Die Hauptursache für die Erblindung von Erwachsenen in Industrieländern ist die fortschreitende Degeneration von Photorezeptoren (PR). Die PR-Degeneration tritt in Krankheiten, wie Retinitis Pigmentosa (RP) und Altersabhängiger Makuladegeneration (AMD), auf. Photobiomodulation (PBM) ist ein vielversprechender Ansatz, um die Degeneration der PR zu verzögern. Bestrahlung mit Licht, im roten bis nahinfraroten Bereich (600-1000 nm) und geringen Intensitäten (1-500 mW), induzierte antiinflammatorische, antiapoptotische Effekte und verbesserte Mitochondrienfunktion in retinalen Schädigungsmodellen. Klinische Studien belegten übereinstimmend ein erhöhtes Sehvermögen von Patienten mit AMD, RP oder diabetischer Retinopathie durch PBM-Therapie. Die basierenden zellulären Auswirkungen, die die Degeneration der PR verzögern, sind nur unzureichend beschrieben. Retinale Studien konzentrieren sich nahezu ausschließlich auf die Effekte von 670-nm-Rotlicht. Die aktuelle Leithypothese fokussiert sich auf den mitochondrialen Atmungskettenkomplex IV, die Cytochrom-c-Oxidase (CCO). CCO wirkt als primärer Photoakzeptor und Effektor von PBM, dessen Aktivierung zu erhöhter ATP-Synthese, d.h. einem erhöhten mitochondrialen Energiemetabolismus führt. Aktuelle Erkenntnisse lassen zusätzliche Photoakzeptoren vermuten. Allerdings wurde die direkte Wirkung auf andere Atmungskettenkomplexe bislang kaum untersucht. Eine Genregulation und molekularbiologische Mechanismen, die die zellulären Veränderungen erklären, sind weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit wurde die neuroprotektive Wirkungsweise von PBM auf geschädigte PR untersucht, die dessen Degeneration verzögert. Es erfolgte eine Charakterisierung der zellulären sekundären Effekte und regulatorischer Mechanismen von RL (670 nm) und NIRL (810 nm). Die Analysen wurden in einem organotypischen ex-vivo-PR-Schädigungsmodell durchgeführt. Mithilfe von Blaulicht (BL) -Bestrahlung (405 nm) über 9 h wurde oxidativer Stress in PR induziert, wodurch diese degenerieren und teilweise absterben. Im Anschluss der Schädigung wurde RL oder NIRL für 10 min appliziert. Nach dieser RL/NIRL-Therapie konnte mittels TUNEL-Assay eine 40-50 %ige Reduktion der Apoptoserate der PR gegenüber BL-geschädigten PR nachgewiesen werden. Dies bestätigt, in Übereinstimmung mit bisherigen PR-spezifischen PBM-Studien, eine PBM-induzierte Neuroprotektion der PR. Zusätzliche positive zelluläre Auswirkungen durch PBM zeigten sich anhand von geringerem oxidativen Zellstress und verbesserter Mitochondrienfunktion. Der oxidative Stress wurde folgendermaßen detektiert: Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) in den Innen- (IS) und Außensegmenten (OS) der PR wurden mittels Vitalfärbung nachgewiesen. PBM-Behandlung reduzierte die durch BL-Exposition massiv erhöhte ROS-Bildung. Die relativen ROS-Level sanken von 2,7 (BL) auf 1,2 (RL/NIRL) im OS und von 1,9 (BL) auf 1,3 (RL/NIRL) im IS und näherten sich der normalisierten Kontrolle ungeschädigter Zellen an. PBM inhibierte die Bildung der Lipidperoxidationsprodukte 4-HNE und HEL in den IS und OS. Weiterhin reduzierte sich durch PBM die mtDNA-Schädigung und PBM initiierte mtDNA-Reparaturmechanismen in den IS. Neben dem bereits beschriebenen CCO als Photoakzeptor von PBM, stehen weitere Atmungskettenkomplexe als primäre Photoakzeptoren zur Diskussion. In in-situ-Aktivitätsassays konnten die Atmungskettenkomplexe I und II als direkte Photoakzeptoren von RL und NIRL identifiziert werden. Die, durch BL-Bestrahlung bedingte, 40-50%ige Inhibierungen ihrer Aktivitäten wurde durch RL- bzw. NIRL-Behandlung nahezu komplett wiederhergestellt. Zudem wurde erstmalig belegt, dass PBM, neben den Atmungskettenkomplexen der Mitochondrien in den IS, auch die Aktivität der funktionellen ektopischen Atmungskettenkomplexe in den OS gleichermaßen stimuliert. Als Konsequenz konnte, in Übereinstimmung mit früheren Studien, ein gesteigerter retinaler ATP-Gehalt nachgewiesen werden. Vermutlich sind die Mitochondrien mit ihren Atmungskettenkomplexen die Hauptakzeptoren der PBM. Der gesteigerte Energiemetabolismus bewirkt im Allgemeinen zelluläre Verbesserungen. Wahrscheinlich wird durch PBM der Kreislauf zwischen ROS-Bildung und Schädigung der Atmungskettenkomplexe unterbrochen. Die funktionelle Verbesserung der ektopischen Komplexe kann ebenso zu dem verringerten oxidativem Stress der PR beitragen. Neben der verbesserten Mitochondrienfunktion durch PBM, belegten die Bax-, Bcl-2- und Caspase-9-Proteinlevel eine reduzierte mitochondrieninduzierte Apoptose. Um molekularbiologisch regulatorische Vorgänge aufzuklären, die den veränderten zellulären Phänotyp bewirken, erfolgte eine umfassende Genexpressionsanalyse an isolierten PR, sowie Validierung ausgewählter verändert exprimierter Gene mittels in-situ-Hybridisierung und immunohistochemischer Analyse der kodierten Proteine. Die Ergebnisse der Genregulation durch PBM identifizierten besonders die Gene cryaa und cryab, aus der Klasse der α-Crystalline, die nach RL- und NIRL-Behandlung überexprimiert vorlagen. Als Negativregulatoren der mitochondrieninduzierten Apoptose und der ROS-Produktion können cryaa und cryab eine Reduktion des oxidativen Zellstresses in PR initiieren. Insgesamt demonstriert die vorliegende Arbeit die neuroprotektive Wirkungsweise von PBM auf BL-geschädigte PR. Sie zeigt einen PBM-Wirkmechanismus, der auf Atmungskettenkomplexe und die Genregulation von cryaa und cryab abzielt. Dies führt sekundär zu zellulären Effekten mit reduziertem oxidativen Zellstress. Diese grundlegenden Ergebnisse können helfen, PBM umfassend in klinische Anwendungen von Patienten mit PR-Schädigung zu transferieren.

Die oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) spielt eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel der Zelle. Sie besteht aus der Atmungskette, deren vier Enzymkomplexe einen Protonengradienten über die innere mitochondriale Membran aufbauen, und der ATP-Synthase, die diesen Gradienten zur Phosphorylierung von ADP zu ATP, der zelluläre Energieeinheit, nutzt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein thermodynamisch konformes OXPHOS Modell erstellt, welches auf Differentialgleichungen basiert. Dazu wurden Gleichungen entwickelt, welche die Kinetiken jedes OXPHOS-Komplexes über weite Bereiche von Substrat- und Produktkonzentrationen sowie unterschiedlichster Werte des elektrochemischen Gradientens wiedergeben. Zunächst wurden für jeden Komplex der Atmungskette kinetische Messungen in Abwesenheit des Protonengradientens durchgeführt. Für deren Beschreibung erwiesen sich Gleichungen vom Typ Michaelis-Menten als adäquat; hierbei wurden verschiedene Gleichungstypen verglichen. Anschließend wurde der Einfluss des Protonengradientens auf die kinetischen Parameter so modelliert, dass physiologisch sinnvolle Raten in dessen Abhängigkeit erzielt werden konnten. Diese neuen Ratengleichungen wurden schließlich in ein OXPHOS Modell integriert, mit dem sich experimentelle Daten von Sauerstoffverbrauch, elektrischem Potential und pH-Werten sehr gut beschreiben ließen. Weiter konnten Inhibitor-Titrationskurven reproduziert werden, welche den Sauerstoffverbrauch in Abhängigkeit der relativen Hemmung eines OXPHOS-Komplexes darstellen. Dies zeigt, dass lokale Effekte auf globaler Ebene korrekt wiedergeben werden können. Das hier erarbeitete Modell ist eine solide Basis, um die Rolle der OXPHOS und generell von Mitochondrien eingehend zu untersuchen. Diese werden mit zahlreichen zellulären Vorgängen in Verbindung gebracht: unter anderem mit Diabetes, Krebs und Mitochodriopathien, sowie der Bildung von Sauerstoffradikalen, die im Zusammenhang mit Alterungsprozessen stehen. / Oxidative phosphorylation (OXPHOS) plays a central role in the cellular energy metabolism. It comprises the respiratory chain, consisting of four enzyme complexes that establish a proton gradient over the inner mitochondrial membrane, and the ATP-synthase that uses this electrochemical gradient to phosphorylate ADP to ATP, the cellular energy unit. In this work a thermodynamically consistent OXPHOS model was built based on a set of differential equations. Therefore rate equations were developed that describe the kinetics of each OXPHOS complex over a wide concentration range of substrates and products as well for various values of the electrochemical gradient. In a first step, kinetic measurements on bovine heart submitochondrial particles have been performed in the absence of the proton gradient. An appropriate data description was achieved with Michaelis-Menten like equations; here several types of equations have been compared. The next step consisted in incorporating the proton gradient into the rate equations. This was realized by distributing its influence among the kinetic parameters such that reasonable catalytic rates were obtained under physiological conditions. Finally, these new individual kinetic rate expressions for the OXPHOS complexes were integrated in a global model of oxidative phosphorylation. This new model could fit interrelated data of oxygen consumption, the transmembrane potential and the redox state of electron carriers. Furthermore, it could well reproduce flux inhibitor titration curves, which validates its global responses to local perturbations. This model is a solid basis for analyzing the role of OXPHOS and mitochondria in detail. They have been linked to various cellular processes like diabetes, cancer, mitochondrial disorders, but also to the production of reactive oxygen species, which are supposed to be involved in aging.

Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Ionenströmen auf die Aktionspotentialgenerierung. Kapitel 1 zeigt den Einfluss der Chloridpermeabilität auf die Response und die Volumenregulation bei äußerer Erregung. In Kapitel 2 zeigen wir, dass passiven Leckströmen, für deren Kompensation neuronale Zellen einen enormen Energieaufwand betreiben, das Membranpotential gegen Fluktuationen in anderen funktionalen Ionenströmen stabilisieren und damit ein gesichertes Verarbeiten und Weiterleiten von Informationen in Form von Aktionspotentialen erst ermöglichen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Energiemetabolismus neuronaler Zellen. In Kapitel 3 bestimmen wir den Sauerstoffverbrauch in Hirnschnitten bei verschiedenen Aktivitätszuständen und zeigen, dass das Auftreten einer hämodynamische Response für hohe Aktivitätsformen notwendig ist. Wir schließen daraus, dass das vaskuläre System nur so weit angelegt ist, als es zur Vorsorgung bei hoher energetischer Belastung erforderlich ist. In Kapitel 4 verwenden wir ein von uns entwickeltes Modell des neuronalen Energiestoffwechsels um zu untersuchen, wie die Charakteristiken von NAD(P)H-Fluoreszenzkurven, auf die zelluläre glykolytische und respiratorische Aktivität zurückzuführen sind. Außerdem zeigen wir, wie die Fähigkeit neuronaler Zellen, Lactat alternativ zur Glukose als energielieferndes Substrat zu benutzen, von ihrer glykolytischen und oxidativen Kapazität abhängt. Da in viele neurodegenerativen Erkrankungen eine reduzierte Aktivität des Enzymkomplexes α-ketogluteratedehydrogenase (KGDHC) auftritt, haben wir in Kapitel 5 den Einfluss einer gestörten KGDHC Aktivität auf den neuronalen Energiestoffwechsel untersucht. Wir zeigen, wie eine reduzierte KGDHC Aktivität neuronale Leistungsfähigkeit kompromittiert. Außerdem identifizieren wir mögliche Bildungsstellen für reaktive Sauerstoffspezies (ROS) der Atmungskette und zeigen, dass eine Reduktion der KGDHC Aktivität die Bilddung von ROS vermindert. / The first part of this work deals with the influence of ion currents on the generation of action potentials (APs). Chapter 1 shows the influence of chloride on the fidelity of APs and cellular volume regulation. In chapter 2 we show that sufficiently large leak currents function as important stabilizers of the membrane potential and thus are required to allow robust AP firing. The second part deals with the energy metabolism of neuronal cells. In chapter 3 we determine the relative oxygen consumption rate of hippocampal brain slices under different activity states. We show that a hemodynamic response is necessary for sufficient oxygen supply during highly active states. We conclude that the effort spent on the structure of the vascular system is economized to just match the neuronal energy demand. In chapter 4 we use a model of the neuronal energy metabolism developed by us to show how the characteristics of NAD(P)H fluorescence curves relies on the cellular glycolytic and respirational activity. In addition we show how the ability of neuronal cells to use lactate instead of glucose as energy delivering substrate depends on their respective glycolytic and respiratory activity. Since a reduced activity of brain α-ketoglutarate dehydrogenase complex (KGDHC) occurs in a number of neurodegenerative diseases, we examined the influence of a reduced KGDHC activity on the neuronal energy metabolism and show how it leads to a compromised neuronal functionality. In addition we developed a detailed kinetic model of the respiratory chain (RC) and identified the possible sites for production of reactive oxygen species (ROS) by the RC. We show that a reduced KGDHC activity should decrease ROS production by the RC.

Multiple Sklerose (MS) ist eine chronische neuro-degenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems, die durch auto-immun-bedingte Prozesse charakterisiert ist. T Zellen wurden als wesentliche pro-inflammatorische Mediatoren mit der Pathogenese der MS assoziiert. In gesunden Individuen passen Immunzellen ihren Metabolismus, wie die mitochondriale Atmung und Glykolyse, ihrer jeweiligen Funktion und ihrem inflammatorischen Phänotyp an. Im Krankheitsverlauf der MS ist die Bedeutung der metabolischen Anpassung und der damit verbundenen pro-inflammatorischen Mechanismen von T Zell-Subpopulationen noch nicht eindringlich erforscht. Um dieser Fragestellung nachzugehen wurden Relapsing Remitting MS (schubförmig, RRMS) Patienten und sorgfältig aufeinander abgestimmte gesunde Kontrollprobanden als Teil der Studie Depression und Immunfuktion bei MS rekrutiert (n=62). Den Patienten und gesunden Kontrollprobanden wurde Nüchternblut entnommen, woraus periphäre mononukleäre Blutzellen (PBMC) aufgearbeitet wurden, um anschließend CD4+ und CD8+ T Zellen zu isolieren. Die erzielten Ergebnisse zeigten CD4+ T Zell-spezifische Verringerungen der mitochondrialen Atmung und glykolytischen Aktivität in der MS Patienten Kohorte im Vergleich zur Kohorte der gesunden Kontrollprobanden. Darüberhinaus wurden, zusätzlich zu den umfangreichen phänotypischen Charakterisierungen der PBMCs via Durchflußzytometrie, erhöhte Werte des mitochondrialen Membranproteins CPT1a in CD4+ T Zell-Subpopulationen in der MS Patienten Kohorte detektiert. Die Analyse der CD4+ CD25- CD127+ konventionellen T Zell- Subpopulation ergab leicht erniedrigte Werte von IL7-Rα in MS Patienten. Genexpressionsanalysen, die mit pro-inflammatorischen und metabolischen Genen assoziiert sind, ergaben keine Veränderungen in den T Zell-Subpopulationen der MS Patienten. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse weisen auf Funktionsstörungen bei der metabolischen Anpassung in T-Zell-Subpopulationen bei MS Patienten hin und helfen, den Beitrag des Immunmetabolismus bei der Pathogenese der MS Erkrankung besser zu verstehen. / Multiple Sclerosis (MS) is a chronic neurodegenerative disease of the central nervous system characterized by autoimmune-mediated mechanisms. T cells have been associated as central pro-inflammatory mediators in MS pathogenesis. In healthy individuals, immune cells adapt metabolic programs like mitochondrial respiration and glycolysis based on their function and inflammatory phenotype. However, the relevance of metabolic reprogramming and associated pro-inflammatory mechanisms in T cell subpopulations in MS disease is not well understood yet. To address this question, Relapsing Remitting MS (RRMS) patients and meticulously matched healthy control (HC) participants were recruited as part of the clinical study Depression and Immune Function in MS (n=62). Blood samples, after a period of fasting, were collected and CD4+ and CD8+ T cells isolated from peripheral blood mononuclear cells (PBMC). The results obtained demonstrated decreased mitochondrial and glycolytic activity specific to CD4+ T cells in the MS patient cohort compared to the HC participant cohort. Furthermore, increased CPT1a mitochondrial membrane protein levels were detected in CD4+ T cell subpopulations in the MS patient cohort as assessed in comprehensive flow cytometry PBMC phenotype investigations. The analysis of the CD4+ CD25- CD127+ conventional T cell subpopulation moreover revealed a trend of decreased IL7-Rα expression levels in MS patients. Gene expression measurements of pro-inflammatory and metabolic genes did not reveal alterations in MS patients’ T cell subpopulations. The results obtained in this study allude to dysfunctions in metabolic reprogramming in T cell subpopulations in MS patients and help to better understand the contribution of immunometabolism in the pathogenesis of MS disease.