlung von BCS und CNS kontrolliert. Die statistische Überprüfung wurde anhand parametrischer (ANOVA) und nicht-parametrischer Tests (Wilcoxon signed rank test) durchgeführt, die Kal- kulation der Insulinsensitivität erfolgte über das Minimalmodell anhand eines Computerpro- gramms (MINMOD). Ergebnisse: Im Mittel verloren die Ponys über den Versuchszeitraum von 14 Wochen 1- 3% ihrer Körpermasse pro Woche (Zeit: p < 0, 01, Behandlung: p=0,79), was einem totalen Körpermasseverlust von 14,3±% entsprach. Der BCS reduzierte sich in beiden Versuchs- gruppen um eine Differenz von 3 Einheiten, der CNS verringerte sich in der Carnitingrup- pe (GC ) um eine Differenz von 1,4 und in der Placebogruppe (GP ) um eine Differenz von 1,9 Einheiten. Der Körpermasseverlust war von einer signifikanten Verbesserung der Insu- linsensitivität (Zeit p < 0, 01, Behandlung: p=0,39) begleitet. Die Kalkulation der Insulin- sensitivität im Minimalmodell zeigte eine signifikante Erhöhung der SI-Werte am Versuch- sende in beiden Versuchsgruppen (Beginn Studie GC : 0,76±0,88 l/min/μU*10−4 und GP : 1,61±1,31 l/min/μU*10−4 ; Ende Studie GC : 5,45±0,81 l/min/μU*10−4 und GP : 6,08±2,98 l/min/μU*10−4 ). Signifikante, zeitabhängige Veränderungen wurden auch für die metabo- lischen Parameter beobachtet: Plasma-Glucose und Serum-Insulin reagierten mit einem si- gnifikanten Abfall (Glucose GC : 4,5±0,32 mmol/l vs. 4,21±0,61 mmol/l und Glucose GP : 4,34±0,62 mmol/l vs. 3,86±0,34 mmol/l; Insulin GC : 23,71±32,77 μU/ml vs. 3,67±3,94 μU/ml und GP : 13,55±12,67 μU/ml vs. 1,01±1,09 μU/ml). Dabei kam es zu einem signi- fikanten Anstieg des Serum-Harnstoffs (GC : 3,47±0,73 mmol/l vs. 4,31±1,06 mmol/l und GP : 3,71±0,79 mmol/l vs. 4,9±1,23 mmol/l) sowie der Serum-FFS (GC : 157±95 μmol/l vs. 731±138 μmol/l und GP : 113±63 μmol/l vs. 686±142 μmol/l) und Serum-TAG (GC : 0,53±0,28 mmol/l vs. 0,94±0,61 mmol/l und GP : 0,45±0,23 mmol/l vs. 0,64±0,25 mmol/l). Bezüglich der L-Carnitinsupplementierung wurden keine weiteren Effekte verzeichnet. Schlussfolgerungen: Die restriktive Energiezufuhr von 7 MJ DE/100 kg KM entspre- chend einer Heuzulage von 1 kg/100 kg KM führte zu KM-Verlusten von 1-3 %. Eine Kör- permassereduktion zeigte deutliche Auswirkungen auf den Glucose- und Lipidmetabolismus und führte zu einer signifikanten Verbesserung der Insulinsensitivität, wohingegen die L- Carnitinsupplementierung keine weiteren Effekte auf den Glucosestoffwechsel herbeiführte. Eine bedarfsdeckende Eigensynthese von L-Carnitin ist beim Pony offensichtlich auch im Zu- stand der Insulinresistenz gewährleistet und reicht aus um die obligatorischen Funktionen L-Carnitins im Energiestoffwechsel zu erfüllen. / Summary: The effects of L-carnitine supplementation on body weight losses and metabolic profile in obese and insulin resistant ponies during a several weeks lasting bodyweight reduction pro- gramme Author: Uta Schmengler Institute of Animal Nutrition, Nutrition Diseases and Dietetics, Faculty of Veterinary Medi- cine, University of Leipzig Submitted in September 2012 76 p., 16 fig., 23 tab., 169 ref., appendix Introduction: Insulin resistance, local or general adiposity and the predisposition towards acute or chronical laminitis are components of the equine metabolic syndrome. Contributing factors for this syndrome are the intake and the quality of a high caloric feed by a lack of physical exersice. Howewer, the genetically predisposition of so called ”easy keepers” seems to play a role in pathogenesis. The objective of this study was to investigate the effects of L- carnitine supplementation in combination with a body weight reduction programme (BWRP) on body weight (BW) losses, insulin sensitivity and selected metabolic parameters in obese and insulin resistant ponies. Material und methods: 16 obese ponies (mean BCS = 8.0±2.0, mean CNS = 4.0±1.0) were assigned to a randomized double blind, placebo-controlled study. The ponies werde di- vided into two equal groups (N=8). During a 14 weeks lasting BWRP the ponies were fed 1.0-1.2 kg hay/100 kg BW daily. Additionally, 8 ponies were supplemented with L-carnitine (1.3g/100 kg BW) and 8 ponies were supplemented with a placebo (1.3g/100 kg BW). The supplements were offered in a mixture of 50 g grass meal and 50 g of a commercial mineral mixture, twice a day. During BWRP ponies were exercised a low-intensity protocol 6 days a week (daily 25 min walk and 15 min trot across the countryside). A frequently sampled intravenous glucose tolerance test (FSIGTT) was undertaken in order to assess insulin sen- sitivity at the beginning and the end of the study. Routine blood samples were collected for analysis of plasma glucose, serum insulin, free fatty acids (FFA), triglycerides (TG), urea and beta-hydroxybutyrate (BHB). Ponies were weighed weekly after 12 h of feed restriction by using an electronic scale for large animals. BCS and CNS were recorded weekly by the same 2 observers throughout the study. The statistical analysis was performed by parametric and non-parametric tests (ANOVA and Wilcoxon ranked test). The minimal modell calcu- lation of insulin sensitivity (SI) from FSIGTT was calculated by the computer programme (MINMOD). Results: Ponies lost 1-3% BW per week over the BWRP (time P<0.01, L-carnitine supple- mentation P=0.79), meaning a total body weight loss of 14.3%. BCS decreased in both groups with a difference of three points and CNS was reduced with a difference of 1.4-1.9 points. BW losses were accompanied by a significant improvement in insulin sensitivity (Time: P<0.01, L-carnitine supplementation: P=0.39). The calculation for SI-values by the minimalmodell showed a significant increase in L-carnitine group (GC ) and placebo group (GP ) in the end of the study. (GC : 0.76±0.88 L/min/μU*10−4 to 5.45±0.81 L/min/μU*10−4 , GP : 1.61±1.31 L/min/μU*10−4 to 6.08±2.98 L/min/μU*10−4 ). Significant time related decreases were observed for plasma glucose (GC : 4.5±0.32 mmol/L to 4.21±0.61 mmol/L, GP : 4.34±0.62 mmol/L to 3.86±0.34 mmol/L) and serum insulin (GC : 23.71±32.77 μU/mL to 3.67±3.94 μU/mL, GP : 13.55±12.67 μU/mL to 1.01±1.09 μU/mL). A significant increase was observed for serum urea (GC : 3.47±0.73 mmol/L to 4.31±1.06 mmol/L, GP : 3.71±0.79 mmol/L to 4.9±1.23 mmol/L), FFA (GC : 157±95 μmol/L to 731±138 μmol/L und GP : 113±63 μmol/L to 686±142 μmol/L) and TG (GC : 0.53±0.28 mmol/L to 0.94±0.61 mmol/L, GP : 0.45±0.23 mmol/L to 0.64±0.25 mmol/L) during BWRP. There was no further improvement in metabolic responses by L-carnitine supplementation. Conclusions: Energy intake of 7 MJ DE/100 kg BW leads to bodyweight losses of 1- 3%, herby improving insulin sensitivity and glucose metabolism. L-carnitine supplementation does not further improve glucose or fat metabolism, suggesting that endogenous L-carnitine synthesis was sufficient to facilitate energy metabolism in obese and insulin resistant ponies.