Mit SGLT2-Inhibitoren (SGLT2i) und GLP1-Rezeptor Agonisten (GLP1-RA) sind Arzneistoffe mit einem kardioprotektiven Effekt verfügbar, die zur Therapie von Patienten mit Typ-2-Diabetes und hohem kardiovaskulären Risiko empfohlen werden. Die Frage nach ihrem kardioprotektiven Wirkmechanismus, insbesondere ob direkte Wirkungen am Herzen vorliegen, ist jedoch unklar. Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurde in dieser Arbeit mittels, aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen, differenzierten Kardiomyozyten (iPS-KM) ein Modell zur in vitro-Modellierung der diabetischen Kardiomyopathie etabliert, mit Hilfe dessen der Effekt des SGLT2i Empagliflozin und des GLP-RA Liraglutid getestet wurde. Zunächst wurde die Expression potenzieller Zielstrukturen beider Pharmaka, SGLT1, SGLT2, NHE-1 sowie GLP1R in verschiedenen kardialen Zelltypen untersucht. Dazu wurden atriale (aKM) und ventrikuläre KM (vKM) aus iPS-Zellen differenziert und deren kammerspezifische Eigenschaften anhand der Expression atrium- bzw. ventrikelspezifischer Gene sowie anhand der Kontraktionseigenschaften demonstriert. Weiterhin wurden humane ventrikuläre (HVF) und atriale Fibroblasten (HAF) sowie Proben gesunden Herzgewebes untersucht. Eine Expression von SGLT1, NHE-1 und GLP1R konnte in humanem Herzgewebe, aKM, vKM, HAF und HVF nachgewiesen werden. Die Expression des SGLT2 konnte hingegen in keiner kardialen Probe, sondern lediglich in humanem Nierengewebe nachgewiesen werden. Mittels vKM wurde die diabetische Kardiomyopathie durch 10-tägige Kultivierung unter erhöhten Glucosekonzentrationen (HG, 22 mM) mit ET-1 und Kortisol, die bei Diabetikern erhöhte Plasmalevel aufweisen, modelliert. Als Kontrollbedingung wurde eine Glukosekonzentration von 7 mM verwendet und weiterhin ebenso der Effekt von HG allein sowie eines osmotischen Kontrollmediums mit 7 mM Glukose und 15 mM Mannose untersucht. Für alle Veränderungen konnte so nachverfolgt werden, ob diese durch HG-Bedingungen, einen erhöhten osmotischen Druck oder den Zusatz von ET-1 und Kortisol induziert wurden. Mit dem DKM konnten verschiedene Charakteristika der diabetischen Kardiomyopathie in vitro rekapituliert werden. Im Vergleich zur Kontrollbedingung zeigte sich: 1) eine Abnahme der Zellvitalität, basierend auf erhöhter LDH-Aktivität im Überstand und verringertem zellulären MTT-Umsatz, 2) Merkmale einer Hyperkontraktilität, anhand gesteigerter maximaler Kontraktionsgeschwindigkeit und Verschiebung, 3) eine Steigerung der NPPB-Expression und damit Anzeichen einer Hypertrophie sowie 4) Trends hin zu einer Verringerung der Expression der Glukosetransporter GLUT1 und GLUT4, Hexokinase 2 (HK2) und der Carnitin-Palmitoyltransferase 1B (CPT1B) als Induktion eines veränderten Metabolismus nach Behandlung im DKM. Die Anwendung der DKM-Kulturbedingungen für Organoide, die aus vKM und HVF geformt wurden, zeigte ebenso eine Vergrößerung des Organoidumfangs und damit Zeichen der Hypertrophie, im Vergleich zur Kontrollbedingung. In weiteren Studien wurde das DKM eingesetzt, um potenzielle direkte kardiale Effekte von Empagliflozin und Liraglutid im 2D-Monolayer- und 3D-Organoidmodell zu untersuchen. Untersuchungen in Monolayerkulturen zeigten, dass Empagliflozin und Liraglutid keinerlei Effekt auf die Verringerung der Zellvitaliät, die Veränderungen der kontraktilen Aktivität und die Expression von NPPB sowie der Gene des Zellmetabolismus (GLUT1, GLUT4, HK2, CPT1B) hatten. Auch im 3D-Modell hatte keine der Substanzen einen Einfluss auf die Vergrößerung der Organoide unter DKM-Kulturbedingungen. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit die Expression des SGLT1, NHE-1 und GLP1R als potenzielle Zielstrukturen von SGLT2i und GLP1-RA auf niedrigem Level in iPS-KM sowie kardialen Fibroblasten nachgewiesen werden. Weiterhin wurde ein Modell etabliert, mit dem eine Verringerung der Vitalität, Hypertrophie sowie Veränderungen in der Expression von Stoffwechselgenen, als typische Merkmale der diabetischen Kardiomyopathie in iPS-KM in vitro abgebildet werden können. Direkte kardiale Effekte von Empagliflozin und Liraglutid konnten, trotz der Untersuchung einer Vielzahl von Parametern, nicht detektiert werden.

The regulation of glucagon-like peptide-1 and peptide YY hormone levels are regulated based on different influential factors, but primarily levels are dependent upon ingested food content. As meals today become more fat-enriched, there is greater requirement for evaluation of these hormones that regulate insulin and satiety levels within the body. We have shown that the gene expression transcript production of glucagon-like peptide-1 and peptide YY are modulated by different concentrations, and times of short-chain fatty acids and long-chain fatty acids. Although the peptide hormone levels have the influential physiological role on effector tissue, the regulation of these hormones begins at the transcript levels. Recent research indicates that glucagon-like peptide-1 and peptide YY hormones are altered in response to different free-fatty acids. The present investigation generally demonstrated an overall decrease in both hormones after chronic exposure to fatty acids. Intestinal secretin tumor cell line (STC-1 cells) was used as a representative for intestinal L-cells. Quantitative real-time PCR analysis was used to determine the changes in RNA transcripts. Overall, there was a decrease in the 3-hour timeline, which continued to decrease in the 16-hour and 24-hour timelines for glucagon-like peptide-1. Peptide YY transcript expression in 3-hours increased significantly after exposure to propionate, a significant decrease after exposure to acetate, and no significant increase or decrease after exposure to butyrate. However, there was a significant decrease in peptide YY once reaching 24-hour exposure. It was determined there is a threshold for different concentrations of free-fatty acids to influence glucagon-like peptide-1 and peptide YY production, which was present in the different concentrations of butyrate. Lastly, exposure to both concentrations of linolenic acid caused a significant decrease in glucagon-like peptide-1 and peptide YY.