Universiẗat, Diss., 2002--Dortmund.

La Diabetis Mellitus tipus 2 (DM2) és una malaltia metabòlica complexa que afecta entre un 4 i un 5% de la població en les societats industrialitzades. Aquesta patologia es caracteritza per la presència, en la seva fase inicial, de resistència a la insulina (RI). Freqüentment, una de les primeres alteracions que s´observen en els individus amb predisposició a patir RI/DM2 és l´acumulació de grassa intraabdominal. De fet, la relació epidemiològica entre l´obesitat i la RI és molt sòlida. A més, en l´última dècada nombroses evidències han posat de manifest l´existència d´una estreta relació entre un estat d´inflamació crònic de baixa intensitat i la presència d´obesitat-RI-DM2. De tota manera, tot i que el vincle entre l´increment d´àcids grassos lliures en plasma i la diabetis està ben acceptat, els mecanismes implicats en l´aparició de RI i DM2 induïdes per aquests àcids grassos no són ben coneguts. Per aquest motiu, l´objectiu d´aquesta tesi doctoral ha estat aprofundir en els mecanismes implicats en l´aparició de RI induïda per l´àcid gras saturat palmitat i estudiar la funció de l´enzim COX-2 en aquestes condicions, així com també determinar la capacitat de l´àcid gras monoinsaturat oleat i de l´agonista PPARdelta GW501516 per a prevenir la inflamació i la RI induïdes pel palmitat en miotubs de ratolí C2C12.Els estudis realitzats indiquen que la presència elevada de l´àcid gras saturat palmitat provoca una disminució de PGC-1alfa(coactivador que controla l´expressió de gens mitocondrials) a través de l´activació de la via ERK-MAPK-NF-kB, així com també l´acumulació de diacilglicerol intramiocel·lular, fent que apareguin estats d´inflamació i RI. A més, s´ha observat que un augment agut de determinats marcadors inflamatoris, com la COX-2, contribueixen a resoldre aquest procés inflamatori generat per l´acumulació de lípids, tot i que la seva presència de manera crònica accentua l´estat inflamatori. Segons hem pogut constatar amb el nostre model in vitro de RI, l´àcid gras monoinsaturat oleat i el GW501516 podrien ser dues noves possibilitats terapèutiques per evitar la inflamació induïda per àcids grassos i millorar la sensibilitat a la insulina, ja que tenen la capacitat d´incrementar la beta-oxidació mitocondrial impedint així que s´acumulin metabolits lipotòxics com el diacilglicerol. / Insulin resistance (IR) is a major characteristic of type 2 diabetes mellitus and is also associated with obesity. Impairment of glucose utilization and insulin sensitivity has been related to the presence of high free fatty acids in plasma and a low-grade chronic systemic inflammation. However, the mechanisms by which free fatty results in inflammation and IR are not well understood. After exposing C2C12 cells (mouse myotubes) to the saturated fatty acid palmitate, we observed, on the one hand, a reduction in PGC-1-alpha gene expression through the activation of ERK-MAPK-NF-kB pathway, and on the other hand, an increase in diacylglycerol accumulation. Moreover, we observed that the presence of palmitate increased COX-2 expression, which seems to contribute to resolve the acute, but not chronic, inflammation. Our in vitro model of IR also showed that the monounsaturated fatty acid oleate and the PPAR-delta agonist GW501516, could avoid the development of inflammation and IR induced by fatty acids through an increase in mitochondrial beta-oxidation, thus preventing the accumulation of lipotoxic metabolites, such as dicylglycerol.

Adipöse Patienten und Typ-2-Diabetiker zeigen ein erhöhtes Risiko für Harnwegsinfekte. Die Ursache der höheren Prävalenz ist noch nicht nachhaltig geklärt. Bekannt ist, dass Typ-2-Diabetiker erhöhte Konzentrationen freier Fettsäuren im Blut aufweisen. Der veränderte Fettstoffwechsel könnte neben bakteriellen Ursachen ein möglicher Grund für abakterielle Entzündungsreaktionen der Harnblase sein. Zur Prüfung dieser Hypothese wurden zeit- und konzentrationsabhängig kultivierte humane Detrusormyozyten im Vergleich zur Lipopolysaccharid (LPS) induzierten Entzündungsreaktion mit Palmitat stimuliert. Es wurde geprüft, ob eine autokrine und/oder endokrine Regulation des IL-6-Signalwegs vorliegt. Im Fokus standen insbesondere die IL-6- und MCP-1-Expression und deren möglichen regulatorischen Proteine gp80, gp130, NF-κB, STAT3, SOCS3 und MEK1. Die Stimulationsversuche mit LPS und Palmitat zeigen einen differenten zeit- und konzentrationsabhängigen Effekt auf die IL-6- und MCP-1-Expression in den humanen Detrusormyozyten. LPS und Palmitat induzieren eine zeitabhängige autokrine Regulation der IL-6-Signalkaskade über phosphoryliertes STAT3 und Feedback-mechanismen via SOCS3. Sowohl LPS als auch Palmitat bewirken über 48h eine mögliche endokrine Regulation des IL-6-Signalwegs. Zusammenfassend zeigt die Palmitatstimulation zeit- und konzentrationsabhängig einen stärkeren Effekt auf die IL-6-Signalwirkung als die Stimulation mit LPS. / Background: Urinary tract infections (UTI) are more frequent in type-2 diabetes mellitus patients than in subjects with normal glucose metabolism. The mechanisms underlying this higher prevalence of UTI are unknown. However, cytokine levels are altered in diabetic patients and may thus contribute to the development of UTI. Increased levels of free fatty acids (FFA), as observed in obese patients, can induce IL-6 production in various cell types. Therefore we studied the effects of the free fatty acid palmitate and bacterial lipopolysaccharide (LPS) on interleukin-6 (IL-6) and monocyte chemotactic protein-1 (MCP-1) expression and secretion in cultured human bladder smooth muscle cells (hBSMC). Methodology/Principal Findings: Biopsies were taken from patients undergoing cystectomy due to bladder cancer. Palmitate or LPS stimulated hBSMC were analysed for the production and secretion of the IL-6, gp80, gp80soluble, gp130, MCP-1, pSTAT3, SOCS3, NF-kB and SHP2 by quantitative PCR, ELISA, Western blotting, and confocal immunofluorescence. In signal transduction inhibition experiments we evaluated the involvement of NF-kB and MEK1 in IL-6 and MCP-1 regulation. Palmitate upregulates IL-6 mRNA expression and secretion via NF-kB dependent pathways in a concentration- and timedependent manner. MCP-1 was moderately upregulated by palmitate but was strongly upregulated by LPS involving NF-kB and MEK1 dependent pathways. Soluble IL-6 receptor (gp80soluble) was downregulated by palmitate and LPS, while membrane-bound gp80 was moderately upregulated. LPS increased SOCS3 and SHP2, whereas palmitate only induced SOCS3. Secondary finding: most of the IL-6 is secreted. Conclusions/Significance: Bacterial infection (LPS) or metabolic alterations (palmitate) have distinct effects on IL-6 expression in hBSMC, (i) short term LPS induced autocrine JAK/STAT signaling and (ii) long-term endocrine regulation of IL-6 by palmitate. Induction of IL-6 in human bladder smooth muscle cells by fatty acids may represent a pathogenetic factor underlying the higher frequency and persistence of urinary tract infections in patients with metabolic diseases.

In this project I sought to analyse the effects of different free fatty acids (FFAs) on INS-1E β-cells. The saturated fatty acid palmitate is considered toxic whereas the monounsaturated fatty acid oleate is harmless. In my working hypothesis I assumed an additional protective effect of oleate when used in combination with palmitate. Furthermore I aimed to explore in detail the possible causes and signalling pathways responsible for apoptosis or sustained cell survival. I examined the Endoplasmic Reticulum (ER) stress response, called unfolded protein response (UPR), as one essential criterion deciding about cell death or life. Analysis of viability and apoptosis confirmed the deleterious effect of palmitate on INS-1E β-cells after 24h of incubation. Oleate proved not to be harmful and even reversed the toxicity of palmitate. When the main components of the UPR were assessed using Western blot analyses and quantitative PCR was performed I found positive proof that palmitate activated the UPR and ultimately led to apoptosis. By contrast, oleate completely prevented UPR signalling. I conclude that oleate rescues INS-1E β-cells by inhibiting ER stress and its signalling.

Adipöse Patienten und Typ-2-Diabetiker zeigen ein erhöhtes Risiko für Harnwegsinfekte. Die Ursache der höheren Prävalenz ist noch nicht nachhaltig geklärt. Bekannt ist, dass Typ-2-Diabetiker erhöhte Konzentrationen freier Fettsäuren im Blut aufweisen. Der veränderte Fettstoffwechsel könnte neben bakteriellen Ursachen ein möglicher Grund für abakterielle Entzündungsreaktionen der Harnblase sein. Zur Prüfung dieser Hypothese wurden zeit- und konzentrationsabhängig kultivierte humane Detrusormyozyten im Vergleich zur Lipopolysaccharid (LPS) induzierten Entzündungsreaktion mit Palmitat stimuliert. Es wurde geprüft, ob eine autokrine und/oder endokrine Regulation des IL-6-Signalwegs vorliegt. Im Fokus standen insbesondere die IL-6- und MCP-1-Expression und deren möglichen regulatorischen Proteine gp80, gp130, NF-κB, STAT3, SOCS3 und MEK1. Die Stimulationsversuche mit LPS und Palmitat zeigen einen differenten zeit- und konzentrationsabhängigen Effekt auf die IL-6- und MCP-1-Expression in den humanen Detrusormyozyten. LPS und Palmitat induzieren eine zeitabhängige autokrine Regulation der IL-6-Signalkaskade über phosphoryliertes STAT3 und Feedback-mechanismen via SOCS3. Sowohl LPS als auch Palmitat bewirken über 48h eine mögliche endokrine Regulation des IL-6-Signalwegs. Zusammenfassend zeigt die Palmitatstimulation zeit- und konzentrationsabhängig einen stärkeren Effekt auf die IL-6-Signalwirkung als die Stimulation mit LPS.:Abkürzungsverzeichnis 1. Hintergrund und Ziel der Arbeit 2. Methoden 3. Ergebnisse 3.1 Struktur und Funktion der suburothelialen Myofibroblasten 3.2 Entzündungsmechanismen der Harnblase 3.3 Einfluss von Palmitat auf die IL-6 and MCP-1 Expression humaner Detrusormyozyten - Link zwischen Stoffwechsel und immunologischer Reaktion der Harnblasenmuskulatur 3.4 IL-6 - JAK/STAT - Signalweg in den Detrusormyozyten 3.5 Schlussfolgerungen 4. Literaturverzeichnis 5. Publikationen 5.1 Struktur und Funktion der suburothelialen Myofibroblasten in der humanen Harnblase unter normalen und pathologischen Bedingungen 5.2 Regulation von Interleukin-6 durch Lipopolysaccharid-Stimulation in kultivierten Detrusormyozyten 5.3 Palmitate induced IL-6 and MCP-1 expression in human bladder smooth muscle cells provides a link between diabetes and urinary tract infections 6. Zusammenfassung der Arbeiten Anlagen / Background: Urinary tract infections (UTI) are more frequent in type-2 diabetes mellitus patients than in subjects with normal glucose metabolism. The mechanisms underlying this higher prevalence of UTI are unknown. However, cytokine levels are altered in diabetic patients and may thus contribute to the development of UTI. Increased levels of free fatty acids (FFA), as observed in obese patients, can induce IL-6 production in various cell types. Therefore we studied the effects of the free fatty acid palmitate and bacterial lipopolysaccharide (LPS) on interleukin-6 (IL-6) and monocyte chemotactic protein-1 (MCP-1) expression and secretion in cultured human bladder smooth muscle cells (hBSMC). Methodology/Principal Findings: Biopsies were taken from patients undergoing cystectomy due to bladder cancer. Palmitate or LPS stimulated hBSMC were analysed for the production and secretion of the IL-6, gp80, gp80soluble, gp130, MCP-1, pSTAT3, SOCS3, NF-kB and SHP2 by quantitative PCR, ELISA, Western blotting, and confocal immunofluorescence. In signal transduction inhibition experiments we evaluated the involvement of NF-kB and MEK1 in IL-6 and MCP-1 regulation. Palmitate upregulates IL-6 mRNA expression and secretion via NF-kB dependent pathways in a concentration- and timedependent manner. MCP-1 was moderately upregulated by palmitate but was strongly upregulated by LPS involving NF-kB and MEK1 dependent pathways. Soluble IL-6 receptor (gp80soluble) was downregulated by palmitate and LPS, while membrane-bound gp80 was moderately upregulated. LPS increased SOCS3 and SHP2, whereas palmitate only induced SOCS3. Secondary finding: most of the IL-6 is secreted. Conclusions/Significance: Bacterial infection (LPS) or metabolic alterations (palmitate) have distinct effects on IL-6 expression in hBSMC, (i) short term LPS induced autocrine JAK/STAT signaling and (ii) long-term endocrine regulation of IL-6 by palmitate. Induction of IL-6 in human bladder smooth muscle cells by fatty acids may represent a pathogenetic factor underlying the higher frequency and persistence of urinary tract infections in patients with metabolic diseases.:Abkürzungsverzeichnis 1. Hintergrund und Ziel der Arbeit 2. Methoden 3. Ergebnisse 3.1 Struktur und Funktion der suburothelialen Myofibroblasten 3.2 Entzündungsmechanismen der Harnblase 3.3 Einfluss von Palmitat auf die IL-6 and MCP-1 Expression humaner Detrusormyozyten - Link zwischen Stoffwechsel und immunologischer Reaktion der Harnblasenmuskulatur 3.4 IL-6 - JAK/STAT - Signalweg in den Detrusormyozyten 3.5 Schlussfolgerungen 4. Literaturverzeichnis 5. Publikationen 5.1 Struktur und Funktion der suburothelialen Myofibroblasten in der humanen Harnblase unter normalen und pathologischen Bedingungen 5.2 Regulation von Interleukin-6 durch Lipopolysaccharid-Stimulation in kultivierten Detrusormyozyten 5.3 Palmitate induced IL-6 and MCP-1 expression in human bladder smooth muscle cells provides a link between diabetes and urinary tract infections 6. Zusammenfassung der Arbeiten Anlagen

In this project I sought to analyse the effects of different free fatty acids (FFAs) on INS-1E β-cells. The saturated fatty acid palmitate is considered toxic whereas the monounsaturated fatty acid oleate is harmless. In my working hypothesis I assumed an additional protective effect of oleate when used in combination with palmitate. Furthermore I aimed to explore in detail the possible causes and signalling pathways responsible for apoptosis or sustained cell survival. I examined the Endoplasmic Reticulum (ER) stress response, called unfolded protein response (UPR), as one essential criterion deciding about cell death or life. Analysis of viability and apoptosis confirmed the deleterious effect of palmitate on INS-1E β-cells after 24h of incubation. Oleate proved not to be harmful and even reversed the toxicity of palmitate. When the main components of the UPR were assessed using Western blot analyses and quantitative PCR was performed I found positive proof that palmitate activated the UPR and ultimately led to apoptosis. By contrast, oleate completely prevented UPR signalling. I conclude that oleate rescues INS-1E β-cells by inhibiting ER stress and its signalling.

Diese Arbeit beinhaltet Untersuchungen zu den unterschiedlichen Isoformen des Leptinrezeptors und dessen Regulation in primären humanen Hepatozyten. Leptin und der Leptinrezeptor nehmen in der Physiologie des menschlichen Energiehaushaltes eine wesentliche Funktion ein und sind an der Pathogenese der Adipositas mit Folgeerkrankungen wie der Entwicklung einer Fettleber beteiligt. Es wird erstmalig geprüft inwieweit das Modellsystem primärer humaner Hepatozyten für Analysen der Leptinrezeptor-Expression und der Abspaltung von löslichem Leptinrezeptor geeignet ist. Weiterhin werden untersucht, welchen Einfluss endokrine Regulatoren wie Dexamethason, Leptin und Glucagon auf die isoformspezifischen Rezeptormengen in primären Hepatozyten haben und wie der Rezeptor unter Apoptose reguliert ist, welche durch die lipotoxischen Effekte der freien Fettsäure Palmitat und den Apoptoseinduktor Staurosporin induziert wird. Hierdurch können Rückschlüsse auf eine möglicherweise veränderte Wirksamkeit des Leptins in der Leber gezogen werden.

Diese Arbeit beinhaltet Untersuchungen zu den unterschiedlichen Isoformen des Leptinrezeptors und dessen Regulation in primären humanen Hepatozyten. Leptin und der Leptinrezeptor nehmen in der Physiologie des menschlichen Energiehaushaltes eine wesentliche Funktion ein und sind an der Pathogenese der Adipositas mit Folgeerkrankungen wie der Entwicklung einer Fettleber beteiligt. Es wird erstmalig geprüft inwieweit das Modellsystem primärer humaner Hepatozyten für Analysen der Leptinrezeptor-Expression und der Abspaltung von löslichem Leptinrezeptor geeignet ist. Weiterhin werden untersucht, welchen Einfluss endokrine Regulatoren wie Dexamethason, Leptin und Glucagon auf die isoformspezifischen Rezeptormengen in primären Hepatozyten haben und wie der Rezeptor unter Apoptose reguliert ist, welche durch die lipotoxischen Effekte der freien Fettsäure Palmitat und den Apoptoseinduktor Staurosporin induziert wird. Hierdurch können Rückschlüsse auf eine möglicherweise veränderte Wirksamkeit des Leptins in der Leber gezogen werden.