The use of nanomaterials (NMs) in orally ingestible products raises concerns about potential hazards. Titanium dioxide (TiO2) particles (of which some are incidentally produced at the nanoscale) are used in cosmetics, biological remediation (photo-catalysis), toothpastes, ingestible pharmaceuticals and food products. The increased surface area to mass ratio of nanoparticles (NPs) potentially makes them more biologically reactive than their coarser (bulk) material counterparts. There is limited data available on the uptake kinetics across the mammalian gastrointestinal tract, and the potential hazard posed to humans. In this study, the uptake and accumulation of TiO2 (nano and bulk) into and across the human intestinal cell line, the isolated perfused rat jejunum and the whole rat were evaluated. Caco-2 monolayers exhibited time-dependent, accumulation, uptake and transport of Ti/TiO2 from TiO2 exposures of 1 mg L-1 over 24 h, which was influenced by the crystal type, irrespective of cell maturity and growth substrate (Chapters 2-3). Electron micrographs of the Caco-2 monolayer showed the presence of particles inside the cells within vesicles and energy dispersive spectroscopy (EDS) confirmed the composition as TiO2. Addition of pharmacological inhibitors altered the Ti concentration in the cells suggesting diffusion is not the primary mechanism of uptake, rather, an active process is responsible (Chapter 2). Whole gut sacs exposures of 1 mg L-1 bulk or nano TiO2 demonstrated the primary regions of the gut associated with accumulation are the small and large intestine, with 70 % or more of the TiO2 accumulating in the mucosa rather than the underlying muscularis. Perfused intestines exposed to 1 mg L-1 bulk or nano TiO2 for 4 h showed a time-dependent accumulation of Ti in the serosal perfusate with the initial rates of Ti flux from the nano exposures being 5 fold higher than the bulk form. Addition of pharmacological inhibitors caused increases in tissue Ti concentration and significantly reduced Ti serosal flux rates for NP exposures. Overall, the data suggests an active absorption mechanism is responsible for Ti uptake from both bulk and nano TiO2 exposures across the perfused rat intestine that is drug sensitive (Chapter 4). In vivo work demonstrated feed status and rat age effected Ti tissue concentrations. Critically, Ti tissue concentrations reduced with increasing age and removal of Ti containing feed caused transient decreases in Ti tissue concentrations in 23 day old rats. Transient decreases in Ti tissue concentration following feed removal were not observed in older rats suggesting young rats may be more sensitive to the uptake hazards presented by titanium (Chapter 5). Overall, the findings presented in this thesis demonstrate Ti/TiO2 from both bulk and nano TiO2 exposures are accumulated and transported across intestinal epithelium and these processes are drug sensitive and affected by crystal structure and particle size. The results in this thesis have contributed to a better understanding of the uptake kinetics and sub-lethal hazards presented by bulk and nano forms of TiO2 exposed to intestinal epithelium which could be used to partially inform policy makers on human dietary risk assessments.

An investigation into the influence of phytates on the in situ absorption of amino acids (lysine, glutamate and leucine) and glucose from the intestinal lumen of 3-week-old chickens was carried out. Birds were anaesthetised and the intestines exteriorised. Uptake of 5 mM of each nutrient over a 4-min period was measured in the presence of four phytate concentrations (0, 50, 250 and 500 mM). Five birds were used for each nutrient at each concentration of phytate tested. Leucine uptake decreased linearly (P < 0.001) and that of glutamate showed a tendency to decrease (P = 0.055) as the phytate concentration increased. Absorption of lysine and glucose were unaffected by the presence of phytate. In conclusion, phytate in the small intestinal lumen exerted a depressive effect on the absorption of specific free amino acids from the lumen. Its depressive effect was greatest for leucine followed by glutamate, and phytate had little effect on the absorption of lysine.

Folate sind als Überträger von C1-Fragmenten verschiedener Oxidationsstufen direkt an der Nukleinsäuresynthese beteiligt und spielen somit eine entscheidende Rolle im Zellstoffwechsel. So kann ein suboptimaler Folatstatus zur Ausprägung einer klinischen Symptomatik führen, die sich primär in Zellen mit hoher Teilungsrate manifestiert. Dabei gilt die megaloblastäre Anämie als Leitsymptom für einen akuten Folatmangel. Herausragende Bedeutung besitzen Folate in der Schwangerschaft, wo ihnen bei der Entwicklung des fetalen Nervensystems eine besondere Rolle zukommt. Bei einem zu niedrigen Serumfolatspiegel der Mutter steigt das Risiko für embryonale Missbildungen wie Neuralrohrdefekte stark an. Die weitere medizinische Relevanz der Folate steht momentan im Fokus der Forschung, wie z. B. der protektive Effekt in Bezug auf bestimmte Krebsformen, die Risikoreduktion für verschiedene kardiovaskuläre Erkrankungen sowie Zusammenhänge zwischen dem Folatstatus und neurologischen Störungen (Alzheimer, Depressionen). Allerdings kann Folat als essentielles Vitamin von Säugetieren nicht selbst synthetisiert werden, sondern muss aus externen Quellen über den Verdauungstrakt aufgenommen werden. Die Resorption aus dem Darm erfolgt nach aktuellem Kenntnisstand insbesondere über den Reduced Folate Carrier (RFC, SLC19A1) und den Proton-Coupled Folate Transporter (PCFT, SLC46A1). Trotz der Existenz dieser spezifischen Transporter ist der Folatmangel des Menschen der häufigste Vitaminmangel in Mitteleuropa. Er lässt sich durch eine ausschließlich ernährungsphysiologische Problematik nur unzureichend erklären. Interessanterweise besitzen sowohl das PCFT-Gen als auch das RFC-Gen in ihrer Promoterregion verschiedene Regulationselemente, unter anderem auch funktionell aktive DREs (Dioxin Response Element), die als Bindungsstelle für einen ligandenaktivierten Transkriptionsfaktor, den nukleären Arylhydrocarbon-Rezeptor (AhR), dienen. DREs wurden bisher hauptsächlich bei fremdstoffmetabolisierenden Enzymen wie z. B. Cytochrom P450-Isoenzymen gefunden und vermitteln bekanntermaßen die toxischen und karzinogenen Effekte von AhR-Liganden. Von besonderem Interesse sind in diesem Zusammenhang ubiquitär verbreitete Umweltkontaminanten wie die polyzyklischen und die halogenierten aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK, HAK), da sie in der Umwelt sehr persistent sind und sich dadurch in der Lebensmittelkette anreichern. Infolgedessen wurde im Rahmen dieser Studie der mögliche Einfluss von AhR-Liganden wie TCDD (2,3,7,8-tetrachlordibenzo-p-dioxin) und B[a]P (Benzo[a]pyren) auf die carriervermittelte intestinale Folatresorption beim Menschen untersucht sowie die Regulation der Transportproteine RFC und PCFT auf transkriptioneller Ebene experimentell überprüft. Als adäquates in vitro Modell diente dabei die humane Kolonzelllinie LS180, für die zunächst eine Charakterisierung erfolgte. Mittels RT-PCR wurde der Nachweis erbracht, dass alle am Folattransport beteiligten Import-und Exportcarrier auf mRNA-Ebene exprimiert werden. Für die Transportproteine RFC und PCFT erfolgte über den Western Blot auch der Nachweis auf Proteinebene. Die Funktionalität der AhR-Signalkaskade, die über methylcholanthrenartige Induktoren wie TCDD zur Induktion von Cytochrom P450 führt, konnte im Folgenden mittels Ethoxyresorufin-O-deethylase-Assay (EROD) überprüft werden. Es zeigte sich nach Induktion mit TCDD (0,01 - 10 nM) oder B[a]P (0,01 - 1 μM) über 12 – 96 h ein hochsignifikanter, dosis- und zeitabhängiger Effekt auf die Cyp1A1 vermittelte Enzymaktivität der Ethoxyresorufin-O-deethylase in den LS180-Zellen. Dabei konnten ligandenabhängige Unterschiede im Induktionsmuster ermittelt werden. Im Anschluss wurde im intestinalen Zellmodell die initiale konzentrations- und zeitabhängige Folataufnahme bei pH 5.5 über funktionelle Aufnahmeversuche mit Tritium-markierter Folsäure untersucht und charakterisiert. Sie stellte sich als aktiver, sättigbarer Prozess dar, wobei in den unbehandelten LS180-Zellen ca. eine Verdreifachung der intrazellulären Radioaktivität über einen Zeitraum von 2,5 min beobachtet werden konnte. Als kinetische Parameter wurden ein Km-Wert von 27,91 μM sowie ein Vmax-Wert von 281,2 pmol/min berechnet. Nachfolgende Untersuchungen mit den spezifischen Inhibitoren Raltitrexed (RTX) und Pemetrexed (PMX) konnten zeigen, dass sowohl PCFT als auch RFC an der funktionellen Folsäureaufnahme bei einem pH-Wert von 5.5 in dem gewählten Versuchsaufbau beteiligt sind. Der RFC scheint jedoch einen etwas höheren Anteil an der Gesamtaufnahme zu haben als der PCFT. In LS180-Zellen, die vorher mit den Modellsubstanzen TCDD (1 bzw. 10 nM) oder B[a]P (0,1 bzw. 1 μM) über 24 - 120 h inkubiert wurden, konnte eine zeit- und dosisabhängige, statistisch signifikante Reduktion der carriervermittelten Folatresorption beobachtet werden, wobei die maximale Verminderung der Aufnahmerate ca. 75 % betrug. Da sich dieser Effekt durch die AhR-Antagonisten Salicylamid (SAL) und CH-223191 (CH) dosisabhängig umkehren ließ, erfolgt die Regulation vermutlich über den AhR-Signalweg. Um den Mechanismus der Regulation zu klären, wurde mit Hilfe der quantitativen qRT-PCR unter Verwendung von TaqMan-Sonden die Genexpression von RFC und PCFT nach Vorbehandlung mit 1 - 10 nM TCDD oder 0,1 – 1 μM B[a]P über 12 - 120 h untersucht. Analog zu den Aufnahmeversuchen konnte hier eine zeit- und dosisabhängige Reduktion beider Transporter auf transkriptioneller Ebene beobachtet werden. Auch führte eine Vorbehandlung mit CH und SAL wiederum zu einer Umkehr des Effektes, wobei CH wahrscheinlich einen ligandenselektiven AhR-Antagonisten darstellt. Zusammenfassend konnte durch die vorliegende Arbeit nachgewiesen werden, dass Cytochrom P450-Induktoren über die AhR-Signalkaskade die carriervermittelte Folatresorption in humanen Kolonzellen herabregulieren. Es erscheint anhand der gewonnen Erkenntnisse möglich, dass die Folathomoöstase durch verschiedene Umweltkontaminanten wie z. B. TCDD negativ beeinflusst werden kann und als Folge daraus auch eventuell der Folatmangel der Bevölkerung in Industrienationen zumindest teilweise erklärbar wird. Es ist darüber hinaus denkbar, dass auch andere Fremdstoffe die Folataufnahme beeinflussen, da große planare Strukturen häufig über den AhR-Weg wirken. Weiterführende Studien sind notwendig, um das Verständnis für den Einfluss von Umweltkontaminanten auf die intestinale Folataufnahme zu verbessern.

Folate sind als Überträger von C1-Fragmenten verschiedener Oxidationsstufen direkt an der Nukleinsäuresynthese beteiligt und spielen somit eine entscheidende Rolle im Zellstoffwechsel. So kann ein suboptimaler Folatstatus zur Ausprägung einer klinischen Symptomatik führen, die sich primär in Zellen mit hoher Teilungsrate manifestiert. Dabei gilt die megaloblastäre Anämie als Leitsymptom für einen akuten Folatmangel. Herausragende Bedeutung besitzen Folate in der Schwangerschaft, wo ihnen bei der Entwicklung des fetalen Nervensystems eine besondere Rolle zukommt. Bei einem zu niedrigen Serumfolatspiegel der Mutter steigt das Risiko für embryonale Missbildungen wie Neuralrohrdefekte stark an. Die weitere medizinische Relevanz der Folate steht momentan im Fokus der Forschung, wie z. B. der protektive Effekt in Bezug auf bestimmte Krebsformen, die Risikoreduktion für verschiedene kardiovaskuläre Erkrankungen sowie Zusammenhänge zwischen dem Folatstatus und neurologischen Störungen (Alzheimer, Depressionen). Allerdings kann Folat als essentielles Vitamin von Säugetieren nicht selbst synthetisiert werden, sondern muss aus externen Quellen über den Verdauungstrakt aufgenommen werden. Die Resorption aus dem Darm erfolgt nach aktuellem Kenntnisstand insbesondere über den Reduced Folate Carrier (RFC, SLC19A1) und den Proton-Coupled Folate Transporter (PCFT, SLC46A1). Trotz der Existenz dieser spezifischen Transporter ist der Folatmangel des Menschen der häufigste Vitaminmangel in Mitteleuropa. Er lässt sich durch eine ausschließlich ernährungsphysiologische Problematik nur unzureichend erklären. Interessanterweise besitzen sowohl das PCFT-Gen als auch das RFC-Gen in ihrer Promoterregion verschiedene Regulationselemente, unter anderem auch funktionell aktive DREs (Dioxin Response Element), die als Bindungsstelle für einen ligandenaktivierten Transkriptionsfaktor, den nukleären Arylhydrocarbon-Rezeptor (AhR), dienen. DREs wurden bisher hauptsächlich bei fremdstoffmetabolisierenden Enzymen wie z. B. Cytochrom P450-Isoenzymen gefunden und vermitteln bekanntermaßen die toxischen und karzinogenen Effekte von AhR-Liganden. Von besonderem Interesse sind in diesem Zusammenhang ubiquitär verbreitete Umweltkontaminanten wie die polyzyklischen und die halogenierten aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK, HAK), da sie in der Umwelt sehr persistent sind und sich dadurch in der Lebensmittelkette anreichern. Infolgedessen wurde im Rahmen dieser Studie der mögliche Einfluss von AhR-Liganden wie TCDD (2,3,7,8-tetrachlordibenzo-p-dioxin) und B[a]P (Benzo[a]pyren) auf die carriervermittelte intestinale Folatresorption beim Menschen untersucht sowie die Regulation der Transportproteine RFC und PCFT auf transkriptioneller Ebene experimentell überprüft. Als adäquates in vitro Modell diente dabei die humane Kolonzelllinie LS180, für die zunächst eine Charakterisierung erfolgte. Mittels RT-PCR wurde der Nachweis erbracht, dass alle am Folattransport beteiligten Import-und Exportcarrier auf mRNA-Ebene exprimiert werden. Für die Transportproteine RFC und PCFT erfolgte über den Western Blot auch der Nachweis auf Proteinebene. Die Funktionalität der AhR-Signalkaskade, die über methylcholanthrenartige Induktoren wie TCDD zur Induktion von Cytochrom P450 führt, konnte im Folgenden mittels Ethoxyresorufin-O-deethylase-Assay (EROD) überprüft werden. Es zeigte sich nach Induktion mit TCDD (0,01 - 10 nM) oder B[a]P (0,01 - 1 μM) über 12 – 96 h ein hochsignifikanter, dosis- und zeitabhängiger Effekt auf die Cyp1A1 vermittelte Enzymaktivität der Ethoxyresorufin-O-deethylase in den LS180-Zellen. Dabei konnten ligandenabhängige Unterschiede im Induktionsmuster ermittelt werden. Im Anschluss wurde im intestinalen Zellmodell die initiale konzentrations- und zeitabhängige Folataufnahme bei pH 5.5 über funktionelle Aufnahmeversuche mit Tritium-markierter Folsäure untersucht und charakterisiert. Sie stellte sich als aktiver, sättigbarer Prozess dar, wobei in den unbehandelten LS180-Zellen ca. eine Verdreifachung der intrazellulären Radioaktivität über einen Zeitraum von 2,5 min beobachtet werden konnte. Als kinetische Parameter wurden ein Km-Wert von 27,91 μM sowie ein Vmax-Wert von 281,2 pmol/min berechnet. Nachfolgende Untersuchungen mit den spezifischen Inhibitoren Raltitrexed (RTX) und Pemetrexed (PMX) konnten zeigen, dass sowohl PCFT als auch RFC an der funktionellen Folsäureaufnahme bei einem pH-Wert von 5.5 in dem gewählten Versuchsaufbau beteiligt sind. Der RFC scheint jedoch einen etwas höheren Anteil an der Gesamtaufnahme zu haben als der PCFT. In LS180-Zellen, die vorher mit den Modellsubstanzen TCDD (1 bzw. 10 nM) oder B[a]P (0,1 bzw. 1 μM) über 24 - 120 h inkubiert wurden, konnte eine zeit- und dosisabhängige, statistisch signifikante Reduktion der carriervermittelten Folatresorption beobachtet werden, wobei die maximale Verminderung der Aufnahmerate ca. 75 % betrug. Da sich dieser Effekt durch die AhR-Antagonisten Salicylamid (SAL) und CH-223191 (CH) dosisabhängig umkehren ließ, erfolgt die Regulation vermutlich über den AhR-Signalweg. Um den Mechanismus der Regulation zu klären, wurde mit Hilfe der quantitativen qRT-PCR unter Verwendung von TaqMan-Sonden die Genexpression von RFC und PCFT nach Vorbehandlung mit 1 - 10 nM TCDD oder 0,1 – 1 μM B[a]P über 12 - 120 h untersucht. Analog zu den Aufnahmeversuchen konnte hier eine zeit- und dosisabhängige Reduktion beider Transporter auf transkriptioneller Ebene beobachtet werden. Auch führte eine Vorbehandlung mit CH und SAL wiederum zu einer Umkehr des Effektes, wobei CH wahrscheinlich einen ligandenselektiven AhR-Antagonisten darstellt. Zusammenfassend konnte durch die vorliegende Arbeit nachgewiesen werden, dass Cytochrom P450-Induktoren über die AhR-Signalkaskade die carriervermittelte Folatresorption in humanen Kolonzellen herabregulieren. Es erscheint anhand der gewonnen Erkenntnisse möglich, dass die Folathomoöstase durch verschiedene Umweltkontaminanten wie z. B. TCDD negativ beeinflusst werden kann und als Folge daraus auch eventuell der Folatmangel der Bevölkerung in Industrienationen zumindest teilweise erklärbar wird. Es ist darüber hinaus denkbar, dass auch andere Fremdstoffe die Folataufnahme beeinflussen, da große planare Strukturen häufig über den AhR-Weg wirken. Weiterführende Studien sind notwendig, um das Verständnis für den Einfluss von Umweltkontaminanten auf die intestinale Folataufnahme zu verbessern.

Le DT2 est caractérise par un défaut combiné de la sécrétion et de l’action de l’insuline. Depuis près d’un demi siècle la chirurgie bariatrique et notamment le Roux-en-Y Gastric Bypass (RYGB) ont montré des effets spectaculaires sur le contrôle glycémique remettant en question le paradigme de la prise en charge médicale du DT2. L’exclusion gastro duodénale induite par le RYGB améliore le métabolisme glucidique indépendemment de la perte de poids. Ainsi les modifications du flux biliaire semblent jouer un rôle, cependant les mécanismes sous-jacents ne sont pas clairs. Nous avons réalisés des RYGB chez le miniporc et nous avons montré que l'absorption intestinale du glucose est diminuée dans l’anse alimentaire (AL) dépourvue de bile. L'absorption du glucose dans l’AL était restaurée par l'ajout de la bile, et cet effet était inhibé lorsque le co transport actif sodium glucose 1 (SGLT1) était bloquée par la phlorizine. SGLT1 restait exprimée dans la AL, cependant la teneur dans la lumière de l’intestin en sodium était nettement diminuée. L’ajout de sodium dans l'AL provoquait le même effet que la bile sur l'absorption du glucose et augmentait également l’excursion glycémique post prandiale chez le miniporc au cours d’un repas test vigil. La diminution de l'absorption intestinale du glucose après RYGB a ensuite été confirmée chez l'homme. Nos résultats démontrent que la l’exclusion biliaire affecte le métabolisme post prandiale du glucose par modulation des co transporteurs intestinaux sodium-glucose. / Type 2 diabetes (T2D) is characterized primarily as a combined defect of insulin secretion and insulin action. For nearly a decade, the somewhat mysterious but spectacular benefit of metabolic surgery, and more specifically of Roux-en-Y gastric bypass (RYGB), on glucose control has been caused a questioning the current paradigm of T2D management. Gastro-intestinal exclusion by RYGB improves glucose metabolism, independent of weight loss. Although changes in intestinal bile trafficking have been shown to play a role, the underlying mechanisms are unclear. We performed RYGB in minipigs and showed that the intestinal uptake of ingested glucose is blunted in the bile deprived alimentary limb (AL). Glucose uptake in the AL was restored by the addition of bile, and this effect was abolished when active glucose intestinal transport was blocked with phlorizin. Sodium-glucose cotransporter 1 remained expressed in the AL, while intraluminal sodium content was markedly decreased. Adding sodium to the AL had the same effect as bile on glucose uptake. It also increased postprandial blood glucose response in conscious minipigs following RYGB. The decrease in intestinal uptake of glucose after RYGB was confirmed in humans. Our results demonstrate that bile diversion affects postprandial glucose metabolism by modulating sodium-glucose intestinal cotransport.