In einer Zeit, in der eine Zunahme von ernährungsbedingten Erkrankungen in steigendem Maße zu beobachten ist, wird dem Getreide als Grundlage der menschlichen Ernährung erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet. Ein hoher Verzehr von Ballaststoffen ist ein wesentlicher Aspekt in der präventiv-medizinischen Ernährung. Die von der Deutschen Gesellschaft für Ernährung vorgeschlagene tägliche Ballaststoffzufuhr liegt bei 30 g. Die Aufnahme von Ballaststoffen ist jedoch in Deutschland deutlich unterhalb dieser empfohlenen Menge.<br><br> Getreideprodukte, besonders vom Vollkorntyp, sind die wichtigste Quelle für Ballaststoffe. Deshalb sollten im Rahmen dieser Arbeit direkt verzehrsfähige, Ballaststoff-angereicherte Haferprodukte (vorwiegend Extrudate) mit hohen Gehalten an b-Glucanen und resistenter Stärke hergestellt, analysiert und nachfolgend auf relevante ernährungsphysiologische Wirkungen geprüft werden. Als Basis für die Produkte wurden Hafermehl und Haferkleie eingesetzt.<br> Der erste Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Analyse der Haferprodukte. Diese wiesen eine hohe Wasserbindungskapazität auf. Bei den Untersuchungen am Tiermodell wurde gezeigt, dass im Dünndarm eine größere Menge an Wasser durch die Haferprodukte gebunden wurde, was zu einem höheren Feuchtigkeitsanteil der gastrointestinalen Inhalte der Tiere führte, die ballaststoffreiches Futter erhielten.<br><br> Trotz der hydrothermischen Behandlung während der Extrusion wurden Produkte gewonnen, deren β-Glucane im hochmolekularen Zustand erhalten blieben und somit eine hohe Viskosität in wässrigen Lösungen beibehielten. In rheologischen Untersuchungen wurde bestätigt, dass die aus Haferprodukten isolierten β-Glucane ein pseudoplastisches Fließverhalten besitzen. Demgegenüber führte ein Autoklavieren der Produkte zu einer starken Depolymerisation der b-Glucane, was sich in einer Änderung der funktionellen Eigenschaften der b-Glucane widerspiegelte.<br><br> Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen ernährungsphysiologische In-vitro- und In-vivo-Experimente mit Extrudaten und Proben auf der Basis von Hafer, die einen erhöhten Anteil an Ballaststoffen, speziell an b-Glucan und an resistenter Stärke, besaßen und die direkt verzehrbar sind. Diese Haferprodukte zeigten eine Reihe von ernährungsphysiologisch vorteilhaften und protektiven Wirkungen in In-vitro-Experimenten. So traten sie mit Gallensäuren unter den Bedingungen des Dünndarms in Wechselwirkung und waren gut mit Faecesflora vom Menschen fermentierbar. Die In-vitro-Verdauung von Maisstärke durch Pankreatin, wurde durch die ballaststoffreichen Haferprodukte partiell gehemmt. Dieser Befund lässt eine Abschwächung des postprandialen Glukoseanstieges erwarten.<br><br> In einem sechswöchigen Fütterungsversuch erhielten Ratten Diäten, die zu 50 % aus ballaststoffreichen Haferprodukten bestanden. Diese Haferprodukte bewirkten einen erhöhten Transport von Gallensäuren und neutralen Sterolen in den unteren Intestinaltrakt sowie deren verstärkte Ausscheidung. Durch den Verzehr der ballaststoffreichen Haferprodukte kam es zu Veränderungen in der Mikroflora, wobei sich besonders die coliformen Keime verminderten und die Keimzahlen der Lactobacillen sowie die Bifidobakterien erhöhten. Die Fermentation der Ballaststoffe führte zur erhöhten Bildung von kurzkettigen Fettsäuren einschließlich von Butyrat. Die Bildung der kurzkettigen Fettsäuren geht mit einer pH-Wert-Absenkung im Caecum und Colon einher, die wiederum für eine geringere Bildung von sekundären Gallensäuren verantwortlich ist.<br><br> Die Ergebnisse des Fütterungsversuchs an Ratten wurden prinzipiell durch eine vierwöchige Pilotstudie am Menschen, in der Probanden täglich 100 g Haferextrudat erhielten, bestätigt. Das Extrudat wurde von den Probanden gut akzeptiert. In der 4. Woche wurden eine geringe Abnahme der Cholesterolfraktionen im Serum, höhere Keimzahlen für Lactobacillen, Bifidobacterien und Bacteroides, geringere pH-Werte und Trockenmassegehalte in den Faeces, eine Zunahme der individuellen und Gesamt-SCFA sowie des Butyratanteils in den Faeces, eine erhöhte Ausscheidung an Steroiden, eine Zunahme der primären Gallensäuren und eine Abnahme des prozentualen Anteils an sekundären Gallensäuren sowie der Cholesterol-Metaboliten gefunden. Diese Parameter gingen 2 Wochen nach Beendigung der Intervention mit dem Haferextrudat wieder in Richtung der Ausgangswerte (0. Woche) zurück.<br><br> Die untersuchten Haferprodukte erwiesen sich als gut fermentierbare Substrate für die intestinale Mikroflora und können deshalb als ein Präbiotikum mit Ballaststoffcharakter eingeschätzt werden. Diese Produkte, die mit einem erhöhten Anteil an resistenter Stärke und wertvollen Haferballaststoffen hergestellt wurden, können dazu beitragen, die Ballaststofflücke in unserer Ernährung zu schließen und positive ernährungsphysiologische Effekte zu bewirken. / Cereal products, particularly from whole grains, are the most important source of dietary fibre in the western diet. A high intake of dietary fibre, which is an essential component in nutrition, is positively related to several physiological and metabolic effects. However, the daily intake of dietary fibre is below the recommended levels (30d/day) in most industrials country. Oat (Avena sativa L.) products are well accepted in human nutrition. Oats is an excellent source of different dietary fibre types, such as β-glucan, arabinoxylans and cellulose, and it contains high levels of proteins, lipids, vitamins, antioxidants and minerals.<br> A series of extrudates was prepared from oat meal, oat bran and Novelose 330®, differing in concentrations of individual dietary fibre components, such as β-glucan and resistant starch, as well as total dietary fibre.<br><br> The cereal dietary fibre, β-glucan, has outstanding functional and nutritional properties, because of its viscosity in aqueous systems and in the intestinal tract. The rheological behaviour of β-glucan (concentrations: 2% and 4%) isolated from extruded oat meal and from oat bran was evaluated using oscillatory and rheological measurements. In frequency sweep, the storage and loss moduli G′ and G″ of β-glucan preparations from extruded meal and from bran increased continuously with increasing frequency, showing a dominantly viscous behaviour. With increasing frequency, the elastic properties improved.<br><br> After simulated digestion, the digested dietary fibre-rich oat-based extrudates were used to evaluate their physiological effects in vitro. A strong interaction occurred between the digested extrudates and bile acids. The binding of bile acids increased with increasing proportions of oat bran, total dietary fibre, insoluble dietary fibre and β-glucan in the extrudates. Dihydroxy-bile acid was more strongly bound to the extrudates than trihydroxy- bile acid. Interactions at pH 5.0 were greater than at pH 6.5. During fermentation of digested extrudates with human faecal samples, concentrations of short-chain fatty acid formed and the molar proportion of butyrate increased continuously. Higher short-chain fatty acid concentrations were found when extrudates contained more oat bran, soluble and insoluble dietary fibre and β-glucan. Extrudates, on the basis of oat, have several beneficial nutritional and protective effects in vitro. Therefore, physiological effects occurring in the small and large intestine are also related to the dietary fibre composition of the cereal products.<br><br> The results found in vitro was examined in feeding experiments with animal models and in nutritional studies with human subjects.<br><br> Male Wistar rats were fed either an oat-free diet (control group) or diet containing 50% oat-based products (test groups) for 6 week. In most of the test group, following effects were observed compared with control group: higher water intake; slightly decreased total and LDL cholesterol in serum; higher count of Bifidobacteria as well as lower count numbers of Coliforms; greater mass of cecum walls and cecal contents; lower pH values in intestinal contents; higher concentration of acetate, propionate and butyrate in cecal contents and greater excretion of short-chain fatty acids; significantly more total bile acids in cecal contents; higher excretion of total bile acids and primary bile acids; lower proportion of secondary bile acids as well as higher concentration of neutral sterols in cecal contents, colonic contents and feces.<br><br> In the human study 12 volunteers consumed 100 g fiber-rich oat-based product (to the habitually diet) daily for 4 week. Following results were observed in the week 4 compared with the beginning of the experiment: higher water intake; slightly decreased total cholesterol in serum; lower pH values in feces; higher concentration of acetate, propionate and butyrate in feces; higher excretion of total bile acids and primary bile acids; lower proportion of secondary bile acids as well as higher concentration of neutral sterols in feces.<br><br> In conclusion, application of the dietary fiber-rich oat-based diets had a variety of beneficial physiological and protective effects in rats and human depending on their composition and amount, their technological pre-treatment and their functional properties. The major effects connected whit fermentation of dietary fibre components and their high formation of short-chain fatty acids as well as with higher excretion of steroids.

Introduction: Intestinal bacteria influence gut morphology by affecting epithelial cell proliferation, development of the lamina propria, villus length and crypt depth [1]. Gut microbiota-derived factors have been proposed to also play a role in the development of a 30 % longer intestine, that is characteristic of PRM/Alf mice compared to other mouse strains [2, 3]. Polyamines and SCFAs produced by gut bacteria are important growth factors, which possibly influence mucosal morphology, in particular villus length and crypt depth and play a role in gut lengthening in the PRM/Alf mouse. However, experimental evidence is lacking. Aim: The objective of this work was to clarify the role of bacterially-produced polyamines on crypt depth, mucosa thickness and epithelial cell proliferation. For this purpose, C3H mice associated with a simplified human microbiota (SIHUMI) were compared with mice colonized with SIHUMI complemented by the polyamine-producing Fusobacterium varium (SIHUMI + Fv). In addition, the microbial impact on gut lengthening in PRM/Alf mice was characterized and the contribution of SCFAs and polyamines to this phenotype was examined. Results: SIHUMI + Fv mice exhibited an up to 1.7 fold higher intestinal polyamine concentration compared to SIHUMI mice, which was mainly due to increased putrescine concentrations. However, no differences were observed in crypt depth, mucosa thickness and epithelial proliferation. In PRM/Alf mice, the intestine of conventional mice was 8.5 % longer compared to germfree mice. In contrast, intestinal lengths of C3H mice were similar, independent of the colonization status. The comparison of PRM/Alf and C3H mice, both associated with SIHUMI + Fv, demonstrated that PRM/Alf mice had a 35.9 % longer intestine than C3H mice. However, intestinal SCFA and polyamine concentrations of PRM/Alf mice were similar or even lower, except N acetylcadaverine, which was 3.1-fold higher in PRM/Alf mice. When germfree PRM/Alf mice were associated with a complex PRM/Alf microbiota, the intestine was one quarter longer compared to PRM/Alf mice colonized with a C3H microbiota. This gut elongation correlated with levels of the polyamine N acetylspermine. Conclusion: The intestinal microbiota is able to influence intestinal length dependent on microbial composition and on the mouse genotype. Although SCFAs do not contribute to gut elongation, an influence of the polyamines N acetylcadaverine and N acetylspermine is conceivable. In addition, the study clearly demonstrated that bacterial putrescine does not influence gut morphology in C3H mice. / Einleitung: Die intestinale Mikrobiota beeinflusst die Morphologie des Darmes durch Beeinflussung der Epithelzellproliferation, Entwicklung der Lamina Propria, Zottenlänge und Kryptentiefe [1]. Zudem stehen bakterielle Faktoren im Verdacht, die Entwicklung eines 30 % längeren Darmes in der PRM/Alf Maus gegenüber anderen Mausstämmen zu begünstigen [2, 3]. Die von der intestinalen Mikrobiota produzierten Polyamine und kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) stellen wichtige Wachstumsfaktoren dar, die bei der Ausbildung des Darmes sowie an der Darmverlängerung in der PRM/Alf Maus beteiligt sein könnten. Zielstellung: Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss von bakteriell-produzierten Polyaminen auf die Kryptentiefe, Schleimhautdicke und Epithelzellproliferation zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden keimfreie C3H Mäuse mit einer vereinfachten menschlichen Mikrobiota (SIHUMI) assoziiert und mit C3H Mäusen, die mit einer SIHUMI plus dem polyaminproduzierendem Fusobacterium varium (SIHUMI + Fv) besiedelt worden waren, verglichen. Weiterhin sollte der mikrobielle Einfluss sowie die Rolle von SCFAs und Polyaminen bei der Ausbildung eines verlängerten Darms in der PRM/Alf Maus untersucht werden. Ergebnisse: Die SIHUMI + Fv Mäuse zeigten eine bis zu 1,7 fach höhere intestinale Polyaminkonzentration im Vergleich zu SIHUMI-Mäusen, welche vor allem auf eine Erhöhung von Putrescin zurückzuführen war. Trotz der höheren Polyaminkonzentrationen wurden keine Unterschiede in der Kryptentiefe, Schleimhautdicke und Epithelzellproliferation beobachtet. Die Untersuchung der Darmlänge in PRM/Alf Mäusen in Abhängigkeit vom Besiedlungsstatus ergab einen 8,5 % längeren Darm in konventionell besiedelten PRM/Alf Mäusen im Vergleich zu keimfreien PRM/Alf Mäusen. Im Gegensatz dazu wurden in C3H-Mäusen keine Unterschiede in der Darmlänge in Abhängigkeit von der Besiedlung beobachtet. Der Vergleich zwischen PRM/Alf und C3H Mäusen, die beide mit der SIHUMI + Fv Mikrobiota assoziiert wurden, zeigte einen 35,9 % längeren Darm in PRM/Alf Mäusen. Trotz des längeren Darmes waren die intestinalen SCFA- und Polyaminkonzentrationen vergleichbar bzw. geringer als in C3H Mäusen, mit einer Ausnahme: Die Konzentration von N Acetylcadaverin war in PRM/Alf Mäusen 3,1-fach erhöht. Wurden keimfreie PRM/Alf Mäuse mit einer komplexen PRM/Alf Mikrobiota assoziiert, so war ihr Darm ein Viertel länger als bei PRM/Alf Mäusen, die mit einer C3H Mikrobiota besiedelt wurden. Dieser längere Darm korrelierte mit der N Acetylsperminkonzentration. Schlussfolgerung: Die intestinale Mikrobiota ist in der Lage, die Darmlänge abhängig von der mikrobiellen Zusammensetzung und von dem Genotyp des Wirtes zu beeinflussen. Obwohl SCFAs die Darmlänge nicht beeinflussten, ist eine Beteiligung der Polyamine N Acetylcadaverin und N Acetylspermin denkbar. Darüber hinaus zeigte die Studie, dass Putrescin die Anatomie des Darmes in C3H Mäusen nicht beeinflusst.

Einleitung Adipositas und die damit verbundenen Erkrankungen wie Hyperlipidämie, Insulindysregulation und Hufrehe stellen ein großes gesundheitliches Problem domestizierter Pferde und Ponys dar. Besonders Ponys, die als „leichtfuttrig“ gelten, sind öfter von Adipositas und den damit verbundenen Erkrankungen betroffen. Aktuelle Untersuchungen der intestinalen Mikrobiota bei Mäusen, Menschen und Pferden deuten darauf hin, dass es einen Zusammenhang zwischen der Mikrobiota und der Gewichtsentwicklung gibt und bei adipösen Individuen eine andere Zusammensetzung der Mikrobiota als bei normalgewichtigen Individuen vorliegt. Untersuchungen zu den Veränderungen der fäkalen equinen Mikrobiota während einer mehrmonatigen Gewichtszunahme bei Pferden und Ponys fehlen. Ziele der Untersuchungen Zweck der vorliegenden Studie war die Überprüfung der Effekte einer zweijährigen energiereichen Fütterung auf die fäkale Mikrobiota bei Pferden und Ponys. Dabei sollten folgende Hypothesen geprüft werden: (1) Die equine fäkale Mikrobiota verändert sich im Laufe der Gewichtszunahme hin zu einer Zusammensetzung wie sie für adipöse Individuen beschrieben ist. (2) Ponys besitzen eine andere Zusammensetzung der fäkalen Mikrobiota als Pferde. Tiere, Material und Methoden Zehn Shetlandponys (Alter 6 ± 3 Jahre) und zehn Warmblutpferde (Alter 10 ± 3 Jahre) erhielten zwei Jahre 200 % ihres Erhaltungsbedarfs an umsetzbarer Energie. Monatlich wurde der Energiebedarf an die aktuelle Körpermasse (KM) angepasst. Die Ration bestand zu 60 % aus Heu und zu 40 % aus einem Ergänzungsfutter (Rohprotein 13,4 %, Rohfett 14,4 %, Rohfaser 9,8 %, stickstofffreie Extraktstoffe 54,3 %). Morphometrische Daten (Body Condition Score (BCS), Cresty neck score (CNS) und Körpermasse (KM) wurden wöchentlich erfasst. Kotproben wurden 5 (t1), 11 (t2) und 23 (t3) Monate nach Beginn der energiereichen Fütterung bei den Pferden und Ponys gewonnen. Aus den Kotproben wurde die DNA extrahiert und die V3-V4 Region auf der 16S rRNA wurde mittels PCR vervielfältigt. Die PCR Produkte wurden mit Ilumina MiSequ sequenziert. Die Sequenzierungsdaten wurden mit FROGS ausgewertet und zur Beurteilung der Zusammensetzung der fäkalen Mikrobiota wurden die Diversität mittels Shannon und Simpson Index sowie das beobachtete Artenreichtum kalkuliert. Die Konzentrationen der gesamten kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) sowie von Azetat, Propionat, Butyrat, Isobutyrat, Valerat und Isovalerat wurden mittels flüssig Gaschromatographie bestimmt. Der Laktatgehalt im Kot wurde mittels enzymatisch kolorimetrischer Messung ermittelt. Die statistische Auswertung erfolgte mit der Software Statistica ©. Der Zeiteffekt wurde mit einer Friedmanns ANOVA und anschließendem Wilcoxen Rangsummentest mit Bonferroni Korrektur ermittelt. Für die Rasseneffekte wurde ein Mann- Whitney- U Test verwendet. Das Signifikanzniveau lag bei p < 0,05. Ergebnisse KM, BCS und CNS stiegen signifikant während der zweijährigen hochkalorischen Fütterung an. Beim Pony kam es zu einem Anstieg des Phylums Firmicutes (p = 0,025) zwischen t2 und t3 und bei beiden Rassen wurde ein signifikanter Anstieg des Phylums Actinobacteria in der fäkalen Mikrobiota zwischen t1 und t3 beobachtet. Bei Pferden konnte während der größten Gewichtszunahme zwischen t1 und t2 ein Abfall des Phylums Fibrobacteres (p = 0,028) beobachtet werden. In der fäkalen Mikrobiota der Ponys zeigte sich ein signifikanter Anstieg des Phylums Proteobacteria zwischen t1 und t2, gefolgt von einem Abfall zwischen t2 und t3. Der einzige signifikante Unterschied zwischen der fäkalen Mikrobiota der Pferde und der Ponys zum Zeitpunkt t1 war ein vermehrtes Vorkommen der Familie F082 in der fäkalen Mikrobiota der Ponys. Zum Zeitpunkt t2 wurde das Phylum Proteobacteria seltener in der Mikrobiota der Ponys beobachtet (p = 0,01). Die größten Unterschiede in der fäkalen Mikrobiota von Pferden und Ponys konnten zum Zeitpunkt t3 beobachtet werden. Dort kam das Phylum Fibrobacteres (p = 0,026) häufiger in der fäkalen Mikrobiota der Pferde vor und 5 Bakterienfamilien unterschieden sich signifikant in ihrem Vorkommen bei Pferden und Ponys.Während der größten Gewichtszunahme zwischen t1 und t2 zeigte sich ein signifikanter Abfall in der Artenvielfalt in der fäkalen Mikrobiota der Ponys. Im Kot der Pferde konnten, verglichen mit dem der Ponys, signifikant höhere SCFA Konzentrationen gemessen werden: t1: Isobutyrat, t2: Isobutyrat und Azetat und t3: gesamt SCFA, Propionat und Isovalerat. Zwischen t1 und t2 zeigte sich ein signifikanter Anstieg der Laktat Konzentration in den Fäzes der Pferde und Ponys, der bei den Pferden anschließend von einem Abfall zwischen t2 und t3 begleitet wurde. Schlussfolgerungen Während der energiereichen Fütterung konnte ein Abfall der Artenvielfalt sowie Änderungen in den Phyla Firmicutes, Actinobacteria und Fibrobacteres beobachtet werden. Unterschiede in der Mikrobiota von Pferden und Ponys konnten vor allem gegen Ende der 23-monatigen hochkalorischen Fütterung beobachtet werden. Während beim Pony die Bakterienfamilien F082, Bacteroidales UCG- 001, Rikenellaceae und Ruminococcaceae vermehrt in der fäkalen Mikrobiota auftraten, kam beim Pferd das fibrolytischen Phylum Fibrobacteres und die fibrolytische Familie Fibrobacteraceae sowie verschiedene SCFAs häufiger vor. Dies könnte ein Hinweis auf eine verbesserte Faserfermentation der Pferde sein. Die funktionellen Konsequenzen dieser Mikrobiota Verschiebungen sollten zukünftig über Metabolomanalysen weiter abgeklärt werden.

Es gibt keine bekannte Lungenerkrankung, die eine so frühe, chronische und intensive Entzündungsreaktion hervorruft, wie sie in den Atemwegen von Patienten mit Mukoviszidose (CF) auftritt. CF ist die häufigste tödliche autosomal-rezessiv vererbte Krankheit in der kaukasischen Bevölkerung, die durch eine Mutation im CFTR-Gen (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) verursacht wird, dass für das CFTR-Protein kodiert. Defekte in diesem Protein führen zu einer epithelialen Dysfunktion und betreffen mehrere Organe, aber die Lungenpathologie ist für über 85% der Morbidität und Mortalität bei CF verantwortlich. Die CF-Lungenpathologie konzentriert sich auf die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Erreger, wobei die CFTR-Dysfunktion Infektionen begünstigt und die Infektionen in Verbindung mit einer dysfunktionalen Immunantwort einen anhaltenden Entzündungskreislauf in Gang setzen. Dieser Teufelskreis aus Infektion und Entzündung führt schließlich zu Lungenschäden, Atemversagen und letztlich zum Tod. Die vorherrschende Infektion bei Mukoviszidose ist die durch P. aeruginosa, wobei im europäischen Durchschnitt 41% der erwachsenen Patienten infiziert sind. Bemerkenswert ist, dass das Mikrobiom der Atemwege bei Mukoviszidose polymikrobieller Natur ist. Da frühere Studien einen positiven Zusammenhang zwischen einer hohen Mikrobiom-Diversität und einer verbesserten Lungenfunktion bei Mukoviszidose festgestellt haben, wurde die Hypothese aufgestellt, dass bestimmte Kommensalen vor einer Infektion mit P. aeruginosa in den CF-Atemwegen schützen könnten. Um dies genauer zu untersuchen wurden 105 kommensale Isolate aus 32 verschiedenen Arten von Sputumproben von Patienten mit Mukoviszidose isoliert und mit einem fluoreszierenden P. aeruginosa PA01-mcherry-Stamm auf antagonistische Wirkungen bei direkten Erreger-Kommensalen-Interaktionen untersucht. Diese Isolate wurden zusätzlich auf immunmodulatorische Effekte bei Kommensal-Wirt-Pathogen-Interaktionen, unter Verwendung von BEAS-2B-Bronchialepithelzelllinien, untersucht. Ausgewählte Isolate mit schützender Wirkung wurden anschließend auf immunmodulatorische Effekte unter Verwendung von CFBE41o ΔF508-Zellen und einem natürlicheren Lungen-Präzisionsschnitt-Modell (PCLS) untersucht und die produzierten Zytokine mittels ELISA sowie mit einem Multiplex-Zytokin-Assay gemessen. Genexpressionsanalysen wurden zudem mittels qRT-PCR durchgeführt. Die zugrundeliegenden Mechanismen wurden mittels transkriptomischer Analysen, Vergleiche der gesamten Genomsequenz (WGS) und mechanischer Studien einschließlich Stoffwechselanalysen mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass ausgewählte Streptokokken-Kommensal-Isolate, insbesondere Vertreter von S. mitis, S. oralis, S. cristatus, S. gordonii, S. sanguinis und S. parasanguinis, starke antagonistische Effekte auf das Wachstum von P. aeruginosa in direkten Kokulturen haben. Ausgewählte Vertreter von S. mitis, S. oralis und S. cristatus verhinderten zudem das Wachstum anderer klinischer und nicht-klinischer Isolate von P. aeruginosa, sowie anderer typischer Mukoviszidose-Erreger wie Staphylococcus aureus, Burkholderia spp., Achromobacter xylosoxidans, Proteus mirabilis, Haemophilus influenzae, Stenotrophomonas maltophilia, Enterococcus faecalis und Klebsiella pneumoniae. Eine wirksame Mukoviszidose-Therapie sollte nicht nur die Infektion, sondern auch die damit einhergehende bösartige Entzündung bekämpfen. Im Gegensatz zu den Mitgliedern der gram-negativen Neisseria spp., die die IL-8-Produktion bei einer Monoinfektion signifikant stimulierten, taten dies alle gram-positiven Kommensalen-Isolate nicht. Ausgewählte Kommensalen regulierten auch die P. aeruginosa PA01- und LPS-induzierte Produktion mehrerer entzündlicher Zytokine in menschlichen Atemwegsepithelzellen (BEAS-2B sowie CFBE41o ΔF508 und korrigierte wtCFTR) und in PCLS der Maus. Diese Ergebnisse wurden auch durch Genexpressionsanalysen bestätigt, was darauf hindeutet, dass die Immunmodulation möglicherweise durch eine veränderte TLR-Signalübertragung vermittelt wird. Transkriptomische Analysen nach Koinfektion von S. mitis Isolat 4 (SM4) und PA01 auf PCLS zeigten eine signifikante Runterregulation von Entzündungsreaktionen wie mTOR und Toll-like-Rezeptor-Signalen. Ein WGS-Vergleich zeigte, dass mehr als die Hälfte der am stärksten angereicherten Genfunktionen bei hemmenden Streptokokken-Isolaten für den Kohlenhydrat-Transport und -Stoffwechsel verantwortlich waren, während sie bei den nicht hemmenden Streptokokken-Isolaten unter den am stärksten angereicherten Genfunktionen fehlten. Mechanische Untersuchungen zeigten, dass der glykolytische Signalweg für die antipseudomonische Wirkung entscheidend ist und dass hemmende Kommensalen hemmende Wirkungen vermitteln, indem sie den pH-Wert ihrer Wachstumsmedien < 5,0 senken und Acetat > 0,2 mg/ml produzieren. Es wurde nachgewiesen, dass Acetat signifikante immunmodulatorische Effekte gegen PA01- und LPS-induzierte Entzündungsreaktionen in BEAS-2B und PCLS vermittelt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ausgewählte kommensale Bakterien Schutzwirkungen in den Atemwegen von Mukoviszidose-Patienten herbeiführen, indem sie Acetat produzieren, das antipseudomonale und immunmodulatorische Wirkungen vermittelt. Einserseits direkt, indem es durch Bakterien- und Wirtszellen diffundiert und so unmittelbare Auswirkungen hat, als auch indirekt, indem es Wirtszellen dazu anregt, Bakterien effizient zu beseitigen und Entzündungen zu kontrollieren. Da die Verwendung ganzer Bakterien als Probiotika bei immungeschwächten Patienten beispielsweise bei Mukoviszidose mit einigen Herausforderungen verbunden ist, stellt die Verwendung von bakteriellen Metaboliten wie Acetat eine sicherere, einfachere und praktischere Alternative dar.:List of Abbreviations (i) Table of Contents (iv) 1. SUMMARY (1) 1.1 Zusammenfassung (1) 1.2 ABSTRACT (3) 2. INTRODUCTION (5) 2.1 Cystic fibrosis (5) 2.2 Development of the CF lung pathology (6) 2.3 The immune response (8) 2.3.1 Innate and adaptive immunity (8) 2.3.2 Toll-like receptors (TLRs) (9) 2.4 Inflammation in CF (11) 2.4.1 Neutrophils in CF (11) 2.4.2 Macrophages in CF (12) 2.4.3 Eicosanoid metabolites in CF (12) 2.4.4 Chemokines in CF (12) 2.5 Airway sampling for microbiome studies (13) 2.6 CF airway microbiome (14) 2.6.1 The healthy lung microbiome (14) 2.6.2 Pathogenic bacterial members of the CF microbiome and pulmonary exacerbations (15) 2.6.3 Pseudomonas aeruginosa in CF (16) 2.6.4 Anaerobic CF microbiota (17) 2.6.5 Fungal CF microbiota (17) 2.6.6 Virus CF microbiota (18) 2.6.7 Commensal-pathogen interactions in CF (18) 2.7 CFTR modulators (18) 2.8 Human epithelial cell lines and murine precision-cut lung slices (PCLS) as in vitro model systems (19) 2.9 Next-generation sequencing (NGS) in CF microbiome studies (20) 2.10 Objectives of this study (21) 3. MATERIALS AND METHODS (23) 3.1 Materials (23) 3.1.1 Devices and Instruments (23) 3.1.2 Software (24) 3.1.3 Consumables (25) 3.1.4 Chemicals, Reagents, Media, and Antibiotics (26) 3.1.5 Kits (29) 3.1.6 Buffers, Media, and Solutions (30) 3.1.7 qPCR Primers (32) 3.1.8 Cell lines (33) 3.1.9 Mouse strains (33) 3.1.10 Bacteria isolates (34) 3.2 Methods (37) 3.2.1 Isolation, identification, and storage of isolates (37) 3.2.2 Pathogens-Commensals direct cocultures (38) 3.2.3 HPLC of conditioned media from bacterial isolates (40) 3.2.4 Cell-Pathogen-Commensal cocultures (41) 3.2.5 PCLS cocultures (42) 3.2.6 RNA extraction, cDNA preparation, and quantitative RT-PCR (43) 3.2.7 RNA Sequencing and Transcriptome analysis (45) 3.2.8 Bacteria DNA extraction and Whole Genome Sequencing (46) 3.2.9 Biochemistry (47) 3.2.10 Statistical analyses (49) 4. RESULTS (50) 4.1 Analysis of direct commensal-pathogen interactions (50) 4.1.1 Several streptococcal isolates inhibit the growth of P. aeruginosa with inter- and intra-species variability in the antipseudomonal effect (51) 4.1.2 Further commensal isolates that do not inhibit the growth of P. aeruginosa (54) 4.1.3 The lack of antipseudomonal effect by noninhibitory isolates is not due to insufficient cell numbers (54) 4.1.4 Fungal CF isolates in this study do not possess antipseudomonal effects (56) 4.1.5 SCAPEs (Selected Commensals with strong Anti-Pseudomonal Effects) also inhibit other P. aeruginosa strains (58) 4.1.6 SCAPEs inhibit other non-pseudomonal pathogenic CF isolates (60) 4.1.7 Inhibitory effects mediated by SCAPEs do not extend to the fungal CF isolates in this study (63) 4.2 Analysis of commensal-host-pathogen interactions using human bronchial epithelial cell lines (63) 4.2.1 Some commensal isolates are able to modulate PA01-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (64) 4.2.2 Commensal-mediated IL-8 modulation in BEAS-2B cells is not due to PA01 growth inhibition (67) 4.2.3 Selected commensal isolates also modulate LPS-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (68) 4.2.4 Selected S. mitis isolates also modulate IL-8 release in BEAS-2B cells induced by other CF P. aeruginosa isolates (68) 4.2.5 Selected commensal isolates modulate PA01-induced IL-8 release in CFBE41o cells (70) 4.2.6 Protective commensals need to be metabolically active to exert immunomodulatory effects (72) 4.2.7 Hydrogen peroxide produced by peroxide-producing Streptococcus spp. affects the viability of human bronchial epithelial cells (72) 4.2.8 Selected peroxide-producing Streptococcus spp. possess immunomodulatory activity when peroxide-induced cell death is prevented (75) 4.3 Analysis of commensal-host-pathogen interactions using mouse PCLS (80) 4.3.1 PCLS is more resilient against peroxide-induced loss of viability (80) 4.3.2 Selected S. mitis isolates modulate PA01-induced inflammatory response in mouse PCLS (82) 4.3.3 Immunomodulation of PA01-induced response by SM4 in PCLS is not due to active PA01 growth inhibition (84) 4.4 Analysis of the underlying mechanisms behind the streptococcal-mediated effects via transcriptome and whole genome sequencing (84) 4.4.1 Transcriptomic analyses show that SM4 downregulates signalling pathways involved in PA01-induced inflammatory responses in mouse PCLS (84) 4.4.2 Whole genome sequence comparison shows that in inhibitory commensals, most of their genes are involved in carbohydrate transport and metabolism (87) 4.5 Uncovering the mechanisms behind the observed streptococcal-mediated antipseudomonal effects (89) 4.5.1 Conditioned medium (CM) from SCAPEs inhibits the growth of P. aeruginosa and other typical CF pathogens (89) 4.5.2 Inhibitory activity of SCAPEs CM is neither heat sensitive nor proteinaceous (91) 4.5.3 Iron competition and the arginolytic pathway are not responsible for the observed inhibitory effects (91) 4.5.4 Peroxide production may contribute but does not play a major role in the antipseudomonal effects (94) 4.5.5 Several members of Streptococcus spp. mediate antipseudomonal effects via the glycolytic pathway (94) 4.5.6 Low pH plays a major role in the observed inhibition (97) 4.5.7 SCAPEs and other selected commensal isolates can mediate antipseudomonal effects by simultaneously lowering the pH and secreting acetate (98) 4.5.8 Extracellular addition of 0.5 mg/ml acetate at pH 5.0 inhibits the growth of P. aeruginosa (100) 4.5.9 Other SCFAs like propionate and butyrate at pH 5.0 also inhibit P. aeruginosa isolates (102) 4.5.10 Acetate has better antipseudomonal activity than propionate and butyrate (103) 4.6 Commensals may mediate their protective effects via acetate production (104) 4.6.1 SCFAs modulate PA01- and LPS-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (104) 4.6.2 SCFA levels used are well below cell toxicity levels (105) 4.6.3 Acetate modulates PA01 and LPS-induced immune response in mouse PCLS (107) 5. DISCUSSION (110) 5.1 SCAPEs mediate inhibitory effects in direct commensal-pathogen interactions against P. aeruginosa and other typical CF pathogens (110) 5.1.1 Members of Streptococcus spp. mediate inter- and intra-species variability in their antipseudomonal effects (111) 5.1.2 SCAPEs inhibit other clinical and nonclinical P. aeruginosa strains as well as other typical CF pathogens (113) 5.2 Selected commensals modulate PA01- and LPS-induced inflammatory response in human airway epithelial cells and mouse PCLS (115) 5.2.1 The gram-positive commensal isolates in this study do not significantly stimulate inflammatory response in human bronchial epithelial cells and mouse PCLS (115) 5.2.2 Selected gram-positive commensal isolates modulate P. aeruginosa-triggered inflammatory response in BEAS-2B cells with inter- and intra-species variation (117) 5.2.3 Selected commensal isolates modulate P. aeruginosa-triggered inflammatory response in CFBE41o ΔF508 (120) 5.2.4 Selected S. mitis isolates modulate P. aeruginosa-induced inflammatory response in mouse PCLS (121) 5.3 Commensals exert protective effects against P. aeruginosa infection via acetate production (124) 5.3.1 Conditioned medium (CM) from selected commensal isolates need to be acidic to mediate inhibition of growth of P. aeruginosa and other typical CF pathogens (125) 5.3.2 The glycolytic pathway is important for streptococcal-mediated antipseudomonal effects (127) 5.3.3 Commensal bacteria mediate growth inhibitory effects by simultaneously lowering the pH and producing acetate (128) 5.3.4 Acetate modulates PA01- and LPS-induced inflammation in bronchial epithelial cells and PCLS (131) 5.4 Conclusions and Outlook (134) 6. DECLARATIONS (158) 6.1 Statement of Authorship (158) 6.2 Declaration of compliance (160) 7. Acknowledgements (161) / There is no known lung disease that causes such a very early, chronic, and intense inflammatory reaction as seen in the airways of patients with cystic fibrosis (CF). CF is the most common lethal autosomal recessive genetic condition in the Caucasian population caused by a mutation in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene encoding for the CFTR protein. Defects in this protein result into epithelial dysfunction and affect several organs but lung pathology accounts for over 85% of CF morbidity and mortality. The CF lung pathology centers on the host-pathogen interactions where CFTR dysfunction predisposes to infections and the infections coupled with a dysfunctional immune response drive a sustained inflammatory cycle. This vicious cycle of infection and inflammation ultimately results in lung damage, respiratory failure and then, death. The most predominant infection in CF is by P. aeruginosa with an overall European average of 41.0% of adult patients infected. Of note, airway microbiome in CF is of polymicrobial nature. Given that previous studies have established positive correlations between a high microbiome diversity and improved lung function in CF, it was hypothesized that certain commensals may be protective against P. aeruginosa infection in the CF airways. Therefore, 105 commensal isolates from 32 different species were isolated from sputum samples of patients with CF and screened for antagonistic effects in direct pathogen-commensal interactions using a fluorescent P. aeruginosa PA01-mcherry strain. These isolates were also screened for immunomodulatory effects in commensal-host-pathogen interactions using BEAS-2B bronchial epithelial cell lines. Selected isolates with protective effects were subsequently screened for immunomodulatory effects using CFBE41o ΔF508 cells and a more natural precision-cut-lung-slices (PCLS) model and the produced cytokines were measured via ELISA as well as via a multiplex cytokine assay. Gene expression analyses were also conducted via qRT-PCR. Underlying mechanisms were explored via transcriptomic analyses, whole genome sequence (WGS) comparisons, and mechanistic studies including metabolic analyses via high-performance liquid chromatography. It was demonstrated that selected streptococcal commensal isolates, especially members belonging to S. mitis, S. oralis, S. cristatus, S. gordonii, S. sanguinis, and S. parasanguinis, mediate potent antagonistic effects against the growth of P. aeruginosa in direct cocultures. Selected members from S. mitis, S. oralis, and S. cristatus also prevented the growth of other P. aeruginosa clinical and nonclinical isolates as well as other typical CF pathogens including Staphylococcus aureus, Burkholderia spp., Achromobacter xylosoxidans, Proteus mirabilis, Haemophilus influenzae, Stenotrophomonas maltophilia, Enterococcus faecalis, and Klebsiella pneumoniae. An effective CF therapy should not only address infection but the accompanying vicious inflammation as well. Unlike the members of the gram-negative Neisseria spp. which significantly stimulated IL-8 production in mono-infection, all the gram-positive commensal isolates did not. Selected commensals also modulated P. aeruginosa PA01- and LPS-induced production of several inflammatory cytokines in human airway epithelial cells (BEAS-2B as well as CFBE41o ΔF508 and corrected wtCFTR) and in mouse PCLS. These findings were also confirmed via gene expression analyses indicating that the immunomodulation may be mediated by altered TLR signalling. Transcriptomic analyses after co-infection of S. mitis isolate 4 (SM4) and PA01 on PCLS revealed a significant downregulation of inflammatory responses such as mTOR and toll-like receptor signalling. WGS comparison showed that over half of the most enriched gene functions in inhibitory streptococcal isolates were responsible for carbohydrate transport and metabolism but were absent among the most enriched gene functions for the noninhibitory streptococcal isolates. Mechanistic investigations demonstrated that the glycolytic pathway was essential for antipseudomonal effects and that inhibitory commensals mediate inhibitory effects by lowering the pH of their growth media < 5.0 and producing acetate > 0.2 mg/ml. Acetate was demonstrated to mediate significant immunomodulatory effects against PA01- and LPS-induced inflammatory response in BEAS-2B and PCLS. In conclusion, selected commensal bacteria induce protective effects in the CF airway by producing acetate, which mediates antipseudomonal and immmunomodulatory activities both directly by diffusing across bacterial and host cells to mediate direct effects as well as indirectly by stimulating host cells to clear bacteria efficiently and control inflammation. Given that the use of whole bacteria as probiotics in immunocompromised patients like in CF possesses several challenges, the use of bacterial metabolites like acetate presents a safer, easier, and more practical alternative.:List of Abbreviations (i) Table of Contents (iv) 1. SUMMARY (1) 1.1 Zusammenfassung (1) 1.2 ABSTRACT (3) 2. INTRODUCTION (5) 2.1 Cystic fibrosis (5) 2.2 Development of the CF lung pathology (6) 2.3 The immune response (8) 2.3.1 Innate and adaptive immunity (8) 2.3.2 Toll-like receptors (TLRs) (9) 2.4 Inflammation in CF (11) 2.4.1 Neutrophils in CF (11) 2.4.2 Macrophages in CF (12) 2.4.3 Eicosanoid metabolites in CF (12) 2.4.4 Chemokines in CF (12) 2.5 Airway sampling for microbiome studies (13) 2.6 CF airway microbiome (14) 2.6.1 The healthy lung microbiome (14) 2.6.2 Pathogenic bacterial members of the CF microbiome and pulmonary exacerbations (15) 2.6.3 Pseudomonas aeruginosa in CF (16) 2.6.4 Anaerobic CF microbiota (17) 2.6.5 Fungal CF microbiota (17) 2.6.6 Virus CF microbiota (18) 2.6.7 Commensal-pathogen interactions in CF (18) 2.7 CFTR modulators (18) 2.8 Human epithelial cell lines and murine precision-cut lung slices (PCLS) as in vitro model systems (19) 2.9 Next-generation sequencing (NGS) in CF microbiome studies (20) 2.10 Objectives of this study (21) 3. MATERIALS AND METHODS (23) 3.1 Materials (23) 3.1.1 Devices and Instruments (23) 3.1.2 Software (24) 3.1.3 Consumables (25) 3.1.4 Chemicals, Reagents, Media, and Antibiotics (26) 3.1.5 Kits (29) 3.1.6 Buffers, Media, and Solutions (30) 3.1.7 qPCR Primers (32) 3.1.8 Cell lines (33) 3.1.9 Mouse strains (33) 3.1.10 Bacteria isolates (34) 3.2 Methods (37) 3.2.1 Isolation, identification, and storage of isolates (37) 3.2.2 Pathogens-Commensals direct cocultures (38) 3.2.3 HPLC of conditioned media from bacterial isolates (40) 3.2.4 Cell-Pathogen-Commensal cocultures (41) 3.2.5 PCLS cocultures (42) 3.2.6 RNA extraction, cDNA preparation, and quantitative RT-PCR (43) 3.2.7 RNA Sequencing and Transcriptome analysis (45) 3.2.8 Bacteria DNA extraction and Whole Genome Sequencing (46) 3.2.9 Biochemistry (47) 3.2.10 Statistical analyses (49) 4. RESULTS (50) 4.1 Analysis of direct commensal-pathogen interactions (50) 4.1.1 Several streptococcal isolates inhibit the growth of P. aeruginosa with inter- and intra-species variability in the antipseudomonal effect (51) 4.1.2 Further commensal isolates that do not inhibit the growth of P. aeruginosa (54) 4.1.3 The lack of antipseudomonal effect by noninhibitory isolates is not due to insufficient cell numbers (54) 4.1.4 Fungal CF isolates in this study do not possess antipseudomonal effects (56) 4.1.5 SCAPEs (Selected Commensals with strong Anti-Pseudomonal Effects) also inhibit other P. aeruginosa strains (58) 4.1.6 SCAPEs inhibit other non-pseudomonal pathogenic CF isolates (60) 4.1.7 Inhibitory effects mediated by SCAPEs do not extend to the fungal CF isolates in this study (63) 4.2 Analysis of commensal-host-pathogen interactions using human bronchial epithelial cell lines (63) 4.2.1 Some commensal isolates are able to modulate PA01-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (64) 4.2.2 Commensal-mediated IL-8 modulation in BEAS-2B cells is not due to PA01 growth inhibition (67) 4.2.3 Selected commensal isolates also modulate LPS-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (68) 4.2.4 Selected S. mitis isolates also modulate IL-8 release in BEAS-2B cells induced by other CF P. aeruginosa isolates (68) 4.2.5 Selected commensal isolates modulate PA01-induced IL-8 release in CFBE41o cells (70) 4.2.6 Protective commensals need to be metabolically active to exert immunomodulatory effects (72) 4.2.7 Hydrogen peroxide produced by peroxide-producing Streptococcus spp. affects the viability of human bronchial epithelial cells (72) 4.2.8 Selected peroxide-producing Streptococcus spp. possess immunomodulatory activity when peroxide-induced cell death is prevented (75) 4.3 Analysis of commensal-host-pathogen interactions using mouse PCLS (80) 4.3.1 PCLS is more resilient against peroxide-induced loss of viability (80) 4.3.2 Selected S. mitis isolates modulate PA01-induced inflammatory response in mouse PCLS (82) 4.3.3 Immunomodulation of PA01-induced response by SM4 in PCLS is not due to active PA01 growth inhibition (84) 4.4 Analysis of the underlying mechanisms behind the streptococcal-mediated effects via transcriptome and whole genome sequencing (84) 4.4.1 Transcriptomic analyses show that SM4 downregulates signalling pathways involved in PA01-induced inflammatory responses in mouse PCLS (84) 4.4.2 Whole genome sequence comparison shows that in inhibitory commensals, most of their genes are involved in carbohydrate transport and metabolism (87) 4.5 Uncovering the mechanisms behind the observed streptococcal-mediated antipseudomonal effects (89) 4.5.1 Conditioned medium (CM) from SCAPEs inhibits the growth of P. aeruginosa and other typical CF pathogens (89) 4.5.2 Inhibitory activity of SCAPEs CM is neither heat sensitive nor proteinaceous (91) 4.5.3 Iron competition and the arginolytic pathway are not responsible for the observed inhibitory effects (91) 4.5.4 Peroxide production may contribute but does not play a major role in the antipseudomonal effects (94) 4.5.5 Several members of Streptococcus spp. mediate antipseudomonal effects via the glycolytic pathway (94) 4.5.6 Low pH plays a major role in the observed inhibition (97) 4.5.7 SCAPEs and other selected commensal isolates can mediate antipseudomonal effects by simultaneously lowering the pH and secreting acetate (98) 4.5.8 Extracellular addition of 0.5 mg/ml acetate at pH 5.0 inhibits the growth of P. aeruginosa (100) 4.5.9 Other SCFAs like propionate and butyrate at pH 5.0 also inhibit P. aeruginosa isolates (102) 4.5.10 Acetate has better antipseudomonal activity than propionate and butyrate (103) 4.6 Commensals may mediate their protective effects via acetate production (104) 4.6.1 SCFAs modulate PA01- and LPS-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (104) 4.6.2 SCFA levels used are well below cell toxicity levels (105) 4.6.3 Acetate modulates PA01 and LPS-induced immune response in mouse PCLS (107) 5. DISCUSSION (110) 5.1 SCAPEs mediate inhibitory effects in direct commensal-pathogen interactions against P. aeruginosa and other typical CF pathogens (110) 5.1.1 Members of Streptococcus spp. mediate inter- and intra-species variability in their antipseudomonal effects (111) 5.1.2 SCAPEs inhibit other clinical and nonclinical P. aeruginosa strains as well as other typical CF pathogens (113) 5.2 Selected commensals modulate PA01- and LPS-induced inflammatory response in human airway epithelial cells and mouse PCLS (115) 5.2.1 The gram-positive commensal isolates in this study do not significantly stimulate inflammatory response in human bronchial epithelial cells and mouse PCLS (115) 5.2.2 Selected gram-positive commensal isolates modulate P. aeruginosa-triggered inflammatory response in BEAS-2B cells with inter- and intra-species variation (117) 5.2.3 Selected commensal isolates modulate P. aeruginosa-triggered inflammatory response in CFBE41o ΔF508 (120) 5.2.4 Selected S. mitis isolates modulate P. aeruginosa-induced inflammatory response in mouse PCLS (121) 5.3 Commensals exert protective effects against P. aeruginosa infection via acetate production (124) 5.3.1 Conditioned medium (CM) from selected commensal isolates need to be acidic to mediate inhibition of growth of P. aeruginosa and other typical CF pathogens (125) 5.3.2 The glycolytic pathway is important for streptococcal-mediated antipseudomonal effects (127) 5.3.3 Commensal bacteria mediate growth inhibitory effects by simultaneously lowering the pH and producing acetate (128) 5.3.4 Acetate modulates PA01- and LPS-induced inflammation in bronchial epithelial cells and PCLS (131) 5.4 Conclusions and Outlook (134) 6. DECLARATIONS (158) 6.1 Statement of Authorship (158) 6.2 Declaration of compliance (160) 7. Acknowledgements (161)

Einleitung: Kurzkettige Fettsäuren (SCFA) stellen das hauptsächliche Energiesubstrat für Wiederkäuer dar. In Anbetracht des - bedingt durch höhere Milch-, Mast und Reproduktionsleistung - steigenden Energiebedarfs von Hauswiederkäuern wie Milchkuh und Mastbulle ist es von zentraler Bedeutung, die Mechanismen zur Resorption dieser Energielieferanten bzw. Ansatzpunkte für die Beeinflussung dieser Transportprozesse genau zu kennen. Dieses Wissen kann möglicherweise dabei helfen, zukünftig die Energieaufnahme der Tiere zu unterstützen bzw. sogar effizienter zu gestalten. Ziele der Untersuchungen: Deshalb war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Mechanismen zur Resorption von SCFA zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf den Transport aus den Pansenepithelzellen ins Blut gelegt wurde, da hierzu im Gegensatz zu ihrer Aufnahme aus dem Pansenlumen in die Epithelzellen noch sehr wenig bekannt war. In einem zweiten Schritt sollte untersucht werden, inwiefern die nachgewiesenen Mechanismen einer Regulation unterliegen und über welche Signalwege diese vermittelt werden könnte. Materialien und Methoden: Zur Charakterisierung der beteiligten Resorptionsmechanismen wurden Epithelstücke aus dem ventralen Pansensack von Schafen in Ussing-Kammern eingespannt und mit Hilfe radioaktiv markierten Azetats, Butyrats und L-Laktats der Transport dieser Substrate unter verschiedenen Bedingungen sowie verschiedenen Hemmstoffeinflüssen untersucht. Zur Charakterisierung regulativer Einflüsse wurden die Epithelstücke über sechs bzw. 24 Stunden mit Butyrat inkubiert und anschließend RNA bzw. Totalprotein extrahiert. Hiermit konnten Veränderungen in mRNA- und Proteinexpression mittels quantitativer Echtzeit-PCR bzw. Western Blot nachgewiesen werden. Ergebnisse: Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit konnten zeigen, dass der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels hauptsächlich proteinvermittelt erfolgt. Eine signifikante Beteiligung lipophiler Diffusion, d.h. ein passiver Transport, kann weitgehend ausgeschlossen werden. Der aktive Transport wies eine bikarbonatabhängige und eine bikarbonatunabhängige Komponente auf. Der Einsatz von Hemmstoffen verschiedener Transportproteine ergab deutliche Hinweise darauf, dass der Monocarboxylattransporter (MCT) 1 eine Rolle beim bikarbonatgekoppelten Transport von Azetat bzw. allgemein unmetabolisierten SCFA spielt. Diese Hinweise wurden untersetzt durch die Beobachtung, dass MCT 1, aber auch der apikal bzw. intrazellulär lokalisierte MCT 4 durch langfristige Inkubation des Epithels mit Butyrat sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant erhöht exprimiert wurden, was als Anpassungsreaktion an eine Substratakkumulation interpretiert werden kann. Außerdem wurde auch die mRNA-Expression des Putativen Anionentransporters (PAT) 1 durch Inkubation mit Butyrat erhöht, was für eine Beteiligung auch dieses Transportproteins am SCFA-Transport über das Pansenepithel spricht. Allerdings ist im Gegensatz zu MCT 1 die Lokalisation des PAT 1 in der basolateralen Membran noch fraglich. Die Expressionssteigerung von Zielgenen des Nukleären Faktors ĸB und des Peroxisomenproliferator-aktivierten Rezeptors α sowie des Hypoxie-induzierbaren Faktors selbst deuten weiterhin darauf hin, dass die Steigerung der Transportkapazitäten von MCT 1 und 4 und auch PAT 1 über diese Signalwege vermittelt wird. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels näher charakterisiert werden, sodass es nun möglich ist, zusammen mit den bereits vorliegenden Befunden für die apikale Membran ein komplettes Modell dafür zu erstellen. Auch wurden Erkenntnisse zu regulativen Einflüssen auf diesen Transport gewonnen, die es zukünftig ermöglichen könnten, die Resorption der SCFA aus dem Pansen nutritiv oder eventuell pharmakologisch zu beeinflussen. / Introduction: The main energy source for ruminants are short chain fatty acids (SCFA). Considering the ever increasing energy requirements of cattle due to increasing milk yield and meat production, it is crucial to identify the mechanisms for the resorption of these energy sources as well as possibilities to influence these transport mechanisms. This knowledge could help support the animals’ energy uptake or even making it more efficient. Aim: Thus, the aim of the present study was to characterise mechanisms for the resorption of SCFA focusing on their transport from the epithelial cells into the blood. In particular, since – compared to the research findings on the uptake of SCFA from ruminal lumen into the cells – so far only very little was known regarding this side of the epithelium. In a second step, the study aimed to elucidate whether the mechanisms observed are subject to regulatory processes and which signalling pathways are involved. Materials and methods: To characterise the transport mechanisms involved, epithelial pieces from the ventral sac of ovine rumen were mounted in Ussing chambers. Using radioactively labelled acetate, butyrate and L-lactate, the transport of these substrates was investigated under different conditions and by applying different inhibitors for potential SCFA transport proteins. To characterise regulatory influences, epithelial pieces were incubated with butyrate for six and 24 hours, respectively. Subsequently, total RNA and protein were extracted to detect changes in mRNA and protein expression using quantitative real time PCR and western blot, respectively. Results: The present study could show that transport of SCFA across the basolateral membrane of rumen epithelium is mainly realised by protein-mediated mechanisms. A significant participation of lipophilic diffusion, i.e. a passive transport, can almost entirely be excluded. The active transport could be divided into a bicarbonate-dependent and a bicarbonate-independent part. The experiments with inhibitors of different transport proteins showed clear evidence of an involvement of monocarboxylate transporter (MCT) 1 in the bicarbonate-dependent transport of acetate and non-metabolised SCFA in general. This evidence was supported by the finding that the expression of MCT 1 but also of the apically and intracellularly localised MCT 4 was increased significantly on both mRNA- and protein-level after long-term incubation of the epithelium with butyrate. This can be interpreted as an adaptation to a substrate accumulation. Additionally, butyrate incubation led to an increased mRNA expression of putative anion transporter (PAT) 1, which makes an involvement of this transport protein in SCFA transport across ruminal epithelium likely as well. However, in contrast to MCT 1 the localisation of PAT 1 in the basolateral membrane is still questionable. The increased expression of target genes of nuclear factor ĸB and peroxisome-proliferator activated receptor α as well as of hypoxia inducible factor strongly point to an involvement of these pathways in the increased expression of MCT 1 and 4 as well as PAT 1. Conclusions: In summary, this study could characterise the transport of SCFA across the basolateral membrane of ruminal epithelium in detail for the first time. This enables us to draw a complete model of ruminal SCFA transport. Also, evidence for regulatory influence on this transport processes was found, perhaps making it possible to influence resorption of SCFA from rumen by nutritive or pharmacological means in the future.

Einleitung: Kurzkettige Fettsäuren (SCFA) stellen das hauptsächliche Energiesubstrat für Wiederkäuer dar. In Anbetracht des - bedingt durch höhere Milch-, Mast und Reproduktionsleistung - steigenden Energiebedarfs von Hauswiederkäuern wie Milchkuh und Mastbulle ist es von zentraler Bedeutung, die Mechanismen zur Resorption dieser Energielieferanten bzw. Ansatzpunkte für die Beeinflussung dieser Transportprozesse genau zu kennen. Dieses Wissen kann möglicherweise dabei helfen, zukünftig die Energieaufnahme der Tiere zu unterstützen bzw. sogar effizienter zu gestalten. Ziele der Untersuchungen: Deshalb war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Mechanismen zur Resorption von SCFA zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf den Transport aus den Pansenepithelzellen ins Blut gelegt wurde, da hierzu im Gegensatz zu ihrer Aufnahme aus dem Pansenlumen in die Epithelzellen noch sehr wenig bekannt war. In einem zweiten Schritt sollte untersucht werden, inwiefern die nachgewiesenen Mechanismen einer Regulation unterliegen und über welche Signalwege diese vermittelt werden könnte. Materialien und Methoden: Zur Charakterisierung der beteiligten Resorptionsmechanismen wurden Epithelstücke aus dem ventralen Pansensack von Schafen in Ussing-Kammern eingespannt und mit Hilfe radioaktiv markierten Azetats, Butyrats und L-Laktats der Transport dieser Substrate unter verschiedenen Bedingungen sowie verschiedenen Hemmstoffeinflüssen untersucht. Zur Charakterisierung regulativer Einflüsse wurden die Epithelstücke über sechs bzw. 24 Stunden mit Butyrat inkubiert und anschließend RNA bzw. Totalprotein extrahiert. Hiermit konnten Veränderungen in mRNA- und Proteinexpression mittels quantitativer Echtzeit-PCR bzw. Western Blot nachgewiesen werden. Ergebnisse: Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit konnten zeigen, dass der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels hauptsächlich proteinvermittelt erfolgt. Eine signifikante Beteiligung lipophiler Diffusion, d.h. ein passiver Transport, kann weitgehend ausgeschlossen werden. Der aktive Transport wies eine bikarbonatabhängige und eine bikarbonatunabhängige Komponente auf. Der Einsatz von Hemmstoffen verschiedener Transportproteine ergab deutliche Hinweise darauf, dass der Monocarboxylattransporter (MCT) 1 eine Rolle beim bikarbonatgekoppelten Transport von Azetat bzw. allgemein unmetabolisierten SCFA spielt. Diese Hinweise wurden untersetzt durch die Beobachtung, dass MCT 1, aber auch der apikal bzw. intrazellulär lokalisierte MCT 4 durch langfristige Inkubation des Epithels mit Butyrat sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant erhöht exprimiert wurden, was als Anpassungsreaktion an eine Substratakkumulation interpretiert werden kann. Außerdem wurde auch die mRNA-Expression des Putativen Anionentransporters (PAT) 1 durch Inkubation mit Butyrat erhöht, was für eine Beteiligung auch dieses Transportproteins am SCFA-Transport über das Pansenepithel spricht. Allerdings ist im Gegensatz zu MCT 1 die Lokalisation des PAT 1 in der basolateralen Membran noch fraglich. Die Expressionssteigerung von Zielgenen des Nukleären Faktors ĸB und des Peroxisomenproliferator-aktivierten Rezeptors α sowie des Hypoxie-induzierbaren Faktors selbst deuten weiterhin darauf hin, dass die Steigerung der Transportkapazitäten von MCT 1 und 4 und auch PAT 1 über diese Signalwege vermittelt wird. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels näher charakterisiert werden, sodass es nun möglich ist, zusammen mit den bereits vorliegenden Befunden für die apikale Membran ein komplettes Modell dafür zu erstellen. Auch wurden Erkenntnisse zu regulativen Einflüssen auf diesen Transport gewonnen, die es zukünftig ermöglichen könnten, die Resorption der SCFA aus dem Pansen nutritiv oder eventuell pharmakologisch zu beeinflussen.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für Wiederkäuer 3 2.2 Metabolismus von SCFA im Pansenepithel 4 2.2.1 Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten vom Pansenlumen ins Epithel 4 2.2.2 Produktion von HCO3- aus CO2 durch die Carboanhydrase 5 2.2.3 Bereitstellung von Energie für die Epithelzellen 5 2.2.4 Bereitstellung von wasserlöslichen, glukosesparenden Energiesubstraten für die periphere Zirkulation 5 2.2.5 Verhinderung möglicher Schädigungen durch Butyrat 6 2.3 Transportmechanismen für kurzkettige Fettsäuren 7 2.3.1 Para- versus transzelluläre Resorption 7 2.3.2 Transzelluläre Resorption mittels lipophiler Diffusion 7 2.3.3 Proteinvermittelte SCFA-Permeation 9 2.3.4 Permeation von SCFA aus dem Epithel ins Blut 11 2.4 Beeinflussung der SCFA-Resorption auf Genexpressionsebene 17 2.4.1 Beeinflussung der Genexpression durch Butyrat 17 2.4.2 Beeinflussung der Genexpression durch Hypoxie 20 2.4.3 Mechanismen für die Regulation der Genexpression durch Butyrat (-Metaboliten) und Hypoxie 21 2.5 Fragestellungen dieser Arbeit 26 3 Ergebnisse 28 3.1 Publikation 1 28 3.2 Publikation 2 41 4 Diskussion 54 4.1 Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels 54 4.1.1 Transport mittels lipophiler Diffusion 57 4.1.2 SCFA werden bevorzugt über die basolaterale Membran transportiert 58 4.1.3 SCFA(-Metaboliten) werden bikarbonatabhängig über die basolaterale Membran transportiert 59 4.1.4 SCFA(-Metaboliten) werden durch einen Anionenaustauschmechanismus ins Blut ausgeschleust 61 4.1.5 Azetat wird durch einen pHMB- und CHC-sensitiven Mechanismus transportiert 63 4.2 Der Transport von SCFA über das Pansenepithel unterliegt regulativen Einflüssen 68 4.2.1 Einfluss von Butyrat(-Metaboliten) auf die Expression von potentiellen SCFA Transportern 68 4.2.2 Mechanismen für die Regulation der Expression durch Butyrat(-Metaboliten) 72 4.3 Theoretisches Modell des SCFA-Transports und dessen Regulation auf Genexpressionsebene auf Grundlage der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit 74 5 Zusammenfassung 76 6 Summary 78 7 Literaturverzeichnis 80 Danksagung 98 / Introduction: The main energy source for ruminants are short chain fatty acids (SCFA). Considering the ever increasing energy requirements of cattle due to increasing milk yield and meat production, it is crucial to identify the mechanisms for the resorption of these energy sources as well as possibilities to influence these transport mechanisms. This knowledge could help support the animals’ energy uptake or even making it more efficient. Aim: Thus, the aim of the present study was to characterise mechanisms for the resorption of SCFA focusing on their transport from the epithelial cells into the blood. In particular, since – compared to the research findings on the uptake of SCFA from ruminal lumen into the cells – so far only very little was known regarding this side of the epithelium. In a second step, the study aimed to elucidate whether the mechanisms observed are subject to regulatory processes and which signalling pathways are involved. Materials and methods: To characterise the transport mechanisms involved, epithelial pieces from the ventral sac of ovine rumen were mounted in Ussing chambers. Using radioactively labelled acetate, butyrate and L-lactate, the transport of these substrates was investigated under different conditions and by applying different inhibitors for potential SCFA transport proteins. To characterise regulatory influences, epithelial pieces were incubated with butyrate for six and 24 hours, respectively. Subsequently, total RNA and protein were extracted to detect changes in mRNA and protein expression using quantitative real time PCR and western blot, respectively. Results: The present study could show that transport of SCFA across the basolateral membrane of rumen epithelium is mainly realised by protein-mediated mechanisms. A significant participation of lipophilic diffusion, i.e. a passive transport, can almost entirely be excluded. The active transport could be divided into a bicarbonate-dependent and a bicarbonate-independent part. The experiments with inhibitors of different transport proteins showed clear evidence of an involvement of monocarboxylate transporter (MCT) 1 in the bicarbonate-dependent transport of acetate and non-metabolised SCFA in general. This evidence was supported by the finding that the expression of MCT 1 but also of the apically and intracellularly localised MCT 4 was increased significantly on both mRNA- and protein-level after long-term incubation of the epithelium with butyrate. This can be interpreted as an adaptation to a substrate accumulation. Additionally, butyrate incubation led to an increased mRNA expression of putative anion transporter (PAT) 1, which makes an involvement of this transport protein in SCFA transport across ruminal epithelium likely as well. However, in contrast to MCT 1 the localisation of PAT 1 in the basolateral membrane is still questionable. The increased expression of target genes of nuclear factor ĸB and peroxisome-proliferator activated receptor α as well as of hypoxia inducible factor strongly point to an involvement of these pathways in the increased expression of MCT 1 and 4 as well as PAT 1. Conclusions: In summary, this study could characterise the transport of SCFA across the basolateral membrane of ruminal epithelium in detail for the first time. This enables us to draw a complete model of ruminal SCFA transport. Also, evidence for regulatory influence on this transport processes was found, perhaps making it possible to influence resorption of SCFA from rumen by nutritive or pharmacological means in the future.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für Wiederkäuer 3 2.2 Metabolismus von SCFA im Pansenepithel 4 2.2.1 Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten vom Pansenlumen ins Epithel 4 2.2.2 Produktion von HCO3- aus CO2 durch die Carboanhydrase 5 2.2.3 Bereitstellung von Energie für die Epithelzellen 5 2.2.4 Bereitstellung von wasserlöslichen, glukosesparenden Energiesubstraten für die periphere Zirkulation 5 2.2.5 Verhinderung möglicher Schädigungen durch Butyrat 6 2.3 Transportmechanismen für kurzkettige Fettsäuren 7 2.3.1 Para- versus transzelluläre Resorption 7 2.3.2 Transzelluläre Resorption mittels lipophiler Diffusion 7 2.3.3 Proteinvermittelte SCFA-Permeation 9 2.3.4 Permeation von SCFA aus dem Epithel ins Blut 11 2.4 Beeinflussung der SCFA-Resorption auf Genexpressionsebene 17 2.4.1 Beeinflussung der Genexpression durch Butyrat 17 2.4.2 Beeinflussung der Genexpression durch Hypoxie 20 2.4.3 Mechanismen für die Regulation der Genexpression durch Butyrat (-Metaboliten) und Hypoxie 21 2.5 Fragestellungen dieser Arbeit 26 3 Ergebnisse 28 3.1 Publikation 1 28 3.2 Publikation 2 41 4 Diskussion 54 4.1 Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels 54 4.1.1 Transport mittels lipophiler Diffusion 57 4.1.2 SCFA werden bevorzugt über die basolaterale Membran transportiert 58 4.1.3 SCFA(-Metaboliten) werden bikarbonatabhängig über die basolaterale Membran transportiert 59 4.1.4 SCFA(-Metaboliten) werden durch einen Anionenaustauschmechanismus ins Blut ausgeschleust 61 4.1.5 Azetat wird durch einen pHMB- und CHC-sensitiven Mechanismus transportiert 63 4.2 Der Transport von SCFA über das Pansenepithel unterliegt regulativen Einflüssen 68 4.2.1 Einfluss von Butyrat(-Metaboliten) auf die Expression von potentiellen SCFA Transportern 68 4.2.2 Mechanismen für die Regulation der Expression durch Butyrat(-Metaboliten) 72 4.3 Theoretisches Modell des SCFA-Transports und dessen Regulation auf Genexpressionsebene auf Grundlage der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit 74 5 Zusammenfassung 76 6 Summary 78 7 Literaturverzeichnis 80 Danksagung 98

Einleitung: Ruminal werden Futterpflanzen zu kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs) abgebaut. Diese bilden die Hauptenergiequelle für den Wiederkäuerorganismus. Da diese Fettsäuren jedoch auch maßgeblich die pH-Homöostase der Vormagenschleimhaut beeinflussen, muss das Pansenepithel in der Lage sein, Änderungen im Substrat- und Protonenangebot festzustellen und anschließend regulative Prozesse anzupassen, um Stoffwechselentgleisungen und so auch einer Pansenazidose vorzubeugen. In anderen Spezies erwiesen sich sogenannte „Freie Fettsäurerezeptoren“ (FFARs) als potenzielle Sensoren veränderter SCFA-Mengen im Darmlumen, die u. a. durch Modulation der intrazellulären Spiegel an zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) ihre Wirkung vermitteln. Ziele der Untersuchungen: Es sollte in der vorliegenden Arbeit untersucht werden, ob FFARs im Pansenepithel des Schafes vorkommen und durch SCFAs aktiviert sowie intrazelluläre Signalwege über cAMP moduliert werden können. Im Anschluss sollte erarbeitet werden, inwiefern der nachgewiesene Einfluss von Butyrat auf die epithelialen cAMP-Spiegel Auswirkungen auf die epitheliale pH-Modulation infolge einer veränderten Aktivität von Monocarboxylattransportern (MCTs) und Na+/H+-Austauschern (NHEs) hat. Tiere, Material und Methoden: Sämtliche Untersuchungen wurden an Geweben des Vormagens von Schafen (Ovis gmelini aries) durchgeführt. Mittels Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) und immunhistochemischer Färbungen wurde das Vorliegen verschiedener FFARs in nativem Pansengewebe untersucht. Zur funktionellen Charakterisierung wurden Epithelstücke aus dem ventralen Pansensack in Ussing-Kammern inkubiert und anschließend die cAMP-Spiegel im Epithel mittels einer quantitativen, kompetitiven Analyse bestimmt. Dabei wurde der Einfluss von Forskolin (ein Stimulator der cAMP-synthetisierenden Adenylylzyklasen), von Butyrat sowie von Niacin (ein FFAR-Agonist) betrachtet. Mithilfe von radioaktiv markiertem Azetat wurde der Effekt variierender cAMP-Spiegel auf die Transportaktivität von MCTs unter Zuhilfenahme von zwei verschiedenen MCT-Hemmstoffen (Cyanohydroxyzimtsäure und p-Hydroxymercuribenzoesäure) in Ussing-Kammern evaluiert. Die Aktivität der NHEs wurde an kultivierten Pansenepithelzellen durch Messung des intrazellulären pH-Wertes mittels Spektrofluorometrie unter Einfluss des NHE-Inhibitors 5-N-Ethyl-N-Isopropyl Amilorid ermittelt. Auch hierbei wurden in den Zellen unterschiedliche cAMP-Spiegel durch Forskolin-Applikation induziert. Die Daten der verschiedenen Untersuchungen wurden an 5-8 Tieren je Versuchsansatz erhoben. Die Normalverteilung wurde mittels Kolmogorov–Smirnov-Test ermittelt. Ein Friedman-Test mit anschließendem Dunn-Test wurde für die Analyse der cAMP-Experimente genutzt. MCT und NHE Experimente wurden mithilfe einer einfachen, geblockten Varianzanalyse und anschließendem Tukey-Test ausgewertet. Ergebnisse: Die FFARs GPR109A und FFAR2 konnten an allen untersuchten Lokalisationen (Netzmagen, Pansenvorhof, dorsaler und ventraler Pansensack, Psalter) über RT-PCR bzw. im ventralen Pansensack auch über die immunhistochemischen Färbungen detektiert werden, wohingegen FFAR3 lediglich als mRNA im Vorhof nachweisbar war. Dies lässt die beiden Rezeptoren GPR109A und FFAR2 als mögliche Strukturen zur Detektion von SCFAs im Pansenepithel erscheinen. Die Analyse der intrazellulären cAMP-Spiegel in Epithelien aus dem ventralen Pansensack konnte einen hemmenden Einfluss von Butyrat auf diesen Botenstoff darlegen, was auf eine Beteiligung der genannten FFARs hindeutet. Die Applikation des GPR109A-Agonisten Niacin hatte jedoch keinen Effekt auf die cAMP-Spiegel, sodass eine Wirkungsvermittlung von Butyrat über diesen Rezeptor unwahrscheinlich scheint. Mit Blick auf die funktionellen Auswirkungen dieser cAMP-Modulation hatten variierende cAMP-Level im Kontrast zu Erkenntnissen aus Nicht-Wiederkäuerspezies keinen Einfluss auf die Transportaktivität des ruminalen MCT1 unter den gewählten in vitro-Versuchsbedingungen. Andererseits konnte die Regulation des intrazellulären pH-Wertes von kultivierten Pansenepithelzellen tendenziell durch erhöhte cAMP-Spiegel gehemmt werden, was auf einer Hemmung von NHEs durch den second messenger beruhen könnte. Schlussfolgerungen: Die Expression von GPR109A und FFAR2 lassen diese zwei FFARs als potenzielle Sensoren der intraruminalen bzw. intraepithelialen Nährstoffkonditionen erscheinen. Dabei deuten die vorliegenden Untersuchungen auf eine Aktivierung des FFAR2 durch Butyrat und dessen Metaboliten in den basalen Schichten des Pansenepithels hin. Infolge der Rezeptoraktivierung kommt es vermutlich zu einer Verminderung der intraepithelialen cAMP-Spiegel, welche wiederum einen (schwachen) Einfluss auf die Regulation des intrazellulären pH-Wertes mithilfe von NHEs zu haben scheinen. Entgegen unserer Ausgangshypothese scheinen aber die FFARs des ovinen Pansenepithels die pH-Homöostase des Epithels nur geringfügig zu beeinflussen. Ihre genaue physiologische Bedeutung – insbesondere des GPR109A – bleibt somit noch spekulativ.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für den Wiederkäuer 3 2.2 Transport kurzkettiger Fettsäuren über das Pansenepithel 3 2.2.1 Apikale Aufnahme in das Pansenepithel 4 2.2.2 Basolaterale Ausschleusung in den Blutstrom 6 2.3 Metabolisierung kurzkettiger Fettsäuren im Pansenepithel 8 2.4 pH-Homöostase 9 2.4.1 pH-Regulation des Pansenlumens 9 2.4.2 pH-Regulation des Pansenepithels 10 2.5 Anpassungsmechanismen des Pansenepithels 12 2.6 Rolle des Butyrats 15 2.7 Fettsäurerezeptoren 16 2.7.1 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 17 2.7.2 GPRs für SCFAs 17 2.7.2.1 FFAR2 17 2.7.2.2 FFAR3 18 2.7.2.3 GPR109A 19 2.7.3 FFARs im Wiederkäuerorganismus 20 2.8 Monocarboxylattransporter 22 2.8.1 Die Familie der MCTs 22 2.8.2 Regulation der MCTs 23 2.8.3 MCTs im Pansenepithel 24 2.9 Natrium-Protonen-Austauscher 26 2.9.1 Die Familie der NHEs 26 2.9.2 Regulation der NHEs 27 2.9.3 NHEs im Pansenepithel 28 2.10 Fragestellungen der vorliegenden Arbeit 30 3 Publikationen 32 3.1 Publikation 1 32 3.2 Publikation 2 41 3.2.1 Supporting Information 56 4 Diskussion 57 4.1 Nachweis von FFARs im Pansenepithel 57 4.1.1 Regulation intrazellulärer Signalwege durch FFARs 59 4.1.2 GPR109A als potenzieller Butyrat-Rezeptor im Pansenepithel 62 4.1.3 FFAR2 als potenzieller Rezeptor für Butyrat 63 4.2 Seitenabhängigkeit der Butyrat-Effekte 64 4.3 pH-Abhängigkeit der cAMP-Spiegel 66 4.4 Einfluss von cAMP auf die Aktivität der MCTs 68 4.5 Einfluss von cAMP auf die NHE-Aktivität 70 4.6 Schlussfolgerungen 73 5 Zusammenfassung 75 6 Summary 77 7 Literaturverzeichnis 79 8 Anhang 101 8.1 Im Rahmen dieser Dissertation gehaltene Präsentationen 101 Danksagung 103 / Introduction: Forage plants are ruminally degraded to short chain fatty acids (SCFAs). These serve as the main energy source for ruminants. As SCFAs also influence the pH-homeostasis of the ruminal mucosa, the epithelium must be able to detect changes of both substrate and proton accumulation and adapt transport processes accordingly, in order to prevent metabolic dysfunction and thus the risk of ruminal acidosis. Studies in non-ruminant species detected so-called ‘free fatty acid receptors’ (FFARs) as potential SCFA-sensors in the gut lumen. It has been shown that these receptors transduce their information by modulation of intracellular levels of cyclic adenosine monophosphate (cAMP). Aim: This study intended to investigate if FFARs are located in the ovine ruminal epithelium. It should further be evaluated if FFARs can be stimulated by SCFAs leading to a modulation of intracellular pathways via cAMP. Finally, the study aimed to elucidate the influence of low epithelial cAMP-levels after butyrate application on the regulation of pH-homeostasis in the ruminal epithelium by modulating the activity of transport proteins such as monocarboxylate transporters (MCTs) and Na+/H+ exchangers (NHEs). Animals, material, and methods: All experiments were conducted with ovine (Ovis aries) ruminal tissues. The expression of different FFARs was investigated in native tissues using a reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and immunohistochemical staining. For functional analysis, epithelial cAMP levels were determined by a quantitative and competitive assay after incubation of epithelia of the ruminal ventral sac in Ussing chambers. The influence of forskolin (a stimulator of the adenylyl cyclases), butyrate, as well as niacin (an FFAR agonist) was evaluated. Further, the effect of varying cAMP levels on transport activity of MCTs was characterised on Ussing chamber-mounted epithelia with radioactively labelled acetate and two MCT inhibitors (cyano-hydroxycinnamic acid and p-hydroxymercuribenzoic acid). Finally, the activity of NHEs was assessed in cultured ruminal epithelial cells. The intracellular pH was evaluated by spectrofluorometry while the cells were incubated with forskolin (to modify intracellular cAMP levels) or the NHE inhibitor 5-(N-ethyl-N-isopropyl)-amiloride. The data for the different set-ups were acquired from 5-8 animals each. Kolmogorov–Smirnov test was used for testing normality. For cAMP level analyses, the Friedman test followed by Dunn's test was performed. MCT and NHE measurements were analysed using one-way randomized block analysis of variance followed by Tukey's test. Results: GPR109A and FFAR2 were detected in all ovine ruminal epithelia examined (reticulum, atrium ruminis, ruminal ventral and dorsal sac, omasum) by RT-PCR and in ruminal ventral sac also by immunohistochemical staining. FFAR3, however, was detected solely on mRNA level in tissues of the ovine atrium ruminis. Thus, the two immunohistochemically detected receptors may serve as potential sensors for SCFAs in the ruminal epithelium. The analysis of intraepithelial cAMP levels revealed an inhibiting influence of butyrate application on cAMP pointing to an activation of FFARs by this SCFA. Nonetheless, the incubation with the GPR109A agonist niacin did not show any effect on cAMP levels. This finding contradicts the theory of an activation of GPR109A by butyrate. Looking at functional consequences of varying cAMP levels, in contrast to studies on non-ruminant species ruminal MCT1 activity was not influenced by different cAMP levels, at least under the conditions chosen in this in vitro study. However, regulation of intracellular pH in cultured ruminal epithelial cells tended to decrease with augmented cAMP levels. This might be mediated by an inhibition of NHEs. Conclusions: The expression of GPR109A and FFAR2 points at a participation of these receptors in sensing intraruminal and intraepithelial energy status. The present data hint at an activation of FFAR2 by butyrate or its metabolites in the basal layers of the epithelium. Activation of the receptor leads to decreased cAMP levels. This in turn seems to slightly modify the regulation of intracellular pH via NHEs. Contradicting our initial hypothesis, ovine ruminal FFARs seem to play only a minor role in modulation of epithelial pH homeostasis. The main physiological role of ruminal FFARs – especially of GPR109A – remains to be clarified.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für den Wiederkäuer 3 2.2 Transport kurzkettiger Fettsäuren über das Pansenepithel 3 2.2.1 Apikale Aufnahme in das Pansenepithel 4 2.2.2 Basolaterale Ausschleusung in den Blutstrom 6 2.3 Metabolisierung kurzkettiger Fettsäuren im Pansenepithel 8 2.4 pH-Homöostase 9 2.4.1 pH-Regulation des Pansenlumens 9 2.4.2 pH-Regulation des Pansenepithels 10 2.5 Anpassungsmechanismen des Pansenepithels 12 2.6 Rolle des Butyrats 15 2.7 Fettsäurerezeptoren 16 2.7.1 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 17 2.7.2 GPRs für SCFAs 17 2.7.2.1 FFAR2 17 2.7.2.2 FFAR3 18 2.7.2.3 GPR109A 19 2.7.3 FFARs im Wiederkäuerorganismus 20 2.8 Monocarboxylattransporter 22 2.8.1 Die Familie der MCTs 22 2.8.2 Regulation der MCTs 23 2.8.3 MCTs im Pansenepithel 24 2.9 Natrium-Protonen-Austauscher 26 2.9.1 Die Familie der NHEs 26 2.9.2 Regulation der NHEs 27 2.9.3 NHEs im Pansenepithel 28 2.10 Fragestellungen der vorliegenden Arbeit 30 3 Publikationen 32 3.1 Publikation 1 32 3.2 Publikation 2 41 3.2.1 Supporting Information 56 4 Diskussion 57 4.1 Nachweis von FFARs im Pansenepithel 57 4.1.1 Regulation intrazellulärer Signalwege durch FFARs 59 4.1.2 GPR109A als potenzieller Butyrat-Rezeptor im Pansenepithel 62 4.1.3 FFAR2 als potenzieller Rezeptor für Butyrat 63 4.2 Seitenabhängigkeit der Butyrat-Effekte 64 4.3 pH-Abhängigkeit der cAMP-Spiegel 66 4.4 Einfluss von cAMP auf die Aktivität der MCTs 68 4.5 Einfluss von cAMP auf die NHE-Aktivität 70 4.6 Schlussfolgerungen 73 5 Zusammenfassung 75 6 Summary 77 7 Literaturverzeichnis 79 8 Anhang 101 8.1 Im Rahmen dieser Dissertation gehaltene Präsentationen 101 Danksagung 103

Inositolpolyphosphate (InsPs) bilden eine ubiquitäre Gruppe an hochphosphorylierten, intrazellulären Signalmolekülen in eukaryotischen Zellen. Trotz deren Beteiligung an unzähligen biologischen Prozessen bleibt die Detektion von InsPs (insb. einzelner Enantiomere) eine Herausforderung, da die momentan verfügbaren Analysemethoden immer noch limitiert sind. In der vorliegenden Arbeit wird die stabile Isotopenmarkierung von myo-Inositol (Ins) und InsPs in Kombination mit Kernspinresonanzspektroskopie (engl. Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, NMR) erkundet, um diese Lücke zu schließen. Die Abhängigkeit von NMR-Daten und chemischer Struktur erlaubte die Analyse komplexer Mixturen aus InsPs aus in vitro-Experimenten und biologischen Proben. Durch stereospezifische 13C-Markierung konnten sogar Enantiomere voneinander unterschieden werden. Mit Hilfe dieser Methode wurden mehrere InsP-Stoffwechselwege untersucht. Als Erstes wurde das menschliche, Phytase-artige Enzym MINPP1 (engl. Multiple Inositol Polyphosphate Phosphatase 1) detailliert in vitro und in lebenden Zellen charakterisiert. Dabei wurde ein bisher unbeschriebener InsP-Stoffwechselweg in menschlichen Zellen erstmals beschrieben. Als Zweites wurden InsP verdauende Bakterien aus der menschlichen Darmflora untersucht, sodass der Abbauweg von Inositolhexakisphosphat beleuchtet werden konnte. Als Drittes wurden DUSP-Enzyme (engl. Dual-Specificity Phosphatases) identifiziert und in vitro charakterisiert, die in der Lage sind, die Phosphoanhydrid-Bindung von Inositolpyrophosphaten (PP-InsPs) zu spalten. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass 13C-Markierung in Verbindung mit NMR ein mächtiges Werkzeug darstellt, um InsP-Stoffwechselvorgänge zu untersuchen. / Inositol polyphosphates (InsPs) comprise a ubiquitous group of densely phosphorylated intracellular messengers in eukaryotic cells. Despite their contributions to a myriad of biological processes the detection of InsPs remains challenging to this day, especially with regards to differentiating enantiomers, as the available analytical toolset is still limited. In this thesis the use of stable isotope labelling of myo-inositol (Ins) and InsPs is explored to address this shortcoming. Combining 13C-labelling and nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) provides both enhanced sensitivity and makes use of NMR’s strong structure-data dependency. This enabled the deconvolution of complex mixtures of InsPs from in vitro experiments or biological samples. With stereo-specific 13C-labels InsP mixtures could be resolved to individual enantiomers. Using this technique several InsP metabolic pathways were examined. Firstly, the human phytase-like enzyme Multiple Inositol Polyphosphate Phosphatase (MINPP1) was characterized in depth in vitro and in living cells, establishing a hitherto undescribed inositol polyphosphate metabolic path in humans. Secondly, inositol phosphate digesting bacteria isolated from the human gut microbiome were investigated, shedding light on the metabolic fate of inositol hexakisphosphate in the digestive track. Thirdly, a set of Dual-Specificity Phosphatases (DUSPs) were identified to be able to hydrolyze the phosphoanhydride bond of inositol pyrophosphates (PP-InsPs) and characterized in vitro. The 13C-labelling approach of InsPs in junction with NMR represents a powerful tool for the study of inositol polyphosphate metabolism. In the thesis at hand, this method has facilitated our understanding of inositol polyphosphate pathways and it will be continuing doing so in the future in several biological contexts.