Background: The appetite-stimulating hormone ghrelin is a fundamental regulator of human energy metabolism. A series of studies support the notion that long-term appetite and weight regulation may be already programmed in early life and it could be demonstrated that the intrauterine environment affects the ghrelin system of the offspring. Animal studies have also shown that intrauterine programming of orexigenic systems persists even until adolescence/adulthood. Methods: We hypothesized that plasma ghrelin concentrations in adulthood may be associated with the intrauterine exposure to cigarette smoke. We examined this hypothesis in a sample of 19-year-olds followed up since birth in the framework of the Mannheim Study of Children at Risk, an ongoing epidemiological cohort study of the long-term outcome of early risk factors. Results: As a main finding, we found that ghrelin plasma concentrations in young adults who had been exposed to cigarette smoke in utero were significantly higher than in those without prenatal smoke exposure. Moreover, individuals with intrauterine nicotine exposure showed a significantly higher prevalence of own smoking habits and lower educational status compared to those in the group without exposure. Conclusion: Smoking during pregnancy may be considered as an adverse intrauterine influence that may alter the endocrine-metabolic status of the offspring even until early adulthood.

Die aerobe Leistungsfaehigkeit von Kindern und Jugendlichen hat grosse Bedeutung fuer die Gesundheit. Die aeroben Leistungen der Jungen sind in allen Altersstufen groesser als die der Maedchen. Dabei weisen die uebenden Jungen und Maedchen in allen Altersvorgaengen die hoeheren Werte als die nichtuebenden Jungen und Maedchen auf. Unter anderem ist die aerobe Leistungsfaehigkeit zur Beurteilung der Trainierbarkeit und Belastbarkeit des kardiopulmonalen Systems interessant.

(1) Background: Maximum isokinetic force loads show strongly increased post-load lactate concentrations and an increase in the maximum blood lactate concentration rate ( V˙ Lamax), depending on load duration. The reproducibility of V˙ Lamax must be known to be able to better assess training-related adjustments of anaerobic performance using isokinetic force tests. (2) Methods: 32 subjects were assigned to two groups and completed two unilateral isokinetic force tests (210° s−1, Range of Motion 90°) within seven days. Group 1 (n = 16; age 24.0 ± 2.8 years, BMI 23.5 ± 2.6 kg m−2, training duration: 4.5 ± 2.4 h week−1) completed eight repetitions and group 2 (n = 16; age 23.7 ± 1.9 years, BMI 24.6 ± 2.4 kg m−2, training duration: 5.5 ± 2.1 h week−1) completed 16 repetitions. To determine V˙ Lamax, capillary blood (20 µL) was taken before and immediately after loading, and up to the 9th minute post-load. Reproducibility and variability was determined using Pearson and Spearman correlation analyses, and variability were determined using within-subject standard deviation (Sw) and Limits of Agreement (LoA) using Bland Altman plots. (3) Results: The correlation of V˙ Lamax in group 1 was r = 0.721, and in group 2 r = 0.677. The Sw of V˙ Lamax was 0.04 mmol L−1 s−1 in both groups. In group 1, V˙ Lamax showed a systematic bias due to measurement repetition of 0.02 mmol L−1 s−1 in an interval (LoA) of ±0.11 mmol L−1 s−1. In group 2, a systematic bias of −0.008 mmol L−1 s−1 at an interval (LoA) of ±0.11 mmol L−1 s−1 was observed for repeated measurements of V˙ Lamax. (4) Conclusions: Based on the existing variability, a reliable calculation of V˙ Lamax seems to be possible with both short and longer isokinetic force loads. Changes in V˙ Lamax above 0.11 mmol L−1 s−1 due to training can be described as a non-random increase or decrease in V˙ Lamax.

Cell turnover is a common feature of many organs in all animals and is required to maintain organ structure and function. It is achieved by a tightly regulated balance between cell death and cell division, which can be re-adjusted in response to injury and nutrient availability. How the balance between dying and dividing cells is coordinated has however remained unclear. Planarians represent an important model for studying cell turnover in adult animals, because all tissues undergo continuous cell turnover and a single stem cell type – the neoblast – is the exclusive source of all new cells. Moreover, planarians change their body size proportionally and reversibly depending on the nutritional status: feeding induces rapid and transient neoblast proliferation that results in animal growth, while starvation increases the rate of cell death, leading to de-growth. Importantly, also during starvation neoblasts keep proliferating at a basal-level. The hypothesis I addressed with my thesis research is that planarian energy metabolism might be a central mediator of cell turnover, particularly proliferation control and growth. I approached this hypothesis at several levels, including the characterization of the planarian energy metabolism and energy stores, the dependency of proliferation on the diet, and genetic requirements of proliferation control during starvation and feeding. I found that planarians have orthologs of key enzymes of most animal metabolic pathways, but, surprisingly, seem to lack fatty acid synthase. This suggests that planarians are likely not only auxotrophic for cholesterol, but also for fatty acids. I described that planarians store energy as triacylglycerols (TAGs, stored in lipid droplets) and glycogen, with the intestine as the main storage organ. Interestingly, the amount of TAGs and glycogen changes with size and is higher for larger animals, suggesting a regulatory interplay with the known size-dependency of growth/degrowth rates. Further, we demonstrated that the energy stores are the physiological basis of Kleiber’s law that describes the near-universal scaling between metabolic rate and body mass. I further showed that proliferation occurs in three different modes, one during starvation when proliferation is maintained at basal levels and two after feeding, an initial proliferation mode (at three hours after feeding), which is diet independent and a later proliferation (at 24 hours after feeding), which is diet dependent. The two feeding-induced proliferation modes differ not only in their diet-dependencies, but also in their gene expression profiles, as assessed by RNA-sequencing. To identify genes involved in proliferation regulation, I assessed the requirements of different candidate genes in all three proliferation modes in a small-scale RNA interference screen. This screen revealed that insulin signaling, TORC1 and FGFR are involved in regulating basal proliferation during starvation and – most interestingly –that AMP-activated protein kinase (AMPK)-depleted animals showed increased proliferation during starvation at levels characteristic of recently fed animals. This result uncovered AMPK as a modulator that adjusts the neoblast proliferative activity to the nutritional state, potentially independently of TOR. In sum, my work shows how energy metabolism and storage are coordinated with proliferation and growth in planarians and identified AMPK as a central modulator that adjust proliferation to cellular energy states. I discuss potential mechanisms by which AMPK modulates proliferation and putative links between AMPK and cell death, the second process of cell turnover. The energy state as the central mediator of cell turnover and the key players and mechanisms that my work revealed in planarians might also apply across different species:Chapter 1 1. Introduction 1 1.1 Cell turnover is a crucial process for tissue homeostasis 1 1.2 Cell division 2 1.2.1 Control mechanisms of cell division 2 1.2.1.1 Cell cycle machinery 2 1.2.1.2 Organization of the cell cycle control system – cell-cycle intrinsic regulation by Cdk-cyclin complexes 3 1.2.1.3 External control of cell cycle progression 4 1.2.1.4 Metabolic control of cell cycle progression 6 1.2.2 Metabolic requirements of proliferating cells 10 1.2.2.1 The energy stores 11 1.3 Cell death 13 1.4 Suggested mechanisms that coordinate cell death and division and their caveats 14 1.5 Planarians as a model to study cell turnover 16 1.6 Planarian body anatomy 18 1.7 Planarian stem cell system 19 1.7.1 Neoblasts form a heterogeneous population 19 1.7.2 Neoblast proliferative activity 21 1.7.3 Neoblast cell cycle machinery 22 1.7.4 Regulation of neoblast proliferative activity 22 1.8 Cell death in planarians 23 1.9 Mechanisms that coordinate the rate of dividing and dying cells in planarians still remain elusive 24 1.10 Scope of the thesis 24 Chapter 2 2. Planarian energy metabolism and the regulation of planarian growth dynamics 26 2.1 Introduction 26 2.2 Part 1: Planarian energy metabolism 27 2.2.1 The metabolic machinery of S. mediterranea 27 2.2.2 Planarian energy stores 30 2.2.2.1 Visualization of lipid and glycogen storage compartments in planarians 30 2.2.2.2 Investigation of feeding-dependent changes in lipid and glycogen stores 31 2.3 Part 2: Role of planarian organismal energy stores in regulating their growth and degrowth dynamics 36 2.3.1 Background information about known aspects of growth and degrowth dynamics in planarians 36 2.3.1.1 Growth and degrowth arise mainly from changes in cell number 36 2.3.1.2 Growth and degrowth rates are size dependent 37 2.3.2 Energy stores increase disproportionately with size and strongly contribute to the size-dependent dry mass increase 38 2.3.3 Metabolic rate and energy intake are unlikely causes of the size-dependency of the energy stores 41 2.4 Summary and Discussion 43 2.4.1 Part 1: First insights into planarian energy metabolism 43 2.4.1.1 Core planarian metabolic pathways 43 2.4.1.2 Characterization of planarian energy stores 44 2.4.2 Part 2: Implications of size-dependent behavior of planarian energy stores 44 2.4.2.1 Role of energy stores as the physiological origin of Kleiber’s law in planarians 44 2.5 Outlook 46 Chapter 3 3. Towards understanding a systems-level regulation of neoblast proliferative activity 48 3.1 Introduction 48 3.2 Assay development for quantitative determination of proliferating cells 50 3.3 Food quantity and quality affect the later proliferation phase, but not the initial response to feeding 53 3.4 Deep sequencing time course provides insights into gene-expression changes in response to feeding 56 3.5 Discussion 59 3.5.1 Evidence for feeding-induced neoblast regulation at the G0/G1-to-S transition 59 3.5.2 Three distinct modes of neoblast proliferation 59 3.5.3 Early and late proliferation modes show distinct transcriptional profiles 59 3.5.4 Implications from feeding and gene expression profiling experiments 60 3.5.4.1 Potential explanations for diet dependence of the late proliferation mode 60 3.5.4.2 Potential mechanisms of diet-independent early proliferation response 61 3.5.5 Summary and Outlook 61 Chapter 4 4. Towards identifying the mechanisms underlying the regulation of neoblast proliferation 63 4.1 Introduction 63 4.1.1 Chosen gene candidates and their known role in proliferation 64 4.2 RNAi-mediated depletion of candidate genes to test their regulatory role in proliferation 67 4.2.1 Assay design and optimization for the functional RNAi screen 67 4.2.2 Results of small-scale RNAi screen 69 4.3 AMPK - a potential integrator of neoblast proliferation to the nutritional state of the animal 73 4.3.1 AMPK and LKB1 knockdown increases proliferation during starvation 73 4.3.2 AMPK depletion-phenotype of increased proliferation during starvation seems to be TOR independent 73 4.4 Discussion 76 4.4.1 Evidence for a mechanism that regulates basal proliferation during starvation 76 4.4.2 AMPK integrates neoblast activity in response to feeding 77 4.4.2.1 Implications of my observations 77 4.4.2.2 Possible experiments to test the role of AMPK during the regulation of proliferation 78 4.4.3 AMPK potentially regulates proliferation independently of TOR 79 4.4.4 An evolutionarily conserved stem cell switch? 80 4.4.5 Summary and Outlook 80 Chapter 5 5. Discussion and Outlook 81 5.1 Cell-autonomous roles of AMPK in proliferation regulation 83 5.1.1 Independent regulation of ribosomal translation elongation as a potential modulator of neoblast proliferation 83 5.1.2 AMPK might regulate cell cycle progression directly 85 5.1.3 AMPK might regulate symmetric versus asymmetric cell division 85 5.2 Cell non-autonomous roles of AMPK in proliferation regulation 86 5.2.1 AMPK might modulate the release of lipid stores 86 5.3 Possible role of AMPK in regulation of autophagic cell death 87 5.4 AMPK as a potential modulator of cell turnover that couples cell proliferation and cell death to the animal’s energy state 88 5.5 Summary and Outlook 89 Materials and Methods 91 List of Figures 106 List of Tables 107 Acknowledgments 108 References 110

Purpose of the Review Mitochondrial dysfunction has long been proposed to play a crucial role in the pathogenesis of a considerable number of disorders, such as neurodegeneration, cancer, cardiovascular, and metabolic disorders, including obesity-related insulin resistance and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). Mitochondria are highly dynamic organelles that undergo functional and structural adaptations to meet the metabolic requirements of the cell. Alterations in nutrient availability or cellular energy needs can modify their formation through biogenesis and the opposite processes of fission and fusion, the fragmentation, and connection of mitochondrial network areas respectively. Herein, we review and discuss the current literature on the significance of mitochondrial adaptations in obesity and metabolic dysregulation, emphasizing on the role of hepatocyte mitochondrial flexibility in obesity and NAFLD. Recent Findings Accumulating evidence suggests the involvement of mitochondrial morphology and bioenergetics dysregulations to the emergence of NAFLD and its progress to non-alcoholic steatohepatitis (NASH). Summary Most relevant data suggests that changes in liver mitochondrial dynamics and bioenergetics hold a key role in the pathogenesis of NAFLD. During obesity and NAFLD, oxidative stress occurs due to the excessive production of ROS, leading to mitochondrial dysfunction. As a result, mitochondria become incompetent and uncoupled from respiratory chain activities, further promoting hepatic fat accumulation, while leading to liver inflammation, insulin resistance, and disease’s deterioration. Elucidation of the mechanisms leading to dysfunctional mitochondrial activity of the hepatocytes during NAFLD is of predominant importance for the development of novel therapeutic approaches towards the treatment of this metabolic disorder.

Der Monocarboxylattransporter 8 (Mct8) ist ein spezifischer Schilddrüsenhormon (SDH)-Transporter. MCT8-Mutationen führen zu einer psychomotorischen Retardierung in Kombination mit abnormalen SDH-Serumkonzentrationen. Das konstitutiv Mct8-defiziente Mausmodell repliziert den endokrinologischen, jedoch nicht den humanen neurologischen Phänotyp. Um die Hypothese eines stark beeinträchtigten T3-Transportes speziell in Neuronen als Ursache zu untersuchen, wurde das Neuron-spezifische Mct8-defiziente Mausmodell (CamK-Cre;Mct8fl/fl) generiert. Neben einer funktionalen, Mct8-exprimierenden Blut-Hirn-Schranke liegt eine funktionale Hypophysen-Hypothalamus-Schilddrüsen Achse vor. NMR-Analysen des zerebralen Energiestoffwechsels von CamK-Cre;Mct8fl/fl-Mäusen zeigen nach [1-13C] Glukoseinfusion verringerte Laktatintensitäten sowie eine reduzierte Laktatdehydrogenase-Aktivität. Zudem sind Astrozyten-spezifische Transporter und Enzyme des Neurotransmitterstoffwechsels und deren Biosynthese in ihrer Genexpression reduziert. Somit führt der neuronale Mct8-Verlust zu einem verlangsamten zerebralen Metabolismus sowie einer reduzierten neuronalen Aktivität. Die Rolle von Mct8 im Energiestoffwechsel wurde außerdem in primären Mct8-defizienten Astrozyten- und Neuronkulturen mittels Seahorse Flux Analyzer untersucht. In Mct8-defizienten Neuronen kommt es zu einer verringerten SDH-Aufnahme, was in einer verringerten Expression von OXPHOS-relevanten Proteinen sowie in einer verringerten Sauerstoffverbrauchsrate resultiert. Somit stützen die in vitro Daten die des CamK-Cre;Mct8fl/fl-Mausmodelles bezüglich einer reduzierten neuronalen Aktivität sowie eines verlangsamten zerebralen Stoffwechsels. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass grundlegende Mechanismen des zerebralen Stoffwechsels bei neuronaler Mct8-Defizienz beeinträchtigt sind und die Rolle von Mct8 mit Hilfe weiterer konditioneller Mausmodelle (Astrozyten-spezifisch) und primären Ko-Kulturmodellen untersucht werden muss. / The monocarboxylate transporter 8 (Mct8) is the most specific thyroid hormone (TH) transporter. Mutations lead to a severe form of psychomotor retardation in combination with abnormal TH concentrations in sera. The global Mct8-deficient mouse model was intensively studied and it replicates the endocrine, but not the human neurological phenotype. To test the hypothesis, that a disturbed uptake of T3 especially into neurons is responsible for the phenotype, we generated a neuron-specific Mct8-deficient mouse model (CamK-Cre;Mct8fl/fl). CamK-Cre;Mct8fl/fl mice exhibit a functional Mct8-expressing blood-brain-barrier and a functional hypothalamus pituitary thyroid axis. NMR analyses of the cerebral energy metabolism of CamK-Cre;Mct8fl/fl mice after [1-13C] glucose injection revealed less enrichment of lactate and a reduced lactate dehydrogenase activity. Moreover, especially astrocyte-specific expressed transporter and enzymes of neurotransmitter metabolism and their biosynthesis are significantly reduced in comparison to control mice. These results point to a decelerated cerebral metabolism as well as a reduced neuronal activity caused by the neuronal loss of Mct8. In addition, we studied the impact of Mct8 on the energy metabolism in primary wildtype and Mct8-deficient astrocyte and neuron cultures by use of the Seahorse Flux Analyzer. Mct8-deficient neurons show a reduced uptake of TH, which results in a reduced expression of OXPHOS relevant proteins as well as a reduced oxygen consumption rate. Therefore, the in vitro raised data provide the observed changes of the CamK-Cre;Mct8fl/fl mice regarding a reduced synaptic activity as well as a reduced cerebral metabolism. Taken together, the data clearly shows that basic mechanisms of the cerebral metabolism are hampered in neuronal Mct8 deficiency. The role of Mct8 in this context needs further analyses with the help of conditional mouse models (astrocyte-specific) and primary co-culture models.

Einleitung: Vitamin B12 hat wichtige Funktionen im Energiestoffwechsel sowie bei der Erythropoese. Beide Funktionskreise werden bei Hochleistungskühen besonders beansprucht und können bei Belastungen und ungenügender Vitamin-B12-Versorgung Ausgangspunkt für klinische Störungen werden. Ziele der Untersuchungen: In den vorliegenden Studien wurde der Fragestellung nachgegangen, wie sich die Vitamin-B12-Konzentration im Blutserum von Milchkühen in der Frühlaktation verhält und welche Zusammenhänge zu Stoffwechselparametern, dem Erythrogramm sowie dem Gesundheitsstatus der Kühe bestehen. Des Weiteren wurde geprüft, inwieweit der postpartale Stoffwechsel und der Gesundheitsstatus durch orale Vitamin-B12-Substitutionen stabilisiert werden können. Material und Methoden: Die Untersuchungen zur Vitamin-B12-Statuserhebung erfolgten an 157 Kühen der Rasse Holstein Friesian. Blutproben zur Stoffwechselanalytik wurden 2-6 Tage p.p. sowie 4-5 Wochen p.p. entnommen. Parallel dazu wurden klinische Daten zu Leistung und Gesundheitsstatus bis 3 Monate p.p. erhoben. In einem zweiten Versuch wurden die Kühe in 2 Gruppen eingeteilt, wobei die Versuchsgruppe (65 Kühe) eine orale Vitamin-B12-Substitution in Höhe von 0,5 g Cyanocobalamin/Kuh/Tag 4-6 Wochen a.p. beginnend bis zur Kalbung erhielt. 71 Kühe, die das stallübliche Mineralfutter erhielten, dienten als Kontrollgruppe. Auch hier erfolgten die Blutkontrollen 2-6 Tage p.p. sowie 4-5 Wochen p.p. Es wurden die Milchleistung sowie auftretende Erkrankungen dokumentiert. Die Blutentnahme erfolgte aus der Vena caudalis mediana. Neben den hämatologischen Untersuchungen wurden folgende Parameter aus dem Serum bestimmt: Freie Fettsäuren (FFS), Betahydroxybutyrat (BHB), Glukose, Bilirubin, Cholesterol, Gamma-Glutamyltransferase (GGT), Creatinkinase (CK), Harnstoff, Calcium, Eisen, anorganisches Phosphat (Pi), Cyanocobalamin und Cobalt. Ergebnisse: Die Vitamin-B12-Konzentration zeigt eine signifikante Laktationsdynamik. Alle untersuchten Kühe hatten 4 Wochen p. p. gegenüber 2–6 Tage p. p. erniedrigte Vitamin-B12-Konzentrationen (p ≤ 0,05). Bei den p.p. kranken Kühen sank gegenüber den gesunden Kühen die Vitamin-B12-Konzentration weniger stark ab (p ≤ 0,05), d.h., höhere Vitamin-B12-Konzentrationen können auf klinische Probleme hinweisen. Gesunde sowie auch p.p. kranke Kühe wiesen 2–6 Tage p. p. höhere Werte für die Parameter Erythrozytenzahl, Hämatokrit und Hämoglobinkonzentration auf als 4 Wochen p. p. Die BHB-, FFS- und Bilirubin-Konzentrationen waren bei allen Kühen 2–6 Tage p. p. infolge der partusbedingten Lipolysesteigerung erhöht (p ≤ 0,05). Bei allen Kühen korrelierte die Aktivität der cholestaseanzeigenden GGT eng mit der Vitamin-B12-Konzentration (p ≤ 0,01). Aufgrund dieser engen Korrelation mit der GGT-Aktivität sowie der Bilirubinkonzentration kann Vitamin B12 bei einer Serumkonzentration ≥ 227 ng/l bei Kühen cholestatische Stoffwechselbelastungen anzeigen. Nach Vitamin-B12-Substitution blieben in der Versuchsgruppe 60 % und in der Kontrollgruppe 47,9 % der Kühe in der Frühlaktation gesund. In der Kontrollgruppe hatten 12,7 % eine Nachgeburtsverhaltung und 40,8 % eine Mastitis, in der Versuchsgruppe betrugen die Anteile 21,5 % sowie 26,2 %. Mit x̃ = 320 pg/ml war die Vitamin-B12-Konzentration 2-6 Tage p.p. in der Vitamin-B12-substituierten Gruppe gegenüber x̃ = 224 pg/ml in der Kontrollgruppe gesichert höher. Auch vier Wochen p.p. war die Differenz noch signifikant. Cobalt, die Parameter des Leber- und Energiestoffwechsels sowie Harnstoff und CK unterschieden sich zwischen der Vitamin-B12-substituierten Gruppe und der Kontrollgruppe nicht gesichert. Die Erythrozytenzahlen sowie die Hämoglobin-Konzentrationen waren in der Vitamin-B12-substituierten Gruppe gesichert höher. Der Milchfettgehalt (%) war bei den Vitamin-B12-substituierten Kühen gegenüber den Kontrollkühen signifikant erhöht (p = 0,022), die Milchleistung unterschied sich unwesentlich. Schlussfolgerungen: Signifikant höhere Vitamin-B12- und Hämoglobin-Konzentrationen, höhere Erythrozytenzahlen sowie geringere Morbidität sprechen für positive Effekte der Vitamin-B12-Substitution. Anhand der Parameter des Leber-Energiestoffwechsels sowie der Milchleistung ließ sich dies nicht bestätigen. Cholestase stört die Vitamin-B12-Bewertung im Blut bzw. ist bei der Interpretation zu beachten. / Introduction: Vitamin B12 has important functions in energy metabolism and erythropoiesis. Both functional groups are particularly stressed in high-yielding dairy cows and can be a starting point for clinical disorders under stress and insufficient vitamin B12 supply. Objective: The studies presented were designed to ascertain the characteristics of the serum vitamin B12 concentration of dairy cows in early lactation and to check the relations with metabolic parameters, the erythrogram as well as the health status of the cows. Furthermore, it was examined to what extent the postpartum metabolism can be stabilized by oral vitamin B12 substitutions. Material and methods: The investigations on vitamin B12 status survey were carried out on 157 cows of the Holstein Friesian breed. Blood samples were taken for metabolic analysis at 2-6 days p.p. and at 4-5 weeks p.p. In parallel, clinical findings on the milk yield and the health status were compiled up to 3 months p.p. In a second trial the cows were divided into 2 groups in which the experimental group (65 cows) received an oral vitamin B12 substitution in the amount of 0.5 g cyanocobalamin/cow/day starting 4-6 weeks a.p. up to calving. 71 cows, which recieved the common mineral feed, served as control group. Again the blood tests were performed at 2-6 days p.p. and at 4-5 weeks p.p. The milk yield and emerging diseases were documented. The blood samples werde taken from the Vena caudalis mediana. In addition to haematological investigations the following parameteres were measured: Non-esterified fatty acids (NEFA), beta-hydroxybutyrate (BHB), glucose, bilirubin, cholesterol, gamma-glutamyl transferase (GGT), creatinkinase (CK), urea, calcium, ferric, anorganic phosphor, cyanocobalamin and cobalt. Results: The vitamin B12 concentration shows a significant dynamic in lactation. All examined cows had decreased vitamin B12 concentrations at 4 weeks p. p. compared to 2-6 days p. p. (p ≤ 0.05). In the p.p. morbid cows the vitamin B12 concentration fell less than in the healthy cows (p ≤ 0.05), which means higher vitamin B12 concentrations may indicate clinical problems. Healthy as well as p.p. morbid cows showed higher values for the parameters erythrocyte count, hematocrit and hemoglobin concentration at 2-6 days p.p. than 4 weeks p.p. BHB, FFS, and bilirubin levels were increased in all cows at 2-6 days p.p. as a result of partus related rise in lipolysis (p ≤ 0.05). In all cows, the activity of the GGT, which indicates cholestasis, was closely correlated with the vitamin B12 concentration p ≤ 0.01). Because of this close correlation with GGT activity and bilirubin concentration, vitamin B12 may show cholestatic metabolic stress in cows at a serum concentration ≥ 227 ng/l. After vitamin B12 substitution 60 % of the cows in the experimental group and 47.9 % of the cows in the control group remained healthy during early lactation. In the control group 12.7 % had a Retentio secundinarum and 40.8 % had a mastitis, in the experimental group the proportions were 21.5 % and 26.2 %. At two to six days p.p. the vitamin B12 concentration in the vitamin B12 substituted group was significant higher (x̃ = 320 pg/ml) than in the control group (x̃ = 224 pg/ml). This difference was still significant at four weeks p.p. Cobalt, parameters of liver and energy metabolism as well as urea and CK did not differ significantly between the vitamin B12 substituted group and the control group. Erythrocyte counts and hemoglobin concentrations were significant higher in the vitamin B12 substituted group. Milk fat content (%) was significant higher in the vitamin B12 substituted group compared to the control group (p = 0.022), the milk yield did not differ significantly. Conclusions: Significant higher vitamin B12 and hemoglobin concentrations, higher erythrocyte counts as well as lower morbidity speak for positive effects of vitamin B12 substitution. Based on the parameters of hepatic and energy metabolism as well as milk yield this could not be confirmed. Cholestasis interferes with the evaluation of vitamin B12 in the blood respectively should be considered in the interpretation.

Einleitung: Futterrationen für Hochleistungsmilchkühe basieren häufig auf Maissilage und liefern somit nur wenig frisches Gras, was eine niedrige Zufuhr an n-3-Fettsäuren, v.a. an α-Linolensäure (ALA), bewirkt. Dies führt einerseits zu einem reduzierten Status an ALA und konjugierter Linolsäure (CLA) und andererseits zu einem hohen n-6/n-3-Verhältnis bei laktierenden Kühen. Ziel der Untersuchungen: Das Ziel der vorliegenden Studie war es, die Einflüsse einer Supplementierung von essentiellen Fettsäuren (EFA, v.a. ALA) zusammen mit CLA auf den Fett- säurestatus, die Leistung, auf das antioxidative und inflammatorische System bei Milchkühen, die mit einer Mais-basierten Ration gefüttert wurden, in etablierter Laktation zu untersuchen und ver- schiede Stoffwechselwege, einschließlich der somatotropen Achse, näher zu beleuchten. Tiere, Material und Methoden: Es wurden 4 Kühe (3. Laktation, 126 ± 4 Tage in Milch) in einem 4 × 4 Latin Square untersucht. Die Kühe erhielten täglich abomasale Infusionen an Kokosöl (CTRL, 38,3 g/d; v.a. gesättigte Fettsäuren), Lein- und Distelöl (EFA, 39,1 und 1,6 g/d), Lutalin® (cis-9,trans-11 und trans-10,cis-12 CLA, jeweils 4,6 g/d) oder EFA+CLA für jeweils 6 Wochen. Die initiale Dosis wurde jeweils nach 2 Wochen verdoppelt, was in 3 Dosierungen resultierte (Dosis 1, 2 und 3). Es schloss sich eine 3-wöchige Washout-Periode an. Den Kühen wurde eine Mais-basierte Ration mit einem hohen n-6/n-3-V erhältnis (11,3:1) gefüttert. Die Trockensubstanzaufnahme und die Milchleistung wurden täglich und die Milchzusammensetzung wöchentlich gemessen. Die Fettsäuremuster im Milchfett und im Blutplasma, Plasmakonzentra- tionen von Metaboliten und Hormonen sowie von Parametern des antioxidativen Systems und der Immunantwort (nur in Woche 0 und 6) wurden jeweils in Behandlungswoche 0, 2, 4 und 6 analysiert. Lebergewebe wurde zu Beginn der Studie und jeweils nach 6 Wochen Behandlung entnommen und der Energiestoffwechsel sowie Parameter des antioxidativen Systems und der Immunantwort wurden auf Ebene der Transkription untersucht. Die statistische Auswertung wurde mittels ANOVA und der MIXED Prozedur (repeated measurements) in SAS durchgeführt, wobei Behandlung, Dosis und deren Interaktion als fixe Effekte und die Laktationswoche als Kovariable dienten. Ergebnisse: Die jeweils infundierten Fettsäuren stiegen sowohl im Plasma als auch in der Milch dosisabhängig an. Das n-6/n-3-Verhältnis des Milchfetts lag in der CTRL- und in der CLA- Gruppe höher als in den beiden EFA-Gruppen. Die Energie-korrigierte Milch und das Milchfett nahmen dosisabhängig in den beiden CLA-Gruppen ab. Es gab einen Trend für eine höhere Energiebilanz in der CLA-Gruppe. Der Milchproteingehalt war in den beiden CLA-Gruppen niedriger als in der CTRL-Gruppe und die Milchharnstoffkonzentration sank in beiden CLA- Gruppen dosisabhängig ab. Die Citratkonzentration in der Milch stieg dosisabhängig in der CLA- Gruppe an. Die Aktivität der Glutathionperoxidase im Blutplasma war in der CTRL-Gruppe ge- ringer als in der EFA-Gruppe und die Plasmakonzentration von β-Carotin stieg in beiden EFA- Gruppen mit der Dosis an. Die Plasmakonzentration des Gesamtcholesterols stieg dosisabhängig in allen Gruppen, außer der CLA-Gruppe, an. Die Plasmakonzentration des High-density- lipoprotein-Cholesterols stieg in der CTRL-Gruppe an und lag höher als in der EFA- und der CLA-Gruppe, während die Konzentrationen des Low-density-lipoprotein-Cholesterols dosisab- hängig in der EFA- und der EFA+CLA-Gruppe anstiegen und höher als in der CLA-Gruppe waren. Die hepatische Genexpression der 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA Synthase 1 wurde in allen Gruppen hochreguliert und lag in der EFA+CLA-Gruppe am höchsten. Die Genexpression des sterol regulatory element-binding factor 1 zeigte einen Trend für die niedrigsten Werte in den beiden EFA-Gruppen. Die Expression des leberspezifischen growth hormone receptor 1A (GHR1A) tendierte zu einer Erhöhung in der EFA+CLA-Gruppe im Vergleich zur CTRL-Gruppe. Die insulin-like growth factor I (IGF-I)-Plasmakonzentration stieg in der CLA-Gruppe an und der Plasmaspiegel des insulin-like growth factor binding protein 2 (IGFBP-2) lag in der EFA+CLA- Gruppe niedriger als in der CTRL-Gruppe. Die Albumin- und Harnstoffkonzentrationen im Plasma waren in der CLA-Gruppe niedriger als in der CTRL-Gruppe. Schlussfolgerungen: Die Milchfettdepression und das erhöhte Milch-Citrat weisen auf eine redu- zierte de-novo-Fettsäuresynthese und einen verbesserten oxidativen Status in der Milch durch CLA-Supplementierung hin. Weder CLA- noch EFA-Gaben zeigten eindeutige Wirkungen auf den Entzündungsstatus bei den Milchkühen. Die Supplementierung von EFA und CLA hatte Ein- fluss auf den Cholesterol- und den Fettstoffwechsel sowie deren Regulierung. Der erhöhte IGF- I-Plasma-Spiegel in der CLA-Gruppe sowie die niedrigere IGFBP-2-Plasmakonzentration und die erhöhte Genexpression des GHR1A in der Leber der EFA+CLA-Gruppe deuten auf stimulierende Effekte auf die somatotrope Achse hin. Weiterhin scheinen CLA-Gaben auch den Proteinstoffwechsel von Milchkühen zu beeinflussen.

Schilddrüsenhormone (TH) regulieren Metabolismus und Energiestoffwechsel. Der TH‐Metabolit (THM) 3,5‐T2 (3,5‐Diiod‐L‐Thyronin) aktiviert Fett‐Oxidation und mitochondriale Atmung. Der THM 3‐Iodothyronamin (3‐T1AM) beeinflusst zusätzlich glukoregulatorische Prozesse. THM können zur Reduktion von Körperfett beitragen. Um 3,5‐T2 im humanen Serum nachzuweisen sollte ein Immunoassay aufgebaut, validiert und angewendet werden. In intakten hepatozellulären (HepG2) sowie pankreatischen ß‐Zellen (MIN6) sollte untersucht werden ob THM durch Modulation der mitochondrialen Aktivität die zelluläre Substratverstoffwechslung (3,5‐T2) und Insulinsekretion (3‐T1AM) regulieren können. Der Immunoassay ist sensitiv, spezifisch und misst zuverlässig 3,5‐T2 im humanen Serum. Hyper‐ und Hypothyreose zeigen vergleichbare 3,5‐T2 Konzentrationen, jedoch akkumuliert 3,5‐T2 bei sekundären Erkrankungen der Schilddrüse und athyreoten Patienten unter Thyroxin‐Supplementation. In HepG2‐Zellen konnte die Aktivierung der mitochondrialen Atmung durch 3,3‘,5‐Triiod‐L‐Thyronin (T3), jedoch nicht durch 3,5‐T2 stimuliert werden. Die Expression von TH‐transporters (THT) war gering verglichen mit Maus‐Hepatozyten. MIN6 exprimiert THT vergleichbar mit Langerhansschen Inselzellen der Maus. 3‐T1AM wird in die Zelle aufgenommen, zu 3‐Iodothyroessigsäure (TA1) metabolisiert, und wieder exportiert. Nach 3‐T1AM Gabe ist die mitochondriale ATP‐Produktion sowie die Glukose‐stimulierte Insulinsekretion (GSIS) vermindert. 3,5‐T2 zirkuliert in euthyreoten Individuen, ist nicht an der zentralen Regulation der TH‐Achse beteiligt, wird extrathyroidal gebildet und niedrige T3‐Werte können durch erhöhtes 3,5‐T2 erklärt werden. HepG2 erwies sich als ungeeignetes Zellmodell, da wenige THT vorhanden sind, 3,5‐T2 die Plasmamembran wahrscheinlich nicht passieren kann und damit die Aktivierung der Mitochondrien aus bleibt. In MIN6 wurde gezeigt, dass die GSIS nicht ausschließlich an der Plasmamembran durch 3‐T1AM reguliert wird. / Thyroid hormones (TH) regulate metabolism and energy metabolism. The TH‐metabolite (THM) 3,5‐T2 (3,5‐diiodo‐L‐thyronine) activates fat oxidation and mitochondrial respiration. The THM 3‐T1AM (3‐iodothyronamine) influences in addition glucoregulatory processes. THM may support reduction in body fat mass. It was the idea to establish, validate and apply an immunoassay to determine 3,5‐T2 in human serum. Using intact hepatocellular (HepG2) as well as pancreatic ß‐cells (MIN6) it should be tested if THM can modulate mitochondrial activity, resulting in increased cellular substrate usage (3,5‐T2) as well as decreased insulin secreation (3‐T1AM). The established immunoassay is sensitive, specific and detects precisely 3,5‐T2 in human serum. Hyper‐ and hypothyroidism shows similar 3,5‐T2 concentrations, although 3,5‐T2 accumulates in secondary thyroidal illness as well as in athyreotic patients under thyroxine‐supplementation. Using HepG2 cells, mitochondrial respiration was stimulated by 3,3‘,5‐triiodo‐L‐thyronine (T3), but 3,5‐T2 had no effect. Expression of TH‐transporters (THT) was low compared to murine hepatocytes. In contrast, MIN6 express THT comparable to murine Langerhans islets. 3‐T1AM is taken up by the cell, metabolized to 3‐iodothyroacetic acid (TA1) and following export. After 3‐T1AM application mitochondrial ATP‐production as well as glucose‐stimulated insulin secretion (GSIS) was reduced. 3,5‐T2 circulates in euthyroid individuals, is not involved in central regulation of TH‐axis, is produced extrathyroidally and low T3 values can be explained by increased 3,5‐T2. HepG2 was shown to be an inappropriate cellmodel, because THT are merely expressed, suggesting that 3,5‐T2 is not able to pass the plasma membrane, thereby preventing mitochondrial activation. In addition, it was shown in MIN6 cells, that GSIS is not exclusively regulated at the plasma membrane level via 3‐T1AM.

Hintergrund: Die Funktion von Immunzellen hängt von einer konstanten und ausreichenden Energieversorgung ab, die über die OXPHOS in den Mitochondrien und die Glykolyse im Zytosol realisiert wird. Die wichtigsten Substrate dafür sind Sauerstoff und Glukose. Fragestellung: Bei schweren Erkrankungen oder in Entzündungsgebieten ist die zelluläre Energieversorgung stark beeinträchtigt, weil in der Mikroumgebung der Zelle Sauerstoff und Nährstoffe inadäquat bereitgestellt werden. Ziel war herauszufinden, ob und wie humane Immunzellen ihre Lebensfähigkeit und funktionellen Aktivitäten unter solchen Umständen aufrechterhalten. Methoden: Humane CD4+ T-Zellen und CD14+ Monozyten wurden durch MACS aus peripherem Blut gesunder Spender isoliert. Die Sauerstoffverbrauchsmessung mittels Clark-Elektrode war Maß der oxidativen Energiebildung, die mit Myxothiazol und Glukoseentzug gehemmt wurde. Die CD3/CD28-stimulierte T-Zell-Proliferation wurde durchflußzytometrisch mittels CFDA SE analysiert. Basierend auf dem Paraformaldehyd-Saponin-Prozedere wurde die Zytokinsynthese ebenfalls am FACS bewertet, nachdem die T-Zellen in Anwesenheit von Brefeldin A mit PMA/Ionomycin stimuliert wurden. Mit einem käuflichen Testsystem (FACS-Technik) wurde die monozytäre Phagozytose untersucht. Die HIF-1alpha-Expression wurde nach PMA-Ionomycin-Stimulation von Myxothiazol-behandelten T-Zellen auf mRNA- und Proteinebene gemessen. Ergebnisse: Bei Glukoseanwesenheit waren alle untersuchten Immunfunktionen trotz vollständig gehemmter OXPHOS unbeeinträchtigt. Erst bei gleichzeitigem Glukoseentzug, der per sé Proliferation und Phagozytose signifikant beeinträchtigte, waren sie signifikant vermindert. Es wird vermutet, daß T-Zellen die Energieverluste mit einem überschießenden Effekt ihres Sauerstoffverbrauchs und stark angetriebener Glykolyse kompensieren. HIF-1alpha ist dabei nicht entscheidend für die Umschaltung auf anaerobe Energiesynthese. Schlußfolgerung: Die Daten quantifizieren die Energieanforderungen der funktionellen Aktivität in hochgereinigten humanen Immunzellfraktionen. Es wurde nachgewiesen, daß sich Immunzellen unerwartet lange an eine massiv beeinträchtigte Energetik adaptieren können und ihre spezifischen Funktionen aufrechterhalten. / Background: The function of immune cells is dependent upon a constant and adequate supply of energy. Energy is formed via OXPHOS in the mitochondria and via cytosolic glycolysis. Oxygen and glucose are the main substrates for energy synthesis. Objective: In severe diseases or in inflamed areas cellular energy supply is significantly impaired due to inadequate supply of cellular microenvironment with oxygen and nutrients. The aim of this study was to answer the question, whether and how human immune cells maintain viability and functional activity under these circumstances. Methods: Human CD4+ T cells and CD14+ monocytes were isolated by MACS from peripheral blood of healthy donors. The extent of oxidative energy formation was determined via measurement of oxygen consumption using a Clark type electrode. Energy production was restricted in glucose-free cell culture medium and by gradually inhibited OXPHOS using myxothiazol. T cell proliferation was flow-cytometrically analysed using CFDA SE after stimulation with CD3 and CD28 antibodies. Cytokine synthesis was assessed by flow-cytometrical immunofluorescence and the paraformaldehyde-saponin procedure after stimulation of T cells with PMA/ionomycin in the presence of brefeldin A. Phagocytosis of monocytes was measured using a commercial test system (FACS technique). HIF-1alpha expression was assessed by semiquantitative PCR and immunoblot after the stimulation of myxothiazol treated T cells with PMA/ionomycin. Results: In glucose-containing medium all investigated immune functions were unaffected even under complete suppression of OXPHOS. Only when OXPHOS and glycolysis were simultaneously and almost completely suppressed a significant decrease was found. Glucose deprivation per se caused both a significantly reduced proliferation and phagocytosis. It is supposed, that T cells are able to compensate for an energy deficit by an excess of oxygen consumption and strongly induced glycolysis. However, HIF-1alpha was found to be not crucial for switching to anaerobic energy synthesis. Conclusion: These data quantify the energy requirement of functional activity in highly purified human immune cell fractions. An unexpectedly high adaptive potential of immune cells to maintain specific functions even under massively impaired energetic conditions could be demonstrated.