Honig hat seit jeher eine große Bedeutung für den Menschen. In den letzten Jahren erlangte neuseeländischer Manuka-Honig eine zunehmende Bekanntheit und Bedeutung, was auf die antibakteriellen Eigenschaften zurückzuführen ist. Insbesondere ein medizinischer Einsatz bei der Behandlung von Wunden erscheint vielversprechend. Die Ursache für die hohen antibakteriellen Eigenschaften von Manuka-Honig kann auf eine Besonderheit in der Zusammensetzung zurückgeführt werden. So wurden von Mavric et al. (2008) bis zu 100-fach höhere Gehalte an Methylglyoxal (MGO) gegenüber anderen Honigsorten ermittelt, welche für die inhibierende Wirkung auf eine Vielzahl an Bakterien verantwortlich sind. Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war die weitere Aufklärung und Charakterisierung des Ursprungs und der Bildung des in Manuka-Honig enthaltenen MGO. Es stellte sich die Frage, warum MGO einen natürlichen Honigbestandteil darstellt, inwieweit die Bildung auf einer enzymatischen oder mikrobiellen Grundlage basiert und ob sie durch weitere Honigparameter, wie z.B. freie Aminosäuren oder phenolische Verbindungen, beeinflusst wird. Bei der Lagerung frischer Manuka-Honige kommt es zu einem markanten Anstieg der MGO-Konzentration bis zum Erreichen eines Plateaus, an dem der Honig in Bezug auf den MGO-Gehalt als „ausgereift“ betrachtet werden kann. Eine weitere MGO-Nachbildung ist nicht zu induzieren, vielmehr kommt es zu beginnenden Abbaureaktionen. Direkter Precursor ist die Verbindung Dihydroxyaceton (DHA), die bei der Honigreifung zu MGO umgesetzt wird, was den erstmaligen Nachweis von DHA durch Adams et al. (2009) bestätigt. Zur Bestimmung von DHA in Honig konnte eine RP-HPLC-Methode basierend auf einer Vorsäulen-Derivatisierung mit OPD und UV-Detektion erfolgreich etabliert werden. Das dabei entstehende DHA-OPD-Derivat wurde eindeutig als 2-Hydroxymethylchinoxalin identifiziert, ein möglicher Reaktionsmechanismus wurde aufgezeigt. DHA und MGO wurden in frischen und kommerziellen Manuka-Honigen in vergleichsweise hohen Mengen bis zu 2700 mg/kg DHA bzw. 700 mg/kg MGO quantifiziert. Es ergibt sich für „ausgereifte“ Honige eine gute lineare Korrelation, die mit einem mittleren DHA-MGO-Verhältnis von 2:1 beschrieben werden kann. In frischen Proben liegen die Relationen signifikant höher, wodurch eine Einteilung der Honige nach „Reifegrad“ möglich ist. Honige anderer botanischer Herkunft weisen kein DHA und nur geringe Mengen MGO auf. Die Umsetzung von DHA zu MGO in der Honigmatrix wurde durch Dotierung von DHA-freien Honigsorten und anschließender Lagerung untersucht. Hierbei war eine Varianz in der MGO-Bildung feststellbar. Durch Einbeziehen weiterer Parameter wie z.B. pH-Wert, Wasser- oder Proteingehalt wurde deutlich, dass die DHA-Konzentration im Honig zwar den wesentlichen Faktor für den resultierenden MGO-Gehalt darstellt, die Umsetzung jedoch durch Unterschiede in der Honigmatrix beeinflusst wird. Eine Korrelation zu einzelnen Parametern kann nicht herausgestellt werden. Ergänzend zu den spezifischen Komponenten MGO und DHA wurde eine Bestimmung von weiteren Inhaltsstoffen von Manuka-Honig vorgenommen, um eine umfassende chemische Charakterisierung dieser Sorte zu ermöglichen und etwaige Auffälligkeiten in der Zusammensetzung von Manuka-Honig aufzuzeigen. Darüber hinaus wurden die Konzentration an 5 Hydroxymethylfurfural (HMF) und die Diastasezahl (DZ) als rechtlich geregelte Qualitätsparameter einbezogen. Die Anwendbarkeit dieser Faktoren für Manuka-Honig sowie die Folgen einer thermischen Behandlung wurden hierbei geprüft und diskutiert. Die zur Verfügung stehenden Manuka-Honige wurden hinsichtlich der Gehalte an Wasser, Fructose, Glucose, Proteinen, freier Aminosäuren, phenolischer Verbindungen sowie der Parameter pH-Wert und Honigfarbe analysiert. Dabei kann diese Sorte im Allgemeinen als hell- bis dunkelbrauner Honig beschrieben werden, der sich durch vergleichsweise hohe Mengen an Proteinen und freien Aminosäuren sowie einen hohen Gesamtphenolgehalt auszeichnet. Zudem konnte ein signifikant höherer Wassergehalt im Vergleich zu mitgeführten Honigen anderer botanischer Herkunft ermittelt werden. Frische Manuka-Honige zeichnen sich analog zu anderen frischgewonnenen Honigen durch einen sehr geringen Gehalt an HMF aus, der während der Lagerung stark ansteigen kann. In handelsüblichen Manuka-Honigen ergeben sich daher große Unterschiede in den bestimm-baren Konzentrationen. Anhand von Dotierungs- und Lagerexperimenten mit Kunsthonigmatrix und ausgewählten Honigen konnte ein Einfluss der freien Aminosäuren und des DHA auf die Bildung von HMF aufgezeigt werden. In der Folge kann von einer honigspezifischen Beeinflussung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung ausgegangen werden. Im Vergleich zu anderen Honigsorten zeichnet sich Manuka-Honig durch eine eher niedrige bis mittlere DZ aus. Da frische, nachweislich unbehandelte Proben ebenfalls geringe Werte aufweisen können, ist dies nicht auf eine unsachgemäße Behandlung oder Erhitzung zurückzuführen. Neben der natürlichen Variation kann ein zusätzlicher Einfluss von DHA diskutiert werden. Dotierungsversuche lassen ein stärkeres Absinken der DZ bei der Lagerung unter Anwesenheit von DHA erkennen, dessen Ursache vermutlich in einer Hemmung des Enzyms durch eine Modifizierung relevanter Seitenketten begründet liegt. Untersuchungen an dem Honigenzym Invertase bestätigten diese These. Eine Behandlung von Honig mit hohen Temperaturen (70 °C) führte nachweislich zu keiner MGO-Bildung, wohingegen sowohl sensorische Beeinträchtigungen, als auch ein drastischer Anstieg an HMF zu verzeichnen waren. Spekulationen über das Erreichen einer „optimierten“ Bioaktivität durch eine aus rechtlicher Sicht unzulässige Erhitzung sind folglich nicht haltbar. Honig wird neben der antibakteriellen Wirkung mit weiteren biofunktionellen Eigenschaften in Verbindung gebracht. Darunter fallen z.B. ein antioxidatives und entzündungshemmendes Potential. Für Manuka-Honig kann eine potentielle Biofunktionalität auch auf die außergewöhnliche Präsenz von MGO zurückgeführt werden, das in der Literatur jedoch mit einer zytotoxischen Wirkung in Verbindung gebracht wird. Es erfolgte daher eine Bewertung der antimikrobiellen, antioxidativen sowie potentiell zytotoxischen Eigenschaften von Manuka-Honig unter Anwendung hierfür etablierter in vitro Testverfahren. Mittels Mikrodilutionstest wurden gegen vier klinisch relevante Bakterien (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes und Pseudomonas aeruginosa) für MGO minimale Hemmkonzentrationen (MHK) zwischen 0,44 und 3,55 mM bestimmt, wobei die Inhibierung im Vergleich zu typischen Antibiotika geringer ist. Eine Antibiotika-Resistenz der Bakterien hatte keinen Einfluss auf die inhibierende Wirkung von MGO. In Anwesenheit von Zucker- bzw. Honigmatrix resultierten vergleichbare MHK-Werte für MGO. Geringe Unterschiede sind auf eine bessere Stabilität des MGO in Honigmatrix zurückzuführen, während etwaige synergistische Effekte durch weitere Komponenten nicht zu vermuten sind. Untersuchungen an ausgewählten Manuka-Honigen bestätigten MGO als maßgeblichen für die inhibierende Wirkung verantwortlichen Faktor. Des Weiteren wurde eine Korrelation zwischen MGO-Gehalt im Honig und antibakterieller Aktivität aufgezeigt. Zur Bestimmung der Zytotoxizität von Honig und 1,2-Dicarbonylverbindungen konnte der Koloniebildungstest als geeignetes Verfahren unter Nutzung einer einstündigen Inkubation der Zellen mit Proben in Phosphatpuffer etabliert werden. Für die verwendeten HT-29-Zellen wurde eine 50%ige Inhibierung für einen MGO-Gehalt von 0,7 mM ermittelt. Trotz hoher MGO-Gehalte zeigen Manuka-Honige im Mittel keine signifikant stärkere zytotoxische Wirkung als andere mitgeführten Nektar- und Honigtau-Proben. Die Werte lassen eine hohe Varianz innerhalb der Manuka-Honige erkennen, die nicht ausschließlich mit deren MGO-Konzentration in Verbindung gebracht werden kann. Die Beurteilung der antioxidativen Kapazität von Manuka-Honigen erfolgte mittels TEAC-II-Test, bezogen auf Trolox als Referenz. Im Vergleich zu anderen Sorten konnten signifikant höhere Werte ermittelt werden. Dabei ist ein direkter Zusammenhang zum Gesamtphenolgehalt festzustellen. Für Manuka-Honig lässt sich ein zusätzlicher Beitrag von MGO oder daraus entstehenden Folgeprodukten diskutieren. Prinzipiell ist die antioxidative Kapazität von Honig jedoch als sehr gering einzustufen.

New Zealand is the world’s third-largest honey exporter by value behind China and Argentina and honey accounts for up to 80 % of New Zealand’s exports. However, it is only the 16th biggest global supplier by volume. Manuka honey from New Zealand is sold for premium prices and merchandised for its health benefits. Because of its exceptional antibacterial effect, there is a strong market demand and the price for a kilogram of manuka honey has tripled in recent years (Ministry for Primary Industries 2015). When consumers are willing to pay prices up to 200 €/kg manuka honey, the risk of misleading advertisement and intended fraud increases. This thesis aims to further characterize manuka honey and contribute to the development of a manuka honey definition. The first part deals with the antibacterial activity of manuka honey. The effect of manuka honey is mainly due to methylglyoxal, whereas the effect of non-manuka honeys is primarily caused by hydrogen peroxide. The objective is to develop a method to quantify the effect solely due to one of the respective chemical compounds and compare their effectiveness. Finally, an evaluation of the contribution of methylglyoxal and hydrogen peroxide to the inhibitory effect of honey should be given. The second part deals with chemical reactions of carbonyl compounds in honey. Because of the reactive nature of carbonyl compounds, the formation of specific glycation compounds in honey is assumed. Since the carbonyl profile of manuka honey differs remarkably from non-manuka honeys, the reaction products are expected to vary widely. Specific compounds, solely present in manuka honey, could serve as quality control parameters to ensure manuka honey authenticity. The final part deals with the metabolism of food-derived carbonyl compounds. Carbonyl compounds, like methylglyoxal or 3-deoxyglucosone are discussed to be potentially toxic to human tissues. Until now, only little is known about the impact of the diet on the physiological carbonyl-load and the metabolism of carbonyl compounds. With the help of nutrition studies and the analysis of body fluids, the question of metabolic transit of carbonyl compounds shall be addressed. The antibacterial studies showed that bacterial species are affected differently by bioactive compounds present in honey. Methylglyoxal (MGO), which is solely present in manuka honeys and hydrogen peroxide, which is formed in most conventional honeys by glucose oxidase, are strong inhibitors of the growth of S. aureus and E. coli. The strain of P. aeruginosa used for this work was not inhibited by MGO, whereas B. subtilis was not inhibited by hydrogen peroxide. To compare and quantify the effect of MGO and hydrogen peroxide, a mathematic model was created. By comparing the slopes of the linearized dose-response curves, it was found that S. aureus, E. coli and P. aeruginosa were more sensitive to hydrogen peroxide than to MGO. However, the natural amounts of MGO in honey are higher than the formation of hydrogen peroxide. Although most bacteria are more sensitive to hydrogen peroxide, MGO is the predominantly antibacterial compound in honey, because of its higher concentrations compared to hydrogen peroxide formation. The inclusion of manuka honey in α-cyclodextrin had only minor consequences on bioavailability and antibacterial activity. The commercial product “Cyclopower” (α-cyclodextrin with manuka honey) does not enhance the antibacterial activity of manuka honey on S. aureus, E. coli and P. aeruginosa. With the help of the newly developed quantitative model, it was shown that the growth of B. subtilis is synergistically inhibited with cyclopower compared to manuka honey and α-cyclodextrin alone. The study of bacterial enzymes as possible targets for bacterial inhibition with manuka honey revealed that MGO and DHA inhibited jack bean urease, which was used as a model for Helicobacter pylori urease. The concentration of MGO and DHA in manuka honey positively correlated with its urease inhibition. Conventional honeys, which lack MGO and DHA, showed significantly less urease inhibition. Based on the unique presence of MGO, manuka honey has extraordinary effects on bacteria, which might lead to further application to fight the emerging crisis of antibacterial resistance to antibiotics. Until now, there is no consistent definition for the term “genuine manuka honey”. In the present work, an approach based on unique chemical reactions in manuka honey was followed. It was shown that the exceptional high amounts of MGO induced the formation of 2-acetyl-1-pyrroline (2-AP). In manuka honey containing ≥ 250 mg/kg MGO, the 2-AP concentration was significantly increased compared to conventional honey. Moreover, honey proteins form MGO-derived reactions products, which were studied by measuring the molecular size of honey proteins. Manuka honey proteins significantly shifted to high molecular weights (HMW) with a size above 510 kDa. The amount of HMW protein in non-manuka honey was significantly lower. The cleavage of disulphide bonds led to a decrease of HMW fraction of conventional honeys but not of manuka honeys. It is hypothesized that MGO cross-linking of proteins is mainly responsible for the formation of HMW adducts in manuka honey. The formation of HMW adducts was also shown with fluorescence analysis, whereby manuka honey proteins had higher fluorescence intensities at λex=350 nm and λem=450 nm compared to non-manuka honeys. The artificial addition of MGO and its precursor dihydroxyacetone (DHA) to a non-manuka honey did not lead to an increased fluorescence up to the level of commercial manuka honeys. The MGO-derived modifications of proteins were further studied by quantifying the protein-bound Maillard reaction products N-ε-carboxyethyllysine (CEL) and methylglyoxal-derived hydroimidazolone 1 (MG-H1) after enzymatic hydrolysis of honey proteins and LC-MS/MS analysis. Their amount was significantly higher in manuka compared to conventional honeys and correlated with the MGO content of the honey. Most of the MGO-derived reactions could be simulated by spiking a conventional honey or a low MGO manuka honey with artificial MGO and subsequent storage at elevated temperatures. Higher storage temperatures were associated with a quick increase of 5-hydroxymethylfurfuraldehyd (HMF). The HMF level in honey is used as a quality parameter and should not exceed 40 mg/kg (Codex Alimentarius Commission, 2001). High concentrations of HMF may point to a fraudulent addition of MGO and the production of artificial high-price manuka honey products. Taken together, the Maillard reaction in honey could be used to control the natural origin of MGO and DHA. The consumption of honey and especially manuka honey exposes humans to high levels of dietary dicarbonyl compounds like MGO and 3-deoxyglucosone (3-DG). Both compounds were discussed as potential risk factors for the development of age-related diseases. The simulated digestion of manuka honey in the presence of gastric and ileal fluids showed that only 9 % of the initial concentration can be recovered after 8 h. The honey matrix had no stabilising effect on MGO compared to a synthetic MGO solution. In contrast to MGO, the manuka honey compound DHA was stable during all simulated digestion steps. The complexation of MGO with α-cyclodextrin did not enhance the stability of MGO. The metabolic transit of dietary MGO and 3-DG was further studied with an intervention study with healthy volunteers, who collected their daily urine. It was shown that urinary concentrations of 3-DG and its less reactive metabolites 3-deoxyfructose (3-DF) and 2-keto-3-deoxygluconic acid (3-DGA), but not MGO, were influenced by the diet. During the intervention studies, up to 40 % of dietary 3-DG was recovered as the sum of 3-DG, 3-DF and 3-DGA. The metabolite 3-DGA only played a minor role in the metabolism of dietary 3-DG in comparison to 3-DF. The concentrations 3-DF and 3-DGA in plasma only increased after the consumption of dietary 3-DG and not after the uptake of carbohydrate rich meals in general. This led to the conclusion that dietary 3-DG is effectively metabolized to 3-DF extracellularly on the apical site of the intestinal epithelium and is resorbed slowly into the circulation. In contrast, 3-DG, which is formed (intracellularly) postprandial from glucose, bypasses this metabolic system and cannot be metabolized as rapidly to 3-DF. Preliminary results obtained with saliva instead of urine as a bio fluid to study the dietary influence of dicarbonyl compounds, confirmed the hypothesis. Based on the present results, dietary dicarbonyl compounds are effectively metabolized during digestion.

Reaktion von Arginin mit Abbauprodukten 1,4-verknüpfter Disaccharide Im Verlauf der Reaktion von Arginin mit Abbauprodukten 1,4-glycosidisch verknüpfter Disaccharide entsteht ein Hauptderivatisierungsprodukt des Arginins, welches aus Inkubationsansätzen von Lactose mit N-(tert-Butoxycarbonyl)-L-arginin (Boc-Arg) bzw. N-a-Hippuryl-L-arginin (Hip-Arg) isoliert und als N-d-[5-(3-Hydroxypropyl)-4-oxo-imidazolon-2-yl]-L-ornithin (PIO) identifiziert werden konnte. PIO stellt ein spezifisches Reaktionsprodukt von Arginin mit Abbauprodukten 1,4-glycosidisch verknüpfter Disaccharide dar. Zum Nachweis des Precursors von PIO wurden die Bildung und der Abbau von 1,2-Dicarbonylverbindungen in Inkubationsansätzen von Lactose mit und ohne Hip-Arg nach der Hitzebehandlung mit o-Phenylendiamin untersucht. Es zeigte sich, dass ein als 1,2-Dicarbonylverbindung identifiziertes Abbauprodukt von Lactose nur in Abwesenheit von der Aminokomponente (Hip-Arg) als Hauptabbauprodukt bestimmbar war. Nach Isolierung dieser 1,2-Dicarbonylverbindung in Form ihres stabilen Chinoxalin-Derivates und der Strukturaufklärung ist es gelungen, dieses Hauptabbauprodukt der Lactose als (3'-Hydroxypropyl)-chinoxalin also das Chinoxalin der 3,4-Didesoxypentosulose (3,4-DDPs) zu identifizieren. Bestimmung von 1,2-Dicarbonylverbindungen in Lebensmitteln Glyoxal (GO), Methylglyoxal (MGO), 3-Desoxyglucosulose (3-DG) und 3-Desoxypentosulose (3-DPs) konnten nach Umsetzung mit o-Phenylendiamin erstmals in Milch- und Milchprodukten quantifiziert werden. Für Glyoxal wurden Gehalte von 0,06 bis 3,5 mg/ l und für Methylglyoxal von 0,2 bis 4,7 mg/ l bestimmt. 3-Desoxyglucosulose wurde mit Gehalten von 0,7 bis 3,5 mg/ l und 3-Desoxypentosulose von 0,1 bis 4,7 mg/ l bestimmt. Des Weiteren erfolgte die Bestimmung von Glyoxal, Methylglyoxal und 3-Desoxyglucosulose in käuflich erworbenen deutschen Honigen, in Honigen des Imkerverbandes Dresden und in neuseeländischen Honigen. Im Vergleich zu den Milchprodukten wurden deutlich höhere Gesamtgehalte an 1,2-Dicarbonylverbindungen (124 bis 1550 mg/ kg) bestimmt. Für 3-Desoxyglucosulose wurden 119 bis 1451 mg/ kg, für Glyoxal 0,2 bis 4,6 mg/ kg und für Methylglyoxal 0,5 bis 743 mg/ kg ermittelt. Ein Zusammenhang zwischen hohen Gehalten an 1,2-Dicarbonylverbindungen und der antibakteriellen Aktivität der Honige wurde untersucht. Hier stellten die neuseeländischen Manuka-Honige (Manuka: Leptospermum scoparium, Teebaum) den Schwerpunkt der Untersuchung dar. Für die untersuchten Manuka-Honige konnten ungewöhnlich hohe Gehalte an Methylglyoxal bestimmt werden (von 347 bis 743 mg/ kg). Von 12 verschiedenen Honigen deutscher und neuseeländischer Herkunft konnten nur Manuka-Honige als antibakteriell wirksam eingestuft werden. Bezogen auf den Gehalt an Methylglyoxal liegen die MIC-Werte für Staphylococcus aureus bei 1,5 mmol/ l für Manuka-Honig (35 % v/v), 1,4 mmol/ l für Manuka-Honig "active" (30 % v/v), 1,1 mmol/ l für Manuka-Honig UMF 10+ (25 % v/v) bzw. 1,8 mmol/ l für Manuka-Honig UMF 20+ (20 % v/v). Es zeigte sich, dass die antibakterielle Aktivität des Honigs unmittelbar auf den Methylglyoxal-Gehalt zurückführbar war.

Reaktion von Arginin mit Abbauprodukten 1,4-verknüpfter Disaccharide Im Verlauf der Reaktion von Arginin mit Abbauprodukten 1,4-glycosidisch verknüpfter Disaccharide entsteht ein Hauptderivatisierungsprodukt des Arginins, welches aus Inkubationsansätzen von Lactose mit N-(tert-Butoxycarbonyl)-L-arginin (Boc-Arg) bzw. N-a-Hippuryl-L-arginin (Hip-Arg) isoliert und als N-d-[5-(3-Hydroxypropyl)-4-oxo-imidazolon-2-yl]-L-ornithin (PIO) identifiziert werden konnte. PIO stellt ein spezifisches Reaktionsprodukt von Arginin mit Abbauprodukten 1,4-glycosidisch verknüpfter Disaccharide dar. Zum Nachweis des Precursors von PIO wurden die Bildung und der Abbau von 1,2-Dicarbonylverbindungen in Inkubationsansätzen von Lactose mit und ohne Hip-Arg nach der Hitzebehandlung mit o-Phenylendiamin untersucht. Es zeigte sich, dass ein als 1,2-Dicarbonylverbindung identifiziertes Abbauprodukt von Lactose nur in Abwesenheit von der Aminokomponente (Hip-Arg) als Hauptabbauprodukt bestimmbar war. Nach Isolierung dieser 1,2-Dicarbonylverbindung in Form ihres stabilen Chinoxalin-Derivates und der Strukturaufklärung ist es gelungen, dieses Hauptabbauprodukt der Lactose als (3'-Hydroxypropyl)-chinoxalin also das Chinoxalin der 3,4-Didesoxypentosulose (3,4-DDPs) zu identifizieren. Bestimmung von 1,2-Dicarbonylverbindungen in Lebensmitteln Glyoxal (GO), Methylglyoxal (MGO), 3-Desoxyglucosulose (3-DG) und 3-Desoxypentosulose (3-DPs) konnten nach Umsetzung mit o-Phenylendiamin erstmals in Milch- und Milchprodukten quantifiziert werden. Für Glyoxal wurden Gehalte von 0,06 bis 3,5 mg/ l und für Methylglyoxal von 0,2 bis 4,7 mg/ l bestimmt. 3-Desoxyglucosulose wurde mit Gehalten von 0,7 bis 3,5 mg/ l und 3-Desoxypentosulose von 0,1 bis 4,7 mg/ l bestimmt. Des Weiteren erfolgte die Bestimmung von Glyoxal, Methylglyoxal und 3-Desoxyglucosulose in käuflich erworbenen deutschen Honigen, in Honigen des Imkerverbandes Dresden und in neuseeländischen Honigen. Im Vergleich zu den Milchprodukten wurden deutlich höhere Gesamtgehalte an 1,2-Dicarbonylverbindungen (124 bis 1550 mg/ kg) bestimmt. Für 3-Desoxyglucosulose wurden 119 bis 1451 mg/ kg, für Glyoxal 0,2 bis 4,6 mg/ kg und für Methylglyoxal 0,5 bis 743 mg/ kg ermittelt. Ein Zusammenhang zwischen hohen Gehalten an 1,2-Dicarbonylverbindungen und der antibakteriellen Aktivität der Honige wurde untersucht. Hier stellten die neuseeländischen Manuka-Honige (Manuka: Leptospermum scoparium, Teebaum) den Schwerpunkt der Untersuchung dar. Für die untersuchten Manuka-Honige konnten ungewöhnlich hohe Gehalte an Methylglyoxal bestimmt werden (von 347 bis 743 mg/ kg). Von 12 verschiedenen Honigen deutscher und neuseeländischer Herkunft konnten nur Manuka-Honige als antibakteriell wirksam eingestuft werden. Bezogen auf den Gehalt an Methylglyoxal liegen die MIC-Werte für Staphylococcus aureus bei 1,5 mmol/ l für Manuka-Honig (35 % v/v), 1,4 mmol/ l für Manuka-Honig "active" (30 % v/v), 1,1 mmol/ l für Manuka-Honig UMF 10+ (25 % v/v) bzw. 1,8 mmol/ l für Manuka-Honig UMF 20+ (20 % v/v). Es zeigte sich, dass die antibakterielle Aktivität des Honigs unmittelbar auf den Methylglyoxal-Gehalt zurückführbar war.

Honig hat seit jeher eine große Bedeutung für den Menschen. In den letzten Jahren erlangte neuseeländischer Manuka-Honig eine zunehmende Bekanntheit und Bedeutung, was auf die antibakteriellen Eigenschaften zurückzuführen ist. Insbesondere ein medizinischer Einsatz bei der Behandlung von Wunden erscheint vielversprechend. Die Ursache für die hohen antibakteriellen Eigenschaften von Manuka-Honig kann auf eine Besonderheit in der Zusammensetzung zurückgeführt werden. So wurden von Mavric et al. (2008) bis zu 100-fach höhere Gehalte an Methylglyoxal (MGO) gegenüber anderen Honigsorten ermittelt, welche für die inhibierende Wirkung auf eine Vielzahl an Bakterien verantwortlich sind. Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war die weitere Aufklärung und Charakterisierung des Ursprungs und der Bildung des in Manuka-Honig enthaltenen MGO. Es stellte sich die Frage, warum MGO einen natürlichen Honigbestandteil darstellt, inwieweit die Bildung auf einer enzymatischen oder mikrobiellen Grundlage basiert und ob sie durch weitere Honigparameter, wie z.B. freie Aminosäuren oder phenolische Verbindungen, beeinflusst wird. Bei der Lagerung frischer Manuka-Honige kommt es zu einem markanten Anstieg der MGO-Konzentration bis zum Erreichen eines Plateaus, an dem der Honig in Bezug auf den MGO-Gehalt als „ausgereift“ betrachtet werden kann. Eine weitere MGO-Nachbildung ist nicht zu induzieren, vielmehr kommt es zu beginnenden Abbaureaktionen. Direkter Precursor ist die Verbindung Dihydroxyaceton (DHA), die bei der Honigreifung zu MGO umgesetzt wird, was den erstmaligen Nachweis von DHA durch Adams et al. (2009) bestätigt. Zur Bestimmung von DHA in Honig konnte eine RP-HPLC-Methode basierend auf einer Vorsäulen-Derivatisierung mit OPD und UV-Detektion erfolgreich etabliert werden. Das dabei entstehende DHA-OPD-Derivat wurde eindeutig als 2-Hydroxymethylchinoxalin identifiziert, ein möglicher Reaktionsmechanismus wurde aufgezeigt. DHA und MGO wurden in frischen und kommerziellen Manuka-Honigen in vergleichsweise hohen Mengen bis zu 2700 mg/kg DHA bzw. 700 mg/kg MGO quantifiziert. Es ergibt sich für „ausgereifte“ Honige eine gute lineare Korrelation, die mit einem mittleren DHA-MGO-Verhältnis von 2:1 beschrieben werden kann. In frischen Proben liegen die Relationen signifikant höher, wodurch eine Einteilung der Honige nach „Reifegrad“ möglich ist. Honige anderer botanischer Herkunft weisen kein DHA und nur geringe Mengen MGO auf. Die Umsetzung von DHA zu MGO in der Honigmatrix wurde durch Dotierung von DHA-freien Honigsorten und anschließender Lagerung untersucht. Hierbei war eine Varianz in der MGO-Bildung feststellbar. Durch Einbeziehen weiterer Parameter wie z.B. pH-Wert, Wasser- oder Proteingehalt wurde deutlich, dass die DHA-Konzentration im Honig zwar den wesentlichen Faktor für den resultierenden MGO-Gehalt darstellt, die Umsetzung jedoch durch Unterschiede in der Honigmatrix beeinflusst wird. Eine Korrelation zu einzelnen Parametern kann nicht herausgestellt werden. Ergänzend zu den spezifischen Komponenten MGO und DHA wurde eine Bestimmung von weiteren Inhaltsstoffen von Manuka-Honig vorgenommen, um eine umfassende chemische Charakterisierung dieser Sorte zu ermöglichen und etwaige Auffälligkeiten in der Zusammensetzung von Manuka-Honig aufzuzeigen. Darüber hinaus wurden die Konzentration an 5 Hydroxymethylfurfural (HMF) und die Diastasezahl (DZ) als rechtlich geregelte Qualitätsparameter einbezogen. Die Anwendbarkeit dieser Faktoren für Manuka-Honig sowie die Folgen einer thermischen Behandlung wurden hierbei geprüft und diskutiert. Die zur Verfügung stehenden Manuka-Honige wurden hinsichtlich der Gehalte an Wasser, Fructose, Glucose, Proteinen, freier Aminosäuren, phenolischer Verbindungen sowie der Parameter pH-Wert und Honigfarbe analysiert. Dabei kann diese Sorte im Allgemeinen als hell- bis dunkelbrauner Honig beschrieben werden, der sich durch vergleichsweise hohe Mengen an Proteinen und freien Aminosäuren sowie einen hohen Gesamtphenolgehalt auszeichnet. Zudem konnte ein signifikant höherer Wassergehalt im Vergleich zu mitgeführten Honigen anderer botanischer Herkunft ermittelt werden. Frische Manuka-Honige zeichnen sich analog zu anderen frischgewonnenen Honigen durch einen sehr geringen Gehalt an HMF aus, der während der Lagerung stark ansteigen kann. In handelsüblichen Manuka-Honigen ergeben sich daher große Unterschiede in den bestimm-baren Konzentrationen. Anhand von Dotierungs- und Lagerexperimenten mit Kunsthonigmatrix und ausgewählten Honigen konnte ein Einfluss der freien Aminosäuren und des DHA auf die Bildung von HMF aufgezeigt werden. In der Folge kann von einer honigspezifischen Beeinflussung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung ausgegangen werden. Im Vergleich zu anderen Honigsorten zeichnet sich Manuka-Honig durch eine eher niedrige bis mittlere DZ aus. Da frische, nachweislich unbehandelte Proben ebenfalls geringe Werte aufweisen können, ist dies nicht auf eine unsachgemäße Behandlung oder Erhitzung zurückzuführen. Neben der natürlichen Variation kann ein zusätzlicher Einfluss von DHA diskutiert werden. Dotierungsversuche lassen ein stärkeres Absinken der DZ bei der Lagerung unter Anwesenheit von DHA erkennen, dessen Ursache vermutlich in einer Hemmung des Enzyms durch eine Modifizierung relevanter Seitenketten begründet liegt. Untersuchungen an dem Honigenzym Invertase bestätigten diese These. Eine Behandlung von Honig mit hohen Temperaturen (70 °C) führte nachweislich zu keiner MGO-Bildung, wohingegen sowohl sensorische Beeinträchtigungen, als auch ein drastischer Anstieg an HMF zu verzeichnen waren. Spekulationen über das Erreichen einer „optimierten“ Bioaktivität durch eine aus rechtlicher Sicht unzulässige Erhitzung sind folglich nicht haltbar. Honig wird neben der antibakteriellen Wirkung mit weiteren biofunktionellen Eigenschaften in Verbindung gebracht. Darunter fallen z.B. ein antioxidatives und entzündungshemmendes Potential. Für Manuka-Honig kann eine potentielle Biofunktionalität auch auf die außergewöhnliche Präsenz von MGO zurückgeführt werden, das in der Literatur jedoch mit einer zytotoxischen Wirkung in Verbindung gebracht wird. Es erfolgte daher eine Bewertung der antimikrobiellen, antioxidativen sowie potentiell zytotoxischen Eigenschaften von Manuka-Honig unter Anwendung hierfür etablierter in vitro Testverfahren. Mittels Mikrodilutionstest wurden gegen vier klinisch relevante Bakterien (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes und Pseudomonas aeruginosa) für MGO minimale Hemmkonzentrationen (MHK) zwischen 0,44 und 3,55 mM bestimmt, wobei die Inhibierung im Vergleich zu typischen Antibiotika geringer ist. Eine Antibiotika-Resistenz der Bakterien hatte keinen Einfluss auf die inhibierende Wirkung von MGO. In Anwesenheit von Zucker- bzw. Honigmatrix resultierten vergleichbare MHK-Werte für MGO. Geringe Unterschiede sind auf eine bessere Stabilität des MGO in Honigmatrix zurückzuführen, während etwaige synergistische Effekte durch weitere Komponenten nicht zu vermuten sind. Untersuchungen an ausgewählten Manuka-Honigen bestätigten MGO als maßgeblichen für die inhibierende Wirkung verantwortlichen Faktor. Des Weiteren wurde eine Korrelation zwischen MGO-Gehalt im Honig und antibakterieller Aktivität aufgezeigt. Zur Bestimmung der Zytotoxizität von Honig und 1,2-Dicarbonylverbindungen konnte der Koloniebildungstest als geeignetes Verfahren unter Nutzung einer einstündigen Inkubation der Zellen mit Proben in Phosphatpuffer etabliert werden. Für die verwendeten HT-29-Zellen wurde eine 50%ige Inhibierung für einen MGO-Gehalt von 0,7 mM ermittelt. Trotz hoher MGO-Gehalte zeigen Manuka-Honige im Mittel keine signifikant stärkere zytotoxische Wirkung als andere mitgeführten Nektar- und Honigtau-Proben. Die Werte lassen eine hohe Varianz innerhalb der Manuka-Honige erkennen, die nicht ausschließlich mit deren MGO-Konzentration in Verbindung gebracht werden kann. Die Beurteilung der antioxidativen Kapazität von Manuka-Honigen erfolgte mittels TEAC-II-Test, bezogen auf Trolox als Referenz. Im Vergleich zu anderen Sorten konnten signifikant höhere Werte ermittelt werden. Dabei ist ein direkter Zusammenhang zum Gesamtphenolgehalt festzustellen. Für Manuka-Honig lässt sich ein zusätzlicher Beitrag von MGO oder daraus entstehenden Folgeprodukten diskutieren. Prinzipiell ist die antioxidative Kapazität von Honig jedoch als sehr gering einzustufen.

New Zealand is the world’s third-largest honey exporter by value behind China and Argentina and honey accounts for up to 80 % of New Zealand’s exports. However, it is only the 16th biggest global supplier by volume. Manuka honey from New Zealand is sold for premium prices and merchandised for its health benefits. Because of its exceptional antibacterial effect, there is a strong market demand and the price for a kilogram of manuka honey has tripled in recent years (Ministry for Primary Industries 2015). When consumers are willing to pay prices up to 200 €/kg manuka honey, the risk of misleading advertisement and intended fraud increases. This thesis aims to further characterize manuka honey and contribute to the development of a manuka honey definition. The first part deals with the antibacterial activity of manuka honey. The effect of manuka honey is mainly due to methylglyoxal, whereas the effect of non-manuka honeys is primarily caused by hydrogen peroxide. The objective is to develop a method to quantify the effect solely due to one of the respective chemical compounds and compare their effectiveness. Finally, an evaluation of the contribution of methylglyoxal and hydrogen peroxide to the inhibitory effect of honey should be given. The second part deals with chemical reactions of carbonyl compounds in honey. Because of the reactive nature of carbonyl compounds, the formation of specific glycation compounds in honey is assumed. Since the carbonyl profile of manuka honey differs remarkably from non-manuka honeys, the reaction products are expected to vary widely. Specific compounds, solely present in manuka honey, could serve as quality control parameters to ensure manuka honey authenticity. The final part deals with the metabolism of food-derived carbonyl compounds. Carbonyl compounds, like methylglyoxal or 3-deoxyglucosone are discussed to be potentially toxic to human tissues. Until now, only little is known about the impact of the diet on the physiological carbonyl-load and the metabolism of carbonyl compounds. With the help of nutrition studies and the analysis of body fluids, the question of metabolic transit of carbonyl compounds shall be addressed. The antibacterial studies showed that bacterial species are affected differently by bioactive compounds present in honey. Methylglyoxal (MGO), which is solely present in manuka honeys and hydrogen peroxide, which is formed in most conventional honeys by glucose oxidase, are strong inhibitors of the growth of S. aureus and E. coli. The strain of P. aeruginosa used for this work was not inhibited by MGO, whereas B. subtilis was not inhibited by hydrogen peroxide. To compare and quantify the effect of MGO and hydrogen peroxide, a mathematic model was created. By comparing the slopes of the linearized dose-response curves, it was found that S. aureus, E. coli and P. aeruginosa were more sensitive to hydrogen peroxide than to MGO. However, the natural amounts of MGO in honey are higher than the formation of hydrogen peroxide. Although most bacteria are more sensitive to hydrogen peroxide, MGO is the predominantly antibacterial compound in honey, because of its higher concentrations compared to hydrogen peroxide formation. The inclusion of manuka honey in α-cyclodextrin had only minor consequences on bioavailability and antibacterial activity. The commercial product “Cyclopower” (α-cyclodextrin with manuka honey) does not enhance the antibacterial activity of manuka honey on S. aureus, E. coli and P. aeruginosa. With the help of the newly developed quantitative model, it was shown that the growth of B. subtilis is synergistically inhibited with cyclopower compared to manuka honey and α-cyclodextrin alone. The study of bacterial enzymes as possible targets for bacterial inhibition with manuka honey revealed that MGO and DHA inhibited jack bean urease, which was used as a model for Helicobacter pylori urease. The concentration of MGO and DHA in manuka honey positively correlated with its urease inhibition. Conventional honeys, which lack MGO and DHA, showed significantly less urease inhibition. Based on the unique presence of MGO, manuka honey has extraordinary effects on bacteria, which might lead to further application to fight the emerging crisis of antibacterial resistance to antibiotics. Until now, there is no consistent definition for the term “genuine manuka honey”. In the present work, an approach based on unique chemical reactions in manuka honey was followed. It was shown that the exceptional high amounts of MGO induced the formation of 2-acetyl-1-pyrroline (2-AP). In manuka honey containing ≥ 250 mg/kg MGO, the 2-AP concentration was significantly increased compared to conventional honey. Moreover, honey proteins form MGO-derived reactions products, which were studied by measuring the molecular size of honey proteins. Manuka honey proteins significantly shifted to high molecular weights (HMW) with a size above 510 kDa. The amount of HMW protein in non-manuka honey was significantly lower. The cleavage of disulphide bonds led to a decrease of HMW fraction of conventional honeys but not of manuka honeys. It is hypothesized that MGO cross-linking of proteins is mainly responsible for the formation of HMW adducts in manuka honey. The formation of HMW adducts was also shown with fluorescence analysis, whereby manuka honey proteins had higher fluorescence intensities at λex=350 nm and λem=450 nm compared to non-manuka honeys. The artificial addition of MGO and its precursor dihydroxyacetone (DHA) to a non-manuka honey did not lead to an increased fluorescence up to the level of commercial manuka honeys. The MGO-derived modifications of proteins were further studied by quantifying the protein-bound Maillard reaction products N-ε-carboxyethyllysine (CEL) and methylglyoxal-derived hydroimidazolone 1 (MG-H1) after enzymatic hydrolysis of honey proteins and LC-MS/MS analysis. Their amount was significantly higher in manuka compared to conventional honeys and correlated with the MGO content of the honey. Most of the MGO-derived reactions could be simulated by spiking a conventional honey or a low MGO manuka honey with artificial MGO and subsequent storage at elevated temperatures. Higher storage temperatures were associated with a quick increase of 5-hydroxymethylfurfuraldehyd (HMF). The HMF level in honey is used as a quality parameter and should not exceed 40 mg/kg (Codex Alimentarius Commission, 2001). High concentrations of HMF may point to a fraudulent addition of MGO and the production of artificial high-price manuka honey products. Taken together, the Maillard reaction in honey could be used to control the natural origin of MGO and DHA. The consumption of honey and especially manuka honey exposes humans to high levels of dietary dicarbonyl compounds like MGO and 3-deoxyglucosone (3-DG). Both compounds were discussed as potential risk factors for the development of age-related diseases. The simulated digestion of manuka honey in the presence of gastric and ileal fluids showed that only 9 % of the initial concentration can be recovered after 8 h. The honey matrix had no stabilising effect on MGO compared to a synthetic MGO solution. In contrast to MGO, the manuka honey compound DHA was stable during all simulated digestion steps. The complexation of MGO with α-cyclodextrin did not enhance the stability of MGO. The metabolic transit of dietary MGO and 3-DG was further studied with an intervention study with healthy volunteers, who collected their daily urine. It was shown that urinary concentrations of 3-DG and its less reactive metabolites 3-deoxyfructose (3-DF) and 2-keto-3-deoxygluconic acid (3-DGA), but not MGO, were influenced by the diet. During the intervention studies, up to 40 % of dietary 3-DG was recovered as the sum of 3-DG, 3-DF and 3-DGA. The metabolite 3-DGA only played a minor role in the metabolism of dietary 3-DG in comparison to 3-DF. The concentrations 3-DF and 3-DGA in plasma only increased after the consumption of dietary 3-DG and not after the uptake of carbohydrate rich meals in general. This led to the conclusion that dietary 3-DG is effectively metabolized to 3-DF extracellularly on the apical site of the intestinal epithelium and is resorbed slowly into the circulation. In contrast, 3-DG, which is formed (intracellularly) postprandial from glucose, bypasses this metabolic system and cannot be metabolized as rapidly to 3-DF. Preliminary results obtained with saliva instead of urine as a bio fluid to study the dietary influence of dicarbonyl compounds, confirmed the hypothesis. Based on the present results, dietary dicarbonyl compounds are effectively metabolized during digestion.

Biacetilo (2,3-butanediona) é um contaminante de comida e cigarro, também implicado na hepatoxicidade do álcool e em doenças pulmonares. O metilglioxal (MG), um α-oxoaldeído reativo frequentemente associado ao diabetes e envelhecimento, é produto da fragmentação oxidativa de trioses fosfato, acetona e aminoacetona. Por sua vez, peroxinitrito - um potente oxidante, agente nitrante e nucleófilo formado in vivo pela reação controlada por difusão do ânion radical superóxido com o radical óxido nítrico (k ~1010 M-1s-1) é capaz de se adicionar a CO2 e compostos carbonílicos, gerando produtos potencialmente tóxicos ou sinalizadores celulares. Aminoácidos, peptídeos e nucleobases podem ser acetilados nos grupos amina e na porção desoxiribose. Relativamente ao tratamento com peroxinitrito isolado, níveis superiores de 3-nitrotirosina foram detectados quando tirosina foi tratada com peroxinitrito/biacetilo ou metilglioxal. Ambos os grupos amina de lisina (Lys) ou um deles de derivados de lisina bloqueados e um deles (Ac-Lys-OMe, Z-Lys-OMe) foram acetilados pelo sistema biacetilo ou metilglioxal/peroxinitrito. Em tetrapeptídeos sintéticos contendo lisina como aminoácido amino-terminal (H-KALA-OH, Ac-KALA-OH and H-K(Boc)ALA-OH), a lisina foi acetilada pelo sistemas dicarbonilico/peroxinitrito no grupo α-amina (em maior extensão) e/ou no ε-amina (em menor extensão). No conjunto, estes resultados podem ser interpretados à luz do mecanismo proposto para a reação de compostos α-dicarbonílicos com peroxinitrito, o qual envolve sequencialmente: (i) adição nucleofílica de peroxinitrito à carbonila; (ii) homólise do aduto peroxinitroso formado, liberando •NO2 e um radical oxila do reagente carbonílico; (iii) β-clivagem do radical oxila a um ácido carboxílico (ácido acético no caso de biacetilo e ácido fórmico, a partir de metilglioxal) e radical acetila; (iv) captação do radical acetila pelo oxigênio molecular dissolvido dando acetato, ou por aminoácido ou nucleobase, se presentes, gerando o produto acetilado. Tais resultados são interessantes ao levantar a hipótese de acetilação radicalar como mecanismo de modificação pós-traducional de proteínas, até então considerado um processo realizado apenas por acetilases. / Diacetyl (2,3-butanedione) is a food and cigarette contaminant recently implicated in alcohol hepatotoxicity and lung disease. In turn, methylglyoxal (MG) is an α-oxoaldehyde frequently associated with diabetes and aging that is putatively formed by the oxidative fragmentation of trioses phosphate, acetone and aminoacetone. Peroxynitrite - a potent oxidant, nitrating agent and nucleophile formed in vivo by the diffusion-controlled reaction of superoxide radical with nitric oxide (k ~1010 M-1s-1) - is able to form adducts with carbon dioxide and carbonyl compounds. When initially present in the reaction mixtures before addition of ONOO-, amino acids, peptides and nucleobases undergo acetylation at the amino group and purine moieties in the presence of biacetyl or methylglyoxal. Higher levels of 3-nitrotyrosine nitration were measured when peroxynitrite/biacetyl or metilglioxal was added to tyrosine, in comparison with peroxynitrite alone. Both amino groups of L-lysine or one of the amino groups of L-lysine derivatives (Z-Lys-OH and Ac-Lys-OH) were acetylated by biacetyl and methylglyoxal/peroxynitrite system. Using tetrapeptides containing lysine at the terminal amino acid (H-KALA-OH, Ac-KALA-OH and H-K(Boc)ALA-OH), the lysine residue was acetylated at both or either α-amino (major adduct) and ε-amino group (minor adduct). Altogether these data can be interpreted by the mechanism proposed to describe the reaction of α-dicarbonyls with peroxynitrite as follows: (i) nucleophilic addition of peroxynitrite to the carbonyl group of the reagent; (ii) homolysis of the formed peroxynitroso carbonyl adduct to •NO2 and a carbonyloxyl radical; (iii) β-cleavage of the oxyl radical to acetyl radical plus acetic acid (from diacetyl) or formic acid (from methylglyoxal); (iv) competitive scavenging of the acetyl radical by dissolved molecular oxygen and by added amino acid, peptide or nucleobase, ultimately yielding acetate or acetylated biomolecule. If occurring in vivo, these radical reactions may contribute to the post-translational modification of proteins catalyzed by transacetylases.

No description available.

Formation of advanced glycation endproducts (AGEs) on proteins has been linked to the pathogenesis of diabetic complications. Importantly, elevated levels of methylglyoxal (MG) occur in type 2 diabetes mellitus (T2DM), and the resulting site-specific formation of stable adducts on arginine residues can cause protein damage. Using MG, site-specific modifications on the plasma protein plasminogen (Pg) were determined following protein digestion into peptides and liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) analysis, and 30 arginine sites were identified on the protein. Investigation into three of the most highly modified sites, R504, R530, and R561, using molecular modeling, identified likely functional changes to the Pg cleavage and the lysine binding pocket as a result of adduct formation at these sites. Overall functional changes to Pg were examined using silver staining and kinetic assays to examine normal protein cleavage by activator enzymes streptokinase (STK), tissue plasminogen activator (tPA) and urokinase plasminogen activator (uPA). MG-modified Pg exhibited decreased activation into plasmin (Pn), which is the active enzyme that forms via normal Pg cleavage, by all three activator enzymes. Activation into Pn by STK was significantly delayed by MG modification on plasminogen. Similar effects were observed with tPA and uPA. Efforts to identify the primary sites of MG adduction on Pg by two dimensional gel electrophoresis (2DGE) identified six sites, including R504 and R530, as the earliest modified sites. In order to probe MG site specific modification effects on lysine binding, MG-modified protein was run through a lysine-sepharose binding column and fractions were collected. The results indicated that MG-modified Pg bound more weakly to the column and eluted easier than unmodified Pg and LC-MS/MS using a LTQ Orbitrap Velos of the fraction indicated that R504 and R530 were the primary sites of MG adduction within the eluate. To assess MG-modification of Pg in humans, 12 plasma samples were immunodepleted of the top 14 abundant proteins and samples were analyzed by LC-MS/MS using a LTQ Orbitrap Velos. Nine of the 12 patient samples indicated the presence of MG-modified peptides. The antihyperglycemic drug metformin, a drug that scavenges MG and lowers formation of AGEs, was studied in order to better elucidate this scavenging mechanism. A novel reaction imidazolinone product, IMZ, was determined to be the primary product formed in the reaction between metformin and MG, confirmed unequivocally through x-ray diffraction analysis. In order to determine levels of IMZ in human patients on metformin therapy, multiple reaction monitoring (MRM) was employed to quantify the compound. Human urine samples from 92 patients on metformin treatment were analyzed. 66 of the 68 patients to exhibit high concentrations of metformin also indicated the presence of IMZ in their urine. The remaining samples either exhibited no metformin, or levels of metformin too low to detect the presence of IMZ. Importantly, IMZ was never identified in patients without a metformin signal, indicating the validity and quality of the assay. This dissertation builds upon the current knowledge of site-specific MG modifications, both in vitro, identifying for the first time Pg as a sensitive site-specific target of glycation, with functional effects, and importantly in humans, as this is the first identification of MG-modified Pg in vivo. The functional effects associated with this modification may provide a link between elevated MG in T2DM, and resulting cardiovascular complications. Additionally, the identification of the novel reaction product IMZ is important, as it helps to fully elucidate the role metformin plays in treating T2DM patients. The detection of IMZ in the urine of human patients on metformin therapy indicates that metformin plays a role in the reducing MG levels through scavenging in vivo, and the developed MRM method allows for future rapid, sensitive study of cohorts to better understand this mechanism and the role it plays in reducing AGEs and diabetic complications.

Methylglyoxal (MG) is a reactive dicarbonyl metabolite formed during glucose, protein and fatty acid metabolism. In hyperglycemic conditions, an increased MG level has been linked to the development of diabetes and the accompanying vascular inflammation encountered at both macro- and microvascular levels. The present study explores the mechanisms of MG-induced leukocyte recruitment in mouse cremasteric microvasculature. Biochemical and intravital microscopy studies performed suggest that administration of MG (25 and 50 mg/kg) to mouse cremaster muscle tissue induces dose-dependent leukocyte recruitment in cremasteric vasculature with 84-92% recruited cells being neutrophils. MG treatment up-regulated the expression of endothelial cell (EC) adhesion molecules P-selectin, E-selectin and intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) via the activation of nuclear factor-κB (NF-κB) signalling pathway and contributed to the increased leukocyte rolling flux, reduced leukocyte rolling velocity, and increased leukocyte adhesion, respectively. The inhibition of NF-κB blunted MG-induced endothelial adhesion molecule expression and thus attenuated leukocyte recruitment. Further study of signalling pathways revealed that MG induced Akt-regulated transient glycogen synthase kinase 3 (GSK3) activation in ECs, which was responsible for NF-κB activation at early time-points (< 1 h). After MG activation for 1 h, the endothelial GSK3 activity was decreased due to the up-regulation of serum- and glucocorticoid-regulated kinase 1 (SGK1), which was responsible for maintaining NF-κB activity at later time-points. Silencing GSK3 or SGK1 attenuated P-selectin, E-selectin and ICAM-1 expression in ECs, and abated MG-induced leukocyte recruitment. SGK1 also promoted cyclic adenosine monophosphate (cAMP) response element-binding protein (CREB) activity which was partially involved in ICAM-1 expression. Silencing CREB blunted ICAM-1 expression while P-selectin and E-selectin levels remained unaffected. MG also induced GSK3 activation in isolated neutrophils after 30 min treatment, an effect that was not responsible for MG-elicited Mac-1 expression. These data suggest the sequential activation of GSK3 and SGK1 in ECs as the pivotal signalling mechanism in MG-elicited leukocyte recruitment. Additionally, MG-treatment led to uncoupling of endothelial nitric oxide synthase (eNOS) following MG-induced superoxide generation in ECs. MG triggered eNOS uncoupling and hypophosphorylation associated with superoxide generation and biopterin depletion in EA.hy926 ECs. In cremaster muscle, as well as in cultured murine and human primary ECs, MG increased eNOS monomerization and decreased 5,6,7,8-tetrahydroboipterin (BH4)/total biopterin ratio, effects that were significantly mitigated by supplementation of BH4 or its precursor sepiapterin but not by NG-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME) or 5,6,7,8-tetrahydroneopterin (NH4). These observations confirm that MG administration triggers eNOS uncoupling. In murine cremaster muscle, MG triggered the reduction of leukocyte rolling velocity and the increases in rolling flux, adhesion, emigration and microvascular permeability. MG-induced leukocyte recruitment was significantly attenuated by supplementation of BH4 or sepiapterin or suppression of superoxide by L-NAME confirming the role of eNOS uncoupling in MG-elicited leukocyte recruitment. MG treatment further decreased the expression of guanosine triphosphate cyclohydrolase I in murine primary ECs, suggesting the impaired BH4 biosynthesis caused by MG. Taken together, these data suggest that vascular inflammation and endothelial dysfunction occurring in diabetes may be linked to GSK3/SGK1 regulated adhesion molecule expression, as well as the uncoupling of eNOS evoked by elevated levels of MG. These findings not only provide a better understanding of the role of MG in the development of diabetic vascular inflammation, but also suggest the potential therapeutic targets for MG-sensitive endothelial dysfunction in diabetes.