Hypertonie ist die häufigste adipositas-assoziierte Erkrankung. Das vermehrt vorhandene Fettgewebe könnte von pathophysiologischer Bedeutung sein, da es eine Reihe von Substanzen sezerniert, die die Blutdruckregulation beeinflussen. Hinweise auf eine Rolle des adipocytären Renin-Angiotensin Systems für die Hypertonie ergeben sich aus der Assoziation von Adipositas und einer gesteigerten systemischen Aktivität des Renin-Angiotensin Systems, sowie aus dem Nachweis im Tiermodell, dass adipocytär gebildetes Angiotensinogen in die systemische Zirkulation gelangt. In der vorliegenden Untersuchung wurden 12 schlanke Normotonikerinnen, 8 adipöse Normotonikerinnen und 10 adipöse Hypertonikerinnen charakterisiert und die adipocytäre Genexpression des Renin-Angiotensin Systems untersucht. Adipocyten wurden mittels Nadelbiopsie und Kollagenaseverdau gewonnen, die Genexpression wurde durch real-time RT-PCR bestimmt. Der Vergleich der drei Gruppen zeigt, dass Adipositas mit einer Reduktion der Angiotensinogen-Expression einhergeht, die adipositas-assoziierte Hypertonie mit einer gesteigerten Expression von Renin, Angiotensin-Converting-Enzyme und Angiotensin II-Typ 1-Rezeptor. Dies führt zu der Hypothese, dass im Fettgewebe adipöser Hypertoniker vermehrt Angiotensin II gebildet wird und könnte den positiven Einfluß von ACE-Hemmern auf die Insulinresistenz und die Verringerung der Neuerkrankungsrate an Diabetes mellitus Typ 2 erklären. / Adipose tissue secretes vasoactive substances which may contribute to the development of obesity-related hypertension. We aimed to study the differential expression of renin-angiotensin system genes in subcutaneous abdominal adipocytes of 12 lean normotensive, 8 obese normotensive, and 10 obese hypertensive women in a cross-sectional study. 24h ambulatory blood pressure measurement, clinical chemistry, and anthropometry were used to characterize the volunteers. Adipocytes were obtained by abdominal subcutaneous needle biopsy and collagenase digestion. Gene expression was studied by quantitative real time RT-PCR. While expression of the angiotensinogen gene was significantly lower in adipocytes from both obese groups, the renin, angiotensin-converting enzyme and angiotensin II-type 1-receptor genes were significantly upregulated in obese hypertensives. In conclusion, renin-angiotensin system genes are differentially regulated in human obesity and hypertension. The data obtained suggest increased formation of angiotensin II in adipose tissue of obese hypertensive subjects. The role of the adipose-tissue renin-angiotensin system in the development of obesity-associated hypertension or metabolic disease clearly warrants further study.

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Recent studies suggested the persistence of brown adipocytes in adult humans, as opposed to being exclusively present in infancy. In this study, we investigated the presence of brown-like adipocytes in adipose tissue (AT) samples of children and adolescents aged 0 to 18 years and evaluated the association with age, location, and obesity. For this, we analysed AT samples from 131 children and 23 adults by histological, immunohistochemical and expression analyses. We detected brown-like and UCP1 positive adipocytes in 10.3% of 87 lean children (aged 0.3 to 10.7 years) and in one overweight infant, whereas we did not find brown adipocytes in obese children or adults. In our samples, the brown-like adipocytes were interspersed within white AT of perirenal, visceral and also subcutaneous depots. Samples with brown-like adipocytes showed an increased expression of UCP1 (>200fold), PRDM16 (2.8fold), PGC1α and CIDEA while other brown/beige selective markers, such as PAT2, P2RX5, ZIC1, LHX8, TMEM26, HOXC9 and TBX1 were not significantly different between UCP1 positive and negative samples. We identified a positive correlation between UCP1 and PRDM16 within UCP1 positive samples, but not with any other brown/beige marker. In addition, we observed significantly increased PRDM16 and PAT2 expression in subcutaneous and visceral AT samples with high UCP1 expression in adults. Our data indicate that brown-like adipocytes are present well beyond infancy in subcutaneous depots of non-obese children. The presence was not restricted to typical perirenal locations, but they were also interspersed within WAT of visceral and subcutaneous depots.

Das globale Phänomen Übergewicht erhöht das Risiko für die Entwicklung von Diabetes, Atherosklerose und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Diese sind assoziiert mit der Expression des Transmembranproteins Glycoprotein nonmetastatic melanoma protein b (Gpnmb), das von Makrophagen und dendritischen Zellen exprimiert wird. Wir haben die Rolle von Gpnmb in genetisch- und diät-induzierter Atherosklerose sowie in diät-induzierter Adipositas in Gpnmb-Knockout- und Wildtyp-Mäusen untersucht. Körpergewicht und Blutfette wurden in beiden Erkrankungen nicht von Gpnmb beeinflusst. Gpnmb wurde in Makrophagen von atherosklerotischen Läsionen stark exprimiert, jedoch hatte das Fehlen von Gpnmb keinen Einfluss auf die Größe der Aortenläsion. In Übergewicht konnten wir dagegen einen größeren Effekt von Gpnmb detektieren. Gpnmb hatte einen positiven Einfluss auf den Insulin- und Glukoseplasmaspiegel sowie auf die Leberfibrose bei adipösen Mäusen. Gpnmb-Knockout-Tiere besaßen mehr Makrophagen im epididymalen Fettgewebe. Da Gpnmb in den entsprechenden Makrophagen von Wildtyp-Mäusen stark exprimiert wurde, könnte Gpnmb eine abschwächende Rolle auf Entzündungen des Fettgewebes haben. Dies wird durch in-vitro-Daten bestätigt, wo Gpnmb hauptsächlich in reparativen, TGFβ-stimulierten Makrophagen exprimiert wurde. Diese Expression führte jedoch nur zu einer leichten entzündungshemmenden Wirkung. Eine weitere Aufgabe von Makrophagen, die Autophagie, wurde durch Gpnmb nicht beeinflusst. Dies ist überraschend, da die Expression, die Freisetzung und der Abbau von Gpnmb durch Bafilomycin, einem Inhibitor des letzten Schritts der Autophagie, auf einzigartige Weise erhöht wurde. Zusammenfassend ist die Gpnmb-Expression in voll ausgereiften Makrophagen stark induziert und kann durch lysosomale Hemmung weiter gesteigert werden. Bei Adipositas verhindert Gpnmb die Entwicklung einer Insulinresistenz, möglicherweise durch Dämpfung der Entzündung des Fettgewebes. / Obesity, an emerging global phenomenon, increases the risk for the development of diabetes, atherosclerosis and cardiovascular diseases. Those metabolic diseases have been associated with the expression of glycoprotein nonmetastatic melanoma protein b (Gpnmb), a transmembrane protein that is expressed by macrophages and dendritic cells. We studied the role of Gpnmb in genetically- and diet-induced atherosclerosis as well as diet-induced obesity in Gpnmb-knockout and respective wildtype control mice. The absence of Gpnmb did not affect body weight and blood lipid parameters in both diseases. Whereas Gpnmb was strongly expressed in atherosclerotic lesion-associated macrophages, the absence of Gpnmb did not influence the development of aortic lesion size. On the other hand, the absence of Gpnmb elicited stronger effects in obesity. We observed a positive influence of Gpnmb on insulin and glucose plasma levels as well as liver fibrosis in obese mice. Moreover, Gpnmb-knockout animals contained more macrophages in epididymal adipose tissue. Gpnmb was strongly expressed in adipose tissue macrophages in wildtype mice, suggesting an alleviating role of Gpnmb on adipose tissue inflammation. This was corroborated by in vitro data where Gpnmb was mostly expressed in reparative macrophages stimulated with transforming growth factor β (TGFβ). However, this expression resulted only in a mild anti-inflammatory effect. Another important macrophage feature, autophagy, was not influenced by Gpnmb. This is surprising as Gpnmb expression, shedding and degradation was uniquely increased by bafilomycin, an inhibitor of the last step of autophagy. Taken together, Gpnmb expression is strongly induced in fully mature macrophages and can be further increased due to lysosomal inhibition. In obesity, Gpnmb prevents the development of insulin resistance possibly by dampening adipose tissue inflammation.

Mesenchymale Stromazellen (MSCs) werden beim Pferd bereits mit vielversprechenden Ergebnissen zur Behandlung von muskuloskelettalen Erkrankungen, insbesondere von Sehnenerkrankungen, eingesetzt. In bisherigen klinischen Studien lag das Hauptaugenmerk auf der Behandlung von Erkrankungen der Oberflächlichen Beugesehne bei Rennpferden, die jedoch in Deutschland nur einen verhältnismäßig kleinen Anteil des Patientenaufkommens darstellen. Die zu erwartenden Ergebnisse nach MSC-Behandlung von Fesselträgererkrankungen sind dagegen noch nicht bekannt. Darüber hinaus sind die grundlegenden Kenntnisse zur Biologie equiner MSCs noch unzureichend, was Verständnis und Optimierung des bestehenden Therapiekonzeptes erschwert. Häufig wird die Verwendung alternativer Gewebequellen für MSCs diskutiert, wobei jedoch nur wenige vergleichende Daten zu den jeweiligen zellulären Eigenschaften vorliegen. Ziel dieser Arbeit war es daher, zum einen mehr Kenntnisse über die zu erwartenden klinischen Ergebnisse nach MSC-Behandlung von Sehnenerkrankungen zu erlangen, einschließlich Erkrankungen des Fesselträgers, zum anderen den Wissensstand hinsichtlich der in-vitro-Charakterisierung equiner MSCs zu erweitern, wobei ein Vergleich klinisch relevanter Charakteristika zwischen MSCs aus verschiedenen Gewebequellen angestrebt wurde. In die klinische Studie wurden 98 Pferde, die aufgrund von Sehnen- und Banderkrankungen mit MSCs behandelt worden waren, einbezogen. Von 58 dieser Tiere konnten Langzeitergebnisse nach einem Beobachtungszeitraum von mindestens einem Jahr erhoben werden. Diese wurden hinsichtlich des Behandlungserfolges sowie möglicher Einflussfaktoren ausgewertet, wobei die Behandlung als erfolgreich bewertet wurde, wenn die Patienten nach dem Beobachtungszeitraum voll trainiert oder im Sport eingesetzt werden konnten und dabei kein Rezidiv aufgetreten war. Die Behandlung mit MSCs wurde bei 84,5 % der Pferde als erfolgreich eingestuft, wobei Erkrankungen der Oberflächlichen Beugesehne mit 84,2 % und Erkrankungen des Fesselträgers mit 83,3 % gleichermaßen gute Ergebnisse zeigten. Tendenziell beeinflussten Nutzungsdisziplin, Erkrankungsstadium und Patientenalter das klinische Ergebnis ebenso wie bei konventioneller Behandlung. Insgesamt war nach MSC-Behandlung das Auftreten von Rezidiven deutlich seltener zu beobachten als in der Literatur für die konventionelle Behandlung beschrieben wird. Für die in-vitro-Studie zur vergleichenden Charakterisierung equiner MSCs aus verschiedenen Quellen wurden Knochenmark, Fett- und Sehnengewebe sowie Nabelschnurblut und -gewebe gewonnen. Aus diesen Proben wurden jeweils die plastikadhärenten MSCs isoliert und hinsichtlich Zellausbeute, Proliferations- und Migrationseigenschaften, tripotentem Differenzierungspotential sowie der Expression der Sehnenmarker Kollagen 1A2 und Skleraxis vergleichend untersucht. Die Ausbeute an MSCs war bei allen soliden Geweben (Fett-, Sehnen-, und Nabelschnurgewebe) hochsignifikant höher (p < 0,001). Ebenso proliferierten MSCs aus Fett- und Sehnengewebe signifi-kant schneller als MSCs aus Knochenmark oder Nabelschnurblut (p < 0,01). Von letzteren wurden darüber hinaus etwa drei viertel aller Zellkulturen vor der achten Passage seneszent. Das höchste Migrationspotential zeigten wiederum MSCs aus Sehnen- und Fettgewebe, wobei hier MSCs aus Nabelschnurgewebe das ungünstigste Ergebnis erzielten (p < 0,01). Die adipogene Differenzierung gelang bei MSCs aus allen Quellen vergleichbar gut. Bei der osteogenen Differenzierung erreichten MSCs aus Knochenmark das beste Ergebnis, während MSCs aus Nabelschnurblut und –gewebe nur schwach osteogen differenzierten (Tag 21: p < 0,01; Tag 35: p < 0,05). Im Gegensatz dazu erreichten MSCs aus Nabelschnurblut bei der chondrogenen Differenzierung die meisten Scorepunkte, MSCs aus Knochenmark dagegen die wenigsten (p < 0,05). Kollagen 1A2 wurde von MSCs aus Fettgewebe am höchsten exprimiert, Skleraxis von MSCs aus Nabelschnurblut. MSCs aus Sehnengewebe exprimierten beide Sehnenmarker auf fast ebenso hohem Level. MSCs aus Knochenmark dagegen zeigten hier jeweils die niedrigste Expression (p < 0,05 für Kollagen 1A2). Basierend auf den Ergebnissen der klinischen Studie ist die MSC-Therapie nach wie vor als vielversprechende Behandlungsoption für Sehnenerkrankungen anzusehen und ist auch für die Behandlung von Fesselträgererkrankungen geeignet. Zukünftige, kontrollierte klinische Studien müssen jedoch die Wirksamkeit der MSC-Therapie noch weitergehend bestätigen. Die in-vitro-Studie zeigte signifikante Unterschiede zwischen equinen MSCs aus verschiedenen Quellen auf, die bei der Auswahl einer Gewebequelle für die MSC-Isolierung für klinische Anwendungen berücksichtigt werden sollten. MSCs aus Fettgewebe erscheinen aufgrund ihrer sehr guten Proliferations- und zuverlässigen Differenzierungseigenschaften als eine gute Alternative zu MSCs aus Knochenmark für autologe Therapien. MSCs aus Sehnengewebe sind den hier vorliegenden Ergebnissen zufolge besonders gut für die Behandlung von Sehnenerkrankungen geeignet; vor einer routinemäßigen Anwendung dieser MSCs sollten jedoch ihre Eigenschaften weiterführend untersucht werden. / In horses, mesenchymal stromal cells (MSCs) are used for the treatment of musculoskeletal diseases, especially tendon injuries, with promising results. Previous clinical studies mainly focused on the treatment of superficial digital flexor tendon injuries in racehorses, which, however, represent only a relatively small percentage of the overall equine case load in Germany. Average outcome to be expected following MSC treatment of suspensory ligament injuries was not yet determined. Moreover, basic knowledge on equine MSC biology is still deficient, hampering the understanding and thus the optimisation of the existing treatment regime. The use of alternative MSC sources is frequently discussed, yet to date, only few data comparing the cellular properties of equine MSCs from different sources have been published. The aim of this study was, on the one hand, to gain more knowledge concerning the expected outcome after MSC treatment of tendon injuries, including injuries to the suspensory ligament. On the other hand, it was aimed at expanding the knowledge on equine MSC characterisation in vitro, thereby focusing on the comparison of clinically relevant properties of MSCs derived from different sources. In the clinical study, 98 horses were included, all of which had received MSC treatment for tendon or ligament injuries. In 58 of these horses, long term results after a follow-up period of at least one year could be collected. These data were analysed with respect to treatment outcome and potential influencing factors. Treatment was considered successful when horses were back to full training or competition after the follow-up period, without having suffered a re-injury. The overall success rate was 84.5 %. Success rates in horses suffering from superficial digital flexor tendon injuries and in horses suffering from suspensory ligament injuries were comparably good (84.2 % and 83.3 %, respectively). Similar to conventional therapies, the sports discipline in which the horses performed, age and disease stage tended to influence the outcome. Overall, re-injury rates after MSC treatment were considerably lower than those described in the literature following conventional treatment. For the comparative characterisation of MSCs from different sources in vitro, samples of bone marrow, adipose and tendon tissue, as well as umbilical cord blood and –tissue were collected. Plastic-adherent MSCs were isolated out of these samples and comparatively characterised focusing on cell yields, proliferation and migration properties, trilineage differentiation potential and the expression of the tendon markers collagen 1A2 and scleraxis. MSC yields were significantly higher in all solid tissues (adipose, tendon and umbilical cord tissue) (p < 0.001). Further, MSCs from adipose and tendon tissue proliferated significantly faster than MSCs from bone marrow or umbilical cord blood (p < 0.01). Moreover, approximately three quarters of the samples derived from the latter sources underwent senescence before reaching passage eight. The highest migration potential was found in MSCs derived from tendon and adipose tissue again, while MSCs from umbilical cord tissue showed the least (p < 0.01). The adipogenic differentiation potential was comparably good in MSCs from all different sources. The osteogenic differentiation was most distinct in MSCs from bone marrow, while MSCs from umbilical cord blood and tissue showed only weak evidence of differentiation (day 21: p < 0.01; day 35: p < 0.05). In contrast, following chondrogenic differentiation, MSCs from umbilical cord blood scored highest and MSCs from bone marrow scored lowest (p < 0.05). Collagen 1A2 was most highly expressed in MSCs from adipose tissue, highest scleraxis expression levels were found in MSCs from umbilical cord blood. MSCs from tendon tissue, however, expressed both markers at almost evenly high levels. Contrastingly, lowest expression levels of both markers were found in MSCs derived from bone marrow (p < 0.05 for collagen 1A2). Based on the results of the clinical study, MSC therapy can still be considered a very promising treatment option for tendon diseases and is also a suitable treatment for suspensory ligament injuries. In the future, controlled clinical studies will have to further confirm the efficacy of this treatment regime. The in-vitro-study showed significant differences between equine MSCs derived from different sources, which should be considered when choosing a MSC source for clinical applications. For autologous therapies, MSCs derived from adipose tissue appear to be a good alternative to MSCs derived from bone marrow, due to their remarkable proliferation and reliable differentiation capacities. Furthermore, according to this study, MSCs derived from tendon tissue are especially suitable for treating tendon injuries. Prior to routine clinical applicability of these MSCs, however, their properties should be further investigated.

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

Adipose tissue expansion involves both differentiation of new precursors and size increase of mature adipocytes. While the two processes are well balanced in healthy tissues, obesity and diabetes type II are associated with abnormally enlarged adipocytes and excess lipid accumulation. Previous studies suggested a link between cell stiffness, volume and stem cell differentiation, although in the context of preadipocytes, there have been contradictory results regarding stiffness changes with differentiation. Thus, we set out to quantitatively monitor adipocyte shape and size changes with differentiation and lipid accumulation. We quantified by optical diffraction tomography that differentiating preadipocytes increased their volumes drastically. Atomic force microscopy (AFM)-indentation and -microrheology revealed that during the early phase of differentiation, human preadipocytes became more compliant and more fluid-like, concomitant with ROCK-mediated F-actin remodelling. Adipocytes that had accumulated large lipid droplets were more compliant, and further promoting lipid accumulation led to an even more compliant phenotype. In line with that, high fat diet-induced obesity was associated with more compliant adipose tissue compared to lean animals, both for drosophila fat bodies and murine gonadal adipose tissue. In contrast, adipose tissue of diabetic mice became significantly stiffer as shown not only by AFM but also magnetic resonance elastography. Altogether, we dissect relative contributions of the cytoskeleton and lipid droplets to cell and tissue mechanical changes across different functional states, such as differentiation, nutritional state and disease. Our work therefore sets the basis for future explorations on how tissue mechanical changes influence the behaviour of mechanosensitive tissue-resident cells in metabolic disorders.

Atrial fibrillation (AF) is the most prevalent cardiac arrhythmia. It shows an increasing prevalence in developed countries with a strong association to cardiovascular risk factors. It has become a major challenge to the healthcare system with a high morbidity and increased AF-related mortality. Recommended treatment approaches favor rhythm control strategies, which aim to restore sinus rhythm. The pathophysiologic concept of atrial fibrillation has evolved towards defining the term atrial myopathy, recognizing inflammation mediated remodeling of the left atrium (LA) as a source for and result of arrhythmogenesis. One of many features of atrial myopathy is the development of left atrial fibrosis by fibro-fatty infiltration. This corresponds to low voltage zones (LVZ), that are characterized by impaired myocardial electrical conduction during invasive electroanatomic mapping. Epicardial adipose tissue (EAT) has been revealed to be a key player in this inflammatory process that nourishes the development of left atrial fibrosis. Traditional cardiovascular risk factors favor the transdifferentiation of EAT towards a pro-inflammatory phenotype. Recently, evidence has proven the positive effect of new generation anti-diabetic drugs like sodium-glucose cotransporter 2 (SGLT-2) inhibitors and glucagon-like peptide-1 (GLP-1) receptor agonists on EAT by inducing a favorable phenotypic shift with local anti-inflammatory effect and potential influence on atrial reverse remodeling. This thesis sought to confirm the ability to predict LVZ from cardiac magnetic resonance (CMR) derived parameters and to describe the differences of left atrial volume and left atrial epicardial adipose tissue volume in AF patients with and without LVZ. Patients with indication for primary AF ablation were prospectively enrolled. CMR imaging sequences included an LA angiography and two different techniques for left atrial epicardial adipose tissue imaging (T1 weighted and fat-water separation DIXON-based), which were compared. Left atrial volume index (LAVi) and left atrial epicardial adipose tissue volume index (LA-EATVi) from the DIXON-based technique proofed to be significant predictors of LVZ presence. No significant results could be obtained for the epicardial adipose tissue quantified from T1 weighted imaging. LA-EATVi(DIXON) was significantly higher in patients with LVZ than without, with a mean difference of 10.13 ± 5.0 ml. The same could be shown for LAVi, with a mean difference of 24.46 ± 8.13 ml. Both parameters were independent of each other. Additionally, it could be shown that higher age and female gender are associated with LVZ occurrence. CMR based quantification of LA-EATVi(DIXON) alone or in combination with other predictive variables of LVZ, like LAVi, age and female gender was able to identify patients at low or high risk of LVZ. In the studied patient population, a combined prediction model of LAVi, LA- EATVi(DIXON), age and female gender provided the highest predictive ability to determine LVZ presence with an area under the curve (AUC) in receiver operating characteristics (ROC) of 0.91. Depending on cutoff selection for the prediction model a high positive or negative predictive value can be achieved, minimizing false results. The clinical implementation of a CMR-based prediction model of LVZ presence as a feature of LA myopathy could have a tremendous impact on treatment decisions. It would allow the selection of patients for fast and easy single shot AF-ablation procedures in case of low LVZ risk, whereas complex and more time-consuming invasive procedures were to be scheduled if relevant LA myopathy is to be suspected.:1. Introduction 1 1.1. Atrial fibrillation 1 1.1.1. Risk factors 3 1.1.2. Left atrial myopathy 4 1.1.2.1. Predictive parameters of LA myopathy and atrial fibrosis 6 1.1.2.2. Imaging methods for left atrial myopathy and fibrosis 6 1.1.4. Current treatment strategies 7 1.1.4.1. Catheter ablation 9 1.2. Epicardial adipose tissue 11 1.2.1. Physiology and pathophysiology of epicardial adipose tissue 14 1.2.2. Role of epicardial adipose tissue in atrial fibrillation 15 1.2.3. Imaging techniques of epicardial adipose tissue 18 2. Objective 21 3. Methods 22 3.2. Imaging protocol 24 3.2.1. Adipose tissue imaging with DIXON approach 24 3.2.2. Adipose tissue imaging with T1 weighted imaging approach 26 3.2.3. Left atrial anatomy imaging 26 3.3. Segmentation and Quantification 27 3.4. Electroanatomic mapping and pulmonary vein isolation procedure 31 3.5. Statistical analysis 33 4. Results 34 4.2. General patient cohort characteristics 34 4.3. Patient characteristics in LVZ subgroups 36 4.4. Selected CMR parameter evaluation 39 4.4.1. Left atrial volume 39 4.4.2. Left atrial epicardial adipose tissue volume 41 4.4.2.1. DIXON based left atrial epicardial adipose tissue imaging 41 4.4.2.2. T1 weighted left atrial epicardial adipose tissue imaging 43 4.4.3. Comparison of adipose tissue imaging techniques 45 4.4.4. Reliability analysis 48 4.5. LVZ prediction models 49 4.5.1. Univariate non-CMR based LVZ prediction models 51 4.5.2. Univariate CMR based LVZ prediction models 53 4.5.3. Multivariate LVZ prediction models 57 4.5.4. Example of clinical application 62 4.5.5. Prediction model validation 64 5. Discussion 66 5.2. General aspects 66 5.3. EAT image acquisition 68 5.4. Clinical relevance 68 5.5. Future developments 70 5.6. Limitations 72 6. Summary 74 7. Zusammenfassung 76 8. References 78 9. List of figures and tables 98 10. Acknowledgement 102 11. Curriculum vitae 103 / Vorhofflimmern (AF) ist die häufigste Herzrhythmusstörung. In den Industrieländern nimmt die Prävalenz zu, wobei ein enger Zusammenhang mit kardiovaskulären Risikofaktoren besteht. Vorhofflimmern ist zu einer großen Herausforderung für das Gesundheitssystem geworden, da es eine hohe Morbidität und eine erhöhte vorhofflimmerbedingte Mortalität aufweist. Die empfohlenen Behandlungsansätze favorisieren Rhythmuskontrollstrategien, die auf die Wiederherstellung des Sinusrhythmus abzielen. Das pathophysiologische Konzept des Vorhofflimmerns hat sich dahingehend weiterentwickelt, dass der Begriff Vorhofmyopathie definiert wurde, wobei unter anderem der entzündungsbedingte Umbau (Remodeling) des linken Vorhofs (LA) als eine Ursache und Folge der Arrhythmogenese anerkannt wird. Eines der vielen Merkmale der Vorhofmyopathie ist die Entwicklung einer Fibrose im Bereich des linken Vorhofs durch fibrös-fettige Infiltration. Dies entspricht Niederspannungszonen (LVZ), die bei invasiven elektroanatomischen Kartierungen durch eine beeinträchtigte elektrische Leitung des Myokards gekennzeichnet sind. Es hat sich gezeigt, dass epikardiales Fettgewebe (EAT) eine Schlüsselrolle in diesem entzündlichen Prozess spielt, der die Entwicklung einer linksatrialen Fibrose begünstigt. Traditionelle kardiovaskuläre Risikofaktoren verursachen die Transdifferenzierung des epikardialen Fettgewebes in Richtung eines pro-inflammatorischen Phänotyps. In letzter Zeit hat sich gezeigt, dass Antidiabetika der neuen Generation, wie z. B. Natrium-Glukose-Cotransporter-2-Inhibitoren (SGLT-2) und Glucagon-like Peptide-1 (GLP-1) Rezeptor Agonisten, eine positive Wirkung auf EAT haben, indem sie eine günstige phänotypische Verschiebung mit lokaler Entzündungshemmung und potenziellem Einfluss auf ein „reverses Remodeling“ des Vorhofs bewirken. Ziel dieser Arbeit war es, die Fähigkeit der Vorhersage von LVZ anhand von Parametern aus der kardialen Magnetresonanztomographie (CMR) zu bestätigen und die Unterschiede des Volumens des linken Vorhofs und des linksatrialen epikardialen Fettgewebes bei Vorhofflimmerpatienten mit und ohne LVZ zu beschreiben. Patienten mit Indikation zur primären Vorhofflimmerablation wurden prospektiv eingeschlossen. Zu den akquirierten CMR-Bildgebungssequenzen zählte eine LA- Angiographie und zwei verschiedene Techniken zur Darstellung des linksatrialen epikardialen Fettgewebes (T1-gewichtet und Fett-Wasser-Trennung auf DIXON-Basis). Letztere wurden miteinander verglichen. Der Volumenindex des linken Vorhofs (LAVi) und der Volumenindex des linksatrialen epikardialen Fettgewebes (LA-EATVi) aus der DIXON-basierten Bildgebung erwiesen sich als signifikante Prädiktoren für das Vorhandensein von LVZ. Für das epikardiale Fettgewebe, das mit der T1-gewichteten Bildgebung quantifiziert wurde, konnten keine signifikanten Ergebnisse erzielt werden. LA-EATVi(DIXON) war bei Patienten mit LVZ signifikant höher als bei Patienten ohne LVZ, mit einer mittleren Differenz von 10.13 ± 5.0 ml. Dasselbe konnte für LAVi gezeigt werden, mit einer mittleren Differenz von 24.46 ± 8.13 ml. Beide Parameter waren unabhängig voneinander. Außerdem konnte gezeigt werden, dass höheres Alter und weibliches Geschlecht mit dem Auftreten von LVZ assoziiert sind. Die CMR-basierte Quantifizierung von LA-EATVi(DIXON) allein oder in Kombination mit anderen prädiktiven Variablen für LVZ, wie LAVi, Alter und weiblichem Geschlecht, war in der Lage, Patienten mit niedrigem oder hohem Risiko für LVZ zu identifizieren. In der untersuchten Patientenpopulation lieferte ein kombiniertes Vorhersagemodell aus LAVi, LA-EATVi(DIXON), Alter und weiblichem Geschlecht die höchste Vorhersagekraft zur Bestimmung des Vorhandenseins von LVZ mit einer Fläche unter der Kurve (AUC) in der Grenzwertoptimierungskurve (ROC) von 0.91. Je nach Auswahl des Cutoffs für das Vorhersagemodell kann ein hoher positiver oder negativer Vorhersagewert erreicht werden, wodurch falsche Ergebnisse minimiert werden. Die klinische Umsetzung eines CMR-basierten Vorhersagemodells für das Vorhandensein von LVZ als Merkmal der LA-Myopathie könnte sich enorm auf die Behandlungsentscheidungen auswirken. Es würde die Auswahl von Patienten für schnelle und einfache Single-Shot-Ablationsverfahren bei geringem LVZ-Risiko ermöglichen, während bei Verdacht auf eine relevante LA-Myopathie komplexe und zeitaufwändigere invasive Verfahren geplant werden müssten.:1. Introduction 1 1.1. Atrial fibrillation 1 1.1.1. Risk factors 3 1.1.2. Left atrial myopathy 4 1.1.2.1. Predictive parameters of LA myopathy and atrial fibrosis 6 1.1.2.2. Imaging methods for left atrial myopathy and fibrosis 6 1.1.4. Current treatment strategies 7 1.1.4.1. Catheter ablation 9 1.2. Epicardial adipose tissue 11 1.2.1. Physiology and pathophysiology of epicardial adipose tissue 14 1.2.2. Role of epicardial adipose tissue in atrial fibrillation 15 1.2.3. Imaging techniques of epicardial adipose tissue 18 2. Objective 21 3. Methods 22 3.2. Imaging protocol 24 3.2.1. Adipose tissue imaging with DIXON approach 24 3.2.2. Adipose tissue imaging with T1 weighted imaging approach 26 3.2.3. Left atrial anatomy imaging 26 3.3. Segmentation and Quantification 27 3.4. Electroanatomic mapping and pulmonary vein isolation procedure 31 3.5. Statistical analysis 33 4. Results 34 4.2. General patient cohort characteristics 34 4.3. Patient characteristics in LVZ subgroups 36 4.4. Selected CMR parameter evaluation 39 4.4.1. Left atrial volume 39 4.4.2. Left atrial epicardial adipose tissue volume 41 4.4.2.1. DIXON based left atrial epicardial adipose tissue imaging 41 4.4.2.2. T1 weighted left atrial epicardial adipose tissue imaging 43 4.4.3. Comparison of adipose tissue imaging techniques 45 4.4.4. Reliability analysis 48 4.5. LVZ prediction models 49 4.5.1. Univariate non-CMR based LVZ prediction models 51 4.5.2. Univariate CMR based LVZ prediction models 53 4.5.3. Multivariate LVZ prediction models 57 4.5.4. Example of clinical application 62 4.5.5. Prediction model validation 64 5. Discussion 66 5.2. General aspects 66 5.3. EAT image acquisition 68 5.4. Clinical relevance 68 5.5. Future developments 70 5.6. Limitations 72 6. Summary 74 7. Zusammenfassung 76 8. References 78 9. List of figures and tables 98 10. Acknowledgement 102 11. Curriculum vitae 103

Colitis ulcerosa (CU) und Morbus Crohn (MC) zählen zur Gruppe der chronischen Darmerkrankungen (CED). Im Gegensatz zu CU lässt sich bei MC eine transmurale Entzündung und eine Ummantelung des entzündeten Dünndarms mit mesenterialen Fettgewebe, dem sogenannten “creeping fat”, feststellen. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Mechanismen der Immunregulation in der Pathogenese von CED untersucht: 1) Der SOCE-Signalweg (store-operated Ca2+ entry) stellt eine wichtige Signalkaskade dar, die die Aktivierung von T-Zellen steuert. Wir haben die Auswirkung einer pharmakologischen Blockade von SOCE auf die Funktion von Immunzellen untersucht, die aus der intestinalen Mukosa therapierefraktärer CED-Patienten isoliert wurden. Anschließend konnten wir die Sicherheit einer systemischen Verabreichung von SOCE-Inhibitoren in vivo im einem murinen IBD-Modell bestätigen und zeigen, dass die Blockade von SOCE eine therapeutische Option für die Behandlung von CED darstellen könnte. 2) Darüber hinaus untersuchten wir, ob das Fehlen von Fettgewebe eine entzündungsfördernde oder -hemmende Rolle bei der Entstehung von CED spielt. Daher wurde die Zusammensetzung des mukosalen Immunsystems sowie die Funktion der intestinalen Epithelbarriere in einem Mausmodell mit Adipozytenatrophie sowohl im steady-state als auch nach induzierter Kolitis verglichen. Wir konnten zeigen, dass eine Fettgewebsatrophie vor dem Ausbruch einer Kolitis schützt, und führte zu einer erhöhten Resistenz der intestinalen Barriere. Schließlich verglichen wir die Merkmale des lipoatrophischen Mausmodells mit denen eines seltenen Patienten mit erworbener Lipodystrophie und MC und kamen zu dem Schluss, dass die chirurgische Resektion von mesenterialen Fettgewebes für Patienten mit einem MC, bei denen eine intestinale Resektionen durchgeführt wird, sinnvoll sein könnte. / Inflammatory bowel disease (IBD) is a group of chronic intestinal autoimmune disorders, including ulcerative colitis (UC) and Crohn's disease (CD). In contrast to UC, CD is characterized by transmural inflammation and mesenteric adipose tissue wrapping the inflamed small intestine, known as "creeping fat." Despite all currently available drug therapies, treating IBD remains a major challenge, underlying the necessity of identifying new therapeutic targets. In this work, two different mechanisms of immune regulation in the pathogenesis of IBD were investigated: First, because the store-operated Ca2+ entry (SOCE) signaling pathway is a crucial Ca2+ signaling cascade for T cell activation, we investigated the effect of pharmacological SOCE-blockade on intestinal immune cells isolated from therapy refractory IBD patients. Subsequently, we confirmed the efficacy and safety of systemic administration of SOCE inhibitors in vivo in an IBD murine model, demonstrating that the blockade of SOCE may represent a therapeutic option for treating IBD. Second, we investigated whether adipose tissue plays a pro- or anti-inflammatory role in the development of IBD. Therefore, we characterized the mucosal immune system and intestinal epithelial barrier in a murine model affected by adipocyte atrophy both at steady-state and after induction of colitis. We demonstrated that lipodystrophy protected against the onset of colitis and increased intestinal barrier resistance. Finally, we compared the lipoatrophic mouse model with a rare patient with acquired generalized lipodystrophy and CD, concluding that adipokines might play a pro-inflammatory role in IBD. Therefore, we suggest that surgical resection of mesenteric adipose tissue in CD patients might be a beneficial intervention in patients undergoing bowel resection.