Univ., Diss., 2006--Giessen

Universiẗat, Diss., 2000--Kiel.

Universiẗat, Diss., 2004--Jena.

Abstract Human mitochondria contain a circular genome called mitochondrial DNA (mtDNA). It encodes subunits of the respiratory chain enzymes involved in energy conservation in oxidative phosphorylation and the necessary RNA needed for their expression. Errors in these genes have been shown to cause diseases, called mitochondrial diseases, which mainly affect tissues with high energy-demand, such as brain, heart, and skeletal muscle, or to lead to the production of harmful by-products in the form of reactive oxygen species (ROS) during cellular respiration. ROS damage lipids, proteins, and DNA, especially mtDNA. Accumulation of mtDNA mutations has also been associated with aging. Mitochondrial complex I is located in the inner mitochondrial membrane and catalyzes NADH-ubiquinone oxidoreduction coupled to the translocation of four protons from the inside of the mitochondrion to the intermembranous space. Bacteria contain a homologous but simpler enzyme, NDH-1, with the same catalytic mechanism and which is therefore considered the catalytical core of mitochondrial complex I. Seven of the conserved membranous subunits in complex I are encoded in the mtDNA and are targets for mutations causing mitochondrial diseases, like MELAS syndrome or Leber hereditary optic neuropathy (LHON). We used Paracoccus denitrificans and Escherichia coli NDH-1 enzymes to reveal the role of selected conserved charged residues and MELAS or LHON amino acid substitutions in enzyme catalysis. The growth phenotypes and NDH-1-dependent activities in mutant bacterial membranes were characterized, in addition to the sensitivity to selected complex I inhibitors. In order to enable ROS production measurements in the bacterial model of human mitochondrial diseases, we evaluated the reliability of two superoxide detecting probes, lucigenin and coelenterazine. Elimination of the acidic residue in ND1 (position E228) previously found to cause MELAS, was found detrimental for NDH-1 assembly and activity. Also, elimination of the acidic residue at position E36 in ND4L resulted in an inactive enzyme. ND1-E216A, ND4L-E72Q and -E36Q/I39D/A69D/E72Q substitutions decreased NDH-1 activity somewhat (normal activity in the last mutant), but displayed a negative growth phenotype under NDH-1 dependent conditions, suggestive of impaired energy conservation in these mutants. ND1-Y229, whose substitution causes MELAS, charged residues in loop five of ND1, and ND1-E157, whose substitution causes LHON, were also found important for the enzyme activity. Coelenterazine was found a reliable probe for quantitative superoxide production measurement in mitochondrial or bacterial membranes, and its sensitivity is not affected by the reduction level of the respiratory chain. Therefore, coelenterazine is suitable for quantitative superoxide production measurements.

Einleitung Adipositas ist ein zunehmendes Problem bei Menschen und Haustieren, z.B. in Pferden. Ponyrassen sind dabei besonders prädisponiert, wobei die Gründe bisher nicht abschließend geklärt werden konnten. Humane Adipositas geht mit einer fettigen Infiltration der Leber einher, die sogenannte Non-Alcoholic Fatty Liver Disease, welche zu einer hepatozellulären Entzündung führt. Es ist bisher nicht bekannt, ob Adipositas in Equiden auch zu hepatischen Veränderungen führt. Menschliche Fettleibigkeit ist zusätzlich mit systemischer Entzündung und gesteigertem oxidativen Stress verbunden. Das führte zu intensiven Untersuchungen von anti-inflammatorischen und antioxidativen Faktoren (z.B. Vitamin A - Retinol und Vitamin E - α-Tocopherol) in der humanen Adipositas Forschung. Viele Studien konnten ein Absinken von Vitamin A und Vitamin E in fettleibigen Menschen feststellen. Ziele Die vorliegende Studie sollte den Einfluss von zunehmendem Körpergewicht (KG) in Ponys und Pferden auf mehrere Parameter untersuchen: (1) Serum Leberenzymaktivitäten und Serum Gallensäuren (GS), (2) Leberfettgehalt, (3) hepatische messenger Ribonukleinsäure (mRNA) Level von Entzündungsmarkern und Markern des Lipidmetabolismus und (4) Serum Konzentrationen von Retinol und α-Tocopherol. Zusätzlich sollten Ponys und Pferde im Verlauf dieser Studie verglichen werden, um eventuelle Gründe für die Rasseprädisposition der Ponys für metabolische Störungen zu identifizieren. Material und Methoden Zehn Shetland Ponys und 9 Warmblut Pferde, die initial nicht adipös waren, wurden über 2 Jahre mit 200% des Erhaltungsbedarfes für umsetzbare Energie gefüttert. Die Entwicklung des KG, des Body Condition Scores (BCS) und des Cresty Neck Scores (CNS) wurde wöchentlich erfasst. Während der Fütterungsphase wurde zu 6 Zeitpunkten (ZP) Blut für die Bestimmung von Serum Leberenzymaktivitäten (Alkaline Phosphatase (ALP), Aspartat Aminotransferase (AST), Glutamat Dehydrogenase (GLDH), Gamma-Glutamyl Transferase (GGT)) und Serum GS entnommen und zu 7 ZP wurde Blut für die Analyse von Serum Retinol und α-Tocopherol gewonnen. An 3 ZP wurde durch Laparotomie Lebergewebe in Vollnarkose entnommen. Die Leberbiopsien wurden histologisch auf ihren Fettgehalt untersucht und mittels quantitativer Echtzeit Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR) wurden die mRNA Level von Entzündungsmarkern (Nuclear Factor-κB (NF-κB), Interleukin-1β (IL-1β), IL-6, Tumor Nekrose Faktor α (TNFα), Differenzierungsgruppe 68 (CD68), Chemerin) und Lipid Metabolismus Markern (Lipoprotein Lipase (LPL), Fettsäuren Bindungsprotein 1 (FABP1) bestimmt. Die Daten wurden mittels statistischem Software Programm ausgewertet (STATISTICA, version 12, StatSoft GmbH, Hamburg, Deutschland). Nach Prüfung auf Normalverteilung der Daten, wurden geeignete statistische Tests angewendet mit einem statistischen Signifikanzniveau bei P < 0,05. Die Tierschutzkommission des Bezirks Leipzig genehmigte das Projekt in Übereinstimmung mit deutschen Rechtsvorschriften (Nr. TVV 32/15). Ergebnisse Ponys und Pferde zeigten einen signifikanten Anstieg von KG (Mittelwert ± SD; Ponys: 29,9 ± 19,4%; Pferde: 17 ± 6,74%), BCS (Median (25./75. Perzentil); Ponys: 157% (115/349); Pferde: 142% (128/192)) und CNS (Median (25./75. Perzentil); Ponys: 165% (123/500); Pferde: 200% (160/225)) induziert durch die hyperkalorische Fütterung über 2 Jahre. Das ansteigende KG hat keine Steatosis in der Mehrheit der Equiden ausgelöst. Die mRNA Level von IL-6, TNFα, CD68 und IL-1β in der Leber wurden nicht beeinflusst. Die Leber mRNA Level von Chemerin sind signifikant angestiegen in Ponys (x-facher Anstieg: 1,89) und Pferden (x-facher Anstieg: 2,04). Signifikante Unterschiede zwischen den Rassen hinsichtlich der Serum GLDH Aktivitäten, Serum GS Konzentrationen und der hepatischen mRNA LPL Level konnten festgestellt werden. Die Serum α-Tocopherol Konzentrationen stiegen in Ponys und Pferden signifikant an und korrelierten positiv mit der Vitamin E Aufnahme. Die Serum Retinol Konzentrationen fluktuierten während der Studie, ohne mit der Aufnahme zu korrelieren. Schlussfolgerungen Frühe Fettleibigkeit in Equiden führt nicht zwangsläufig zu einer Steatose mit hepatozellulärer Entzündung. Gemäß der Hypothese zeigten Ponys und Pferde allerdings unterschiedliche hepatische Reaktionsmuster nach KG Zunahme. Das könnte die höhere Empfänglichkeit von Ponys für metabolische Erkrankungen erklären. Chemerin konnte als interessanter Marker für die equine Adipositas Forschung identifiziert werden. Serum Konzentrationen von Retinol und α-Tocopherol wurden durch die KG Zunahme nicht beeinflusst.

Gegenstand und Ziel: Einsatz des Ultraschallkontrastmittels SonoVue® zur Ermittlung der Hepatischen Transitzeit bei lebergesunden Hunden. Material und Methoden: Untersucht wurden 45 lebergesunde Hunde aus dem Patientengut der Klinik für Kleintiere der Universität Leipzig. Ausschlusskriterien waren Leber- und Herz-Kreislauferkrankungen, sowie Tumorleiden. Die Kontrastmitteluntersuchungen erfolgten am narkotisierten Tier. Das Kontrastmittel wurde intravenös appliziert. Die Zeitdifferenz zwischen Ankunft in den Leberarterien bis zum Erreichen der Lebervenen wird als Hepatische Transitzeit definiert. Die Auswertung erfolgte von zwei unabhängigen Betracht-ern, sowie einer im Ultraschallgerät installierten Analysesoftware (TIC; Time-intensity-curve). Erfasst wurden zusätzlich von jedem Patienten die Blutflussgeschwindigkeiten in der Aorta abdominalis und den Lebervenen vor und nach der Kontrastmitteluntersuchung. Ebenfalls sind die Ankunftszeiten des Kontrastmittels in den Leberarterien und Lebervenen ermittelt worden. Diese Daten wurden mit den Angaben des Alters, dem Geschlecht und dem Gewicht verglichen. Die ermittelten Ankunftszeiten des Kontrastmittels wurden mit den Blutflussgeschwindigkeiten des jeweiligen Patienten korreliert. Ergebnisse: Die Hepatische Transitzeit des Kontrastmittels SonoVue® für lebergesunde Hunde beträgt 9,82 s. Schlussfolgerungen: Die Hepatische Transitzeit des Signalverstärkers SonoVue® beim lebergesunden Hund liegt bei 9,82 s und ist damit ca. eine Sekunde kürzer als beim Men-schen. In anschließenden Studien muss bei Hunden mit nachgewiesenen Lebermetastasen die Hepatische Transitzeit ermittelt werden. Entsprechen die Ergebnisse denen aus der Human-medizin, so ist mit einer Verkürzung der Hepatischen Transitzeit zu rechnen. Insbesondere bei bekanten Primärtumor könnte mit dieser Methode eine Metastasierung früher erkannt werden.

Hepatozyten sind von großer Bedeutung in Klinik und Forschung. Da sie derzeit nicht kultiviert werden können wird vielfach versucht sie aus Vorläuferzellen zu generieren. In dieser Arbeit wurde die Entwicklung von zwei Stammzelllinien in einem xenogenen Transplantationsmodell mit immundefizienten Mäusen untersucht. Verwendet wurden Stammzellen aus humanem Nabelschnurblut und vordifferenzierte humane Monozyten, sogenannte Neohepatozyten. Es wurden jeweils 750.000 dieser Zellen in die Leber von NOD/SCID-Mäusen transplantiert und die Lebern im Verlauf explantiert. Die Identifikation der transplantierten Zellen im Gewebeschnitt gelang durch den Membranfarbstoff CM-DiI. Zur genetischen Charakterisierung wurde eine in situ Hybridisierung mit human- bzw. mausspezifischen Gensonden etabliert. So konnten die transplantierten Zellen sicher in den Mauslebern detektiert werden. Im Weiteren wurde immunhistochemisch humanes Albumin in Mauslebern nachgewiesen. Humanes Albumin diente als Differenzierungsmarker und zeigt eine Entwicklung der transplantierten Zellen in Richtung Hepatozyten an. Interessanterweise wurden bei der Analyse beider Zelllinien zwei Typen Humanalbumin-positiver Zellen beobachtet: Typ I Zellen traten meist in Gruppen auf, waren kleiner als Hepatozyten und trugen einen dichten, dezentral gelegenen Kern. Sie lagen im Parenchym oder in kleineren Gefäßen und waren in der Lage, wie Hepatozyten, Glycogen und Eisen zu speichern. Typ II Zellen traten einzeln auf und glichen in ihrer Form exakt den Hepatozyten. Durch die Kombination von Immunhistochemie und in situ Hybridisierung konnten die Humanalbumin-positiven Zellen genetisch charakterisiert werden. Typ I Zellen trugen einen menschlichen Kern. Ihre Entstehung kann durch Teildifferenzierung der Stammzellen erklärt werden. Typ II Zellen wiesen einen Mauskern auf. Ein möglicher Entstehungsmechanismus ist der horizontale Gentransfer nach Zerfall der transplantierten Zellen im Zuge einer Immunreaktion. Der formale Nachweis eines solchen Phänomens steht noch aus.

Background Hedgehog signaling plays an important role in embryonic development, organogenesis and cancer. In the adult liver, Hedgehog signaling in non-parenchymal cells has been found to play a role in certain disease states such as fibrosis and cirrhosis. However, whether the Hedgehog pathway is active in mature healthy hepatocytes and is of significance to liver function are controversial. Findings Two types of mice with distinct conditional hepatic deletion of the Smoothened gene, an essential co-receptor protein of the Hedgehog pathway, were generated for investigating the role of Hedgehog signaling in mature hepatocytes. The knockout animals (KO) were inconspicuous and healthy with no changes in serum transaminases, but showed a slower weight gain. The liver was smaller, but presented a normal architecture and cellular composition. By quantitative RT-PCR the downregulation of the expression of Indian hedgehog (Ihh) and the Gli3 transcription factor could be demonstrated in healthy mature hepatocytes from these mice, whereas Patched1 was upregulated. Strong alterations in gene expression were also observed for the IGF axis. While expression of Igf1 was downregulated, that of Igfbp1 was upregulated in the livers of both genders. Corresponding changes in the serum levels of both proteins could be detected by ELISA. By activating and inhibiting the transcriptional output of Hedgehog signaling in cultured hepatocytes through siRNAs against Ptch1 and Gli3, respectively, in combination with a ChIP assay evidence was collected indicating that Igf1 expression is directly dependent on the activator function of Gli3. In contrast, the mRNA level of Igfbp1 appears to be controlled through the repressor function of Gli3, while that of Igfbp2 and Igfbp3 did not change. Interestingly, body weight of the transgenic mice correlated well with IGF-I levels in both genders and also with IGFBP-1 levels in females, whereas it did not correlate with serum growth hormone levels. Conclusions Our results demonstrate for the first time that Hedgehog signaling is active in healthy mature mouse hepatocytes and that it has considerable importance for IGF-I homeostasis in the circulation. These findings may have various implications for mouse physiology including the regulation of body weight and size, glucose homeostasis and reproductive capacity.

In der Veterinärmedizin wird sich in zunehmenden Maße der Vorteil besserer Ultraschalldiagnostik zunutze gemacht. Die Anschaffung der entsprechenden Technik ist aber oft mit einem hohen finanziellen Aufwand verbunden. Die vorliegende Untersuchung zeigt jedoch, daß mit Hilfe von normaler Sonographietechnik eine Erweiterung der diagnostischen Mittel möglich ist. In der vorliegenden Untersuchung konnte die intraoperative Ultraschalluntersuchung der Leber und der Gallenblase bei allen Rindern durchgeführt werden. Dabei sind fast immer alle Anteile der Leber und der Gallenblase zugänglich. Wichtig ist bei der intraoperativen Sonographie das Aufsetzen der Sonde mit dem minimal nötigen Druck, um das Parenchym und die Gefäße nicht zu komprimieren. Sowohl transkutan als auch intraoperativ konnte anhand der sonographisch erhobenen Parameter eine gute Einteilung in die drei Grade der Leberverfettung vorgenommen werden. Intraoperativ besteht jedoch generell die Möglichkeit, Sonden mit besseren Auflösungsvermögen verwenden zu können. So konnte bei der intraoperativen Beurteilung des Leberparenchyms zur Differenzierung der Grade der Leberverfettung einen leichte Überlegenheit der Bilder der 7,5 MHz Sonde, gegenüber der 3,0 MHz Sonde gefunden werden. Auch NICOLL et al. (1998) können bei ihren transkutan durchgeführten Untersuchungen zur qualitativen Sonographie der Fettleber der Katze eine, wenn auch nur subjektiv, bessere Differenzierungsmöglichkeit mit dem 7,5 gegenüber der 5,0 MHz Sonde feststellen. Eine Ursache für das Ausbleiben einer überragenden Verbesserung der intraoperativen gegenüber der transkutanen Fettleberdiagnostik wird darin gesehen, daß trotz der eindeutig besseren Bildqualität das Problem der subjektiven Beschreibung der Sonogramme dasselbe wie transkutan ist. Auch wird festgestellt, daß in der vorliegenden Arbeit die Prävalenz der Leberverfettung dritten Grades gegenüber den beiden geringeren Verfettungsgraden hoch ist. Dadurch wurde die Auswertung erschwert. Die Untersuchung der labordiagnostischen Parameter (AST, Bilirubin, Cholesterol, GLDH) erbrachte in der vorliegendem Untersuchung vergleichbare, gute Ergebnisse in der Differenzierung der Leberverfettung. Bei dem hier Dargelegten ist aber zu berücksichtigen, daß mit Hilfe der Ultraschalluntersuchung und teilweise auch der Laboruntersuchung lediglich diffuse Leberschäden ohne ätiologische Diagnose erkannt werden können, denn in der vorliegenden Arbeit konnte nur deshalb sicher von einer Leberverfettung ausgegangen werden, weil diese durch die histologische Untersuchung der Bioptate bestimmt worden war. Anhand der vorliegenden Untersuchungsergebnisse können die Laboruntersuchung und auch die transkutane Sonographie als vergleichbar gute Diagnostika für die Erkennung einer Leberverfettung angesehen werden. Jedoch sollte im Falle einer ohnehin nötigen Laparotomie eine intraoperative Leberuntersuchung, das heißt eine Palpation durchgeführt werden. Bei unklaren palpatorischen Befunden kann die IOUS genutzt werden. Der besondere Wert der intraoperativen Sonographie liegt in der Möglichkeit, auf einfachem Wege bei fehlendem oder nur suspekten Inspektions- und Palpationsbefund einen pathologischen Prozeß nachzuweisen oder auszuschließen (RÜCKERT u. KLOTTER 1986).

In dieser Arbeit soll daher die anatomische, histologische und physiologische Funktion der Leber und des ihr zugehörigen Gallengangsystems näher dargestellt, die für die Biotransformation der Phase I wichtigsten Enzyme und ihre chemischen Reaktionsprozesse angesprochen und die jeweiligen Reaktionen im Einzelnen erklärt werden, um als Vorlage für grafische Darstellungen und Animationen in einem derzeit zu erstellenden „Toxnetz-Explorer“ zu dienen. Das Lernprogramm „Toxnetz-Explorer“ soll in Zukunft zur interaktiven Weiterbildung im Rahmen des Postgradual-Studienganges (PGS) „Toxikologie und Umweltschutz“ dienen. Für die toxikologische Ausbildung wichtige Aspekte der Körperfunktionen und organspezifische toxikologische Vorgänge sollen in diesem Programm anhand von Grafiken und Animationen dargestellt werden, welche durch zugehörige Lehrtexte vervollständigt werden.