Ziel der vorliegenden Arbeit war, an den sechs gastrointestinalen Karzinomzelllinien CaCo, HCT116, HT29, SW620, WiDr und 23132/87 zu untersuchen, ob Ketonkörper den Anteil vitaler Zellen durch Hemmung der Zellteilung verringern. Hierzu wurden umfangreiche In-vitro-Experimente mit unterschiedlichen Konzentrationen an Sauerstoff (21, 5 und 1 %) und D-3-Hydroxybutyrat (0,25, 4,0, 8,0 und 20 mmol/l) durchgeführt. Zusätzlich wurde überprüft, ob Ketonkörper die Glykolyse beeinflussen. Hierzu wurden der Glukoseverbrauch und die Laktatproduktion bestimmt. Die sechs humanen gastrointestinalen Karzinomzelllinien exprimieren die zur Ketolyse notwendigen Enzyme. Die Zellen oxidieren D-3-Hydroxybutyrat zwar eindeutig bei 21 % Sauerstoff, nicht aber bei physiologischen Sauerstoffkonzentrationen von 5 % und 1 % Sauerstoff. Die Hemmung der Zellteilung durch Ketonkörper, wurde in der vorliegenden Arbeit für keine der vier Konzentrationen an D-3-Hydroxybutyrat bei keiner der drei Konzentrationen an Sauerstoff an den untersuchten Zellen beobachtet. Auch war keine Beeinflussung der Glykolyse durch Ketonkörper nachzuweisen. Weder der Glukoseverbrauch noch die Laktatbildung wiesen signifikante Differenzen bei Inkubation der Zellen mit D-3-Hydroxy¬butyrat auf. / The objective of this work was to examine whether ketone bodies reduce the proportion of vital cells through the inhibition of cell division in the six gastrointestinal carcinoma cell lines CaCo, HCT116, HT29, SW620, WiDr and 23132/87. This involved conducting comprehensive in vitro experiments with various concentrations of oxygen (21%, 5% and 1%) and D-3-hydroxybutyrate (0.25 mmol/L, 4.0 mmol/L, 8.0 mmol/L and 20 mmol/L). In addition, this work tested whether ketone bodies influence glycolysis. Levels of glucose consumption and lactate production were determined for this purpose. The six human gastrointestinal carcinoma cell lines express the enzymes necessary for ketolysis. The cells clearly oxidise D-3-hydroxybutyrate at 21% oxygen but not, however, at physiological oxygen concentrations of 5% and 1%. In this work, the inhibition of cell division by ketone bodies was observed for none of the four concentrations of D-3-hydroxybutrate at none of the three oxygen concentrations in the examined cells. Moreover, the ketone bodies did not demonstrate any influence on glycolysis. Neither the level of glucose consumption nor the level of lactate formation indicates significant differences in the incubation of cells with D-3-hydroxybutyrate.

Die endotheliale Dysfunktion beatmeter Intensivpatienten stellt ein signifikantes klinisches Problem dar. Flüssigkeitsaustritte durch die Gefäßwand können zur Bildung von lebensbedrohlichen Ödemen führen. Forschungsergebnisse zeigen einen Einfluss der lokalen Sauerstoffkonzentration sowie der Stoffwechsellage auf die endotheliale Zellhomöostase sowie die Angiogenesekapazität. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss unterschiedlicher Sauerstoffkonzentrationen sowie der Exposition gegenüber Ketonkörpern auf die Expression zentraler Stoffwechselenzyme, die Freisetzung von Zytokinen, die endotheliale Migrations- und Angiogenesekapazität sowie die Freisetzung von Angiogenesefaktoren an kultivierten humanen Nabelschnurendothelien (HUVEC) untersucht. Unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen führten zu keiner wesentlichen Änderung der mRNA- oder Proteinexpression von Stoffwechselenzymen. Im Hinblick auf die Zytokinfreisetzung zeigten sich hingegen deutliche Expressionsänderungen unter Hypoxie bzw. Hyperoxie, welche jedoch in der Zusammenschau kein eindeutig proangiogenetisches Profil zeigten. Hypoxie und Hyperoxie sowie die Exposition gegenüber Ketonkörpern (β-Hydroxybutyrat) verlangsamten die endotheliale Zellmigration; im Gegensatz hierzu führte die Ketose im Angiogeneseassay zu einer signifikant erhöhten Gefäßdichte und Anzahl an Verzweigungspunkten, einhergehend mit erhöhter Freisetzung des potenten Angiogenesefaktors Angiopoietin-1. Somit zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass eine ketogene Stoffwechsellage – mutmaßlich über eine gesteigerte endotheliale Zellproliferation – zu einer gesteigerten Angiogenese führt, wogegen eine Änderung der Sauerstoffkonzentration im Modell keine eindeutig positiven Effekte zeigte. Eine physiologische Ketose könnte somit bei Intensivpatienten der Entstehung einer endothelialen Dysfunktion mit Entwicklung eines Capillary-leak-Syndroms entgegenwirken. / The endothelial Dysfunction of respirated Intensiv Care Patients poses a significant clinical Problem. Vascular leaks may cause life threatening edemas. Results of the research show an influence of the local oxygen concentration as well as the metabolism situation on endothelial homöostase and Angiogenesis. This work researched the influence of different Oxygen konzentrations and the Exposition of Ketone-bodies on the Expression of different metabolism enzymes, the Emission of zytokines, the endothelial Migration- and Angiogenese capacity as well as the Emission of Angiogenesefactors in HUVEC Cells.

Die ketogene Diät besitzt ein breites mögliches therapeutisches Spektrum und aufgrund der induzierten Ketonkörper in der Theorie auch antiproliferative sowie antiinflammatorische Wirkmechanismen. Ziel dieser Arbeit war es, die Wirkung der Ketonkörper β-Hydroxybutyrat und Acetoacetat auf Kolonkarzinomzellen in vitro zu untersuchen. Hierfür wurden Proliferation, Koloniebildung, Gen- und Proteinexpression von drei verschiedenen Zelllinien analysiert. Um einen möglichen Zusammenhang der Ketonkörperwirkung und dem p53-Status zu prüfen, wurden Zelllinien mit unterschiedlichem p53-Status eingesetzt. Etwaige Effekte der Ketonkörper auf die Strahlensensibilität der Zellen wurden ebenfalls untersucht. Um möglichst tumorphysiologische Bedingungen herzustellen, wurden die Versuche nicht nur unter normoxischen Bedingungen (21 % Sauerstoff), sondern parallel unter 1,5 % Sauerstoffkonzentration durchgeführt. In den Tests zur Proteinexpression konnte festgestellt werden, dass die Expression von p53 nicht durch die Zugabe von Ketonkörpern beeinflusst wird. Die Proteinexpression von p21 und p27 war unabhängig von der Expression von p53. Die Analyse der Genexpression beweist, dass die untersuchten Zelllinien sowohl die Monocarboxylattransporter (MCTs) exprimieren, über welche die Ketonkörper aufgenommen werden können, als auch die G-Protein- gekoppelten Rezeptoren, über welche die Ketonkörper auf die Signalketten wirken können. Ein hemmender Einfluss der Ketonkörper auf die Zellproliferation ließ sich im WST-8-Test für die Zelllinie HT-29 unter Zugabe von 3-OHB in Kombination mit LiAcAc nachweisen. Nach Strahlenbehandlung stellten sich die Zelllinien CaCo-2 und HT-29 bei Betrachtung der Kurzzeitproliferation weitgehend strahlenresistent dar. Bei Untersuchung der Langzeitproliferation mittels Koloniebildungstest zeigte sich jedoch auch hier eine zytotoxische Wirkung der ionisierenden Strahlung. Für die Zelllinie CaCo2 konnte zudem durch Zugabe von LiAcAc allein und in Kombination mit 3-OHB eine signifikante Reduktion der Koloniebildung nach Bestrahlung mit 2 Gy festgestellt werden. Zusammenfassend weisen die durchgeführten Versuche darauf hin, dass die Ketonkörper unabhängig vom p53-Status in alle untersuchten Kolonkarzinomzellen aufgenommen und verwertet werden können. Ein allgemein synergistischer Effekt zwischen ionisierender Strahlung und den Ketonkörpern konnte nicht eindeutig nachgewiesen werden. Die Zugabe der Ketonkörper führte weder zu einer Proliferationsanregung noch zur Reduktion der Strahlensensitivität, so dass hier von einer klinischen Unbedenklichkeit ausgegangen werden kann. Fortführende klinische Studien sind notwendig, um die in vivo Effekte zu untersuchen. / The ketogenic diet has a wide possible therapeutic spectrum and due to the ketone bodies, it also has possible antiproliferative and anti-inflammatory effects. The aim of this work was to investigate the effect of the ketone bodies β-hydroxybutyrate and acetoacetate on colon carcinoma cells in vitro. For this purpose, proliferation, colony formation, gene expression and protein expression of three different cell lines were analyzed. In order to investigate a possible correlation between the ketone body effect and p53 status, cell lines with different p53 status were used. Effects of the ketone bodies on radio sensitivity were also investigated. In order to create tumor-physiological conditions, the experiments were not only performed at normoxic (21% oxygen), but also at hypoxic conditions (1.5 % oxygen). In the protein expression assays, it was found that the expression of p53 was not affected by the addition of ketone bodies. The protein expression of p21 and p27 was independent of the expression of p53. The analysis of gene expression proves that the cell lines express both the monocarboxylate transporters (MCTs) through which ketone bodies can be taken up into the cells, as well as the G protein-coupled receptors through which the ketone bodies can act on the signaling chains. An inhibitory effect of the ketone bodies on cell proliferation could be detected in the WST-8 assay for the HT-29 cell line with the addition of 3-OHB in combination with LiAcAc. The cell lines CaCo-2 and HT-29 were largely resistant to radiation in terms of short-time proliferation. In the Colony-Forming-Assay, however, we also observed a cytotoxic effect of ionizing radiation on those cell lines. For the cell line CaCo2 the addition of LiAcAc alone and in combination with 3-OHB resulted in a significant reduction of colonies after irradiation with 2 Gy. In summary, the experiments performed indicate that the ketone bodies can be taken up and utilized in all colon carcinoma cells examined, irrespective of the p53 status. A general synergistic effect between irradiation and ketone bodies could not be clearly demonstrated. The addition of the ketone bodies did not lead to either a stimulation of proliferation or reduction of radio sensitivity, so that clinical safety can be assumed. Further clinical studies are necessary to investigate the in vivo effects.

Background The detrimental impact of malnutrition and cachexia in cancer patients subjected to surgical resection is well established. However, how systemic and local metabolic alterations in cancer patients impact the serum metabolite signature, thereby leading to cancer-specific differences, is poorly defined. In order to implement metabolomics as a potential tool in clinical diagnostics and disease follow-up, targeted metabolite profiling based on quantitative measurements is essential. We hypothesized that the quantitative metabolic profile assessed by 1H nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy can be used to identify cancer-induced catabolism and potentially distinguish between specific tumour entities. Importantly, to prove tumour dependency and assess metabolic normalization, we additionally analysed the metabolome of patients' sera longitudinally post-surgery in order to assess metabolic normalization. Methods Forty two metabolites in sera of patients with tumour entities known to cause malnutrition and cachexia, namely, upper gastrointestinal cancer and pancreatic cancer, as well as sera of healthy controls, were quantified by 1H NMR spectroscopy. Results Comparing serum metabolites of patients with gastrointestinal cancer with healthy controls and pancreatic cancer patients, we identified at least 15 significantly changed metabolites in each comparison. Principal component and pathway analysis tools showed a catabolic signature in preoperative upper gastrointestinal cancer patients. The most specifically upregulated metabolite group in gastrointestinal cancer patients was ketone bodies (3-hydroxybutyrate, P < 0.0001; acetoacetate, P < 0.0001; acetone, P < 0.0001; false discovery rate [FDR] adjusted). Increased glycerol levels (P < 0.0001), increased concentration of the ketogenic amino acid lysine (P = 0.03) and a significant correlation of 3-hydroxybutyrate levels with branched-chained amino acids (leucine, P = 0.02; isoleucine, P = 0.04 [FDR adjusted]) suggested that ketone body synthesis was driven by lipolysis and amino acid breakdown. Interestingly, the catabolic signature was independent of the body mass index, clinically assessed malnutrition using the nutritional risk screening score, and systemic inflammation assessed by CRP and leukocyte count. Longitudinal measurements and principal component analyses revealed a quick normalization of key metabolic alterations seven days post-surgery, including ketosis. Conclusions Together, the quantitative metabolic profile obtained by 1H NMR spectroscopy identified a tumour-induced catabolic signature specific to upper gastrointestinal cancer patients and enabled monitoring restoration of metabolic homeostasis after surgery. This approach was critical to identify the obtained metabolic profile as an upper gastrointestinal cancer-specific signature independent of malnutrition and inflammation.