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Adrenal gland insufficiency – the clinical manifestation of deficient production or action of adrenal steroids – is a life-threatening disorder. Among many factors which can predispose to primary adrenal failure, an autoimmune adrenalitis and infectious agents play a major role. The initial host defense against bacterial infections is executed primarily by the pattern recognition receptors, e.g. Toll-like receptors (TLRs), expressed in cells from the innate immune system. Upon activation, TLRs have been found to regulate various levels of innate and adaptive immunity as well as control tissue inflammation. TLRs are implicated in adrenal cell turnover and steroidogenesis during inflammation. Therefore, TLRs play a crucial role in the activation of adrenal inflammation mediating adrenal gland dysfunction during septicemia. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Patienten mit chronischem Nierenversagen leiden sowohl klinisch als auch subklinisch unter Entzündungsepisoden. Um einen Frühindikator der Mikroinflammation zu finden, wurde die Expression funktioneller monozytärer Oberflächenantigene (HLA-DR, CD14, CD16, TLR2 (extra-, intrazellulär), TLR4 (extra-, intrazellulär), CD80, CD86), das Zytokinexpressionsprofil (IL1, IL6, IL10, TNFa, TGFb) und der ultrastruktrurelle Phänotyp des Monozyten in vivo bzw. in vitro untersucht. Dabei wurde strikt zwischen der Membranproteinexpression auf antiinflammatorischen (CD14++CD16-), proinflammatorischen (CD14++CD16+, CD14dimCD16+) und CD14+ bzw. CD16+ Monozyten unterschieden und parallel die Serumspiegel von Parathormon (PTH), C-reaktivem Protein (CRP), Calcium und Phosphor untersucht. Inwieweit monozytäre Aktivierungsmarker zum immunologischen Monitoring geeignet sind, sollte vergleichend zwischen Gesunden, Hämodialyse-(HD)- und Peritonealdialyse-(CAPD)-Patienten untersucht werden. Zusätzlich wurde die Expression in einem in-vitro-Zellkulturmodell vergleichend betrachtet. Der Serum-PTH-Spiegel fiel nach Injektion des Vitamin D-Derivates Paricalcitol, der Serumcalciumspiegel stieg signifikant innerhalb des oberen Referenzbereiches bei Patienten mit sekundärem Hyperparathyroidismus drei Wochen nach Beginn der Therapie. Die HLA-DR, extrazelluläre TLR2, intrazelluläre TLR4, CD80, CD86 Expression fiel nach Paricalcitolinjektion. Paricalcitol erhöhte die Anzahl antiinflammatorischer und erniedrigte die Anzahl proinflammatorischer Monozyten. Beim ultrastrukturellen Vergleich zeigte sich eine deutliche Häufung von elektronendichten Granula bei Paricalcitol-inkubierten Zellen im in-vitro-Versuch. Hierbei handelt es sich mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit um Lysosomen, was die These einer erhöhten phagolysosomalen monozytären Aktivität unter Paricalcitol-Inkubation stützt. Sowohl bei 48- als auch bei 72-stündiger Inkubation in Primärzellkultur wirkte Paricalcitol antiinflammatorisch, indem es Aktivierungsmarker des Monozyten (HLA-DR, TLR2 (extrazellulär), TLR4 (extrazellulär)), die Anzahl proinflammatorischer Monozyten und die Synthese proinflammatorischer Zytokine (IL1, IL6, TNFa) supprimierte. Dialysepatienten unterliegen einem erhöhten Eintrag von Endotoxin (=LPS) über die Dialysemembran, das in der Regel durch Bindung an den LPS-Rezeptor (=CD14) detoxifiziert wird. Dieser wird nicht nur nach LPS Inkubation, sondern v.a. nach Paricalcitol Inkubation vermehrt exprimiert. LPS erhöhte die Anzahl der proinflammatorischen Monozyten in Zellkultur und reflektierte damit den steady state des HD-Patienten. Aktivierungsmarker von Monozyten unterschieden sich zudem bei vergleichender Betrachtung zwischen CAPD-, HD-Patienten und Gesunden und außerdem im Vergleich vor und nach HD. Die intrazelluläre TLR2 und TLR4 Expression von CAPD-Patienten und HD-Patienten war gegenüber Gesunden erniedrigt, während die CD14 Expression signifikant erhöht war. HD-Patienten zeigten einen erhöhten Anteil proinflammatorischer Monozyten vergleichend zu Gesunden aber auch zu Patienten unter CAPD-Substitutionstherapie. Unmittelbar nach HD fielen die proinflammatorischen Monozyten, während v.a. die Expression von extrazellulärem TLR2, intrazellulärem TLR2 und intrazellulärem TLR4 stieg. Somit unterliegt der HD-Patient einer stärkeren Mikroinflammation als der CAPD-Patient. CAPD-, HD- und auch Patienten mit sekundärem Hyperparathyroidismus zeigen Zeichen einer Mikroinflammation. Dabei war CRP (derzeitiger Routineparameter) kein probates diagnostisches Mittel der Entzündung bei CAPD- und HD-Patienten, des Weiteren nicht geeignet zwischen beiden Patientengruppen zu unterscheiden. Die Verteilung der monozytären Subpopulationen und Expression monozytärer Aktivierungsmarker unterschied sich hinreichend zwischen CAPD- und HD-Patienten. Paricalcitol moduliert funktionelle monozytäre Antigene und Zytokine in vivo und in vitro und wirkt damit der Mikroinflammation und dem Immundefekt des CNI-Patienten entgegen. Der Monozyt wirkt ambivalent und initiiert seine „eigene“ Gegenregulation zur Inflammation, die beim Patienten unter Nierenersatztherapie Endotoxin-vermittelt ist. Vitamin D-Derivate wie Paricalcitol wirken nicht nur auf die Calcium-Phosphat-Homöostase sondern auch immunmodulatorisch, indem sie auf monozytäre Antigene, wie Rezeptoren der angeborenen Immunabwehr, Einfluss nehmen.

Adrenal gland insufficiency – the clinical manifestation of deficient production or action of adrenal steroids – is a life-threatening disorder. Among many factors which can predispose to primary adrenal failure, an autoimmune adrenalitis and infectious agents play a major role. The initial host defense against bacterial infections is executed primarily by the pattern recognition receptors, e.g. Toll-like receptors (TLRs), expressed in cells from the innate immune system. Upon activation, TLRs have been found to regulate various levels of innate and adaptive immunity as well as control tissue inflammation. TLRs are implicated in adrenal cell turnover and steroidogenesis during inflammation. Therefore, TLRs play a crucial role in the activation of adrenal inflammation mediating adrenal gland dysfunction during septicemia. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

T-Helfer(Th)-Lymphozyten spielen aufgrund ihrer Expression von Zytokinen eine zentrale Rolle in der Regulation von Immunantworten. Durch die Zytokine fördern die Th-Zellen die Rekrutierung und Aktivierung von Zellen des angeborenen Immunsystems, den Immunglobulin-Klassenwechsel von B-Zellen und ihre Differenzierung zu antikörper-sezernierenden Plasmazellen. Welche Zytokine eine aktivierte Th-Zelle exprimiert hängt von instruktiven Signalen ab, die sie in der Regel von antigen-präsentierenden Signalen bekommt. Mit den instruktiven Signalen wird ein ganzes Differenzierungsprogramm in den Th-Zellen initiiert, welches am Ende zu einer epigenetischen Prägung des Effektorprogramms führt, sodass die Th-Zelle auch bei nachfolgenden Aktivierungen die gleichen Funktionen ausführt. In dieser Arbeit wurde untersucht wie diese Differenzierungsprogramme zur Pathogenese von chronischen Entzündungen beitragen und wie eine chronische Entzündung wiederum die Differenzierung der Th-Zellen beeinflusst. Des Weiteren haben wir molekulare Adaptationen identifiziert, die selektiv in chronisch aktivierten entzündungsfördernden Th Typ 1 (Th1)-Zellen hochgeregelt werden. Diese Adaptationen, wie die Expression von Twist1 und Hopx, fördern das Überleben der Th1-Zellen am Ort der Entzündung und könnten zur Perpetuation der Entzündung entscheidend beitragen. Zusammengenommen zeigen unsere Daten, dass Th-Zellen durch ihre pro-inflammatorische Prägung zwar gut gerüstet sind uns gegen Pathogene zu schützen, im Falle einer Autoreaktivität aber auch Immunpathologie und chronische Entzündungen auslösen können. Allerdings weisen unsere Arbeiten auch daraufhin, dass selektive Anpassungen der Th-Zellen an eine chronische Entzündung auch gleichzeitig Ansatzpunkte für ein therapeutisches Eingreifen bei chronisch-entzündlichen Krankheiten darstellen. / T helper (Th) lymhocytes play a central role in the regulation of immune responses. Through the expression of cytokines, Th cells orchestrate the recruitment and activation of cells of the innate immune system, and induce antibody class switch recombination in B lymphocytes and their differentiation into antibody-secreting plasma cells. Which cytokines an activated Th cell expresses is dependent on instructive signals, the Th cells receives from antigen-presenting cells. Such instructive signals initiate a differentiation program, which in the end leads to the epigenetic imprinting of the effector program, ensuring that the Th cell execute the same functions in subsequent activations. In this thesis, we investigated how such differentiation programs contribute to the pathogenesis of chronic inflammation and how chronic inflammation, in turn, affects the differentiation of the Th cells. Furthermore, we have identified molecular adaptations, which are selectively upregulated in chronically activated pro-inflammatory Th type 1 (Th1) cells. Such adaptations, like the upregulation of Twist1 and Hopx, promote the survival of Th1 cells in the inflamed tissue and could thereby contribute to the perpetuation of the inflammation. Taken together, our data show that Th cells with a pro-inflammatory imprint are well equipped to protect us against pathogens, in case of autoimmunity, however, cause immune pathology and chronic inflammation. At the same time, our work also shows that the selective adaptations of Th cells to chronic inflammation could also be promising targets for novel therapies for the treatment of chronic inflammatory diseases.

Einleitung: Verschiedene Erkrankungen gehen bei Pferden mit einer erhöhten Entzündungsbereitschaft einher. Das entzündliche Geschehen kann dabei in engem Zusammenhang mit dem Auftreten von Stress des endoplasmatischen Retikulums (ER) stehen. Im Zuge der Immunantwort entsteht eine Signalkaskade, die über Entzündungsmarker quantifiziert werden kann. Bei der Expression verschiedener Entzündungsmediatoren rückt insbesondere die Leber in den Fokus. Die anti-inflammatorische und ER-Stress-modifizierende Wirkung von oralen Polyphenolen aus einem Grüntee-Kurkuma-Extrakt (GKE) wurde bereits in anderen Tierspezies, wie z.B. Wiederkäuern oder Schweinen nachgewiesen. Ziel der Studie: Das Ziel der vorliegenden Studie war die Überprüfung der Effekte einer GKE-Supplementierung auf eine Lipopolysaccharid (LPS)-induzierte Entzündung bei Pferden und Ponys. Die Hypothese war, dass die Supplementierung des GKE zu einer Reduktion der entzündlichen Reaktion und des Zellstresses bei Pferden und Ponys führt. Tiere, Material und Methoden: In einer randomisierten, placebo-kontrollierten Studie wurden fünf gesunde adulte Warmblutpferde (Angaben in Mittelwert ± Standardabweichung, Alter 19 ± 5 Jahre; Körpermasse (KM) 589 ± 81 kg) und sechs gesunde adulte Shetlandponys (Angaben in Mittelwert ± Standardabweichung, Alter 9 ± 3 Jahre; KM 126 ± 8 kg) einbezogen. Die tägliche Basisration bestand aus Heu (2 kg/100 kg KM). Im Cross-over erhielten die Tiere für 21 Tage 10 g eines GKE (20% Polyphenolgehalt) nach Angaben des Herstellers, oder alternativ ein Placebo (Kalziumcarbonat) zusammen mit 1 kg (Pferde) oder 0,2 kg (Ponys) eines kommerziellen Ergänzungsfuttermittels für Pferde. Nach der 21-tägigen Supplementierungsphase wurde bei allen Tieren zur Induktion eines moderaten, generalisierten Entzündungsgeschehens LPS (10 ng/kg KM) intravenös appliziert. 24 Stunden vor und 12 Stunden nach der LPS-Challenge wurden Blutproben und Lebergewebe entnommen. Die Entnahme des Lebergewebes erfolgte minimalinvasiv unter Ultraschallkontrolle. Während der anschließenden 3-monatigen Wash-out Phase erhielten alle Tiere ausschließlich Heu zur freien Aufnahme. Hiernach fand im Cross-over Verfahren ein Wechsel der Fütterungsgruppen statt. Eine erneute LPS-Challenge und die anschließende Probennahme wurden nach den oben genannten Kriterien durchgeführt. In allen Blutproben wurden die Parameter Serum Amyloid A (SAA), Haptoglobin (Hp) und Retinol-bindendes Protein 4 (RBP4) gemessen. Mittels RT-qPCR wurden in allen Leberbioptaten die mRNA-Level ausgewählter Entzündungsmarker bestimmt (Hp, TNF-α, IL-1β, IL-6, CD68, FGF21, NF-kB, ATF4). Zusätzlich erfolgte eine histologische Untersuchung auf entzündliche Reaktionen im Gewebe. Die Daten, mit Ausnahme der immunhistochemischen Auswertungen, wurden unter Verwendung der kommerziellen Software Statistica® statistisch ausgewertet. Die Daten wurden mittels des Shapiro-Wilks-Testes auf Normalverteilung überprüft. Da die Daten nicht normalverteilt waren, wurde der Wilcoxon-Test für nicht-parametrische Daten angewendet. Das Signifikanzniveau lag bei p < 0,05. Die Darstellung der Daten erfolgt als Median und dem 25./75. Perzentil. Ergebnisse: Vor der LPS-Challenge lagen alle Werte für SAA ≤ 2,6 mg/l. Nach der LPS-Challenge stiegen die Werte signifikant an (Angabe Median und in Klammern 25./75. Perzentil, Placebo-Gruppe: 98,4 (70,2/118) μg/ml, Zeit p = 0,008; GKE-Gruppe: 70,7 (46,8/111) μg/ml, Zeit p = 0,003). Innerhalb der GKE-Gruppe stieg der Wert für Hp im Serum nach der LPS-Challenge signifikant an (Zeit p = 0,005). Es konnten keine weiteren signifikanten Unterschiede in den Blutparametern im Vergleich der GKE-Gruppe zur Placebogruppe nach LPS Stimulation gefunden werden. Im Lebergewebe zeigte sich nach der LPS-Challenge für die GKE-Gruppe eine 2,6-fach geringere mRNA-Expression für das pro-inflammatorische Zytokin IL-1β im Vergleich zur Placebogruppe (Supplementierung p = 0,04). Die mRNA-Level von CD68 (Zeit p = 0,04) und Hp (Zeit p = 0,03) zeigten nach der LPS-Challenge im Lebergewebe einen signifikanten Anstieg innerhalb der Placebogruppe. Innerhalb der GKE-Gruppe zeigten sich keine Veränderungen durch die LPS-Challenge. Ein signifikanter Unterschied zwischen der Placebo- und der GKE Gruppe nach LPS wurde nicht gefunden. Andere Parameter im Lebergewebe, wie z.B. Transkriptionsfaktor NF-κB und die Zytokine IL-6 und TNF-α, zeigten keine signifikanten Veränderungen nach der LPS-Challenge in beiden Fütterungsgruppen. Für die Ergebnisse der Immunhistochemie konnten keine signifikanten Unterschiede in Abhängigkeit zur LPS-Challenge oder der Fütterung gezeigt werden. Schlussfolgerung: Die LPS-Challenge induzierte eine generalisierte Entzündung bei Pferden und Ponys. Die Supplementierung eines GKE für 21 Tage zeigte über die Reduktion des Entzündungsmarkers IL-1β in der Leber ein anti-inflammatorisches Potential. Andere Blut- und Leberparameter zeigten keinen Supplementierungseffekt. Somit konnte kein umfassender anti-inflammatorischer Effekt der GKE Supplementierung festgestellt werden.:1 Introduction 2 Literature review 2.1 Inflammation 2.1.1 Acute phase reaction 2.1.1.1 Serum amyloid A 2.1.1.2 Haptoglobin 2.1.1.3 Retinol-binding protein 4 2.1.2 Transcription factor NF-κB 2.1.2.1 Pro-inflammatory cytokines (Il-1β, IL-6, TNF-α) 2.1.3 Macrophages 2.1.3.1 Cluster of differentiation 68 2.2 Stress of the endoplasmic reticulum 2.2.1 Fibroblast growth factor 21 2.2.2 Activating transcription factor 4 2.3 Oxidative stress 2.4 Polyphenols 2.4.1 Green tea 2.4.2 Curcuma 2.4.3 Bioavailability 2.4.4 Anti-inflammatory effects 2.4.5 Antioxidative effects 3 Publication 3.1 Effects of a blend of green tea and curcuma extract supplementation on lipopolysaccharide-induced inflammation in horses and ponies 4 Discussion 4.1 Effects of the LPS challenge 4.1.1 Induction of inflammation by LPS 4.1.2 Induction of ER stress and oxidative stress by LPS 4.2 Effects of the GCE supplementation 4.2.1 Anti-inflammatory effects 4.2.2 Reduction of ER stress and oxidative stress 4.2.3 Comparison of in vivo effects in equines and farm animals 4.3 Daily dosages of polyphenols 4.4 Conclusion 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 References 8 Appendix 8.1 List of presentations as part of this thesis 8.2 Further publications 8.2.1 Published articles 8.2.2 Published conference contributions 9 Acknowledgement / Introduction: Different medical conditions are linked with an inflammatory status in horses and ponies. Inflammation can be induced by endoplasmic reticulum (ER) stress, leading to an immune response which can be measured by several markers of the signalling cascade. The liver plays an important role as production site of these inflammatory markers. The influence of feeding a polyphenol-rich supplement consisting of green tea and curcumin extract (GCE) on ER stress and inflammation has been already described in several species such as cattle and pigs. Aim of the study: The aim of the study was to investigate the effect of a GCE supplementation on lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammation in horses and ponies. It was hypothesized that the GCE supplementation will reduce inflammatory reactions and cell stress compared to the placebo group. Animals, material and methods: In a randomized, placebo controlled study, five healthy adult warmblood horses (mean (±SD) age 19 ± 5 years, mean (±SD) body weight (BW) 589 ± 81 kg) and six healthy adult Shetland ponies (mean (±SD) age 9 ± 3 years and mean (±SD) BW 126 ± 8 kg) were included. Animals were fed daily with meadow hay (2 kg/ 100 kg BW). In a cross-over design, animals were supplemented for 21 days with 10 g of a GCE (20% total polyphenol content) according to manufacturer’s instructions or a placebo (calcium carbonate) in a mixture with 1 kg (horses) or 0.2 kg (ponies) of a commercial feed for horses. After supplementation for 21 days, all animals underwent an intravenous LPS (10 ng/kg BW) challenge to induce a moderate systemic inflammation. 24 hours before and 12 hours after the LPS challenge, blood and liver samples were collected. Liver tissue was taken transcutaneously under ultrasound control. Subsequently, a 3-months-lasting wash-out period was conducted where the animals were fed with meadow hay ad libitum. A change of feeding groups according to the cross-over design was performed. A second LPS challenge and sample collection were performed according to the above-mentioned protocol. All blood samples were analysed for serum amyloid A (SAA), haptoglobin (Hp) and Retinol-binding protein 4 (RBP4). RT-qPCR was used to analyse liver mRNA levels of selected markers of inflammation (Hp, TNF-α, IL-1β, IL-6, CD68, FGF21, NF-kB, ATF4). In addition, liver tissue was histologically examined for inflammatory responses. All data except for immunohistochemical results were statistically assessed with a commercial software package (Statistica). Data were checked for normal distribution using the Shapiro-Wilks test. As data set was not normally distributed the Wilcoxon test for non-parametric data was used for analyses. Level of significance was set at P < 0.05. Data are presented as median and 25./75. percentile. Results: All SAA values before LPS were ≤ 2.6 mg/L. After LPS challenge, all SAA values were significantly higher compared to baseline (data expressed as medians and 25./75. Percentile in brackets, placebo group: 98.4 (70.2/118) μg/mL, time P = 0.008; GCE group: 70.7 (46.8/111) μg/mL, time P = 0.003). GCE group showed a significant increase for serum Hp after LPS challenge (time P = 0.005). Other significant differences in blood parameters comparing placebo and GCE group after LPS could not be found. In the liver, the pro-inflammatory cytokine IL-1β showed a 2.6-fold lower mRNA level after LPS challenge in the GCE group compared to placebo group (supplementation P = 0.04). Hepatic mRNA levels of CD68 (time P = 0.04) and Hp (time P = 0.03) increased significantly in the placebo group, but not in the GCE supplementation group. A significant difference between the two feedings groups after LPS could not be found. Other liver parameters, such as transcription factor NF-κB and the cytokines IL-6 and TNF-α, were not different after LPS challenge in both feeding groups. Immunohistochemical results showed no difference between GCE and placebo group after LPS challenge. Conclusion: The LPS challenge induced inflammation in the horses and ponies. Feeding a GCE for 21 days showed some potential to alter LPS-induced systemic inflammatory responses by reducing mRNA levels of the inflammatory marker IL-1β in liver tissue. Nevertheless, an overall anti-inflammatory effect by GCE was missing, since other blood and liver parameters were not affected by the GCE supplementation.:1 Introduction 2 Literature review 2.1 Inflammation 2.1.1 Acute phase reaction 2.1.1.1 Serum amyloid A 2.1.1.2 Haptoglobin 2.1.1.3 Retinol-binding protein 4 2.1.2 Transcription factor NF-κB 2.1.2.1 Pro-inflammatory cytokines (Il-1β, IL-6, TNF-α) 2.1.3 Macrophages 2.1.3.1 Cluster of differentiation 68 2.2 Stress of the endoplasmic reticulum 2.2.1 Fibroblast growth factor 21 2.2.2 Activating transcription factor 4 2.3 Oxidative stress 2.4 Polyphenols 2.4.1 Green tea 2.4.2 Curcuma 2.4.3 Bioavailability 2.4.4 Anti-inflammatory effects 2.4.5 Antioxidative effects 3 Publication 3.1 Effects of a blend of green tea and curcuma extract supplementation on lipopolysaccharide-induced inflammation in horses and ponies 4 Discussion 4.1 Effects of the LPS challenge 4.1.1 Induction of inflammation by LPS 4.1.2 Induction of ER stress and oxidative stress by LPS 4.2 Effects of the GCE supplementation 4.2.1 Anti-inflammatory effects 4.2.2 Reduction of ER stress and oxidative stress 4.2.3 Comparison of in vivo effects in equines and farm animals 4.3 Daily dosages of polyphenols 4.4 Conclusion 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 References 8 Appendix 8.1 List of presentations as part of this thesis 8.2 Further publications 8.2.1 Published articles 8.2.2 Published conference contributions 9 Acknowledgement

Introduction: Obesity and its related comorbidities such as insulin dysregulation (ID), laminitis and hperlipaemia are increasing health issues in equines. In human medicine obesity is linked with a systemic inflammation deriving from adipose tissue (AT). Especially abdominal AT produces inflammatory cytokines and is therefore a risk factor for metabolic diseases in humans. However, in equines systemic inflammation linked to obesity is still controversial. Changes in lipid metabolism with increasing obesity are not well documented in equines. Aim of the study: The aim of the present study was to evaluate the following hypotheses: (1) ID develops with the long-term intake of a hypercaloric diet and alters lipid metabolism. (2) In the development of obesity macrophages are infiltrating AT and amounts of inflammatory cytokines in AT increase. These alterations are more pronounced in the subcutaneous (sc) AT depots compared to abdominal AT depots. Additionally, the amount of markers of lipid transport are influenced by BW gain in AT. (3) Ponies are more prone to produce inflammatory markers in AT, which may explain the higher predisposition for metabolic alterations. Materials and Methods: 19 healthy and normal weight geldings were included in this study (age at the start of the study: 8 ± 3 years): 10 Shetland ponies and 9 Warmblood horses. Over a period of two years equines received 200% of their maintenance energy requirements of metabolizable energy. 60% of the energy was provided by hay and 40% by a compound feed. Monthly energy requirements were calculated according to the increasing BW and rations were adjusted accordingly. During hypercaloric diet body weight (BW), body condition score (BCS) and cresty neck score (CNS) were assessed weekly. Before and after one and two year(s) of hypercaloric diet a combined glucose insulin test (CGIT) was performed and blood and AT samples (abdominal AT: retroperitoneal, mesocolon descendens; sc AT: nuchal crest, lateral to the tail head) were taken. AT samples were taken under general anesthesia 3-5 days after CGIT and 15 hours after a low-dose endotoxin infusion. Glucose was analysed in natrium fluoride plasma. Serum amyloid A (SAA), insulin, non-esterified fatty acids (NEFA) and triglycerides were measured in serum. Levels of inflammatory parameters (CD68, IL-1β, IL-6, TNFα) and markers of lipid metabolism (FABP4, LPL) were analyzed in AT samples by RT-qPCR. The project was approved by the Ethics Committee for Animal Rights Protection of the Leipzig District Government (No. TVV 32/15). Data were analysed for normal distribution by Shapiro-Wilks test. Statistical tests were applicated accordingly. Results: Ponies and horses showed a significant increase in BW (24%), BCS and CNS with hypercaloric diet. Two years of hypercaloric diet induced ID in 3 out of 19 equines (two horses, one pony). Two of these equines additionally developed laminitis (one horse, one pony) during the second year of hypercaloric diet. Basal serum NEFA concentrations increased in ponies by 290% but not in horses with BW gain. Laminitic equines showed an altered development of serum NEFA levels during CGIT with a delayed rise at the end of CGIT. The BW gain had no impact on SAA concentration of ponies and horses. CD68 mRNA levels increased in several AT depots of both breed types with BW gain. IL-1β, IL-6 and TNFα showed similar or decreased mRNA levels after BW gain compared to basal measurements in all AT. CD68 mRNA level were higher in abdominal AT compared to sc AT at the end of the study. However, IL-1β, IL-6 and TNFα mRNA levels were higher in sc AT. LPL and FABP4 mRNA levels were higher or similar after BW gain. Higher levels of LPL and FABP4 mRNA were detected in sc AT depots compared to abdominal AT. Breed related differences were seen but were not consistent. Conclusions: A BW gain of 24% over two years does not necessarily lead to ID in horses or ponies. However, laminitis might be correlated with changes of NEFA curve during a CGIT. Equine obesity is linked with macrophage infiltration of AT that is more pronounced in abdominal AT depots in equines. However, infiltrating macrophages are not linked with a systemic inflammation.:1 Introduction 1 2 Literature review 3 2.1 Obesity in equines 3 2.1.1 Objective measurements of obesity 3 2.1.1.1 Body condition score 3 2.1.1.2 Cresty neck score 4 2.1.1.3 Morphometric measurements 4 2.2 Insulin dysregulation 4 2.2.1 Laboratory diagnosis 5 2.2.1.1 Basal measurements 6 2.2.1.2 Dynamic testing 7 2.2.1.2.1 Oral tests..................................................................................7 2.2.1.2.2 Intravenous tests......................................................................7 2.3 Obesity related inflammation 9 2.3.1 Interleukin-1β 9 2.3.2 Interleukin-6 10 2.3.3 Tumor necrosis factor α 11 2.4 White adipose tissue 13 2.4.1 Structure and Cell types 13 2.4.2 Adipokines 13 2.4.3 Changes with obesity 13 2.4.4 Depot differences 14 2.5 Lipid metabolism 14 2.5.1 Non-esterified fatty acids 15 2.5.2 Triglycerides 16 2.5.3 Lipoprotein lipase 16 2.5.4 Fatty acid binding protein 4 16 3 Published articles 17 3.1 Effects of body weight gain on insulin and lipid metabolism in equines 17 3.2 The influence of equine body weight gain on inflammatory cytokine expressions of adipose tissue in response to endotoxin challenge 27 4 Discussion 45 4.1 Insulin and glucose metabolism 45 4.2 Lipid metabolism 45 4.2.1 Serum NEFA and TG concentrations 45 4.2.2 Adipose tissue mRNA levels of lipid metabolism marker 46 4.3 Adipose tissue inflammation parameters 47 4.3.1 Effect of body weight gain 47 4.3.2 Adipose tissue depot effect 48 4.3.3 Breed effect in obese equines 48 4.4 Laminitic equines 49 4.5 Conclusion 50 5 Zusammenfassung 51 6 Summary 53 7 References 55 8 Appendix 65 8.1 Presentations as part of this thesis 65 8.2 Co-authorship 66 8.3 Original data 67 / Einleitung: Zunehmend leiden Pferde an Adipositas und deren Folgeerkrankungen wie Insulindysregulation (ID), Hufrehe, aber auch Hyperlipidämien. Bei adipösen Menschen wird ein chronischer Entzündungszustand beobachtet, wobei Entzündungsparameter hauptsächlich im Fettgewebe (FG) produziert werden. Durch die erhöhte Produktion von Entzündungs-parametern im abdominalen FG ist besonders dieses Fettdepot mit einem erhöhten Risiko für metabolische Krankheiten verbunden. Der Zusammenhang von Adipositas und einem systemischen Entzündungszustand wird bei Pferden aktuell noch kontrovers diskutiert. Studien zu den Veränderungen des Lipidmetabolismus im Verlaufe einer zunehmenden Gewichtszunahme liegen bislang bei Equiden nicht vor. Ziel der Studie: Die Studie diente dazu folgende Hypothesen zu untersuchen: (1) ID entwickelt sich mit der Langzeitfütterung einer hyperkalorischen Ration und beeinflusst den Lipidmetabolismus. (2) Durch die Gewichtszunahme kommt es zu einer Infiltration von Makrophagen und zu einem Anstieg von Entzündungsparametern im FG. Marker für den Lipidtransport im FG werden durch eine Körpergewichtszunahme beeinflusst. (3) Ponys produzieren mehr Entzündungs-parameter im FG und zeigen einen veränderten Lipidmetabolismus im Vergleich zu Pferden. Material und Methoden:19 gesunde, normalgewichtige Wallache (Alter zu Beginn der Studie: 8 ± 3 Jahre) wurden für diese Studie genutzt: 10 Shetlandponys und 9 Warmblutpferde. Diese Tiere erhielten über 2 Jahre 200% ihres Erhaltungsbedarfs an umsetzbarer Energie. 60% der Energie wurden durch Heu und 40% durch ein Ergänzungsfutter gedeckt. Monatlich wurde der Energiebedarf an das aktuelle Körpergewicht angepasst. Wöchentlich wurde das Körper-gewicht, der Body Condition Score (BCS) und der Cresty Neck Score (CNS) erfasst. Zu Beginn der Studie, nach einem und nach zwei Jahren der hyperkalorischen Fütterung wurde ein kombinierter Glukose-Insulin-Test (CGIT) sowie Blut- und FG-proben (abdominales FG: retroperitoneal, Mesocolon descendens; subkutanes FG: Nackenkamm und lateral der Schweifrübe) entnommen. Die FG-Probennahme erfolgte unter Allgemeinanästhesie 3-5 Tage nach dem CGIT und 15 Stunden nach einer moderat dosierten Endotoxininfusion. In den Blut-proben vom CGIT wurde Glukose im Natrium-Fluorid Plasma gemessen. Im Serum wurde Amyloid A (SAA), Insulin, freie Fettsäuren and Triglyceride analysiert. Im FG wurden die Level von Entzündungsparametern (CD68, IL-1β, IL-6, TNFα) und Lipidstoffwechselmarker (FABP4, LPL) mittels RT-qPCR analysiert. Der Tierversuch wurde genehmigt durch die Landesdirektion mit Sitz in Leipzig (TVV 32/15). Die Daten wuden mittels des Shapiro-Wilks Tests auf Normalverteilung getestet und die entsprechenden Tests wurden angewandt. Ergebnisse: Durch die hyperkalorische Ration haben Ponys und Pferde 24% ihres Körper-gewichts zugnommen. BCS und CNS sind währen der Studie angestiegen. Die Gewichts-zunahme hat in 3 von 19 Tieren eine ID ausgelöst (zwei Pferde, ein Pony). Zwei dieser Tiere (ein Pferd, ein Pony) entwickelten zusätzlich eine Hufrehe im zweiten Jahr der Studie. Basale freie Fettsäuren sind mit der Körpergewichtszunahme bei den Ponys angestiegen (290%), während sie bei den Pferden unverändert geblieben sind. Die freie Fettsäuren Kurve währen des CGITs war bei den Tieren mit Hufrehe durch einen verzögerten Anstieg am Ende des Tests im Vergleich zu den gesunden Tieren gekennzeichnet. Die SAA Konzentration blieben durch die Körper-gewichtszunahme unverändert. Bei beiden Rassen kam es mit der Körper-gewichtszunahme zu einem Anstieg des CD68 mRNA Levels in verschiedenen FG Depots. IL-1β, IL-6 und TNFα zeigten nach der Körpergewichtszunahme niedrigere oder unveränderte mRNA Level im Vergleich zu Basalwerten. Im Depotvergleich nach zweijähriger Körper-gewichtszunahme zeigte CD68 höhere mRNA Level in den abdominalen FG Depots ver-glichen mit beiden subkutanen FG Depots. IL-1β, IL-6 und TNFα hingegen wiesen zu diesem Zeitpunkt höhere mRNA-Expressionen in den subkutanen FG Depots auf. LPL und FABP4 mRNA Level stiegen an oder blieben unverändert im im Verlauf der Studie. Am Ende der Studie waren die mRNA Level von LPL und FABP4 in subkutanen FG Depots höher ver-glichen mit den abdominalen FG Depots. Eindeutige Rasseunterschiede konnten nicht charakterisiert werden. Schlussfolgerungen: Eine Gewichtszunahme von 24% der Körpermasse führte nicht bei allen Tieren zu einer ID. Jedoch erscheint das Auftreten einer Hufrehe von Veränderungen der freien Fettsäuren während des CGITs begleitet zu sein. Die Entwicklung der Adipositas war mit einer Makrophageninfiltration in das abdominale FG verbunden, allerdings war die Makrophageninfiltration nicht mit einem systemischen Entzündungsstatus assoziiert.:1 Introduction 1 2 Literature review 3 2.1 Obesity in equines 3 2.1.1 Objective measurements of obesity 3 2.1.1.1 Body condition score 3 2.1.1.2 Cresty neck score 4 2.1.1.3 Morphometric measurements 4 2.2 Insulin dysregulation 4 2.2.1 Laboratory diagnosis 5 2.2.1.1 Basal measurements 6 2.2.1.2 Dynamic testing 7 2.2.1.2.1 Oral tests..................................................................................7 2.2.1.2.2 Intravenous tests......................................................................7 2.3 Obesity related inflammation 9 2.3.1 Interleukin-1β 9 2.3.2 Interleukin-6 10 2.3.3 Tumor necrosis factor α 11 2.4 White adipose tissue 13 2.4.1 Structure and Cell types 13 2.4.2 Adipokines 13 2.4.3 Changes with obesity 13 2.4.4 Depot differences 14 2.5 Lipid metabolism 14 2.5.1 Non-esterified fatty acids 15 2.5.2 Triglycerides 16 2.5.3 Lipoprotein lipase 16 2.5.4 Fatty acid binding protein 4 16 3 Published articles 17 3.1 Effects of body weight gain on insulin and lipid metabolism in equines 17 3.2 The influence of equine body weight gain on inflammatory cytokine expressions of adipose tissue in response to endotoxin challenge 27 4 Discussion 45 4.1 Insulin and glucose metabolism 45 4.2 Lipid metabolism 45 4.2.1 Serum NEFA and TG concentrations 45 4.2.2 Adipose tissue mRNA levels of lipid metabolism marker 46 4.3 Adipose tissue inflammation parameters 47 4.3.1 Effect of body weight gain 47 4.3.2 Adipose tissue depot effect 48 4.3.3 Breed effect in obese equines 48 4.4 Laminitic equines 49 4.5 Conclusion 50 5 Zusammenfassung 51 6 Summary 53 7 References 55 8 Appendix 65 8.1 Presentations as part of this thesis 65 8.2 Co-authorship 66 8.3 Original data 67

Malaria ist die Erkrankung, die durch Infektion eines Säugetiers mit dem eukaryotischen Parasiten Plasmodium entsteht. Die Symptome dieser Erkrankungen reichen von Fieber und Gelenkschmerzen bis zu schweren Organschäden in Hirn, Lunge, Niere und Leber bei einem geringen Teil der Erkrankten. Diese klinischen Symptome treten nur auf, während der Parasit sich asexuell in roten Blutzellen vermehrt. Die Zerstörung von Erythrozyten und die daraus resultierende Freisetzung von Zytokinen sind die Verursacher der malariatypischen wiederkehrenden Fieberzyklen. Der Mechanismus, der zur Entstehung von Gewebsschäden führt, ist hingegen nur unzureichend bekannt. Eine notwendige Bedingung für das Auftreten von Gewebeschäden ist, dass infizierte rote Blutzellen an das Endothel der Mikrovaskulatur bin. Die Schwere der Erkrankung ist direkt mit dem extrazellulären Auftreten von Stoffen verbunden, die normalerweise von neutrophilen Granulozyten im Zellinnern gespeichert werden. Neutrophile sind dafür bekannt sind, ein ganzes Arsenal an Waffen bereitwillig durch Degranulierung oder programmierten Zelltod einzusetzen. In dieser Studie berichten wir von einem direkten kausalen Zusammenhang zwischen dem aktiven inflammatorischen Zelltod (NETose) von Neutrophilen und der Entstehung von Organschäden bei einer Plasmodium-Infektion. Wir zeigen, dass NETs in Zirkulation freigesetzt und von extrazellulären DNase verdaut werden. Dadurch werden systemisch Aktivierungssignale für eine weitere Immunantwort zur Verfügung gestellt und es kommt zur Freisetzung von Zytokinen, Notfallgranulopoese und der Hochregulierung von zellulären Adhäsionsmarkern auf Endothelzellen. Dies erlaubt das Binden von infizierten Erythrozyten und Immunzellen an die Mikrovaskulatur bestimmter Organe. Wir zeigen außerdem, dass eine Intervention mit der Entstehung von NETs oder der Freisetzung neuer Neutrophiler diesen Prozess unterbindet und einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz darstellt. / Malaria is the disease caused by an infection of a mammalian host by the mosquito borne eukaryotic parasite Plasmodium. The symptoms of the disease are diverse, ranging from fever and rigor in most patients to severe damage in solid organs such as brain, lung, kidney and liver in a small fraction of the afflicted. Clinical symptoms of the disease only occur when the parasite undergoes asexual replication within the red blood cells of the host. Destruction of these cells and subsequent release of cytokines are responsible for the recurring fever cycles of mild malaria. The mechanism underlying the occurrence of tissue damage however, remain mostly elusive. The adhesion of infected red blood cells to the endothelial wall of the microvasculature in the affected organs is a necessary requirement and pathology is associated with the activation of specific immune cells residing within the blood stream. Severity of disease is linked to extracellular accumulation of neutrophil proteins. Neutrophils are abundant white blood cells, known to readily deploy an arsenal of weaponry either by degranulation or by externalization of chromatin. In this study we report a direct causal relationship between the active inflammatory neutrophil cell death (NETosis) and the development of organ damage during a Plasmodium infection. We show that NETs are released in circulation, digested by extracellular DNase and thereby supply immune activation signals that drive inflammation. The systemic dissemination of these factors leads to the release of cytokines, emergency granulopoiesis and upregulation of cellular adhesion markers on endothelial cells thereby allowing for the binding of both infected red blood cells and immune cells to the microvasculature of specific organs. Furthermore we supply evidence, that repression of NETosis or inhibition of granulopoiesis abrogate these processes and present promising therapeutic strategies.