Die kardialen Hormone Atriales (ANP) und B-Typ (BNP) Natriuretisches Peptid üben bekannte renale und kardiovaskuläre Effekte aus, welche durch ihren gemeinsamen, cGMP-bildenden Guanylatzyklase-Rezeptor A (GC-A) vermittelt werden. Diese Effekte sind entscheidend an der physiologischen Aufrechterhaltung des arteriellen Blutdrucks sowie des intravaskulären Blutvolumens beteiligt. Darüber hinaus zeigen aktuelle Studien, dass NPs die Mobilisierung von Fettsäuren aus dem Fettgewebe und deren Oxidation durch die Skelettmuskulatur steigern sowie die Thermogenese in braunem und weißem Fettgewebe aktivieren können. Dadurch können NPs den Energieverbrauch erhöhen und die Insulinsensitivität verbessern. Desweiteren ist Übergewicht mit einer gestörten NP/GC-A/cGMP-Signalübertragung verbunden, die möglicherweise zur Entwicklung von Diabetes Typ 2 und dessen kardio-metabolischen Folgeerkrankungen beiträgt. In vitro stimuliert synthetisches ANP über GC-A die Glukose-stimulierte Insulinsekretion aus kultivierten pankreatischen Inseln und die β-Zellproliferation. Die Bedeutung für die systemische Insulin/Glukosehomöostase in vivo ist jedoch unklar. Um zu untersuchen, ob die endogenen Herzhormone die sekretorische Funktion und/oder die Proliferation von β-Zellen unter (patho)physiologischen Bedingungen in vivo modulieren, haben wir ein neues genetisches Mausmodell mit selektiver Deletion des GC-A-Rezeptors in β-Zellen (ß GC-A KO) generiert. In kultivierten Inseln von β GC-A KO-Mäusen waren die insulinotropen und proliferativen Effekte von ANP aufgehoben. Übereinstimmend damit führte die Infusion von BNP bei Kontroll-Tieren in vivo zu leicht erhöhten basalen Plasma-Insulinspiegeln und verbesserter Glukose-induzierter Insulinsekretion. Dieser Effekt von exogenem BNP konnte bei β GC-A KO-Mäusen nicht beobachtet werden, was die effiziente Deletion des GC-A-Rezeptors in β-Zellen bestätigt. Interessanterweise hatte die Ablation des GC-A-Rezeptors auf ß-Zellen unter basalen Bedingungen keinen Einfluss auf physiologische und metabolische Parameter in vivo. Sowohl männliche als auch weibliche ß GC-A KO-Tiere zeigten keine Unterschiede in der basalen Insulin- und Glukosehomöostase, da sie ähnliche Nüchtern-Blutzucker- und Insulinspiegel (nach Fasten über Nacht) aufwiesen wie die Kontroll-Mäuse. Allerdings zeigten die mit HFD gefütterten β GC-A KO-Tiere frühzeitiger Glukose-Intoleranz sowie eine verminderte adaptive β-Zellproliferation. Abgesehen davon war das konsistenteste Ergebnis der in vivo-Studien der geschlechtsabhängige Unterschied in der Auswirkung der ß-Zellspezifischen GC-A-Deletion auf die Glukose-stimulierte Insulinsekretion. Weibliche, aber nicht männliche ß GC-A KO-Mäuse zeigten erhöhte Nüchtern-Insulinspiegel und eine signifikant erhöhte Glukose-stimulierte Insulinsekretion, was zu einer deutlich verbesserten Glukosetoleranz führte. Der postulierte und untersuchte Mechanismus beinhaltet eine Interaktion von Östrogenen und NPs, welche die Expression des mitochondrialen Uncoupling Protein 2 beeinflussen. Diese Arbeit erweitert das derzeitige Wissen über die metabolischen Effekte des NP/GC-A-Systems. Insbesondere zeigen die Ergebnisse, dass Natriuretische Peptide zu einer gesteigerten ß-Zellfunktion und Vitalität in frühen Stadien eines erhöhten Insulinbedarfs, d.h. bei Diabetes Typ 2, beitragen. Da die Studien eine wesentliche Rolle dieser kardialen Hormone im endokrinen Pankreas aufdecken, ist es umso wichtiger die pleiotropen Eigenschaften von NPs und ihre möglichen therapeutischen Anwendungen bei kardio-metabolischen Erkrankungen weiter zu untersuchen. / The cardiac hormones atrial (ANP) and B-type (BNP) natriuretic peptide exert well-known renal and cardiovascular actions which are mediated by their shared cGMP-forming guanylyl cyclase A receptor (GC-A). These actions are critically involved in the physiological maintenance of arterial blood pressure and intravascular volume homeostasis. In addition, recent studies indicate that NPs can increase fatty acid mobilization from adipose tissue and their oxidation by skeletal muscles and activate a thermogenic program in brown and white fat. Thereby NPs increase energy expenditure and improve insulin sensitivity. Moreover, obesity is associated with impaired NP/GC-A/cGMP signaling, which possibly contributes to the development of type 2 diabetes and its cardiometabolic complications. In vitro, synthetic ANP, via GC-A, stimulates glucose-dependent insulin release from cultured pancreatic islets and β-cell proliferation. However, the relevance for systemic insulin/glucose homeostasis in vivo is not known. To dissect whether the endogenous cardiac hormones modulate the secretory function and/or proliferation of β-cells under (patho)physiological conditions in vivo, here we generated a novel genetic mouse model with selective disruption of the GC-A receptor in β-cells (ß GC-A KO). In vitro, the insulinotropic and proliferative actions of ANP were abolished in islets isolated from β GC-A KO mice. Concordantly, in vivo, infusion of BNP mildly enhanced baseline plasma insulin levels and glucose-induced insulin secretion in control mice. This effect of exogenous BNP was abolished in β GC-A KO mice, corroborating the efficient inactivation of the GC-A receptor in β-cells. Interestingly, the ablation of the GC-A receptor under basal conditions had no effect on physiological and metabolic parameters in vivo. Both male and female ß GC-A KO animals showed no differences in basal insulin and glucose homeostasis, as they have similar fasting blood glucose and insulin levels (after overnight fasting) as the control mice. However, HFD-fed β GC-A KO animals had accelerated glucose intolerance and diminished adaptative β-cell proliferation. Apart from that, the most consistent result of the in vivo studies was the gender dependent difference in the impact of ß-cell GC-A deletion on glucose-stimulated insulin secretion. Female, but not male, ß GC-A KO mice showed enhanced fasted insulin levels and a markedly enhanced glucose-stimulated insulin secretion resulting in a distinctly improved glucose tolerance. The postulated and investigated mechanism involves an interaction of estrogens and NPs affecting expression levels of mitochondrial uncoupling protein 2. This thesis extends the current knowledge of the metabolic actions of the NP/GC-A system. Specifically the results indicate that natriuretic peptides contribute to enhanced ß-cell function and vitality during early stages of increased insulin demand, i.e. in type 2 diabetes. Since the studies show an essential role of these cardiac hormones in the endocrine pancreas, it becomes even more important to further investigate the pleiotropic actions of NPs and their potential therapeutic applications in cardio-metabolic diseases.

Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF) is a progressive lung disease characterized by altered lung fibroblasts known as myofibroblasts. These myofibroblasts play a crucial role in the development and progression of IPF by exhibiting increased proliferation, migration, and collagen production. One of the fibrogenic factors implicated in these pathological changes is Platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB). However, there is limited knowledge about endogenous factors that counteract these fibrotic processes. Previous research has shown that exogenously administered C-type Natriuretic Peptide (CNP) has a beneficial impact on tissue remodeling, specifically in conditions like heart and liver fibrosis. While CNP and its receptor, guanylyl cyclase B (GC-B), are expressed in the lungs, it remains unknown whether CNP can mitigate lung fibrosis through this pathway. To address this question, we first established murine pulmonary fibroblast isolation and culture and investigated whether PDGF-BB-induces any profibrotic changes in vitro. PDGF-BB stimulation led to an increase in the intracellular levels of the profibrotic proteins Collagen, type I, alpha 1 (Col1a1), Collagen, type III, alpha 1 (Col3a1) and Matrix metalloproteinase 9 (MMP9) indicating transition towards a fibrotic phenotype. Exogenous synthetic CNP at 10 nM and 100 nM could significantly attenuate the PDGF-BB-induced increase in intracellular Col1a1 and Col3a1 levels. CNP increased intracellular cGMP levels in cultured lung fibroblasts, indicating a presence of GC-B-dependent signaling pathway. Even in the presence of pre-existing high PDGF-BB levels, CNP was able to activate GC-B, thus triggering the intracellular signaling cascade. Furthermore, we could confirm, that PDGF-BB acts via activation of the MAPK cascade and PI3K/Akt/mTOR pathway, leading to phosphorylation and nuclear exclusion of forkhead box protein O3 (FoxO3), a transcription factor associated with the progression and severity of multiple diseases, including pulmonary fibrosis. This inactivation of FoxO3 could be attenuated by pretreatment with CNP. Furthermore, stimulation with CNP significantly increased the phosphorylation of VASP at serine 239, unaffected by PDGF-BB, suggesting that CNP mediates its attenuation of PDGF-BB-induced FoxO3 inactivation and decrease of collagen expression via activation of protein kinase G (PKG) I. Thus, in summary, CNP inhibits PDGF-BB-induced Col1a1 and Col3a1 expression which might me mediated by maintenance of FoxO3 activation. / Idiopathische Lungenfibrose (IPF) ist eine fortschreitende Lungenerkrankung, die durch veränderte Lungengewebszellen, sogenannte Myofibroblasten, gekennzeichnet ist. Diese Myofibroblasten spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und dem Fortschreiten der IPF, indem sie eine erhöhte Proliferation, Zellmigration und Kollagenproduktion zeigen. Einer der fibrogenen Faktoren, die an diesen pathologischen Veränderungen beteiligt sind, ist Platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB). Es ist jedoch wenig darüber bekannt, welche endogenen Faktoren diesen fibrotischen Prozessen entgegenwirken. Frühere Forschungsarbeiten haben allerdings gezeigt, dass exogen verabreichtes C-Typ natriuretischem Peptid (CNP) eine schützende Wirkung auf den Gewebeumbau hat, insbesondere bei Erkrankungen wie Herz- und Leberfibrose. Obwohl CNP und sein Rezeptor Guanylylzyklase B (GC-B) in der Lunge exprimiert werden, ist noch unbekannt, ob CNP durch diesen Signalweg die Lungenfibrose mildern kann. Um diese Frage zu beantworten, isolierten und kultivierten wir zunächst murine Lungenfibroblasten und untersuchten, ob PDGF-BB in vitro profibrotische Veränderungen hervorruft. Die Stimulierung mit PDGF-BB führte zu einem Anstieg der intrazellulären Spiegel der profibrotischen Proteine Kollagen Typ I, alpha 1 (Col1a1), Kollagen Typ III, alpha 1 (Col3a1) und Matrix-Metalloproteinase 9 (MMP9), was auf eine Transformation zu einem fibrotischen Phänotyp hin. Exogen zugeführtes synthetisches CNP von 10 nM und 100 nM konnte den durch PDGF-BB verursachten Anstieg der intrazellulären Col1a1- und Col3a1-Spiegel signifikant abschwächen. CNP erhöhte den intrazellulären cGMP-Spiegel in kultivierten Lungenfibroblasten, was auf einen GC-B-abhängigen Signalweg hinweist. Selbst in Gegenwart hoher PDGF-BB-Spiegel konnte CNP seinen Rezeptor GC-B aktivieren und somit die intrazelluläre Signalkaskade auslösen. Darüber hinaus konnten wir bestätigen, dass PDGF-BB über die Aktivierung der MAPK-Kaskade und des PI3K/Akt/mTOR-Signalwegs wirkt, was zur Phosphorylierung und Ausschluss von Forkhead-Box-Protein O3 (FoxO3) aus dem Nukleus führt, eines Transkriptionsfaktors, der mit dem Fortschreiten und der Schwere zahlreicher Krankheiten, einschließlich pulmonaler Fibrose, in Verbindung gebracht wird. Diese Inaktivierung von FoxO3 konnte durch Vorbehandlung mit CNP abgeschwächt werden. Des Weiteren erhöhte die Stimulation mit CNP signifikant die Phosphorylierung von VASP an Serin 239 unbeeinflusst von PDGF-BB. Dies legt nahe, dass CNP seine Abschwächung der PDGF-BB-induzierten Inaktivierung von FoxO3 und Verringerung der Kollagenexpression über die Aktivierung von Proteinkinase G (PKG) I vermittelt. Zusammenfassend hemmt CNP die PDGF-BB-induzierte Expression von Col1a1 und Col3a1, was durch die Aufrechterhaltung der FoxO3-Aktivierung vermittelt werden könnte.