Adipositas und die damit verbundenen Folgeerkrankungen sind eine der zentralen Gesund-heitsherausforderungen unserer Zeit. Dauerhafte Adipositas führt zu einer Dysregulation fettgewebseigener Peptidhormone. Diese sogenannten Adipokine stellen ein Verbindungsglied zwischen Fettgewebsakkumulation und den vielfältigen Adipositaskomplikationen des gesamten Organismus dar. Adipocyte fatty acid binding protein (AFABP) wurde in den letzten Jahren als zirkulierendes Adipokin mit diabetogenen, proinflammatorischen und proateriosklerotischen Effekten etabliert. Zu Beginn der Dissertation lagen unzureichende Erkenntnisse über die Elimination von AFABP sowie die Regulation des Adipokins bei eingeschränkter Nierenfunktion vor. Aus diesem Grund untersucht die vorliegende Arbeit die AFABP-Regulation in Abhängigkeit von der Nierenfunktion in 532 Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz (Studienpopulation 1) und 32 Patienten mit akuter Nierenfunktionsverminderung nach Nephrektomie (Studienpopulation 2). In beiden Kohorten stiegen die medianen AFABP-Serumkonzentrationen mit abfallender Nierenfunktion an. Zudem waren Marker der Nierenfunktion in beiden Studienpopulationen die stärksten unabhängigen Prädiktoren für zirkulierendes AFABP. Untersuchungen aus der Arbeitsgruppe zur AFABP-Regulation in einem Rattenmodell der akuten Niereninsuffizienz unterstützen die klinischen Studienergebnisse. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse zum ersten Mal signifikant steigende AFABP-Serumspiegel bei chronischer und akuter Nierenfunktionsstörung, sowie bei akutem Abfall der Nierenfunktion. Diese Befunde stützen die Hypothese, dass AFABP renal eliminiert wird. Inwiefern AFABP darüber hinaus in die Pathogenese der chronischen Niereninsuffizienz eingreift, muss in weiterführenden Studien beleuchtet werden.

Adipose tissue secreted proteins (adipokines) have been proposed to form a link between obesity and type 2 diabetes (T2D). Resistin and visfatin are two adipokines which have been previously suggested as having roles in the pancreatic islet. The aim of this study was therefore to investigate the regulatory role of the adipokines resistin and visfatin in the pancreatic beta-cell. In order to do this, pancreatic β-cell lines from rat (BRIN-BD11) and mouse (βTC-6) were used to study the effect of exogenous incubation with physiological and pathological concentrations of resistin and visfatin on diverse elements of beta-cell biology including cell viability, gene expression and insulin secretion. In addition to this the expression levels of these two adipokines was also measured in the beta-cell. PCR array analysis showed that resistin and visfatin treatment resulted in significant changes in the expression of key beta-cell specific genes. Interestingly, both resistin and visfatin are highly expressed in the beta-cells. This suggests that the roles of these adipokines are not confined to adipose tissue but also in other endocrine organs. Resistin treatment significantly increased viability of the beta-cells at physiological concentrations however there was no increase with the elevated pathological concentrations. Resistin at elevated concentrations decreased insulin receptor expression in the beta-cells however there was no significant effect at lower concentrations. Both physiological and elevated resistin concentrations did not have any effect on glucose stimulated insulin secretion. Incubation of visfatin induced phosphorylation of insulin receptor and the intracellular signalling MAPK, ERK1/2. Visfatin treatment at 200ng/ml also significantly increased insulin secretion. These effects were replicated by incubation of beta-cells with the product of visfatin’s enzymatic action, nicotinamide mononucleotide and were reversed by visfatin inhibitor FK866. Visfatin treatment at low concentrations did not have any effect on cell viability however the elevated concentrations resulted in a decline. These data indicate that both resistin and visfatin potentially play important roles in beta-cell function and viability and that they form a significant link between adipose tissue and the pancreatic islet in type 2 diabetes.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Embora seja na obesidade onde se observa hipertrofia e hiperplasia dos adipócitos e aumento da síntese e liberação de adipocinas, condição associada com resistência à insulina e disfunção endotelial, é de suma importância entender os efeitos biológicos de adipocinas, mais especificamente da adipocina chemerin, em condições não patológicas. Os mecanismos pelos quais as citocinas liberadas pelo tecido adiposo podem interferir na função vascular ainda não estão totalmente esclarecidos. Além disso, praticamente não se conhecem os efeitos da citocina/adipocina chemerin sobre a função vascular. Levando-se em consideração que o receptor para chemerin está presente no músculo liso vascular e no endotélio, este trabalho avaliou a atividade biológica e celular desta adipocina sobre a vasculatura de animais não obesos. Investigou-se os efeitos produzidos por esta citocina na reatividade vascular, bem como os mecanismos pelos quais ela modifica a função vascular em animais não obesos. A hipótese deste trabalho é que chemerin aumenta a reatividade vascular a estímulos constritores de endotelina-1 (ET-1) e fenilefrina (PhE) e diminui a vasodilatação induzida pela acetilcolina (ACh) e nitroprussitao de sódio (NPS). Nossos objetivos específicos incluíram determinar: 1) se chemerin promove alterações na reatividade vascular; 2) se as alterações de reatividade vascular promovidas por chemerin são mediadas por modificações da função das células endoteliais ou células de músculo liso vascular; 3) quais vias de sinalização (foco na via das MAPKs) estão sendo modificadas por chemerin e como elas contribuem para as alterações de reatividade vascular produzidas por esta citocina. Nosso estudo demonstrou que a adipocina chemerin possui atividade biológica e celular em aortas de ratos não obesos. Chemerin aumentou respostas vasculares a estímulos contráteis (ET-1 e PhE), atuando tanto no endotélio quanto diretamente em células do músculo liso vascular. O aumento da resposta a estímulos contráteis à ET-1 e PhE foi mediado pela via MEK-ERK1/2, COX-1 e COX-2 e aumento da expressão dos receptores para ET-1, ETA e ETB. Além disso, esta adipocina diminuiu a vasodilatação induzida pela ACh, por meio do desacoplamento da eNOS e aparente envolvimento de estresse oxidativo, e pelo NPS, através de ação sobre a guanilato ciclase. Nossos estudos poderão contribuir para um melhor entendimento sobre o papel dos fatores liberados pelo tecido adiposo visceral sobre a função vascular e, consequentemente, sobre as alterações vasculares presentes na obesidade e patologias associadas. / Although hypertrophy and hyperplasia of adipocytes as well as increased synthesis and release of adipokines are commonly observed in obesity, a condition associated with insulin resistance and endothelial dysfunction, it is extremely important to understand the biological effects of adipokines, or more specifically of the adipokine chemerin, in non-pathological conditions,. The mechanisms by which cytokines released by the adipose tissue may interfere with vascular function are not yet fully understood. Furthermore, the effects of the cytokine/adipokine chemerin on vascular function are not known. Considering that the chemerin receptor is expressed by vascular smooth muscle and endothelial cells, this study investigated the effects produced by this cytokine in vascular reactivity, as well as the mechanisms by which it modifies vascular function in non-obese animals. Our working hypothesis is that chemerin enhances vascular reactivity to constrictor stimuli, such as endothelin-1(ET-1) and phenylephrine (Phe), and decreases the vasodilation induced by acetylcholine (ACh) and sodium nitroprussiate (SNP). Our specific aims were to determine: 1) whether chemerin induces changes in vascular reactivity, 2) if the alterations of vascular reactivity induced by chemerin are mediated by changes in the function of endothelial cells or vascular smooth muscle cells, 3) which signaling pathways (focus on the MAPKs pathway) are being modified by chemerin and how they contribute to changes in vascular reactivity produced by this cytokine. Our study showed that the adipokine chemerin has biological and cellular activity in aortas from non-obese rats. Chemerin increased vascular responses to contractile stimuli (ET-1 and PhE), producing effects both in the endothelial and vascular smooth muscle cells. The increased contractile responses to ET-1 and PhE were mediated via activation of MEK-ERK1/2, COX-1 and COX-2 and increased expression of the ETA and ETB receptors. Furthermore, this adipokine reduced the vasodilation induced by ACh via eNOS uncoupling and oxidative stress, and by SNP, via effects in the enzyme guanylate cyclase. Our studies may contribute to a better understanding of the role of factors released by the visceral adipose tissue on vascular function and, consequently, on the vascular lesions in obesity and obesity-associated diseases.

Embora seja na obesidade onde se observa hipertrofia e hiperplasia dos adipócitos e aumento da síntese e liberação de adipocinas, condição associada com resistência à insulina e disfunção endotelial, é de suma importância entender os efeitos biológicos de adipocinas, mais especificamente da adipocina chemerin, em condições não patológicas. Os mecanismos pelos quais as citocinas liberadas pelo tecido adiposo podem interferir na função vascular ainda não estão totalmente esclarecidos. Além disso, praticamente não se conhecem os efeitos da citocina/adipocina chemerin sobre a função vascular. Levando-se em consideração que o receptor para chemerin está presente no músculo liso vascular e no endotélio, este trabalho avaliou a atividade biológica e celular desta adipocina sobre a vasculatura de animais não obesos. Investigou-se os efeitos produzidos por esta citocina na reatividade vascular, bem como os mecanismos pelos quais ela modifica a função vascular em animais não obesos. A hipótese deste trabalho é que chemerin aumenta a reatividade vascular a estímulos constritores de endotelina-1 (ET-1) e fenilefrina (PhE) e diminui a vasodilatação induzida pela acetilcolina (ACh) e nitroprussitao de sódio (NPS). Nossos objetivos específicos incluíram determinar: 1) se chemerin promove alterações na reatividade vascular; 2) se as alterações de reatividade vascular promovidas por chemerin são mediadas por modificações da função das células endoteliais ou células de músculo liso vascular; 3) quais vias de sinalização (foco na via das MAPKs) estão sendo modificadas por chemerin e como elas contribuem para as alterações de reatividade vascular produzidas por esta citocina. Nosso estudo demonstrou que a adipocina chemerin possui atividade biológica e celular em aortas de ratos não obesos. Chemerin aumentou respostas vasculares a estímulos contráteis (ET-1 e PhE), atuando tanto no endotélio quanto diretamente em células do músculo liso vascular. O aumento da resposta a estímulos contráteis à ET-1 e PhE foi mediado pela via MEK-ERK1/2, COX-1 e COX-2 e aumento da expressão dos receptores para ET-1, ETA e ETB. Além disso, esta adipocina diminuiu a vasodilatação induzida pela ACh, por meio do desacoplamento da eNOS e aparente envolvimento de estresse oxidativo, e pelo NPS, através de ação sobre a guanilato ciclase. Nossos estudos poderão contribuir para um melhor entendimento sobre o papel dos fatores liberados pelo tecido adiposo visceral sobre a função vascular e, consequentemente, sobre as alterações vasculares presentes na obesidade e patologias associadas. / Although hypertrophy and hyperplasia of adipocytes as well as increased synthesis and release of adipokines are commonly observed in obesity, a condition associated with insulin resistance and endothelial dysfunction, it is extremely important to understand the biological effects of adipokines, or more specifically of the adipokine chemerin, in non-pathological conditions,. The mechanisms by which cytokines released by the adipose tissue may interfere with vascular function are not yet fully understood. Furthermore, the effects of the cytokine/adipokine chemerin on vascular function are not known. Considering that the chemerin receptor is expressed by vascular smooth muscle and endothelial cells, this study investigated the effects produced by this cytokine in vascular reactivity, as well as the mechanisms by which it modifies vascular function in non-obese animals. Our working hypothesis is that chemerin enhances vascular reactivity to constrictor stimuli, such as endothelin-1(ET-1) and phenylephrine (Phe), and decreases the vasodilation induced by acetylcholine (ACh) and sodium nitroprussiate (SNP). Our specific aims were to determine: 1) whether chemerin induces changes in vascular reactivity, 2) if the alterations of vascular reactivity induced by chemerin are mediated by changes in the function of endothelial cells or vascular smooth muscle cells, 3) which signaling pathways (focus on the MAPKs pathway) are being modified by chemerin and how they contribute to changes in vascular reactivity produced by this cytokine. Our study showed that the adipokine chemerin has biological and cellular activity in aortas from non-obese rats. Chemerin increased vascular responses to contractile stimuli (ET-1 and PhE), producing effects both in the endothelial and vascular smooth muscle cells. The increased contractile responses to ET-1 and PhE were mediated via activation of MEK-ERK1/2, COX-1 and COX-2 and increased expression of the ETA and ETB receptors. Furthermore, this adipokine reduced the vasodilation induced by ACh via eNOS uncoupling and oxidative stress, and by SNP, via effects in the enzyme guanylate cyclase. Our studies may contribute to a better understanding of the role of factors released by the visceral adipose tissue on vascular function and, consequently, on the vascular lesions in obesity and obesity-associated diseases.

Apelin ist ein Adipokin, das Einfluß auf die Glukosehomöostase hat und vermutlich eine wichtige Rolle in der Regulation von Adipositas und den damit assoziierten Erkrankungen einnimmt. Die Effekte von Apelin scheinen metabolisch günstig zu sein. In dieser Arbeit wurden zunächst Apelin-Serumkonzentrationen und metabolische Parameter bei 740 Studienteilnehmern bestimmt und in einer Querschnittsstudie (n=629) sowie in drei Interventionsstudien (n=111) dargestellt. In einer Subgruppe (n=161) wurde die mRNA-Expression von Apelin und dessen Rezeptor APJ im viszeralen und subkutanen Fettgewebe bei Patienten mit Typ-2-Diabetes genauer untersucht. Im Rahmen der Interventionsstuden wurde der Einfluß von 12 Wochen körperlichem Training (n=60), 6 Monaten hypokalorischer Mischkost (n=19) und bariatrischer Chirurgie (n=32) auf den Serum-Apelinspiegel sowie Zusammenhänge mit Gewichtsreduktion, verbesserter Insulinsensitivität und subklinischer Inflammation analysiert. Die höchsten Apelin-Serumkonzentrationen fanden sich beim adipösen Typ-2-Diabetiker. Die Apelin-Serumkonzentration korrelierte aber auch unabhängig vom Bodymassindex signifikant mit Parametern für Insulinresistenz und subklinischer Inflammation. Die Apelin-Expression war in den unterschiedlichen Fettgewebsdepots bei normal glukosetoleranten Patienten gleich, beim Typ-2-Diabetiker mit insgesamt höherer Expression überwog sie im viszeralen Fettgewebe. Nach allen Interventionsstudien kam es zur Abnahme der Apelin-Serumkonzentration und korrelierte auch dann signifikant mit einer verbesserten Insulinsensitivität, wenn es zu keiner Gewichtsreduktion kam. Die Apelinkonzentration im Serum sowie die Expression im Fettgewebe ist nicht nur vom Bodymassindex abhängig, sondern steht im direkten Zusammenhang mit Insulinsensitivität und inflammatorischen Prozessen. Die unterschiedliche fettdepotspezifische Regulation unterstreicht die pathogenetische Bedeutung eines „kranken“ viszeralen Fettgewebes in der Entwicklung von Typ-2-Diabetes, wobei Apelin als metabolisch günstiges Adipokin vermutlich eine kompensatorische Rolle einnimmt.

Die Prävalenz des Typ 2 Diabetes ist in den letzten Jahren deutlich angestiegen. Neben einer gesunden Ernährungsweise ist die Erhöhung der körperlichen Aktivität ein wichtiger Bestandteil in der Basistherapie des Typ 2 Diabetes. Körperliches Training führt zu einer Reihe metabolischer Veränderungen wie zur Reduktion der Fettmasse, zur Verbesserung der Glukosehomöostase, des Lipidprofils und zur Normalisierung zirkulierender Adipokine aus dem Fettgewebe. Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen eines zwölfmonatigen, kontrollierten, praxisnahen, kombinierten Kraft-Ausdauer-Trainingsprogramms auf das Körpergewicht, Parameter des Lipidstoffwechsels (Gesamt-, LDL-, HDL-Cholesterin- und Triglyzerid-Serumkonzentrationen) sowie die Serumkonzentrationen der Adipokine Leptin, Adiponectin und Progranulin bei Patienten mit Typ 2 Diabetes zu untersuchen. Für die prospektive offene Interventionsstudie wurden initial 710 Patienten mit Typ 2 Diabetes untersucht, von denen 156 die Ein- und Ausschlusskriterien für die Studie erfüllten. Es wurden die Daten von 120 Patienten (77 Frauen, 43 Männer) analysiert, von denen nach Abschluss des zwölfmonatigen Trainingsprogramms vollständige Datensätze vorlagen. Die Patienten trainierten zweimal pro Woche für jeweils 60 + 15 Minuten bei 50-70% ihrer individuellen maximalen Leistungsfähigkeit, die zu Beginn der Studie mittels Spiroergometrie ermittelt wurde. Das Training umfasste jeweils 20 Minuten Aufwärm- und Abkühlphase, 20 Minuten Fahrradergometer-Training, 20 Minuten Training am Rudergerät und 20 Minuten Krafttraining an Krafttrainingsgeräten. Die Messung der Zielparameter erfolgte vor Beginn der Intervention sowie nach drei, sechs und zwölf Monaten körperlichen Trainings. Das zwölfmonatige Trainingsprogramm führte zu einer signifikanten Reduktion der Gesamt- und LDL-Cholesterin-, Triglyzerid- sowie der Progranulin-Serumkonzentrationen, während sich die zirkulierenden Leptinspiegel nicht veränderten. Die HDL-Cholesterin und Adiponectin-Serumkonzentrationen waren in Folge des Trainingsprogramms signifikant erhöht. Diese Veränderungen waren weitgehend unabhängig von der Entwicklung des Körpergewichts, das sich im Verlauf der Studie nicht signifikant veränderte. Zusammengefasst zeigt die Untersuchung, dass ein zwölfmonatiges, moderates und praxistaugliches Trainingsprogramm signifikant und unabhängig von Verbesserungen des Körpergewichts die Serumkonzentrationen der Adipokine Adiponectin und Progranulin sowie von Parametern des Lipidstoffwechsels verbessert.

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Apelin ist ein Adipokin, das Einfluß auf die Glukosehomöostase hat und vermutlich eine wichtige Rolle in der Regulation von Adipositas und den damit assoziierten Erkrankungen einnimmt. Die Effekte von Apelin scheinen metabolisch günstig zu sein. In dieser Arbeit wurden zunächst Apelin-Serumkonzentrationen und metabolische Parameter bei 740 Studienteilnehmern bestimmt und in einer Querschnittsstudie (n=629) sowie in drei Interventionsstudien (n=111) dargestellt. In einer Subgruppe (n=161) wurde die mRNA-Expression von Apelin und dessen Rezeptor APJ im viszeralen und subkutanen Fettgewebe bei Patienten mit Typ-2-Diabetes genauer untersucht. Im Rahmen der Interventionsstuden wurde der Einfluß von 12 Wochen körperlichem Training (n=60), 6 Monaten hypokalorischer Mischkost (n=19) und bariatrischer Chirurgie (n=32) auf den Serum-Apelinspiegel sowie Zusammenhänge mit Gewichtsreduktion, verbesserter Insulinsensitivität und subklinischer Inflammation analysiert. Die höchsten Apelin-Serumkonzentrationen fanden sich beim adipösen Typ-2-Diabetiker. Die Apelin-Serumkonzentration korrelierte aber auch unabhängig vom Bodymassindex signifikant mit Parametern für Insulinresistenz und subklinischer Inflammation. Die Apelin-Expression war in den unterschiedlichen Fettgewebsdepots bei normal glukosetoleranten Patienten gleich, beim Typ-2-Diabetiker mit insgesamt höherer Expression überwog sie im viszeralen Fettgewebe. Nach allen Interventionsstudien kam es zur Abnahme der Apelin-Serumkonzentration und korrelierte auch dann signifikant mit einer verbesserten Insulinsensitivität, wenn es zu keiner Gewichtsreduktion kam. Die Apelinkonzentration im Serum sowie die Expression im Fettgewebe ist nicht nur vom Bodymassindex abhängig, sondern steht im direkten Zusammenhang mit Insulinsensitivität und inflammatorischen Prozessen. Die unterschiedliche fettdepotspezifische Regulation unterstreicht die pathogenetische Bedeutung eines „kranken“ viszeralen Fettgewebes in der Entwicklung von Typ-2-Diabetes, wobei Apelin als metabolisch günstiges Adipokin vermutlich eine kompensatorische Rolle einnimmt.

Adipokine sind Proteine, die aus dem Fettgewebe freigesetzt werden. Viele dieser Fettzell-sezernierten Proteine sind bei Adipositas dysreguliert und beeinflussen das Risiko für kardiometabolische Folgeerkrankungen. Die vorliegende Arbeit untersucht daher im Speziellen die neuartigen Adipokine Angiopoietin-like protein 8/Betatrophin, Irisin, Progranulin, Adipocyte fatty acid-binding protein (AFABP) und Fibroblast growth factor 21 (FGF21) als potentiellen Link zwischen dem Fettgewebe sowie den kardiometabolischen Erkrankungen Niereninsuffizienz und Gestationsdiabetes (GDM). Die Grundlage der vorliegenden Arbeit bilden humane Studien in Patienten mit chronischer und akuter Niereninsuffizienz sowie in Patientinnen mit GDM. Zudem wurden einzelne Ergebnisse der humanen Studien in einer großen Kohortenstudie mit >1000 Probanden verifiziert. Des Weiteren wurden einzelne Adipokine in tierexperimentellen Studien genauer untersucht, um kausale Assoziationen zu detektieren. Hierdurch gelang es, bestimmte Regulationsmuster von Adipokinen in den kardiometabolischen Erkrankungen Niereninsuffizienz und GDM zu erkennen, um so mögliche pharmakologische Targets zu identifizieren. Bei Frauen mit GDM könnte insbesondere Angiopoietin-like protein 8/Betatrophin in Zukunft als pharmakologisches Target in Betracht kommen. Andere Adipokine zeigen jedoch bei GDM unterschiedliche Regulationen im Vergleich zu Diabetes mellitus Typ 2. Hier müssen zunächst weitere Untersuchungen die exakten Pathomechanismen für diese divergierenden Ergebnisse identifizieren. In den Studien zu chronischer und akuter Niereninsuffizienz konnte gezeigt werden, dass insbesondere die Adipokine Progranulin, AFABP und FGF21 direkt mit der Nierenfunktion assoziiert sind. Andere Adipokine wie z.B. Angiopoietin-like protein 8/Betatrophin scheinen nicht renal eliminiert zu werden. Basierend auf diesen Ergebnissen muss nun untersucht werden, ob bestimmte Adipokine eine kausale Rolle in der Entwicklung und Progression einer Niereninsuffizienz spielen. Zusammenfassend wurden somit verschiedene Adipokine in kardiometabolischen Risikoerkrankungen charakterisiert. Es konnten mögliche zukünftige pharmakologische Targets für die Behandlung von Niereninsuffizienz sowie für die bei GDM zugrundeliegende Insulinresistenz identifiziert werden.:1. Einleitung 1.1 Adipokine 1.2 Adipokine sind dysreguliert bei Adipositas 1.3 Adipokine bei kardiovaskulären Erkrankungen, Diabetes mellitus und chronischer Niereninsuffizienz 1.4 Definition der Krankheitsentitäten Niereninsuffizienz und Gestationsdiabetes als kardiometabolische Risikoerkrankungen 1.4.1 Chronische Niereninsuffizienz 1.4.2 Akute Niereninsuffizienz 1.4.3 Gestationsdiabetes 1.5 Hypothese 2. Methoden 2.1 Humane Studien 2.1.1 Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz 2.1.2 Patienten mit akuter Niereninsuffizienz 2.1.3 Patientinnen mit Gestationsdiabetes 2.1.4 Humane Querschnittsstudien 2.2 Tierexperimentelle Studien 2.2.1 Tiere mit akuter Niereninsuffizienz: nephrektomierte Sprague Dawley-Ratten 2.2.2 Tiere mit chronischer Niereninsuffizienz: eNOS-/- C57BLKS db/db-Mäuse 2.3 Charakterisierung und Assays 2.4 Statistik 3. Resultate 3.1 Angptl8/Betatrophin 3.2 Irisin 3.3 Progranulin 3.4 AFABP 3.5 FGF21 4. Diskussion und Ausblick 5. Anlagen 5.1 Anlage 1: Erklärungen zur vorgelegten Habilitationsschrift 5.2 Anlage 2: Lebenslauf 5.3 Anlage 3: Publikationsverzeichnis 5.4 Anlage 4: Danksagung 5.5 Anlage 5: Referenzen