Podcasts about metaboliten

Viele Krankheiten werden von Metaboliten angetrieben - kleinen Molekülen im Körper wie Fett, Glukose und Cholesterin - aber wir wissen nicht genau, was sie sind oder wie sie funktionieren. Die Biotech-Unternehmerin und TED Fellow Leila Pirhaji berichtet von ihrem Plan, ein KI-basiertes Netzwerk aufzubauen, um Metaboliten-Muster zu charakterisieren, die Entwicklung von Krankheiten besser zu verstehen und effektivere Behandlungen zu entdecken.

In Folge #115 Das Video der aktuellen Folge direkt auf Youtube öffnen Bitte beachten Sie auch immer den aktuellen "Haftungsausschluss (Disclaimer) und allgemeiner Hinweis zu medizinischen Themen" auf https://paleolowcarb.de/haftungsausschluss/ #geNUSS[explosion] von [næhr:sinn] - das low carb knusper nuss müsli [næhr:sinn] geNUSS[explosion] ist ein hochwertiges low-carb* Müsli und besteht zu 100% aus natürlichen Zutaten. Es ist gut als Frühstück und Snack und hat nur 13,7g verwertbaren Kohlenhydraten auf 100g. Es ist getreidefrei und sojafrei. Perfekt für den Start in den Tag. Wir verarbeiten nur hochwertigste, nährstoffreiche Zutaten, die dich länger satt machen und nachhaltig mit Energie versorgen. Wir nutzen ballaststoffreiche Kokosnuss, Erdmandel und heimische Nüsse. 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"Erythritol is a pentose-phosphate pathway metabolite and associated with adiposity gain in young adults." Proceedings of the National Academy of Sciences (2017): 201620079.](http://www.pnas.org/content/114/21/E4233.abstract) Die Arbeit von Katie Hootman und Kollegen hat zu einem großen Aufschrei in der LCHF Gemeinde geführt. Erythrit soll zu Übergewicht führen, oder Übergewicht begünstigen? Kann denn das sein? Die Erythrit-Gegner haben auch nicht lange auf sich warten lassen und in der Studie eine Bestätigung der Grundsätzlichen Skepsis dem Zuckeralkohol mit dem suspekt wirkenden Namen gesehen. Erythrit, kann ja nicht gut sein, ist ja nicht „natürlich“ – oder doch? Aber dazu später. Erst einmal zur eigentlichen Studie. Was wurde gemacht und was waren die Ergebnisse?   Methode Untersucht wurden Collage Studenten (n=172) im Alter zwischen 18-19 Jahren. Die Auswahl der Teilnehmer war Randomisiert und auf gleichmäßige Verteilung der Geschlechter wurde geachtet. Erfasst wurden anthropometrische Daten, Blutplasma (nicht nüchtern) sowie die Körperzusammensetzung via DXA (dual -energy x-ray absorptiometry). Untersucht wurden verschiedene Metabolite (Stoffwechselprodukte) hinsichtlich ihrer möglichen Rolle als Prädiktor für die Entwicklung von Übergewicht. Die Studenten wurden dann hinsichtlich ihrer Fettmasse und dem Hba1c eingeteilt. Daraus ergaben sich 4 Phänotyp Gruppen: Fettmasse Zunahme in der Bauchregion (incident central adiposity gain) Stabiles Fettmasse (stable adiposity) Hba1c in den Top 25% Hba1c in den untersten 10% Ergebnisse der Studie Nach einem Jahr haben 75% der Studenten an Körpergewicht zugelegt. (>0.5kg). Bei 66 Teilnehmern konnten die Forscher eine Fettzunahme in der Bauchregion feststellen. Metabolite als Prädiktor für Fettzunahme in der Bauchregion Die Forscher haben sich verschiedene Metabolite angesehen. Neben Erythritol, auch Fructose, Lactat, Valin und Leucin. Es gab Unterscheide in allen genannten Metaboliten zwischen den Gruppen, allerdings erreicht nur Erythritol das Signifikanzlevel. Interessant ist, dass die höchsten Eryhtritol Konzentrationen in der Gruppe zu finden waren, mit der geringsten Zunahme an Bauchfett. Während die niedrigsten Erythritol Werte in der Gruppe mit den Größten Veränderungen der Bauchfettmasse zu beobachten waren. Eigensynthese von Erythritol Nimmt man Erythrit über die Nahrung auf, dann werden 90 – 95% über den Harn ausgeschieden. 5 – 10% werden zu Eryhtronat oxidiert. Der menschliche Körper ist allerdings auch in der Lage Erythritol selber aus Glucose zu synthetisieren. Diskussion Die Autoren der Studie fanden signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen was Fructose und Erythritol Konzentrationen betrifft. Sie sehen eine positive Assoziation zwischen Erythritol im Plasma und dem Auftreten von Fettmassezuwachs in der Bauchregion. Weitere Untersuchungen werden benötigt um diese Ergebnisse verstehen zu können.   Assoziation ist kein ursächlicher Zusammenhang Soweit die Kurzfassung der Studie. Bevor wir die Ergebnisse weiter besprechen und in wie weit sie für uns relevant sind, ein paar Worte zu statistischen Zusammenhängen. Die Forscher sehen eine positive Assoziation. Das bedeutet, dass Wert A und Wert B gemeinsam auftreten, einen ursächlichen Zusammenhang kann man aus dieser Studie noch nicht ableiten. Wir können also nicht sagen: A verursacht B. Endogene Produktion vs. Exogene Exposition Was die Autoren der Studie auch bemerken ist, dass wir noch nicht wissen, was das mit der exogenen Aufnahme von Erythrit zu tun hat, und ob überhaupt. Das Erythrit, das die Autoren in den Blutproben gefunden haben, stammt ja aus endogener Synthese, und zwar aus Glucose. Jetzt kommen wir zu einem interessanten Punkt. Die Autoren schreiben, dass in bisherigen Studien nicht gezeigt werden konnte, dass Menschen Erythritol endogen synthetisieren können. Sie zitieren dazu eine Studie aus dem Jahr 1993 von Hiel et. al.[1] Dies scheint jedoch nicht mehr ganz aktuell zu sein. Bei weiterer Recherche stellt sich heraus, dass Erythrit von Föten diverser Wiederkäuer selbst produziert wird[2], und nicht nur von Wiederkäuern, sondern auch vom Menschen.   Erythrit und andere Polyole im menschlichen Fötus und der Plazenta 2005 im Journal „Pediatric Research“, welches zu Nature Publishing gehört, veröffentlichte Brusati et al. eine Arbeit mit dem Titel: „Fetal and Maternal Non-glucose Carbohydrates and Polyols Concentrations in Normal Human Pregnancies at Term“[3]. Andere Zucker und Zuckeralkohole wie Inositol, Sorbitol und Erythrit, sind wichtige Energielieferanten für das Ungeborene. Diese Zuckeralkohole finden sich in signifikanten Mengen in der Nabelschnur und, in geringeren Mengen, auch im Blut der Mutter. Besonders interessant ist, dass es zwischen Mutter und Fötus einen relativ großen Konzentrationsgradienten gibt. Dies unterstützt die Annahme, dass der Fötus selbst Polyole (Inositol, Sorbito und Erythritol) synthetisiert. […] Finally, that polyol concentrations are elevated sufficiently in fetal blood to lead to the establishment of relatively large fetal–maternal concentration gradients for polyols such as inositol, sorbitol, and erythritol suggests that the trophoblast may be relatively impermeable to these compounds. The presence of large fetal–maternal concentration ratios for the polyols also suggests that the reduction of sugars to their corresponding alcohols is favored. The role of the polyols in developing tissues is currently unknown. […]   Erythrit in Samen und Reproduktionsorganen Die biologische Bedeutung von Polyolen hat zugenommen, da man größere Mengen in Samen und Reproduktionsorganen findet [4] [5].  Erythritol Produktion beim Rind, steigt mit Fortschreiten der Trächtigkeit an und erreicht einen Peak in der Mitte der Trächtigkeit[6]. Die Bedeutung und der Fokus der Forscher auf Erythritol, gerade in der Veterinärmedizin, hat einen etwas mit einem Bakterium namens Brucella zu tun. Brucellen sind kurze, stabförmige Bakterien. Sie kommen in Geschlechtsorganen und Harntrackt von Rindern, Schafen und Schweinen vor. Sie führen, unter anderem, zu Placentitis, Frühgeburten[7] und Vergrößerung der Geschlechtsorgane. Brucellen haben eine besondere Vorliebe für Erythritol entwickelt. Mit steigender Erythritolkonzentration, steigt auch die Anfälligkeit für eine Brucelleninfektion. Das heißt jetzt nicht, dass Erythritaufnahme über die Nahrung zu einer Brucelleninfektion führt. Die metabolische Besonderheit der Geschlechtsorgane, liefern Nährstoffe, die dem Stoffwechsel von Brucella sehr entgegenkommen. So etwas nennt man auch Parasite-Host Co-Evolution. Erythritol im Serum als Indikator für Übergewicht Welche Rolle könnte Erythritol im Serum nun als Marker für Übergewicht spielen? Das ist ja die zentrale Frage. Wir wissen nun, dass die endogene Synthese von Erythritol nicht wirklich etwas Ungewöhnliches ist und sehr wohl im Menschen bereits beschrieben wurde. Erythritol ist besonders hoch konzentriert in Samen, Geschlechtsorganen, Plazenta, Nabelschnurblut und im Fötus selbst. Erythritol, und andere Polyole dürften eine Rolle in sich entwickelnden Geweben spielen. Mannose ist zum Beispiel notwendig für die Synthese von Glycoproteinen und Glycophospholipiden[8]. Die signifikant höheren Plasmalevel von Erythritol in der Gruppe, die eine deutliche Zunahme an Bauchfettmasse hatten, gegenüber der Gruppe mit stabiler Adipositas, sind interessant und könnten ein Hinweis auf Fehlregulation im PPP (Penthosephosphat Pathway) sein. Bei Übergewicht und Fettleibigkeit sehen wir oft, dass Signalwege überexpremiert werden, welche Zellwachstum, Proliferation und generell anabole Prozesse regulieren. Ähnliches könnte auch hier der Fall sein. Endogene Erythritsynthese könnte auch ein Marker für gestörte Energiegewinnung sein. Wird aus Glucose-6-Phospaht nicht Pyruvat, sondern vermehrt Erythritol synthetisiert, könnte das auch ein Hinweis auf eine gestörte Glycolyse sein. Eine andere Hypothese, die ich nicht allzu weit hergeholt finde, wäre die der Dysbiose. Wir wissen, dass Bakterien in unserem Darm eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Übergewicht spielen. Erythritolsynthese wurde zuerst bei Bakterien beschrieben. Es wäre durchaus denkbar, dass das Erythritol im Plasma seinen eigentlichen Ursprung in bakterieller Synthese im Darmlumen hat, von dort, über eine gestörte Barrierefunktion der Darmwand, in das Blut übertritt und aus diesem Grund dort auch nachweisbar ist. Ähnliches sehen wir bei Lipopolysacchariden (LPS). LPS sind Bestandteile der Zellmembran von Gram-negativen Bakterien. Sie provozieren eine starke Immunantwort und können im Plasma nachgewiesen werden. Fazit Abschließend bleibt zu sagen, dass wir eigentlich noch nicht wirklich viel wissen. Von der Beobachtung höherer Erythritolwerte im Plasma bei Übergewichtigen, zu der Vermutung, Erythrit fördert Übergewicht – das ist schon ein sehr großer Schritt und höchst spekulativ. Ich denke aber, es ist eine spannende Beobachtung, die definitiv weiterer Forschung bedarf. Vor allem im Hinblick auf meine Alternativhypothesen was die Aktivierung von Wachstumsfaktoren, die Fehlregulation der Energiegewinnung oder sogar die bakterielle Komponente betrifft. Referenzen [1] Hiele, Martin, et al. "Metabolism of erythritol in humans: comparison with glucose and lactitol." British Journal of Nutrition 69.01 (1993): 169-176. [2] Peter D. Constable Kenneth W Hinchcliff Stanley H. Done Walter Gruenberg. Veterinary Medicine - A textbook of the diseases of cattle, horses, sheep, pigs and goats, Edition 11. October 25, 2016 Elsevier Health Sciences [3] Brusati, Valentina, et al. "Fetal and maternal non-glucose carbohydrates and polyols concentrations in normal human pregnancies at term." Pediatric research 58.4 (2005): 700-704. [4] Clark, J. B. K., et al. "D-Mannitol, erythritol and glycerol in bovine semen." Journal of reproduction and fertility 13.2 (1967): 189-197. [5] Lewin LM, Yannai Y, Melmed S, Weiss M 1982 myo-Inositol in the reproductive tract of the female rat. Int J Biochem 14:147–150 [6] Samartino, L. E., Traux, R. E., and Enright, F. M. (1994). Invasion and replication of Brucella abortus in three different trophoblastic cell lines. Zentralblatt Veterinarmedizin Reihe B. 41, 229–236. doi: 10.1111/j.1439-0450.1994.tb00223.x [7] Letesson, Jean-Jacques, et al. "Brucella Genital Tropism: What's on the Menu." Frontiers in Microbiology 8 (2017). [8] Brusati, Valentina, et al. "Fetal and maternal non-glucose carbohydrates and polyols concentrations in normal human pregnancies at term." Pediatric research 58.4 (2005): 700-704. Artikel Macht Erythrit dick? Webseiten Paleo Low Carb - JULIAS BLOG | (auf Facebook folgen) Superhumanoid - PAWELS BLOG Super | (auf Facebook folgen)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Validierung und Anwendung einer HPLC-MS/MS-Methode zur quantitativen Bestimmung von Tryptophan und seinen Metaboliten. Der Stoffwechsel der proteinogenen, essentiellen Aminosäure Tryptophan umfasst nicht nur den Neurotransmitter Serotonin und das in der Epiphyse gebildete Hormon Melatonin, sondern er schließt auch den Kynurenin Pathway mit ein. Die neurobiochemische Bedeutung dieses Stoffwechselweges wird bereits durch die Tatsache offensichtlich, dass im zentralen Nervensystem mehr als 95% des Tryptophans über diesen Weg metabolisiert werden. Die Intermediate des Kynurenin Pathways spielen eine bedeutende Rolle als Mediatoren zwischen Immun- und Nervensystem. Dabei nehmen sie potenziell Einfluss auf höhere zentralnervöse Funktionen, wie Kognition, Verhalten und Affekt, weshalb sie von herausragender Bedeutung für das Forschungsgebiet der Psychoneuroimmunologie sind. Auf molekularer Ebene wird Tryptophan im ersten Schritt durch die beiden Schlüsselenzyme Tryptophan-2,3-dioxygenase und Indoleamin-2,3-dioxygenase zu N-Formylkynurenin oxidiert. Durch Kynureninformidase erfolgt eine Metabolisierung von N-Formylkynurenin zu Kynurenin - der Ausgangssubstanz des gleichnamigen Stoffwechselweges. Während die Tryptophan-2,3-dioxygenase ausschließlich Tryptophan oxidiert, ist die Indolamin-2,3-dioxygenase nicht nur für den Abbau von Tryptophan spezifisch, sondern für alle Indolamine, inklusive Serotonin und Melatonin. Die Aktivität der Tryptophan-2,3-dioxygenase wird dabei durch Glucocorticoide, die der Indolamine-2,3-dioxygenase durch bestimmte Zytokine reguliert. Die Indolamin-2,3-dioxygenase spielt ebenfalls eine wichtige Rolle in der Modulation der T-Zell-Toleranz. Des Weiteren werden die Aktivitätszustände diverser Zellen des angeborenen und des erworbenen Immunsystems durch Metabolite des Kynurenins gesteuert. Einige Bestandteile des Kynurenin Pathways besitzen neuroprotektive oder neurotoxische Eigenschaften. So ist beispielsweise die neuroprotektive Kynureninsäure der bisher einzige bekannte endogene Antagonist des NMDA-Rezeptors und zusätzlich ein nichtkompetitiver Antagonist des α7-nikotinischen Acetylcholinrezeptors. Dieser Substanz steht der alternative Kynurenin-Metabolit, das exzitotoxische Neurotoxin Chinolinsäure gegenüber, welcher ein Agonist des NMDA-Rezeptors ist. Bei Untersuchungen zum Tryptophanstoffwechsel ist es daher von entscheidender Bedeutung nicht nur einzelne Substanzen sondern die Gesamtheit der Metabolite zu quantifizieren. Nur so kann die Balance zwischen neuroprotektiven und neurodegenerativen Substanzen, aber auch die Balance zwischen inhibierenden und aktivierenden Mediatoren des Immun- und Nervensystems dargestellt werden. In klinischen Studien können so Dysbalancen mit der Pathogenese einzelner Erkrankungen assoziiert werden, wodurch die Möglichkeit besteht, dass Biomarker zur frühzeitigen Diagnose identifiziert und neue Therapieansätze postuliert werden können. In dieser Arbeit wird eine neue HPLC-MS/MS-Methode vorgestellt, mit der eine bisher unerreichte Vielfalt an Tryptophan-Metaboliten quantifiziert werden kann. Die Probenvorbereitung ist eine einfache und kosteneffiziente Proteinfällung in zwei Stufen, wobei unterschiedliche Matrices, wie beispielsweise Serum oder Liquor cerebrospinalis, als Probenmaterial verwendet werden können. Um Analyte mit sehr niedrigen physiologischen Konzentrationen zu detektieren, wurde für diese eine Derivatisierung entwickelt. Die Methode benötigt ein sehr geringes Probenvolumen, ist durch die Verwendung der HPLC-MS/MS-Technologie äußerst sensitiv und spezifisch und umfasst alle bedeutenden Metabolite des Tryptophanstoffwechsels mit nur einer Probenvorbereitung. Die Robustheit wurde in einer ausführlichen Validierung bestätigt. Dabei wurden auch die analytischen Grenzwerte und Kennzahlen ermittelt, sowie die Stabilität der Proben untersucht. In Versuchen zu präanalytischen Einflüssen wurde festgestellt, dass unterschiedliche Zeitpunkte der Blutentnahme, unterschiedliche Blutentnahmesysteme und die Nahrungsaufnahme zu gravierenden Änderungen der Konzentrationen der Analyte führen. So führt die Verwendung unterschiedlicher Blutentnahmesystem beispielsweise bei der Quantifizierung des Metaboliten Picolinsäure zu Ergebnissen, die sich um bis zu 60% unterscheiden. Es wurde nachgewiesen, dass es postprandial zu starken interindividuell unterschiedlichen Änderungen der Konzentrationen einzelner Intermediate kommt. Dabei verhalten sich die freien und proteingebundenen Metabolite ebenfalls unterschiedlich. Deshalb muss für Studien eine normierte Probengewinnung mit möglichst exakten Bedingungen eingeführt werden. Auch konnte gezeigt werden, dass die Metabolisierung des Tryptophans in vivo einer circadianen Rhythmik unterliegt. Aufbauend auf diesen Erkenntnisse wurden in einem in vitro Experiment tageszeitabhängige Schwankungen nachgewiesen und der Einfluss einer LPS-Stimulation auf den Kynurenin Pathway untersucht. Durch den Einsatz dieser neuen HPLC-MS/MS-Methode besteht die Möglichkeit, die funktionellen Zusammenhänge zwischen Intermediaten des Kynurenin Pathways und diversen immunologischen, neurochemischen und anderen pathophysiologischen Vorgängen zu untersuchen. In der Literatur gibt es eine Vielzahl an Hinweisen darauf, dass der Tryptophanstoffwechsel an der Pathogenese unterschiedlichster Erkrankungen beteiligt ist. Jedoch bedarf es der genauen Klärung der Zusammenhänge und der Möglichkeit, die Gesamtheit einer potentiellen Störung des Tryptophanstoffwechsels zu erfassen. So sind im Bereich psychiatrischer und neurologischer Erkrankungen beispielsweise Schizophrenie, Alzheimer-Krankheit, Chorea Huntington und Epilepsie zu nennen. Hier wurden in publizierten Studien häufig nur einzelne Metabolite quantifiziert und isoliert betrachtet. Darüber hinaus konnten unterschiedliche Arbeitsgruppen zeigen, dass eine Aktivierung des Kynurenin Pathways auch bei der Pathogenese von Tumoren beteiligt ist, weshalb auch hier die von uns entwickelte Methode für weitere Studien von großem Nutzen ist.

Die vorliegende Untersuchung an noch legeinaktiven Hennen (n=116; Lohmann Classic Brown) sollte mittels wiederholten Blutentnahmen vor, während und nach diversen tierexperimentellen Eingriffen in den Energiestoffwechsel der Hennen (jeweils n≥10) einen differenzierten Einblick in den Glucose- (und Energie-) Stoffwechsel und dessen hormonale Regulation ermöglichen. So wurden zu diesem Zweck unterschiedlich ausgeprägte katabole Stoffwechselsituationen induziert: nüchtern (16 h) mehrtägig hungernd (96 h), mehrtägig hungernd (96 h) und mittels mehrmaligen Phlorizininjektionen (0,4 g/kg LM s.c.) glucosuretisch. In einem Tagesprofil (8:00-20:00) wurde der Konzentrationsverlauf von Glucose, von Metaboliten des Fettstoffwechsels (FFS, ßHB) und des Proteinstoffwechsels (Harnsäure) sowie von Insulin und Glucagon erstellt. Ein während dieser katabolen Zustände jeweils durchgeführter i.v.-Glucosetoleranztest (0,5 g/kg LM) sollte Einblick in die jeweils vorherrschende Glucoseelimination aus dem Blut und in die dabei induzierten hyperglykämischen Auswirkungen auf die Ausschüttung von Insulin und Glucagon ermöglichen. Bei nüchternen Hennen sollte mittels i.v. Glucose-Mehrfachinjektionen (0,5 g/kg LM iv) und der dadurch für zwei Stunden anhaltend erhöhten Glucoseverfügbarkeit im Blut deren Auswirkungen auf die Konzentration der bereits genannte Metabolite und Hormone im Blut dargestellt werden. Um die Wirkung einer experimentell erhöhten Insulinverfügbarkeit im Energiestoffwechsel, und zwar unbeeinflusst von einer exogenen Glucosezufuhr, bei nüchternen und hungernden Tieren darstellen zu können, wurde Tolbutamid (20mg/kg LM) i.v. injiziert und dessen Auswirkungen auf den Konzentrationsverlauf der bereits genannten Metabolite und Hormone im Blut sowie auf die Glucoseelimination aus dem Blut im Toleranztest untersucht. Als Vergleichssituation für alle Ergebnisse bei den oben genannten tierexperimentellen Maßnahmen diente der Nüchtern-Zustand (16 h) der Hennen. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: 4-tägiges Hungern führt im Tagesprofil zu einem tendenziellen Anstieg der Blutglucose (12,09 mmol/l bei nüchternen Tieren vs 12,95 mmol/l bei hungernden Tieren) sowie zu einer Erhöhung der Konzentrationen von Insulin (0,56 μg/l vs 1,32 μg/l) und Harnsäure (214,9 μmol/l vs 321,7 μmol/l). Der Spiegel von ßHB (1,97 mmol/l vs 2,4 mmol/l) ist nurgeringfügig höher und der Spiegel der FFS (0,775 mmol/l vs 0,605 mmol/l) ist geringfügig niedriger im Vergleich zu nüchternen Tieren, während der Glucagonspiegel (531,8 ng/l vs 510,7 ng/l) unverändert ist. Eine durch Glucosurie verschärfte viertägige Hungersituation führt zu niedrigeren Glucose- (12,23 mmol/l) und Insulinspiegeln (0,41μg/l), einem erhöhten FFS- (0,633 mmol/l) und Harnsäurespiegel (391,6 μmol/l) und einem stark erhöhten ßHB-Spiegel (6,55 mmol/l). Glucagon ist unverändert (497,3 ng/l). Offensichtlich nutzen massiv hungernde Tiere nach 4 Tagen Hungern überwiegend Fettreserven (FFS-Oxidation) als Energiequelle, wodurch der metabolische Glucoseverbrauch erheblich reduziert werden kann. Dies zusammen mit einer deutlichen Steigerung der Gluconeogenese aus Aminosäuren dürfte dazu beitragen, dass die Glucosehomeostase auf Nüchtern-Niveau gehalten werden kann. Von hormoneller Seite wird dies offensichtlich durch einen konstanten Glucagonspiegel bei gleichzeitiger Insulinresistenz gefördert. Unterstützt wird diese Vorstellung eines durch die FFSOxidation (hohe Ketogeneserate) getragenen Energiestoffwechsels und einer durch die Gluconeogenese ganz maßgeblich getragenen Glucosehomeostase durch die Ergebnisse der glucosuretisch verschärften Hungersituation. Im Glucosetoleranztest bei nüchternen Hennen zeigt sich ein schneller Anstieg der Glucose- (12,14 mmol/l auf 26,21 mmol/l) und der Insulin- (0,93 μg/l auf 4,1μg/l) Konzentration im Blut sowie ein vorübergehender Abfall von Glucagon (547,6 ng/l auf 168,9 ng/l), FFS (0,609 mmol/l auf 0,318 mmol/l) und ßHB (0,91 mmol/l auf 0,48 mmol/l). Der Harnsäurespiegel ist unverändert. 4-tägiges Hungern ebenso wie glucosuretisches Hungern verursacht eine signifikant verzögerte Glucoseelimination (T1/2 von 8,64 min auf 12,47 min bzw. 12,3 min). Die Lipolyse-hemmende Wirkung der induzierten Hyperinsulinämie, erkennbar am Abfall des FFS-Spiegel, ist bei den hungernden sowie den hungernden und glucosuretischen Tieren vermindert (52 % bzw. 59 %). Wegen der vorübergehenden i.v. erhöhten Glucoseverfügbarkeit sinkt der Spiegel von ßHB bei hungernden Tieren auf das Nüchternniveau ab (25 %). Bei glucosuretischen Tieren ist die iv-induzierte Glucoseverfügbarkeit zusätzlich belastet, so dass der stark erhöhte ßHB-Spiegel nur mäßig (58 %) gesenkt wird. Der Harnsäurespiegel lässt sich bei keinem der induzierten Stoffwechselzustände durch die Glucoseinjektion beeinflussen. Eine durch Glucose-Mehrfachinjektionen erhöhte i.v. Glucoseverfügbarkeit bei nüchternen Tieren verursacht im nachfolgenden Glucosetoleranztest ein erniedrigtes Insulinmaximum (3,11 μg/l ), aber eine nur geringgradig verzögerte Glucoseelimination aus dem Blutplasma(T1/2 8,83 min vs 8,64 min). Im Vergleich zu ausschließlich nüchternen Hennen führen wiederholte Glucosegaben zu einer Absenkung der Spiegel von ßHB und FFS. Auch der Glucagonspiegel erfährt eine deutliche Absenkung. Tolbutamid induziert ebenso wie beim Mensch auch beim Huhn eine vorübergehende Hyperinsulinämie. Auch wenn im Vergleich zum Glucosestimulus das Insulinmaximum schwächer ausgeprägt ist, wird im Hungerzustand doch ebenfaqlls eine Reduktion in der Insulinantwort sichtbar im Vergleich zu nüchternen Tieren. Die gleichzeitige Senkung des Blutzuckerspiegels ist nur mäßig (50 % des Ausgangswertes bei nüchternen Tieren, 58 % bei hungernden Tieren). Trotz der geringeren Insulinausschüttung nach Tolbutamidapplikation wird der Glucagonspiegel ähnlich wie im Glucosetoleranztest abgesenkt. Eine zusätzliche hemmende Wirkung auf die Glucagonsekretion durch Tolbutamid scheint möglich. Der Spiegel der FFS im Blutplasma nach Tolbutamidgabe wird analog zu den Ergebnissen nach Glucoseinjektion durch den jeweiligen Insulinkonzentrationsanstieg gesenkt, wobei wiederum dieser Effekt bei den hungernden Tieren geringer ausfällt. Dies zusammen mit der nur mäßigen Insulinwirkung auf den Glucosespiegel kann als weiterer Beleg für das Vorhandensein einer Insulinresistenz im Hungerzustand gewertet werden. Der Befund, dass der ßHB-Spiegel trotzt weitgehend unveränderter Glucoseverfügbarkeit nach 30 min sinkt und erniedrigt bleibt, lässt eine Hemmung der Ketogenese durch Tolbutamid möglich erscheinen. Alle Ergebnisse werden unter Einbindung des bisher publizierten Kenntnisstandes zum Energiestoffwechsel und dessen hormonaler Regulation beim Huhn diskutiert. Dabei deuten viele Fakten, auch aus der vorliegenden Untersuchung, darauf hin, dass der Stoffwechsel des Huhnes „Glucagon-getragen“ ist. So überschreiten im Blut die Spiegel von Glucagon die von Insulin oftmals deutlich, was vermuten lässt, dass Vögel normalerweise in einer katabolen, Glucose sparendenden Stoffwechselsituation leben, vergleichbar mit der bei diabetischen, hungernden oder körperlich aktiven Säugetieren. Wahrscheinlich resultiert aus dieser speziellen Stoffwechselsituation heraus der besonders hohe Normal-Blutzuckerspiegel der Vögel und gleichzeitig die Fähigkeit, auch unter diversen Belastungen des Energiehaushaltes (z.B. nüchtern, hungernd, glucosuretisch) den Glucosespiegel unverändert hoch zu halten.

In dieser Doktorarbeit werden drei Metabolomics-Studien der KORA Kohorte behandelt. Das Ziel dieser Doktorarbeit war, ein besseres Verständnis der Rolle des Metabolismus von komplexen Phänotypen anhand von Unterschieden im Blutbild, des Geschlechts und anhand von Veränderungen des Metabolitenprofils bei multifaktoriellen Krankheiten wie Typ 2 Diabetes mellitus zu erhalten. Um Artefakte auszuschließen wurden strikte Qualitätskontrollen aller gemessenen Metaboliten durchgeführt. Durch die Analyse von Blutplasma und -serum von 377 Personen konnten wir zeigen, dass die Konzentrationen der Metaboliten in Blutplasma und -serum stark korrelieren und darüber hinaus eine hohe Reproduktionsrate zeigen, bei der Blutplasma besser abschneidet. Im Gegensatz dazu zeigt das Blutserum höhere Metabolitenkonzentrationen und könnte deswegen besser für den Nachweis von Konzentrationsunterschieden geeignet sein. Ein weiteres Ergebnis dieser Doktorarbeit war der Nachweis von signifikanten geschlechtsspezifischen Unterschieden der Konzentrationen von 102 der ausgewerteten 131 Metaboliten. Dabei wurden die Daten von mehr als 3300 Personen der KORA Kohorte verwendet und die Analysen einer konservativen Bonferroni-Korrektur unterzogen. Darüber hinaus identifizierten wir potentielle Biomarker für Prä-Diabetes durch die Analyse von 140 Metaboliten in nüchtern abgegebenen Blutseren von 4297 Personen der KORA Kohorte. Wir konnten zeigen, dass Personen mit gestörter Glukosetoleranz (IGT) signifikant unterschiedliche Konzentrationen von drei Metaboliten (Glycin, lysoPhosphatidylcholine (LPC) 18:2 und acetylcarnitine) im Vergleich zu gesunden Personen aufweisen. Darüber hinaus konnten wir nachweisen, dass geringere Konzentrationen der Metaboliten Glycin und LPC bei Probanden mit Typ 2 Diabetes oder IGT vorhanden sind. Die in dieser Studie identifizierten Metaboliten sind biologisch unabhängig von zuvor entdeckten Diabetes Risikofaktoren. Durch weitere Analysen und die Einbeziehung systembiologischer Ansätze entdeckten wir sieben Diabetesrisiko Susseptibilitätsgene, welche durch Expressionsdaten bestätigt wurden. Metabolomics welches auf der Analyse von Stoffwechselzwischen- und Endprodukten basiert, ist eine wertvolle Methode besonders in der biomedizinischen Forschung, um Krankheitsmechanismen aufzuklären. Nachdem angemessene Qualitätskontrollen etabliert und der Einfluss von komplexen Störfaktoren (z.B. das Geschlecht) aufgeklärt wurden, konnte der Zusammenhang zwischen Krankheit und Metabolismus weiter an Klarheit gewinnen. Die Entdeckungen in unserer T2D Studie zeigen, dass die Analyse von Konzentrationsprofilen helfen kann neue Krankheitsrisikomarker genauso wie neue Wirkungspfade zu identifizieren, die möglicherweise das Ziel zur Heilung einer Krankheit sein könnten.

Sat, 21 Jul 2012 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/14833/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/14833/1/Schmoelz_Katharina.pdf Schmölz, Katharina ddc:590, ddc:5

Das Ziel dieser Arbeit war es, die konzentrationsabhängige Metabolisierung des tabakspezifischen Nitrosamins 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanon (NNK) in den Mikrosomen von Lunge und Leber des Menschen zu charakterisieren. Es wurden kommerziell erhältliche gepoolte Mikrosomen verwendet um vergleichbare Ergebnisse in den verschiedenen Ansätzen zu erzielen. Die Mikrosomen wurden bei einer Proteinkonzentration von 0,2 mg/mL 20 min mit [5-3H]-NNK inkubiert. Zur Bestimmung der Kinetik kamen je 16 Konzentrationen von 0,006 bis 499 µM zum Einsatz. Die Charakterisierung des NNK-Metabolismus mit spezifischen Hemmstoffen für Cytochrom P450 (CYP) Isoenzyme, α-Naphthoflavon (NF; CYP 1A1/2), 8-Methoxypsoralen (MOP; CYP 2A6/13), Chlorzoxazon (CZ; CYP 2E1) und Troleandomycin (TAO; CYP 3A4/5) alleine und in Kombination aller 4 Stoffe, erfolgte bei 46 nM und 49 µM NNK und Hemmstoffkonzentrationen von 1, 5, 10, 25 und 50 µM. Der Einfluss von Nicotin und seines Hauptmetaboliten Cotinin wurde bei den gleichen NNK-Konzentrationen mit einem 300- bzw. 3000-fachen Überschuss der Alkaloide geprüft. Art und Menge der entstandenen Metaboliten wurde durch Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) mit on-line Radioaktivitätsdetektion ermittelt. Durch Einsatz eines neuen Detektors mit vier hintereinander liegenden Messzellen und integrierten Additionsverfahren gelang es die Nachweisgrenze gegenüber handelsüblichen Detektoren um den Faktor 10 zu senken. Die Zuordnung der Metaboliten erfolgte durch Co-Chromatographie von Referenzsubstanzen, die durch UV-Detektion bei 245 nm bestimmt wurden. In Humanlebermikrosomen wurden 5 NNK-Metaboliten nachgewiesen, das Reduktionsprodukt 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanol (NNAL), die Produkte der α-Methylenhydroxylierung von NNK und NNAL, 4-Oxo-4-(3-pyridyl)-butansäure (Ketosäure) und 4-Hydroxy-4-(3-pyridyl)-butansäure (Hydroxysäure), das Produkt der α-Methylhydroxylierung von NNK, 4-Hydroxy-1-(3-pyridyl)-1-butanon (HPB) und das N-Oxidationsprodukt von NNK, das NNK-N-Oxid. Humane Lungenmikrosomen bildeten die gleichen Metaboliten außer HPB. Die Umsätze konnten für alle Metaboliten über den gesamten Konzentrationsbereich von 6 nM bis 500 µM einer Reaktionskinetik nach Michaelis-Menten angepasst werden. Bei Anpassung nur im niedrigen, nanomolaren Bereich ergaben sich für alle Metaboliten außer Ketosäure und HPB km- und Vmax-Werte, die um 2 bis 3 Größenordnungen niedriger lagen als die Werte, die für den gesamten Konzentrationsbereich erhalten wurden. Dabei änderte sich die katalytische Effizienz, der Quotient aus Vmax/km-Werten nur geringfügig. Die Hemmstoffe wirkten in Lebermikrosomen stärker als in Lungenmikrosomen. Bei keinem der Hemmversuche konnte jedoch selbst unter Verwendung der höchsten Konzentration eine vollständige Hemmung der NNK-Verstoffwechslung durch α-Hydroxylierung und N-Oxidation erzielt werden. Die CYP-Inhibitoren hatten erwartungsgemäß nur einen geringen Einfluss auf die NNK-Reduktion zu NNAL. In der Leber wurde die HPB-Bildung am stärksten gehemmt, gefolgt von der NNK-N-Oxidation, der Bildung von Ketosäure und der Bildung von Hydroxysäure. In Lungenmikrosomen war die Hemmung der NNK-N-Oxidation am stärksten ausgeprägt. Die größten Unterschiede zwischen der nano- und der mikromolaren NNK-Konzentration zeigte sich in Lebermikrosomen bei Einsatz von NF mit mäßiger bis starker Hemmung aller Stoffwechselwege bei 46 nM NNK und keiner Hemmung bis z.T. leichter Steigerung des Metabolismus bei 49 µM NNK. Auffällige Unterschiede auch bei TAO in Leber und Lunge und bei CZ in der Leber zeigen, dass sich Versuche mit bisher verwendeten hohen NNK-Konzentrationen nur bedingt auf niedrigere Konzentrationen übertragen lassen. Die in früheren Untersuchungen gezeigte Hemmung des NNK-Stoffwechsels konnte bei der mikromolaren NNK-Konzentration für die α-Hydroxylierung von NNK in Lungen- und Lebermikrosomen bestätigt werden. In der Leber wurde auch die NNK-N-Oxidation deutlich gehemmt. Überraschend war die Hemmung der Reduktion von NNK zu NNAL in Lungen- und Lebermikrosomen. All diese Effekte gingen bei Einsatz der nanomolaren NNK-Konzentration verloren. Es ist deshalb fraglich, ob unter realen Bedingungen bei Rauchern der NNK-Stoffwechsel durch die Tabakalkaloide beeinflusst wird. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass die bei Verwendung unrealistisch hoher Konzentrationen von Fremdstoffen in vitro erzielten Ergebnisse nicht ohne weiteres auf die tatsächliche Belastungssituation des Menschen durch Umwelt, Nahrung und Genuss von Tabakwaren zu übertragen sind.

Die SAB ist eine Krankheit mit einer äußerst hohen frühen wie auch späten Mortalität und Morbidität. Die genauen Ursachen der frühen wie auch späten Effekte sind bis heute nicht zufriedenstellend geklärt. Ungefähr 35% der Patienten versterben in den ersten 48h aus bis heute nicht geklärten Gründen. Die Forschungsergebnisse der letzten Jahre zeigen jedoch deutlich, daß die Gründe hierfür wahrscheinlich auf der Ebene der Mikrozirkulation zu suchen sind. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Arbeit die Veränderungen der zerebralen, pialen Mikrozirkulation der Maus nach SAB mit Hilfe des intraluminalen Fadenmodells und durch Intravitalmikroskopie genau untersucht. Zur Induktion der SAB wurde ein monofiler Faden in der A. carotis int. eingeführt, bis an die Gabelung von MCA und ACA vorgeschoben und diese Gabelung perforiert, was der Ruptur eines intrakraniellen Aneurysma ähnelt. Anschließend wurde das Tier über dem Strömungsgebiet der linken MCA unter Schonung der Dura Mater trepaniert, der Farbstoff FITC-Dextran i.v. appliziert und somit die zerebrale Mikrozirkulation sichtbar gemacht. Hierbei zeigten sich deutliche Veränderungen im Vergleich zu gesunden Kontrolltieren. Mit Hilfe eines modifizierten Strahler- Schemas war es erstmals möglich die Gefäßarchitektur der pialen Mikrozirkulation einer gesunden C57/Bl6 genau zu charakterisieren und diese anschließend mit einem Tier zu vergleichen, bei welchen eine SAB induziert wurde. Hierbei zeigte sich, daß schon 3 Stunden nach SAB die zerebralen Gefäße stärker kontrahiert sind als bei gesunden Tieren. Auch zeigten Tiere, die eine SAB erlitten hatten, keinerlei Reaktion auf Änderungen der arteriellen CO2-Konzentration. Gesunde Tiere reagierten wie erwartet mit einer Dilatation bzw. Konstriktion auf eine Hyper- bzw. Hypokapnie. Diese Reaktion fehlte bei Tieren nach einer SAB völlig, gleichgültig ob die Änderungen der arteriellen CO2-Konzentration respiratorisch oder durch die exogene Zufuhr von CO2 verursacht wurden. Dies gibt einen deutlichen Hinweis auf eine rasche Störung der Funktionsfähigkeit des arteriellen Endothels, welches für die Aufrechterhaltung der zerebralen Homöostase essentiell ist. Den wichtigsten Befund dieser Arbeit dürften jedoch die Mikrovasospasmen und die Entdeckung von arteriellen Thromben im pialen Strömungsgebiet darstellen. Vasospasmen sind ein seit langem nach SAB bekanntes Phänomen, jedoch wurden diese i.d.R. 4-7 Tage nach SAB in den großen Gefäßen des Gehirns - wie der MCA oder der ACA - beschrieben und können aufgrund ihrer Lokalisation und aufgrund ihres mangelnden prädiktiven Wertes bzgl. der neurologischen Defizite nach SAB zu diesen Defiziten nur einen geringen Beitrag leisten. Hier konnten nun erstmals die schon lange vermuteten Mikrovasospasmen nach SAB direkt nachgewiesen und diese auch näher quantifiziert werden. Es zeigten sich in beinahe allen Gefäßen die mit Blut in Kontakt kamen 3 Stunden nach SAB deutliche segmentale oder perlschnurartige Mikrovasospasmen, welche eine Reduktion des Gefäßlumens um bis zur Hälfte nach sich ziehen. Diese haben somit sicherlich eine deutliche Reduktion des Angebots an Sauerstoff und anderen Metaboliten für das Gehirn zur Folge. Des weiteren sind die gefundenen arteriellen Thromben, welche in großer Zahl einzig nach SAB auftraten, zusätzlich zu den Mikrovasospasmen ein weiterer Faktor, welcher die Durchblutung des Gehirns deutlich einschränkt und somit zu der Mortalität und Morbidität beiträgt. Der Grund, weswegen die Mikrovasospasmen und Thromben entstehen, ist bis heute weitestgehend unklar, jedoch lässt sich begründet vermuten, daß ein lokaler NO-Mangel als Ursache für die beobachteten Phänomene verantwortlich ist.

Fri, 18 Jul 2008 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/9195/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/9195/1/Heimstaedt_Konstanze.pdf Heimstädt, Konstanze

Hintergrund der vorliegenden Studie war, ein Behandlungskonzept für die unmittelbar nach einer Subarachnoidalblutung einsetzenden Pathomechanismen zu entwickeln. Dabei bilden das post-hämorrhagische Hirnödem neben der akut einsetzenden Erhöhung des intrakraniellen Drucks (ICP) und dem Abfall der zerebralen Perfusion (CBF) die wesentlichen kausalen Pathomechanismen für die hohe Frühmorbidität und –letalität der Patienten. Zu diesem Zweck wurde das therapeutische Konzept der Small Volume Resuscitation – einer neuen Primärtherapie des traumatisch-hämorrhagischen Schocks und des Schädel-Hirn-Traumas - evaluiert, bei der die intravenöse Bolusinjektion eines kleinen Volumens (250 ml) einer stark hyperosmolaren (7,5 %) Kochsalzlösung genutzt wird, um intraendotheliales und intraparenchymales Wasser zu mobilisieren und dadurch das intravaskuläre Volumen wiederherzustellen. Die erzielte Hämodilution zusammen mit dem hyperosmolaritätsbedingten Schrumpfen des endothelial-perivaskulären Volumens führt zu einer verbesserten Mikrozirkulation und einem Auswa-schen potentiell gefährlicher Metaboliten – es kommt zur Reduktion des perivaskulären Ödems mit Reperfusion der mikrozirkulatorischen Strombahn. Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, verschiedene klinisch gebräuchliche hyperton-hyperonkotische Lösungen hinsichtlich ihrer therapeutischen Wirksamkeit nach experimenteller Subarachnoidalblutung der Ratte zu vergleichen. Diese Untersuchung sollte anhand von definierten Zielparametern, sowohl hinsichtlich kurzfristiger Wirkungen nach SAB (Verlauf von ICP und CBF während der ersten 90min nach SAB) als auch hinsichtlich längerfristiger Effekte (Neuro-score für 7 posthämorrhagische Tage und quantitative histologische Auswertung) durchgeführt werden. 60 männliche dextranresistente Wistarratten wurden in vier Gruppen à 15 Tiere randomi-siert um dann entweder mit 0,9% NaCl- Lösung (Kontrollgruppe), 7,5% NaCl- Lösung mit 6% Dextran 70 (Rescue FlowTM), 7,2% NaCl- Lösung mit 200.000 HAES (HyperHAES®) oder 20% Mannitol 30 min nach Induktion der SAB intravenös therapiert zu werden. Nach Beendigung der Messung der kontinuierlich aufgezeichneten Parameter wurden die Tiere 7 Tage lang nachbeo-bachtet und ihre neurologische Erholung dokumentiert; dann wurden die Gehirne entnommen und histologisch aufgearbeitet. Mit Hilfe dieses experimentellen Setups konnte nachgewiesen werden, dass der Hirndruck nach experimenteller SAB bei Ratten durch die Applikation der untersuchten hypertonen Lösungen (7,5% NaCl- Lösung mit 6% Dextran 70 [Rescue FlowTM], 7,2% NaCl- Lösung mit 200.000 - 75 - HAES [HyperHAES®] und 20% Mannitol in vergleichbarer Weise unmittelbar und anhaltend signifikant gegenüber der Kontrollgruppe gesenkt werden konnte. Die Kontrolllösung konnte den ICP nicht senken. Nur die Applikation von 7,5 % NaCl/ Dextran – Lösung konnte den zerebralen Blutfluss auf der von der Blutung betroffenen Seite für 20 min steigern. Die mit den verwendeten Tests beschriebene neurologische Erholung konnte durch Therapie mit den getesteten Lösungen nicht signifikant im Vergleich zur Kontrollgruppe verbessert werden; es ergaben sich auch zwischen den anderen Gruppen keine signifikanten Unterschiede. Eine signifikante Steigerung der Leistungen während des Beobachtungszeitraums konnte allerdings innerhalb der 7,5 % NaCl/ Dextrantherapiegruppe gezeigt werden. Nur in der mit 7,5 % NaCl/ Dextran therapierten Gruppe zeigten sich zudem signifikante protektive Effekte im Motorkortex und Kaudoputamen im Hinblick auf die Zahl intakter Neurone. Allein die Therapie mit 7,5 % NaCl/ Dextranlösung konnte, wenn auch nur als statistischer Trend, die Frühletalität nach SAB senken. Bei keinem der Versu-che kam es nach Applikation der Therapielösungen zu einer erneuten SAB. Die vorhandene klinische Zulassung von 7,5% + 6% Dextran 70 (RescueFlow™) für die initiale Behandlung von hämorrhagischem Schock würde eine rasche Umsetzung der experimentellen Ergebnisse im Rahmen einer klinischen Studie bei Patienten mit schwerer SAB erleichtern.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Genotoxizität des Tabakalkaloids Myosmin mit Hilfe des Comet-Assays in der humanen Ösophagus-Adenokarzinomzelllinie OE33. Der Comet-Assay weist in seiner alkalischen Form Einzel- und Doppelstrangbrüche der DNA, sowie alkalilabile Stellen und DNA-Fragmente, die bei der Excisionsreparatur entstehen nach. Als wichtigster Risikofaktor für die Entstehung von Adenokarzinomen im Ösophagus gilt der Barrett-Ösophagus, bei dem es durch Reflux von Säure und Duodenalinhalten aus dem Magen zu Entzündungen kommt. Um die so im Ösophagus auftretenden Bedingungen abzubilden, wurden die OE33-Zellen zum einen bei sauren pH-Werten mit Myosmin allein oder gleichzeitig mit Myosmin und verschiedenen reaktiven Spezies behandelt. Dies führte zu einer Steigerung der durch Myosmin verursachten, im Comet-Assay nachweisbaren DNA-Schäden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass Myosmin die Reparatur methylierter DNA in OE33-Zellen hemmt. Die genotoxische Wirkung von Myosmin beruht wahrscheinlich auf der Induktion von 4-Hydroxy-1-(3-pyridyl)-1-butanon (HPB) freisetzenden DNA-Addukten. Diese Addukte werden außerdem von den als kanzerogen für den Menschen eingestuften Tabakspezifischen Nitrosaminen 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanon (NNK) und Nitrosonornicotin (NNN) verursacht. Myosmin kann zum einen zu NNN nitrosiert werden, das nach metabolischer Aktivierung HBP-Addukte verursachen kann. Darüber hinaus kann es durch Nitrosierung bzw. Peroxidierung aber auch direkt zu reaktiven Metaboliten umgesetzt werden, die HPB-Addukte bilden.

Die Zusammensetzung und Arbeitsweise des Tic Komplexes ist noch ungeklärt. Tic110 ist die einzige von sieben Komponenten, die allgemein akzeptiert ist. Die Funktion und genaue Topologie des Proteins ist aber noch umstritten (Abb.3). Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Experimente zur Klärung der Topologie und Funktion des Proteins durchgeführt. Zum Einen wurde über ein CD-Spektrum eine alpha-helikale Sekundärstruktur für Tic110 gezeigt. Proteasebehandlung sowohl von Vesikeln der inneren Hüllmembran als auch von intakten Chloroplasten lassen vermuten, dass Bereiche von Tic110 in den Intermembranraum zeigen. Auf der anderen Seite weisen Affinitätschromatographieversuche mit dem C-Terminus von Tic110 darauf hin, dass das Protein im Stroma mit HSP93 und HSP70 interagiert. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass ein Teil des C-Terminus in den Intermembranraum ragt und ein anderer Teil ins Stroma. Ob im C-Terminus amphiphile Helices ausgebildet werden können, muss geklärt werden. Mengenmäßig ist Tic110 prominenter in der inneren chloroplastidären Hüllmembran vorhanden als Tic20, der andere „Kandidat“ für die Pore des Tic Komplexes. Im Vergleich zur Menge von Toc75, der Pore der äusseren Hüllmembran, ist Tic110 in ähnlichen Mengen vorhanden. Tic110 ist also ein geeigneter Kandidat, an der Porenbildung beteiligt zu sein. Desweiteren wurden Interaktionspartner vom N-Terminus von Tic110 gesucht. Dabei wurde ein 32 kDa Protein gefunden, dass große Homologien zu sogenannten „short-chain“ Dehydrogenasen aufweist. In der vorliegenden Arbeit wurde über Importversuche und Immunpräzipitationsexperimente eine Zugehörigkeit des Proteins zum Tic Komplex gezeigt. Die Komponente wurde Tic32 genannt. Tic32 ist eine funktionelle Dehydrogenase, deren Beteiligung während des Importprozesses noch zu klären bleibt. T-DNA Insertionslinien von Tic32 ergaben, dass das Protein für die für die Plastidenentwicklung essentiell ist. Da mit Tic32 neben Tic55 und Tic62 nun schon die dritte Tic Komponente gefunden wurde, die Redox Charakteristika aufweist, wurden verschiedene Importexperimente durchgeführt. Dafür wurden zwei chloroplastidäre FNR-Isologe und zwei chloroplastidäre Fd-Isologe in Chloroplasten importiert, deren Redoxzustand vor der Importreaktion mit verschiedenen Metaboliten oder Redoxkomponenten beeinflusst wurde. Sowohl nach Behandlung der Chloroplasten mit HAR, deamino-NAD, Oxalacetat und Kaliumhexacyanoferrat nimmt die Importeffizienz der FNR L2 Form stark ab. Auch für die Ferredoxin-Isologe ließ sich ein unterschiedliches Importverhalten feststellen, wenn auch nicht so eindeutig wie für die FNR-Isologe. Dieser Regulationsmechanismus muß nun in weiteren Experimenten genauer untersucht werden.

Widerstandsarterien spielen eine wichtige Rolle bei der Durchblutungsregulation. Bisher konnte der wichtigste endotheliale Dilatator in diesen Gefäßen, EDHF, nicht eindeutig identifiziert werden, da pharmakologische Inhibitoren unspezifische Nebenwirkungen aufwiesen. Die spezifische Inhibition von Enzymen mittels Antisensetechnik konnte in intakten Arterien nicht durchgeführt werden, da diese nur über einen kurzen Zeitraum funktionell intakt erhalten werden konnten. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein neues Organkulturmodell entwickelt, in dem erstmalig die endothelabhängigen EDHF- und NO-vermittelten Dilatationen über 48 h vollständig erhalten werden konnten. Zusätzlich entwickelten die kultivierten Arterien einen mit dem frisch isolierter Arterien vergleichbaren Spontantonus und zeigten eine myogene Reaktion, die sich in Kinetik und Ausmaß der Kontraktion nicht von den Kontrollarterien unterschied. Ebenso kontrahierten die chronisch perfundierten Arterien auf Stimulation mit Noradrenalin und dilatierten nach Applikation des NO-Donors SNP in vergleichbarem Ausmaß wie frisch isolierte Arterien. Um zu untersuchen, ob möglicherweise eine CytochromP450-Epoxygenase in der Signalkaskade des EDHF eine Rolle spielt, wurde zunächst die Expression von CYP2C8 in Widerstandsarterien mittels rtPCR und in-situ-Hybridisierung nachgewiesen. Da mit dem Organkulturmodell die Arterien funktionell vollständig intakt gehalten werden konnten, wurde die Wirkung von Antisense-Oligonucleotiden, die gegen CYP2C8 gerichtet waren, untersucht. Mittels konfokaler Mikroskopie konnte gezeigt werden, dass die FITC-markierten Oligonucleotide sich nur in der Intima befanden und die Transfektion des Endothels eine hohe Effizienz aufwies. Die Transfektion hatte keinen Effekt auf die NA-induzierte Kontraktion, auf die durch NS1619 (KCa-Kanalöffner)- oder die SNP- vermittelte Relaxation, was zeigt, dass die Funktion des glatten Muskels durch die Transfektion unbeeinträchtigt blieb. Die EDHF-vermittelten Dilatationen wurden durch die Transfektion mit den Antisense-Oligonucleotiden um 76% und die korrespondierenden Calciumabfälle um 58 % reduziert, während die Kontrolltransfektionen mit Scrambled- oder Senseoligonucleotiden keinen Einfluss auf die EDHF-mediierten Dilatationen hatten. Die endothelialen Calciumanstiege nach Stimulation mit ACh blieben in den Antisense-transfizierten Arterien unverändert. Das bedeutet, dass die Signaltransduktion der ACh-Rezeptoren durch die Transfektion funktionell nicht beeinträchtigt wurde. Auf diese Weise konnte mit einem spezifischen Inhibitor gezeigt werden, dass CYP2C8 eine EDHF-Synthase ist oder dessen Metabolit einen permissiven Faktor für einen anderen EDHF darstellt und ein elementarer Bestandteil der EDHF-Signalkaskade ist. Zusätzlich wurden mit diesem Organkulturmodell die Auswirkungen des kardiovaskulären Risikofaktors Hochdruck durch isolierte Erhöhung des transmuralen Drucks auf 120 und 160 mmHg (SMA120 bzw. SMA160) während einer Kulturperiode (48 h) untersucht. In den funktionellen Testungen zeigten sich nach 48 h geringere Außendurchmesserwerte in SMA120 und SMA160 im Sinne eines Remodelings. Der erhöhte Perfusionsdruck führte darüber hinaus zu einer Verstärkung der Noradrenalin-vermittelten Kontraktion. Dies ist jedoch nicht durch eine Erhöhung der Calciumsensitivität der Myofilamente zu erklären, da diese im Vergleich zur Kontrolle unverändert war, sondern durch eine Verstärkung der NA-induzierten Calciumanstiege. Neben den Veränderungen in der glatten Muskulatur zeigte sich insbesondere auch eine Beeinträchtigung der Endothel-vermittelten Relaxationen. Die NO-mediierte Dilatation wurde durch die chronische Perfusion bei 120 mmHg um 38% reduziert und bei SMA160 vollständig aufgehoben. Ebenso wurde die EDHF-vermittelte Relaxation bei SMA120 um 20 % und bei SMA160 um 47% verringert und der korrespondierende Calciumabfall um 41 % reduziert. Diese Reduktion der endothelialen Dilatationen wurde nicht durch eine Erhöhung der Elastance der Arterienwand hervorgerufen, da die dosisabhängige SNP-mediierte Relaxation unbeeinträchtigt war. Zusätzlich scheint eine strukturelle Schädigung des Endothels durch den erhöhten Druck unwahrscheinlich, da mittels Rasterelektronenmikroskopie keine Schäden an der Intima dargestellt werden konnten. Die Expression des ACh-Rezeptors scheint auch nicht in dem Maße verringert zu sein, dass sich daraus die verringerten NO- und EDHF-mediierten Relaxationen erklären ließen, da der endotheliale Calciumanstieg in SMA120 im Vergleich zu SMA45 unverändert war. Daher wird die Beeinträchtigung durch den erhöhten Druck in einem nachgeschalteten Signaltransduktionsweg vermutet. Erhöhter transmuraler Druck hat in diesem Modell innerhalb von 2 Tagen schon zu einer erheblichen Beeinträchtigung der endothelialen Funktionen und zu einer verstärkten Reaktivität des glatten Muskels in Widerstandsarterien geführt. Zwar ist eine Erhöhung des transmuralen Drucks für 48 h nicht mit einem jahrelang bestehenden Hypertonus vergleichbar, jedoch könnte man die so erhobenen Befunde als Hinweis werten, dass eine frühzeitige konsequente antihypertensive Therapie sinnvoll ist, um die druckinduzierte Verstärkung der glattmuskulären Reaktivität und die Einschränkung der Endothelfunktion zu verringern und eine daraus resultierende weitere Erhöhung des Blutdruckes zu verhindern.

Osteoporosis and osteopenia are frequent complications which occur after a cardiac transplantation and which are caused by the necessity of a lifetime therapy based on different immunosuppressants. In case of chronic cardiac insufficiency, however, bone metabolism disorders can be observed even before a planned heart transplantation – the pathogenesis of these symptoms is currently to a great extent uncertain. The present study examined the changes of bone metabolism in patients with heart insufficiency, at the same time it dealt with the influence of a calcium substitution with reference to a prospective osteoporosis prophylaxis. Furthermore, the effect has been studied which a prophylactic dose of vitamin D metabolite 1,25-dihydroxyvitamin D3 (0.5µg) given to heart transplanted recipients has on bone metabolism and bone mineral density. These data were compared with a study analyzing the effect of 0.25µg 1,25-dihydroxyvitamin D3 placebo-controlled and also to a study using 1α-hydroxyvitamin D3 for prevention. The present study demonstrated that in patients with chronic cardiac insufficiency a reduced bone mineral density was documented before the planned cardiac transplantation. Nearly 50% of the patients had pathological bone changes in the sense of osteopenia or osteoporosis. By means of different bone markers it has been detected that a high turnover osteoporosis uncoupled by bone formation and resorption is responsible for bone loss. Moreover, the results may lead to the conclusion that besides loop diuretics and anticoagulants the concomitant symptoms of a chronic cardiac insufficiency, strictly speaking hypogonadism, secondary hyperparathyroidism and vitamin D deficiency play a major role in bone loss. In order to create better conditions for a cardiac transplantation these risk factors must be monitored and treated adequately. With calcium substitution no significant influence on bone mineral density could be documented. Calcium prophylaxis, however, seems to have a certain inhibitory effect on bone resorption as well as on secondary hyperparathyroidism. In heart transplanted recipients who were administered 1,25-dihydroxyvitamin D3 and 1α-hydroxyvitamin D3 an increased bone mineral density and thus a normalization of the bone metabolism was observed. Treatment with 1,25-dihydroxyvitamin D3 showed an inhibitory effect of high turnover osteoporosis by means of the decreasing bone resorption and formation markers. 1α-hydroxyvitamin D3 had an inhibitory effect on bone resorption and a stimulating effect on bone formation. 1,25- dihydroxyvitamin D3 at a dosage of 0.5µg triggered hypercalcemic effects. As this higher medication has not shown superiority compared with the lower one regarding the increase of bone mineral density, the dosage of 0.25µg 1,25- dihydroxyvitamin D3 seems to have more advantages. The results of this study prompt the suggestion that the use of vitamin D metabolites is more efficient for prevention and therapy of post-transplantation osteoporosis than the sole calcium substitution. With the present study no difference could be demonstrated between the above mentioned vitamin D metabolites concerning the effect on an increase of bone mineral density. In summary, the present data show the importance of pre-operative and post-operative screening in order to detect the negative influences on bone metabolism and to treat patients with chronic heart insufficiencies and after cardiac transplantations as soon as possible.

Das Sevesogift 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin, TCDD, ist das stärkste bisher vom Menschen in die Umwelt gebrachte Gift. Ein großer Anteil seiner toxischen Wirkungen wird auf das hohe Induktionspotential für fremdstoffmetabolisierende Enzyme zurückgeführt. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Auswirkung einer nicht letalen TCDD-Belastung auf den Arzneistoffwechsel im Modellversuch an Ratten. Als Pharmakon wurde das gut untersuchte und seit langer Zeit klinisch genutzte Imipramin gewählt. In allen Versuchen wurden die Ratten 48 Stunden vor Untersuchung des Imipraminstoffwechsels mit einer Einzeldosis von 5 µg TCDD/kg Körpergewicht vorbehandelt. Der Imipraminstoffwechsel wurde entweder in vivo durch Bestimmung der Kinetik von Imipramin und seines primären Hauptmetaboliten Desipramin im Plasma der Ratten ermittelt oder in vitro durch Messung des Umsatzes in den Lebermikrosomen bestimmt. Dabei wurden die Konzentrationen von Imipramin und seinen Metaboliten mit einer etablierten HPLC-Methode gemessen. Die Applikation von TCDD und Imipramin in vivo erfolgte bei den Ratten entweder über einen implantierten Duodenal- bzw. Jejunalkatheter oder durch intragastrale Verabreichung mit einer Schlundsonde. Mehrfache Blutproben von Einzeltieren wurden über einen implantierten Carotiskatheter oder aus dem Retroorbitalsinus gewonnen. Der induzierende Effekt der TCDD-Behandlung wurde in den Rattenlebermikrosomen anhand der Deethylierung von Ethoxyresorufin zu Resorufin überprüft. Der Umsatz dieses Substrates der Cytochrom P450-Isoenzyme 1A1 und 1A2 wurde durch die TCDD-Behandlung dreifach gegenüber den Kontrollen erhöht. Dagegen wurde der Abbau von Imipramin durch TCDD weder in den Mikrosomen in vitro, noch bei den Ratten in vivo stimuliert. Im ersten in vivo Versuch mit intraduodenaler Applikation erhöhte TCDD entgegen der Erwartung die Plasmakonzentrationen von Imipramin und Desipramin im Versuchszeitraum von 5 Stunden hoch signifikant um mehr als das Dreifache gegenüber den Kontrollen. Diese Steigerung der Bioverfügbarkeit konnte in weiteren Versuchen mit langsamerer Anflutung nach intragastraler Applikation von Imipramin nicht und auch nach intraajejunaler Gabe nur teilweise reproduziert werden. Die vorliegenden Versuche erlauben keinen Rückschluß auf den Wirkungsmechanismus des paradoxen TCDD-Effekts bei intraduodenaler Imipraminverabreichung. Angesichts der im Vergleich zum Tierversuch wesentlich geringeren TCDD-Belastung ist beim Menschen mit einem solchen Effekt auf den Arzneistoffwechsel jedoch nicht zu rechnen.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, verschiedene physiologische Parameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Kolonisierungs- und Plasmidtransfereffizienz von P. chlororaphis SPR044 in der Rhizosphäre von A. thaliana zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden TnMod-Insertionsderivate mit Veränderungen "Quorum-Sensing"-regulierter Funktionen untersucht. Darüber hinaus sollten Auswirkungen von pJP4 auf die Fitness von SPR044 festgestellt werden. Weiterhin sollte eine Strategie zur in situ-Detektion plasmid-tragender Stämme in der Rhizosphäre entwickelt werden. Folgende Ergebnisse wurden erhalten: Das natürliche Isolat P. chlororaphis SPR044 produzierte BHSL, 3-OH-OHSL und ein weiteres, bisher nicht identifiziertes Acyl-HSL. Alle drei Acyl-HSLs wurden ebenfalls von den PCN-negativen SPR044-Derivaten sowie vom PCN-Überproduzierer produziert, nicht jedoch von den "Quorum-Sensing"-negativen Derivaten. Entsprechend der regulatorischen Funktion der Acyl-HSLs zeigten quantitative Analysen eine Korrelation zwischen der Menge von produzierten Acyl-HSLs, antimikrobiellen Metaboliten und extrazellulären Proteasen. Die einzige Ausnahme bildete der PCN-Überproduzierer. Dessen PCN-Überproduktion basiert vermutlich auf einer Veränderung des LPS und nicht auf der Ausschaltung eines negativen Regulators. In Einzelkultivierungs-Experimenten zeigte sich nach 14 Tagen kein Unterschied zwischen den Populationsgrößen des Wildtyps und der Derivate. Nach 28 und 42 Tagen war die Population des Wildtyps gleich groß wie die des PCN-negativen Derivats und signifikant größer als die des gacS-negativen Derivats und des PCN-Überproduzierers. In Kokultivierungs-Experimenten war die Population des gacS-negativen Derivats hingegen stets gleich groß wie die des Wildtyps. Eine Erklärung dieses Phänomens konnte durch Untersuchung der Wachstumskinetiken in Flüssigkultur erbracht werden. Die "Quorum-Sensing"-negativen Derivate wiesen eine stark verkürzte Lag-Phase und eine reduzierte Produktion des für die stationäre Phase spezifischen Sigmafaktors Rpos auf. Dies führte nach Koinokulation mit anderen Bakterien offenbar zu einer Aufhebung des selektiven Nachteils. Vermutlich nutzen die gacS-negativen Stämme komplexe C-Quellen, die durch die Enzyme des Wildtyps zugänglich gemacht werden und profitieren darüber hinaus von der verkürzten Lag-Phase. Die Frequenz des konjugativen pJP4-Transfers von SPR044 zu R. eutropha ist unabhängig von "Quorum-Sensing"- und PCN-Produktion. Die Transformation mit pJP4 per se hatte keinen negativen Einfluss auf die Rhizosphäre-Kolonisierungseffizienz von SPR044. Lag jedoch zusätzlich abiotischer oder biotischer Stress vor, manifestierte sich die metabolische Last durch pJP4 in einer verringerten Populationsgröße. Dieser Effekt war unabhängig vom "Quorum-Sensing"-System und der PCN-Produktion von SPR044. VirB5 von A. tumefaciens assembliert in einer höhermolekularen Struktur, die durch Scherkräfte von der Zelle gelöst und mittels Ultrazentrifugation sedimentiert werden kann. Bei verschiedenen Reinigungsschritten wurde eine Kofraktionierung mit der Haupt-Piluskomponente VirB2 beobachtet. VirB5 ist somit eine Nebenkomponente des T-Pilus. Das homologe Protein TraC aus dem IncN-Plasmid übt vermutlich eine ähnliche Funktion in pKM101-determinierten Pili aus. Zellfraktionierung pJP4-tragender P. chlororaphis-Zellen und Detektion mit spezifischen Antiseren deuten darauf hin, dass TrbC und TrbF Haupt- und Nebenkomponente pJP4-determinierter Pili sind. Bei TrbH handelt es sich um ein membran-assoziiertes Lipoprotein. Die Detektion pJP4-tragender Bakterien aus der Rhizosphäre war mit den TrbF- und TrbH-spezifischen Antiseren in situ möglich. Das TrbF-spezifische Antiserum ermöglichte die Erkennung IncP-Plasmid-tragender Bakterien. Das TrbH-spezifische Antiserum ermöglichte eine zusätzliche Unterscheidung zwischen IncPa- und IncPß-Plasmid-tragenden Zellen. Eine Kombination der Immunfluoreszenz-Analyse mit FISH erwies sich als geeignet für die Detektion von pJP4-Transfer zwischen SPR044 und R. eutropha in der Rhizosphäre von A. thaliana.

Die Superfamilie der ABC-Proteine ist eine der größten bisher bekannten Proteinfamilien. Ihre Mitglieder enthalten ein oder zwei nukleotidbindende Domänen mit je einem Walker A- und B-Motiv, sowie das charakteristische ABC-Motiv. Ein Großteil darunter sind Membranproteine, die zusätzlich ein oder zwei Transmembrandomänen besitzen. Diese ABC-Transporter sind vor allem in Mensch und Hefe charakterisiert, wo sie in zahlreichen Transportprozessen über die Membranen involviert sind. Über die Funktion der ABC-Transporter in pflanzlichen Organismen ist wenig bekannt, jedoch gibt es Hinweise dass diese Proteinfamilie in Pflanzen auch an der Kompartimentierung von Fremdstoffmetaboliten beteiligt ist. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana wurden 103 ABC-Transportergene annotiert, die sich in 9 Subfamilien aufteilen. Experimentell nachgewiesen wurden bisher lediglich 6 Mitglieder aus 2 Subfamilien. In dieser Arbeit wurden 28 ABC-Transporter aus 6 Subfamilien, davon 4 bisher nicht untersuchte, hinsichtlich organspezifischer Expression und Induktionsverhalten nach Herbizid- bzw. Safenerbehandlung untersucht. Dazu wurde ein DNA-Array ("Detox-Array") mit genspezifischen Sonden zur parallelen Transkriptanalyse etabliert. Zusätzlich wurden in Zusammenarbeit mit anderen Projekten weitere Genfamilien mit einbezogen, die potenziell an der Detoxifizierung von Xenobiotika beteiligt sind (Cytochrom P450 Monooxygenasen, Glutathion-S-Transferasen und UDP-Glycosyltransferasen), um Koregulationen einzelner Mitglieder der unterschiedlichen Genfamilien untersuchen zu können. Um die Unterscheidung auch hoch homologer Mitglieder dieser Familien zu ermöglichen, wurden Sonden aus dem 3‘-untranslatierten Bereich dieser Gene entwickelt und auf ihre Eignung zur Transkriptmessung untersucht. Die Expressionsanalyse der ABC-Transporter in Wurzeln, Stängeln, Blättern, Blütenständen und Schoten zeigte neben den sechs bereits bekannten ABC-Transportern Transkripte von 21 weiteren Vertretern. Die meisten waren in der Wurzel (26 von 28) nachzuweisen, die wenigsten (7 von 28) im Blatt. Am höchsten exprimiert waren AtMRP12 und AtPDR8 in der Wurzel und AtMRP5 in der Schote. Die Induktion der ABC-Transporter durch Xenobiotika wurde an Pflanzen 24h oder 36h nach Behandlung mit unterschiedlichen Chemikalien (Primisulfuron, Bromoxynil, Benoxacor) in sublethalen Dosen untersucht. Für die beiden Herbizide typische Schäden konnten erst 3 Tage nach der Behandlung beobachtet werden. Neben der in der Literatur beschriebenen Primisulfuron-Induktion von AtMRP3 (Tommasini et al., 1997) waren AtPDR8, AtMRP5, AtMRP4 und AtAOH1 transient nach 24h induziert. Mit einem Antiserum, das gegen die Subfamilie der PDR-Transporter erzeugt worden war, konnte deren Induktion durch Primisulfuron und Benoxacor auch auf Proteinebene nachgewiesen werden. Eine spezifische 6-fache Induktion nach Bromoxynil-Behandlung zeigte der ABC-Transporter AtTAP1. Die sechs genannten ABC-Transporter stellen somit Kandidaten dar, die an der Kompartimentierung von Metaboliten beteiligt sein können. Dabei kann es sich entweder um Primisulfuron- bzw. Bromoxynilmetabolite oder durch die Behandlung mit den Xenobiotika entstandene endogene Metabolite handeln. Eine Hauptkomponentenanalyse der Expressionsprofile zeigte, dass auf der Basis der auf dem Detox-Array vertretenen, aus dem Entgiftungs- und Sekundärmetabolismus ausgewählten Genfamilien eine eindeutige Unterscheidung der Antwort auf die verschiedenen Herbizide abgeleitet werden kann. Weitere Daten aus Kollaborationen mit anderen Projekten wurden in einer zweiten Hauptkomponentenanalyse mit einbezogen und zeigen, dass die Unterschiede vor allem auf die sekundären Auswirkungen der Herbizide zurückzuführen sind. Die dabei gefundene Koregulation der Primisulfuron-Behandlung mit der Reaktion auf das Signalmolekül Salicylsäure und ein bakterielles Pathogen ließ weiter schließen, dass Primisulfuron einen Elicitor-ähnlichen Effekt auf die Pflanze hat. Zur weiterführenden Funktionsanalyse von ABC-Transportern wurden parallel zu diesen Arbeiten knock-out Mutanten gesucht. In einer Kollektion des MPI für Züchtungsforschung in Köln konnten zwei Mutanten identifiziert werden, die jeweils ein En-Transposon innerhalb der offenen Leserahmen von AtPDR4 bzw. AtMDR4 besitzen.