Überernährung an einer westlichen Diät ist häufig durch eine erhöhte Fettleibigkeit und eine neuronale Entzündungsreaktion im Hypothalamus gekennzeichnet. Der Hypothalamus ist für die Regulation der Energiehomöostase und der Nahrungsaufnahme von entscheidender Bedeutung. Klinische Daten belegen, dass die neuropathologische Inflammation auch nach einem Gewichtsverlust aufgrund einer Kalorienrestriktion bestehen bleibt. Die bariatrische Chirurgie wie der Roux-en-Y Magenbypass gehört in der Behandlung der Adipositas bisher zu den effektivsten Therapieansätzen, da sie im Vergleich zur Kalorienrestriktion zu einem deutlichen und langanhaltenden Gewichtsverlust führt. Bisher wurden die Auswirkungen des Roux-en-Y Magenbypass auf den Hypothalamus nicht erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung des Roux-en-Y Magenbypass auf die Entzündungsprozesse im Hypothalamus und die Auswirkung auf die Leptin-Sensitivität im Vergleich zur Kalorienrestriktion untersucht. Unter Verwendung der RT-qPCR- und der Western Blot-Methodik wurde die Expression spezifischer Marker im Hypothalamus untersucht, die an einem vermehrten Zellstress im ER und aktivierten Mikroglia im Gehirn der Ratten beteiligt sind. Postoperativ wurde die zirkulierende Leptinkonzentration im Blutplasma der Tiere gemessen und für die Testung der Leptin-Sensitivität nach exogener Leptinzufuhr das Essverhalten der Tiere beobachtet. Die Untersuchungen zeigten, dass der Roux-en-Y Magenbypass zu einer deutlichen Gewichtsreduktion und einem verminderten Konsum an hochkalorischer Nahrung führt. Im Hypothalamus zeigten sich im Vergleich zur diätetischen Kalorienrestriktion eine verminderte Aktivität der Mikroglia und eine reduzierte Inflammation. Außerdem zeigte sich eine deutlich erhöhte Leptinsensitivität mit reduzierter Nahrungsaufnahme nach exogener Leptin-Injektion. Der Roux-en-Y Magenbypass führt im Vergleich zur diätetischen Kalorienrestriktion zu einer Reduktion der Inflammation im Hypothalamus und zu einer verbesserten Leptinsensitivität. Dies könnte die unterschiedliche Effektivität in den Langzeitergebnissen des Roux-en-Y Magenbypass im Vergleich zur diätetischen Kalorienzufuhr begründen.

Einleitung Angesichts des besorgniserregenden Anstiegs der weltweiten Inzidenz von Übergewicht und Adipositas sowie der damit assoziierten Komorbiditäten, bedarf es neben weitreichenden präventiven Maßnahmen vor allem der Entwicklung neuer, nachhaltig effizienter Strategien zum langfristigen Gewichts- und Stoffwechselmanagement. Als wichtiger Ausgangspunkt für solch non-invasive Behandlungsalternativen, könnte das Verständnis der zugrundeliegenden Wirkmechanismen der „bariatrisch-metabolischen Chirurgie“, mit dem Roux-en-Y Magenbypass (Roux-en-Y gastric bypass, RYGB) als eines der am häufigsten angewandten Verfahren, genutzt werden. Zumal der langfristige Erfolg der RYGB-Operation nicht nur auf die restriktiv-malabsorptiven Modifikationen zurückzuführen ist, sondern auch mit zahlreichen vom Gewichtsverlust unabhängigen Faktoren, wie einer erheblichen Umgestaltung der mikrobiellen Darmbesiedlung, in Verbindung gebracht wird. Inwieweit es sich hierbei um eine kausale Verbindung zwischen der RYGB-modulierten intestinalen Mikrobiota und den durch den chirurgischen Eingriff induzierten Gesundheitsvorteilen handelt, blieb bislang jedoch ungeklärt. Ziel der Untersuchung Die vorliegende Arbeit dient der Darstellung der funktionellen Beziehung zwischen der RYGB-spezifischen Darm-Mikrobiota und den positiven therapeutischen Effekten der Roux-en-Y Magenbypass-Operation bei diätetisch-induzierter Adipositas. Hierbei ist vor allem die Rolle der postoperativen „RYGB-Mikrobiota“ beim Erreichen der nachhaltigen Gewichtsreduktion und verbesserten Stoffwechselfunktion von besonderem Interesse. Im Weiteren wird die Mikrobiota-basierte Übertragbarkeit jener vorteilhaften Auswirkungen des bariatrischen Eingriffs auf ein konventionelles Adipositasmodell untersucht. Ergebnisse Mithilfe der gezielten Dezimierung der mikrobiellen Darmflora von RYGB-operierten Tieren, ließ sich die grundlegende Bedeutung derselben für die postoperativen Verbesserungen der Gewichts-, Stoffwechsel- und Energiekontrolle des Wirtes verdeutlichen. So führte die kontinuierliche Antibiotikagabe zu einer signifikanten Minderung der positiven klinischen Effekte des Eingriffes, was als Beweis für die essenzielle Bedeutung der intestinalen „RYGB-Mikrobiota“ zum Erreichen des vollen Ausmaßes der therapeutischen Wirksamkeit der Operation bewertet werden kann. Basierend auf Versuchen, die die Übertragbarkeit bariatrischer Therapieeffekte auf keimfreie, metabolisch unbelastete Versuchstiere belegen, gelang es uns zudem nachzuweisen, dass der fäkale Mikrobiota-Transfer der post-RYGB veränderten mikrobiellen Darmbesiedlung auch bei konventionell aufgezogenen, nicht-operierten Kleinnagern mit diätetisch-induzierter Adipositas ausreicht, um die positiven Auswirkungen der Operation auf die Stoffwechselgesundheit des Empfängers nachzuahmen. Schlussfolgerungen So unterstreichen die Ergebnisse unseres konventionellen Adipositas-Krankheitsmodells zum einen die entscheidende Rolle der intestinalen Mikrobiota als Schlüsselfaktor für den Operationserfolg des Roux-en-Y Magenbypasses und veranschaulichen zum anderen eine innovative Möglichkeit zur Behandlung von Adipositas und den damit verbundenen Stoffwechselerkrankungen auf der Grundlage von Mikrobiota-Modulation.:INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 2 LITERATURÜBERSICHT 2.1 Adipositas in unserer Gesellschaft 2.2 Therapiemöglichkeiten von Adipositas 2.2.1 konservative Behandlungsansätze 2.2.2 bariatrische Chirurgie 2.3 Auswirkungen der Roux-en-Y Magenbypass-Operation auf das Körpergewicht, den Stoffwechsel und die intestinale Mikrobiota bei Adipositas 2.4 Rolle der intestinalen Mikrobiota bei physiologischen und pathologischen Stoffwechselprozessen im Wirtsorganismus 2.5 Behandlung von Darmerkrankungen und extraintestinalen Krankheiten durch fäkalen Mikrobiota-Transfer 2.6 Evidenz für die Übertragung des metabolischen Phänotyps durch fäkalen Mikrobiota-Transfer 2.7 Bisherige Evidenz zur Wirkung der nach RYGB-Operation modulierten intestinalen Mikrobiota auf den Wirtsstoffwechsel 2.8 Fragestellungen und Hypothesen 3 TIERE, MATERIALIEN UND METHODEN 3.1 Versuchstiere 3.2 Materialien 3.2.1 Materialien des allgemeinen Versuchsablaufs und der In-vivo-Tests 3.2.2 Materialien der Roux-en-Y Magenbypass-Operation 3.2.3 Materialien der Ex-vivo-Analysen 3.3 Methoden 3.3.1 Allgemeiner Versuchsablauf 3.3.2 Roux-en-Y Magenbypass-Operation in der Ratte 3.3.2.1 Präoperative Versorgung 3.3.2.2 OP-Ablauf 3.3.2.3 Postoperative Versorgung 3.3.3 In-vivo-Tests 3.3.3.1 Glukosetoleranztest 3.3.3.2 Insulintoleranztest 3.3.3.3 Kälteexposition und Wärmebildaufnahme 3.3.3.4 Echo MRI 3.3.4 Ex-vivo-Analysen 3.3.4.1 Gewebeentnahme und -konservierung 3.3.4.2 Histologische Gewebeaufarbeitung 3.3.4.2.1 Generierung histologischer Gewebeschnitte 3.3.4.2.2 Immunhistochemische/Histologische Färbeverfahren 3.3.4.2.3 Mikroskopische Gewebsanalyse 3.3.4.3 Absorptionsphotometrie 3.3.4.4 Statistische Auswertung 4 ERGEBNISSE 4.1 Dezimierung der intestinalen Mikrobiota post-RYGB beeinflusst die therapeutischen Effekte der operativen Intervention auf den Wirtsorganismus 4.1.1 Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ verändert den Einfluss der Operation auf die Futterpräferenz, Energiezufuhr und das Körpergewicht 4.1.2 Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ modifiziert die Auswirkungen der chirurgischen Intervention auf die Glukose-Homöostase 4.1.3 Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ beeinflusst die Folgen des bariatrischen Eingriffs auf den Lipidmetabolismus 4.1.4 Auswirkung der Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ auf die postoperativ auftretenden Veränderungen des Energiehaushaltes (Thermogenese) 4.1.5 Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ verändert die Effekte der Operation auf die Morphologie des Darms 4.2 Übertragung der post-RYGB veränderten intestinalen Mikrobiota auf ein konventionelles Adipositasmodell imitiert die therapeutischen Effekte der operativen Intervention 4.2.1 Einfluss des Transfers der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ auf die Futterpräferenz, Energiezufuhr und das Körpergewicht im konventionellen Adipositasmodell 4.2.2 Auswirkung des Transfers der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ auf die Glukose- Homöostase im konventionellen Adipositasmodell 4.2.3 Beeinflussung des Lipidmetabolismus durch den Transfer der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ im konventionellen Adipositasmodell 4.2.4 Veränderung des Energiehaushaltes (Thermogenese) durch den Transfer der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ im konventionellen Adipositasmodell 4.2.5 Transfer der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ modifiziert die Morphologie des Darms im konventionellen Adipositasmodell 5 DISKUSSION 5.1 Kausale Rolle der postoperativ veränderten intestinalen „RYGB-Mikrobiota“ für den Therapieerfolg der Operation 5.2 Therapeutische Bedeutung der RYGB-spezifischen intestinalen Mikrobiota auf Gewicht und Stoffwechsel bei konventioneller Adipositas 5.3 Fazit und Ausblick 6 ZUSAMMENFASSUNG 7 SUMMARY 8 LITERATURVERZEICHNIS / Introduction In view of the alarming increase in the global incidence of overweight and obesity and the associated comorbidities, there is a particular need for the development of new, sustainably efficient strategies for long-term weight and metabolic management, in addition to far-reaching preventive measures. As an important starting point for such noninvasive treatment alternatives, the understanding of the underlying mechanisms of action of 'bariatric metabolic surgery', with Roux-en-Y gastric bypass (RYGB) as one of the most commonly used procedures, could be used. Especially since the long-term success of RYGB surgery is not only due to the restrictive malabsorptive modifications, but also associated with numerous factors independent of weight loss, such as significant transformation of the intestinal microbial colonization. However, the extent to which this constitutes a causal link between the RYGB-modulated intestinal microbiota and the health benefits induced by the surgical intervention has so far remained unclear. Aims of the Study The aim of this investigation is to present the functional relationship between the RYGB-specific gut microbiota and the beneficial therapeutic effects of Roux-en-Y gastric bypass surgery for diet-induced obesity. Here, the role of the postoperative 'RYGB-microbiota' in achieving sustained weight loss and improved metabolic function is of particular interest. Furthermore, the microbiota-based transferability of those beneficial effects of bariatric surgery to a conventional obesity model is investigated. Results Using deliberate depletion of the intestinal microbial flora of RYGB-operated animals, our experiments in the RYGB small animal model allowed us to elucidate the fundamental importance of surgery-induced modulation of the intestinal microbiota for the postoperative improvements in the host's weight as well as metabolic, and energy control. In fact, continuous administration of antibiotics significantly attenuated the beneficial clinical effects of the Roux-en-Y gastric bypass, which can be interpreted as evidence of the essential importance of the intestinal 'RYGB-microbiota' for the full extent of the therapeutic efficacy of surgery. Based on experiments demonstrating the transferability of the effects of bariatric therapy to germ-free, metabolically unaffected experimental animals, we were also able to demonstrate that fecal microbiota transfer of the altered post-RYGB intestinal microbial colonization was sufficient to mimic the beneficial effects of surgery on the metabolic health of the recipient, even in non-operated, conventionally reared small rodents with diet-induced obesity. Conclusions Thus, the results of our conventional obesity disease model both highlight the critical role of intestinal microbiota as a key factor in the surgical success of Roux-en-Y gastric bypass and illustrate an innovative way to treat obesity and associated metabolic diseases through microbiota modulation.:INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 2 LITERATURÜBERSICHT 2.1 Adipositas in unserer Gesellschaft 2.2 Therapiemöglichkeiten von Adipositas 2.2.1 konservative Behandlungsansätze 2.2.2 bariatrische Chirurgie 2.3 Auswirkungen der Roux-en-Y Magenbypass-Operation auf das Körpergewicht, den Stoffwechsel und die intestinale Mikrobiota bei Adipositas 2.4 Rolle der intestinalen Mikrobiota bei physiologischen und pathologischen Stoffwechselprozessen im Wirtsorganismus 2.5 Behandlung von Darmerkrankungen und extraintestinalen Krankheiten durch fäkalen Mikrobiota-Transfer 2.6 Evidenz für die Übertragung des metabolischen Phänotyps durch fäkalen Mikrobiota-Transfer 2.7 Bisherige Evidenz zur Wirkung der nach RYGB-Operation modulierten intestinalen Mikrobiota auf den Wirtsstoffwechsel 2.8 Fragestellungen und Hypothesen 3 TIERE, MATERIALIEN UND METHODEN 3.1 Versuchstiere 3.2 Materialien 3.2.1 Materialien des allgemeinen Versuchsablaufs und der In-vivo-Tests 3.2.2 Materialien der Roux-en-Y Magenbypass-Operation 3.2.3 Materialien der Ex-vivo-Analysen 3.3 Methoden 3.3.1 Allgemeiner Versuchsablauf 3.3.2 Roux-en-Y Magenbypass-Operation in der Ratte 3.3.2.1 Präoperative Versorgung 3.3.2.2 OP-Ablauf 3.3.2.3 Postoperative Versorgung 3.3.3 In-vivo-Tests 3.3.3.1 Glukosetoleranztest 3.3.3.2 Insulintoleranztest 3.3.3.3 Kälteexposition und Wärmebildaufnahme 3.3.3.4 Echo MRI 3.3.4 Ex-vivo-Analysen 3.3.4.1 Gewebeentnahme und -konservierung 3.3.4.2 Histologische Gewebeaufarbeitung 3.3.4.2.1 Generierung histologischer Gewebeschnitte 3.3.4.2.2 Immunhistochemische/Histologische Färbeverfahren 3.3.4.2.3 Mikroskopische Gewebsanalyse 3.3.4.3 Absorptionsphotometrie 3.3.4.4 Statistische Auswertung 4 ERGEBNISSE 4.1 Dezimierung der intestinalen Mikrobiota post-RYGB beeinflusst die therapeutischen Effekte der operativen Intervention auf den Wirtsorganismus 4.1.1 Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ verändert den Einfluss der Operation auf die Futterpräferenz, Energiezufuhr und das Körpergewicht 4.1.2 Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ modifiziert die Auswirkungen der chirurgischen Intervention auf die Glukose-Homöostase 4.1.3 Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ beeinflusst die Folgen des bariatrischen Eingriffs auf den Lipidmetabolismus 4.1.4 Auswirkung der Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ auf die postoperativ auftretenden Veränderungen des Energiehaushaltes (Thermogenese) 4.1.5 Dezimierung der „RYGB-Mikrobiota“ verändert die Effekte der Operation auf die Morphologie des Darms 4.2 Übertragung der post-RYGB veränderten intestinalen Mikrobiota auf ein konventionelles Adipositasmodell imitiert die therapeutischen Effekte der operativen Intervention 4.2.1 Einfluss des Transfers der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ auf die Futterpräferenz, Energiezufuhr und das Körpergewicht im konventionellen Adipositasmodell 4.2.2 Auswirkung des Transfers der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ auf die Glukose- Homöostase im konventionellen Adipositasmodell 4.2.3 Beeinflussung des Lipidmetabolismus durch den Transfer der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ im konventionellen Adipositasmodell 4.2.4 Veränderung des Energiehaushaltes (Thermogenese) durch den Transfer der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ im konventionellen Adipositasmodell 4.2.5 Transfer der fäkalen „RYGB-Mikrobiota“ modifiziert die Morphologie des Darms im konventionellen Adipositasmodell 5 DISKUSSION 5.1 Kausale Rolle der postoperativ veränderten intestinalen „RYGB-Mikrobiota“ für den Therapieerfolg der Operation 5.2 Therapeutische Bedeutung der RYGB-spezifischen intestinalen Mikrobiota auf Gewicht und Stoffwechsel bei konventioneller Adipositas 5.3 Fazit und Ausblick 6 ZUSAMMENFASSUNG 7 SUMMARY 8 LITERATURVERZEICHNIS