Tannine sind pflanzliche, polyphenolische Sekundärmetabolite mit Protein-präzipitierenden und –bindenden Kapazitäten, welche offenbar für die antinutritiven und gesundheitsschädlichen Wirkungen der Tannine verantwortlich sind. Jedoch dominieren in der Literatur die gesundheitsfördernden Beschreibungen, für die meist die antioxidative Kapazität verantwortlich gemacht wurde. Der etablierte Modelorganismus Caenorhabditis elegans wurde zur Analyse dieses Kontrastes ausgewählt. Zunächst wurden Lebensdauer und Stressresistenz der mit Tanninsäure und den Tanninbausteinen Gallussäure, Ellagsäure und Catechin behandelten Nematoden ermittelt. Das vermutete Vorliegen eines „Calorie Restriction“ (CR)-Effektes als auch einer hormetischen Dosis-Wirkungs-Beziehung wurde überprüft. Weiterhin wurden antimikrobielle und antioxidative Eigenschaften als potentielle Ursachen der Langlebigkeit untersucht und die Auswirkungen auf die Fitness und Genexpression analysiert. Die Einbeziehung verschiedener Alterungs-Theorien rundete die Analyse der Tanninwirkung ab. Alle Tannin-Substanzen konnten eine Lebensverlängerung erwirken, doch erstaunlicherweise erwiesen sich Langlebigkeit und Stressresistenz als individuelle, nicht zwangsläufig gekoppelte Parameter. Hormesis, CR-nachahmende Eigenschaften, antimikrobielle Kapazitäten als auch verschiedene stressrelevante Gene sind teilweise für die Lebensverlängerung verantwortlich. Die antioxidative Kapazität scheint jedoch irrelevant zu sein. Die differentielle Expression mehrerer hundert Gene durch Tanninsäure unterstreicht zudem die Komplexität der Wirkweise. Hinweise zur Bestätigung der „Disposable Soma Theory“, der „Mitohormesis“-Theorie und der „Green Theory of Ageing“ konnten zum Teil gefunden werden. Diese Arbeit zeigt die individuelle und kontrastreiche Wirksamkeit der Tannine auf. Sie unterstreicht, dass Tannine molekulare Regulatoren sind, welche nicht nur auf ihre antioxidative und antinutritive Kapazität reduziert werden sollten. / The polyphenolic tannins are plant-produced secondary metabolites with protein precipitating and binding capacities. This characteristic is seemingly responsible for antinutritional and harmful effects. However, health benefits have also been extensively described in the literature. Indeed, antioxidant properties are believed to be the reason for these beneficial effects. The established model organism Caenorhabditis elegans was chosen to examine this apparent contradiction. The nematodes were exposed to tannic acid and to the tannin building blocks gallic acid, ellagic acid, and catechin and the lifespan and stress resistance were determined. The presence of a calorie restriction (CR) effect and a hormetic dose-response-relationship was verified. Furthermore, antimicrobial and antioxidative capacities were assessed as possible causes of longevity and the impact on fitness parameters and gene expressions was analysed. The consideration of different ageing theories completed the analysis of the tannin action. All tannin-substances were able to prolong the lifespan but against all expectations, longevity and stress resistance were shown to be independent entities, which are not necessarily linked. Hormesis, CR-mimetic properties, antimicrobial capacities as well as several stress relevant genes are partly responsible for the life-extension. The antioxidant capacities, however, appeared to be irrelevant. The regulation of several hundred gene expressions by tannic acid underlined the complexity of the mode of action. Furthermore, the results partly confirm the “Disposable Soma Theory”, the “Mitohormesis Theory” and the “Green Theory of Ageing”. This work dissects the contrasting efficiency of the tannin family and underlines in particular, that tannins are molecular regulators, which should not be reduced to their antioxidative and antinutritional capacities

Die mittlere Lebenserwartung des Menschen ist über die letzten 200 Jahre kontinuierlich gestiegen. Da Langlebigkeit ohne Gesundheit wenig Wert besitzt, ist es ein zentrales Anliegen, das Auftreten altersbedingter Krankheiten zu mindern. Besonders pflanzliche Phytochemikalien, im speziellen Polyphenole (PPs), sollen erheblich an der Gesundheitsförderung mitwirken. Die exakten Mechanismen jedoch, welche die Wirkvielfalt erklären könnten, sind nicht im Detail bekannt. Diese Fragen können nur durch in vivo Studien an Modelorganismen beantwortet werden, die sowohl die Lebensdauer, sowie physiologische und genetische Parameter einschließen. In dieser Studie wurden drei PPs mit lebensverlängernden Eigenschaften in C. elegans identifiziert: Quercetin (Q), Kaffeesäure (CA) und Rosmarinsäure (RA). Für alle drei PPs wurden hormetische Konzentration-Wirkungs-Kurven gefunden, dennoch war die Hormetin-typische Aktivierung einer Stressantwort (gemessen als Geneexpressions-Level von Hitzeschock-Proteinen) auf Q und RA beschränkt. Eine Umverteilung von Ressourcen nach dem Prinzip der „Disposable Soma Theorie“ konnte anhand von Abweichungen in der Größe, verändertem Lipid-Metabolismus und verzögerter Reproduktion (bei gleichbleibender Anzahl der Nachkommen), für alle drei PPs gezeigt werden. Während direkte CR-Effekte ausgeschlossen wurden, ist dies nicht möglich für durch CA und RA ausgelöste indirekte CR-Effekte, da beide die Lebensspanne von sir-2.1 Mutanten nicht verlängern konnten. Alle drei PPs verlängerten die Lebensspanne von mev-1 Mutanten, jedoch wurde eine erhöhte TAC in vivo und eine reduzierte oxidative Schädigung, nur durch Q- und CA- Gabe erreicht. Die genetischen Wirkwege der PPs wurden durch Lebensdauer- und Thermotoleranztests mit in alters-relevanten Genen mutierten Nematoden definiert. Die gesundheitsfördernden Eigenschaften von CA und RA konnten so osr-1, sek-1, sir-2.1 and unc-43, sowie daf-16 im Falle von CA, zugeschrieben werden. Die Mechanismen von Q wurden in größerem Umfang, durch die Integration von durchgeführten Lebensdauertests und Microarray-Studien einerseits und einer umfassenden Meta-Analyse von veröffentlichten, alters-relevanten Genexpressions-Profilen andererseits, analysiert. Q wirkt vermutlich durch ein komplexes Zusammenspiel von konservierten genetischen Signalwegen, im Speziellen dem Insulin-ähnlichen (ILS), TGF-beta, p38 MAPK, CAMKII und möglicherweise auch über eine von der Keimbahn und somatischen Gonade ausgehenden Signalwirkung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl in vivo antioxidative und prooxidative Eigenschaften, die Modulation auf Genebene, sowie eine Umverteilung von Ressourcen zu gewissen Teilen (abhängig vom PP) zur Lebensverlängerung beitragen. / The mean life expectancy of humans has increased continuously over the last 200 years. Since longevity is of little value in the absence of health, it is a central request to prevent the increasing burden of age-related diseases. It is suggested that phytochemicals in plants, specifically the polyphenols (PPs), are important factors to support the overall well-being. However, the precise mechanisms that can explain, in full, the magnitude of impact remains elusive. This knowledge gap can only be plugged by in vivo model organism approaches that integrate lifespan assays with physiological, and genetic parameters following the ingestion of PPs. In this study, three PPs with life-extending properties in C. elegans were identified: Quercetin (Q), Caffeic acid (CA) and Rosmarinic acid (RA). The underlying mechanisms were systematically studied by a broad spectrum of functional and genetic investigations. For all three compounds, life extension was characterized by hormetic concentration-response curves, but stress-response induction, a hallmark of hormetin action, was restricted to Q and RA, at least when assessed at the level of gene expression of heat shock proteins. A reallocation of resources in a disposable soma-like pattern could be shown for all three PPs, because the exposure to Q, CA and RA resulted in variations in body size, altered lipid-metabolism and a tendency towards a delay in reproductive timing. However, the total number of offspring was unaltered. While direct CR effects arising from reduced food uptake could be rejected, an indirect CR effect cannot be excluded for CA and RA, as these PPs failed to provoke longevity in sir-2.1 mutants. Furthermore, the in vitro versus in vivo antioxidative properties were evaluated. While all three PPs could prolong mev-1 lifespan, only Q and CA were shown to increase the TAC in vivo and reduce oxidative damage in the nematodes. To define the genetic pathways of PP action, lifespan and thermotolerance assays were performed in mutant animals devoid of aging-relevant genetic players. These experiments revealed that the health gaining properties of CA and RA both rely on osr-1, sek-1, sir-2.1 and unc-43, plus daf-16 in the case of CA. The mechanisms of Q action are partly distinct and were analyzed in more detail by integrating own mutant lifespan assays and microarray studies with an extensive meta-analysis of published gene expression profiles obtained under aging-relevant conditions. Quercetin is proposed to act through a complex interplay of conserved genetic pathways, for example Insulin-like signaling (ILS), TGF-beta signaling, p38 MAPK, CaMKII, and possibly also due to germline and somatic gonad signaling. Taken together, hormesis, in vivo antioxidative/prooxidative properties, modulation of genetic players, as well as the re-allocation of resources all contribute (to some extent and dependent on the polyphenol) to life extension. Summary 1

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Die Störung der intestinalen Mikrozirkulation gilt als ein kardinaler Mechanismus für die Entwicklung des Multiorganversagens bei Sepsis. Da das Intestinum für mikrozirkulatorische Studien klinisch kaum zugänglich ist, wurden die Auswirkungen einer Therapie mit den antioxidativen Substanzen Oxypurinol und U-74389G (Lazaroid) bzw. den vasoaktiven Substanzen Iloprost (Prostacyclin-Analogon) und Dopexamin auf die intestinale Mikrozirkulation und die systemische Mediatorfreisetzung in einem Tiermodell mit moderater und hoher Endotoxin-Belastung untersucht. Die intravitalmikroskopische Untersuchung der Kapillarperfusion in der Muskularisschicht bei Endotoxinämie erbrachte eine Verbesserung durch Oxypurinol- und Dopexamingabe. Die Perfusion der Mukosa konnte vor allem durch eine Iloprostapplikation gesteigert werden. Die Endotoxin-induzierte, intestinale Leukozytenadhärenz wurde insbesondere durch die Behandlung mit den antioxidativen Substanzen vermindert. Beide therapeutischen Optionen bewirkten eine ca. 60 %ige Reduktion der initialen Tumornekrosefaktor-alpha-Freisetzung in der Versuchsreihe mit der niedrigeren Endotoxin-Dosis. Parallel dazu konnte anhand von Malondialdehyd-Analysen gezeigt werden, dass Oxypurinol und U-74389G wirksam die intestinale, Radikal-induzierte Lipidperoxidation verringerten. Der intestinale mikrovaskuläre Blutfluss konnte durch beide vasoaktiven Substanzen - sowohl bei moderater als auch bei erhöhter Endotoxin-Dosierung - signifikant gesteigert werden. Die Ergebnisse beider Teilstudien bestätigten, dass sowohl reaktive Sauerstoffspezies als auch eine inadäquate Perfusion in der Mikrozirkulation wesentliche pathogenetische Faktoren bei Endotoxinämie bzw. Sepsis darstellen und entsprechende Therapieformen indiziert und effektiv sind. Eine kombinierte Gabe beider Substanzklassen erscheint daher sinnvoll und sollte in weiteren tierexperimentellen und klinischen Studien evaluiert werden. / The disturbance of the intestinal microcirculation is regarded as a pivotal mechanism in the development of multiorgan failure related to sepsis. Since the intestine is clinically not accessible for microcirculatory studies, the effects of a therapy with the antioxidants oxypurinol and U-74389G (lazaroid) as well as the vasoactive substances iloprost (a prostacyclin analogue) and dopexamine on the intestinal microcirculation and the systemic mediator release was studied in an animal model with moderate and high endotoxin challenge. The intravital microscopic examination of the capillary perfusion in the muscularis layer of the intestine during endotoxemia revealed an improvement by administration of oxypurinol and dopexamine. The perfusion of the mucosa could be increased by iloprost administration. The amount of the endotoxin induced, intestinal leukocyte adherence was especially decreased by the treatment with the antioxidants. Both therapeutic options caused a 60 % reduction in the initial tumor necrosis factor-alpha-release in the experiments with the lower endotoxin dose. Malondialdehyde analyses showed that oxypurinol and U-74389G reduced effectively the intestinal, radical-induced lipid peroxidation. The intestinal microvascular blood flow could be significantly increased by both vasoactive substances - as well as with moderately than also with elevated endotoxin-dosage. The results of the study confirmed that both reactive oxygen-species as well as an inadequate perfusion in the microcirculation represent essential pathogenetic factors during endotoxemia as well as sepsis and index corresponding therapy-forms and participates effective. A combined offering both substance-classes appears therefore meaningfully and should be evaluated in further experimental and clinical studies.