Background: The beneficial impact of mesenchymal stem cells (MSC) on both acute and chronic liver diseases has been confirmed, although the molecular mechanisms behind it remain elusive. We aim to identify factors secreted by undifferentiated and hepatocytic differentiated MSC in vitro in order to delineate liver repair pathways potentially targeted by MSC. Methods: Secreted factors were determined by protein arrays and related pathways identified by biomathematical analyses. Results: MSC from adipose tissue and bone marrow expressed a similar pattern of surface markers. After hepatocytic differentiation, CD54 (intercellular adhesion molecule 1, ICAM-1) increased and CD166 (activated leukocyte cell adhesion molecule, ALCAM) decreased. MSC secreted different factors before and after differentiation. These comprised cytokines involved in innate immunity and growth factors regulating liver regeneration. Pathway analysis revealed cytokine-cytokine receptor interactions, chemokine signalling pathways, the complement and coagulation cascades as well as the Januskinase-signal transducers and activators of transcription (JAK-STAT) and nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor (NOD-like receptor) signalling pathways as relevant networks. Relationships to transforming growth factor beta(TGF-beta) and hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF1-alpha) signalling seemed also relevant. Conclusion: MSC secreted proteins, which differed depending on cell source and degree of differentiation. The factors might address inflammatory and growth factor pathways as well as chemo-attraction and innate immunity. Since these are prone to dysregulation in most liver diseases, MSC release hepatotropic factors, potentially supporting liver regeneration.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Prä- und Probiotika auf bakterielle Translokation (BT) und postoperative Infektionen nach großen viszeralchirurgischen Eingriffen untersucht. Dabei wurde aus methodischen Gründen zunächst BT nach Leber- (LR) und Colonresektion (CR) allein oder in Kombination experimentell im Rattenmodell quantifiziert und deren potentielle Pathomechanismen untersucht. Anschließend wurde der Einfluss von einzelnen Probiotika und einer Kombination verschiedener Probiotika und Präbiotika auf die Inzidenz bakterieller Infektionen nach Lebertransplantation (LTX) und pyloruserhaltender Pankreaskopfresektion (PPPD) in zwei prospektiv randomisierten klinischen Studien analysiert. Im experimentellen Teil der Untersuchungen wurde BT nach LR vor allem in Leber und Milz, nach CR hauptsächlich in mesenterialen Lymphknoten (MLK) und Milz nachgewiesen. Kombination von LR und CR führte zu einer Potenzierung der BT, parallel zum Ausmaß der LR. Durch Gabe von Probiotika wurde die Konzentration von Bakterien in den MLK signifikant gesenkt. Tiere mit einer hohen coecalen Laktobazillenkonzentration hatten eine signifikant niedrigere bakterielle Konzentration in allen untersuchten Organen als Tiere mit weniger Laktobazillen. CR führten zu einer Zunahme der coecalen gramnegativen Bakterienkonzentration und zu einer Abnahme der Laktobazillen. Histologische Veränderungen der Darmmukosa wurden nicht beobachtet. Die parazelluläre Permeabilität für Ionen, nicht aber für die höhermolekulare Laktulose war im Colon in allen Gruppen im Vergleich zur Kontrollgruppe erhöht. Probiotika beeinflussten die Zusammensetzung der coecalen Flora und damit auch die BT. In der ersten klinischen Studie verminderte postoperative orale Gabe von Laktobazillus plantarum und einer ballaststoffhaltigen Ernährungslösung die Inzidenz von bakteriellen Infektionen nach LTX im Vergleich zu selektiver Darmdekontamination und ballaststofffreier Ernährung signifikant. Die Gabe von Ballaststoffen und hitzeinaktivierten Laktobazillen führte zwar auch zu einer geringen Reduktion der Infektionen; diese war jedoch nicht signifikant. In der Mehrzahl wurden enteropathogene Bakterien isoliert. Die zweite klinische Studie untersuchte den Einfluss einer Kombination von vier verschiedenen Milchsäurebakterien und vier Präbiotika auf die Inzidenz bakterieller Infektionen nach LTX und PPPD. Im Vergleich zu Präbiotika und Placebo kam es zu einer deutlichen Verminderung der Infekte, die nach LTX auch signifikant war. In beiden Studien wurde die enterale Ernährung gut vertragen mit relativ wenig Nebenwirkungen. BT tritt somit sehr häufig auch nach kleineren viszeralchirurgischen Eingriffen auf und hat organspezifisch verschiedene Ursachen. Probiotika konnten sowohl tierexperimentell die BT vermindern als auch klinisch die Inzidenz bakterieller Infektionen nach großen viszeralchirurgischen Eingriffen senken. Da sie leicht zu verabreichen sind und wenig Nebenwirkungen verursachen, könnten sie breit eingesetzt werden. / In the present study, the impact of pre- and probiotics on bacterial translocation (BT) and postoperative bacterial infection rates was assessed. Due to methodological reasons, we first quantified BT following single liver (LR) and colon resection (CR) or a combination of both and analysed potential pathogenic mechanisms for BT. Then, we performed two prospective randomised clinical studies to analyse the influence of a single probiotic strain and a combination of different pre- and probiotics on the incidence of bacterial infections in patients with liver transplantation (OLT) or pylorus preserving partial pancreatoduodenectomy (PPPD). In the rat model, BT after LR mainly occurred in the liver and spleen, after CR mainly in the mesenteric lymph nodes (MLN) and spleen. BT was increased in the animals with combined operation, in parallel to the extent of liver resection. Probiotics significantly decreased the bacterial concentration in the MLN. Animals with a high cecal concentration of lactobacilli had significantly less BT than the others. CR led to an increase of cecal gramnegative bacterial concentrations and to a decrease of lactobacilli. No histological changes were observed in the intestine. Paracellular permeability for ions, but not for the larger molecule lactulose, was increased in the colon in all groups compared to the sham group. Probiotics had an influence on cecal bacterial concentration. In the first clinical study, postoperative oral administration of Lactobacillus plantarum and a fibre-enriched enteral diet significantly decreased bacterial infection rates after OLT compared to selective bowel decontamination and a fibre-free diet. Fibre and heat-inactivated Lactobacillus also led to a slight, but not significant decrease of infections. Mainly gut-derived bacteria were isolated. The second clinical study analysed the influence of a combination of four different lactic acid bacteria and fibres on bacterial infection rates after OLT and PPPD. Compared to fibres and placebo, infection rates were significantly lower after OLT and markedly lower after PPPD. In both studies, the study substances were well tolerated without serious side effects. BT even occurs following minor abdominal surgery and is caused by different mechanisms related to the kind of operation. Probiotics were able to diminish BT in the rat model as well as to decrease bacterial infection rates following major abdominal surgery in the clinical studies. As they are easy to administer and do not cause severe side effects, they could be useful in clinical practice.

Evolutionär konservierte, kleine offene Leserahmen (upstream open reading frames, uORFs) sind translational aktive Kontrollelemente, die bevorzugt in Boten-Ribonukleinsäuren von Schlüsselgenen zur Regulation von Zellwachstum, Proliferation und Differenzierung vorkommen. In dieser Arbeit wurden Mäuse analysiert, die defizient für das uORF Initiationscodon des Transkriptionsfaktors CCAAT/enhancer binding protein beta (C/EBPbeta-Delta-uORF) sind. Proteinanalysen verschiedener Gewebe zeigten, dass C/EBPbeta-Delta-uORF Mäuse im Gegensatz zu Wildtyptieren nicht in der Lage sind, die kurze, auto-antagonistische C/EBPbeta LIP Isoform zu induzieren. Die verminderte LIP Expression verursachte eine gestörte Differenzierung knochenabbauender Osteoklasten und ging mit einer Zunahme von mineralisiertem Knochengewebe in C/EBPbeta-Delta-uORF Mäusen einher. Nach partieller Hepatektomie führte der Verlust der uORF-vermittelten Induktion von LIP in regenerierenden C/EBPbeta-Delta-uORF Lebern zu einer Überaktivierung C/EBPbeta-regulierter Akute Phase Gene. Im Vergleich zum Wildtyp wiesen Hepatozyten von C/EBPbeta-Delta-uORF Tieren einen verzögerten und abgeschwächten Wiedereintritt in die S-Phase des Zellzyklus auf. Genomweite Genexpressionsanalysen zeigten, dass die verminderte S-Phase Aktivität in regenerierenden C/EBPbeta-Delta-uORF Lebern mit einer persistierenden Repression von Zellzyklusgenen korrelierte, wobei insbesondere die verminderte Expression zahlreicher E2F-regulierter Gene auffällig wurde. Chromatinimmunpräzipitations- und Reportergenexperimente führten zur Entwicklung eines mechanistischen Modells, das eine isoformspezifische C/EBPbeta-Koregulation E2F-kontrollierter Zellzyklusgene vorschlägt. Die Analyse der C/EBPbeta-Delta-uORF Mäuse belegt erstmals die Funktionalität der uORF-gesteuerten translationalen Kontrolle im Säugetier und weist auf eine entscheidende Bedeutung dieses Kontrollmechanismus bei zahlreichen physiologischen und pathopysiologischen Prozessen hin. / Evolutionary conserved small upstream open reading frames (uORFs) are translational control elements predominantly prevalent in the 5'' mRNA regions of key regulatory genes of growth, proliferation, and differentiation. This thesis comprises the evaluation of mice deficient for the uORF initiation codon of the transcription factor CCAAT/enhancer binding protein beta (C/EBPbeta-Delta-uORF). Protein analysis of various tissues demonstrated that C/EBPbeta-Delta-uORF mice, in contrast to wildtype control animals (C/EBPbeta-WT), fail to induce translation of the truncated, auto-antagonistic C/EBPbeta LIP isoform. The reduced expression of LIP was associated with impaired differentiation of bone resorbing osteclasts and resulted in an increased bone volume of C/EBPbeta-Delta-uORF mice. After partial hepatectomy the loss of uORF-mediated LIP induction resulted in super activation of acute phase response genes in regenerating livers. Furthermore, C/EBPbeta-Delta-uORF hepatocytes showed a delayed and blunted re-entry into the cell cycle after partial hepatectomy as compared to C/EBPbeta-WT animals. Genome-wide transcript expression analyses revealed that the reduced S-phase activity in regenerating C/EBPbeta-Delta-uORF livers correlated with a persistent repression of cell cycle regulatory genes and showed a remarkable underrepresentation of genes regulated by the E2F family of transcription factors. Chromatinimmunoprecipitations and luciferase reporter gene assays allowed the development of a mechanistic model that suggests C/EBPbeta isoform-specific co-regulation of E2F-controled cell cycle genes. The analysis of C/EBPbeta-Delta-uORF mice validates the functionality of uORF-mediated translational control in vertebrates and suggests a comprehensive role of uORF regulation in physiology and the etiology of disease.

Background: The beneficial impact of mesenchymal stem cells (MSC) on both acute and chronic liver diseases has been confirmed, although the molecular mechanisms behind it remain elusive. We aim to identify factors secreted by undifferentiated and hepatocytic differentiated MSC in vitro in order to delineate liver repair pathways potentially targeted by MSC. Methods: Secreted factors were determined by protein arrays and related pathways identified by biomathematical analyses. Results: MSC from adipose tissue and bone marrow expressed a similar pattern of surface markers. After hepatocytic differentiation, CD54 (intercellular adhesion molecule 1, ICAM-1) increased and CD166 (activated leukocyte cell adhesion molecule, ALCAM) decreased. MSC secreted different factors before and after differentiation. These comprised cytokines involved in innate immunity and growth factors regulating liver regeneration. Pathway analysis revealed cytokine-cytokine receptor interactions, chemokine signalling pathways, the complement and coagulation cascades as well as the Januskinase-signal transducers and activators of transcription (JAK-STAT) and nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor (NOD-like receptor) signalling pathways as relevant networks. Relationships to transforming growth factor beta(TGF-beta) and hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF1-alpha) signalling seemed also relevant. Conclusion: MSC secreted proteins, which differed depending on cell source and degree of differentiation. The factors might address inflammatory and growth factor pathways as well as chemo-attraction and innate immunity. Since these are prone to dysregulation in most liver diseases, MSC release hepatotropic factors, potentially supporting liver regeneration.