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Doctoral Thesis
2024
Mechanismen der diätinduzierten Störungen auf die Darmbarrierefunktion
Mechanismen der diätinduzierten Störungen auf die Darmbarrierefunktion
Abstract (German)
Störungen der Darmbarriere sind bei der Entstehung intestinaler und metabolischer Erkrankungen involviert. Dabei beeinflussen sowohl intrinsische als auch extrinsische Faktoren die Funktionalität der Darmbarriere. Obwohl dieser Zusammenhang generell akzeptiert ist, sind die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen nicht hinreichend aufgeklärt. Darüber hinaus gibt es kaum Konzepte, wie eine dysfunktionale Darmbarriere diagnostisch genutzt oder therapeutisch behandelt werden könnte. Im Rahmen des vorliegenden Promotionsprojektes wurden deshalb die molekularen Effekte extrinsischer Nahrungsfaktoren sowie intrinsischer neuronaler und immunologischer Faktoren auf die Darmbarriere untersucht. Darüber hinaus wurde ein therapeutischer Ansatz bei diätinduzierter Darmbarrierestörung evaluiert sowie die Bedeutung der Darmbarrierefunktion für die Diagnostik von Nahrungsmittelunverträglichkeiten (NMUs) geprüft. Sowohl Mangelernährung als auch Überernährung wirken sich negativ auf die Darmbarriere aus. In Vorarbeiten wurden Darmbarrierestörungen im Tiermodell für Adipositas untersucht und gezeigt, dass Präbiotika und kurzkettige Fettsäuren präventiv wirksam sind. Im Rahmen des ersten Promotionsprojektes wurden die Auswirkungen eines Vitamin A (VA)- und Vitamin D (VD)-Mangels auf die Darmbarrierefunktion untersucht. Dazu wurden 36 C57BL/6J Mäuse für 12 Wochen entweder mit einer Kontrolldiät, einer Vitamin A-defizienten oder einer Vitamin D-defizienten Diät gefüttert und die Rolle verschiedener Signalwege in einem Organoid- Zellmodell evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl ein VA- als auch ein VD-Mangel die immunologische Darmbarriere, insbesondere die antimikrobielle Peptidabwehr, im Ileum und Colon beeinträchtigten. Diese Veränderungen gingen mit Störungen des Wnt-Signalweges und vermehrten inflammatorischen Prozessen im Colon einher. Zudem regulierten VA und VD die Expression antimikrobieller Peptide durch den Jak/STAT5-Signalweg. Die Ergebnisse zeigen, dass VA und VD die Darmbarrierefunktion beeinflussen und dass bei Mangelernährung der Vitaminstatus überprüft und gegebenenfalls korrigiert werden sollte. Im zweiten Promotionsprojekt wurde die Darmbarrierefunktion in einem Tiermodell für Adipositas untersucht. Insbesondere wurde die Rolle des intestinalen serotonergen Systems nach Barrierestörung durch eine Western-Style Diät (WSD) sowie die Darm-Leber-Achse analysiert. Dazu wurden 32 Mäuse, welche einen knock-out im Gen für den Serotonin- Wiederaufnahme-Transporter (SERT) aufweisen (SERT-/-) sowie 32 Wildtyp Mäuse (SERT+/+) für 12 Wochen entweder mit einer Kontrolldiät oder einer WSD mit oder ohne 30 %-iger Fruktoselösung (F) gefüttert. Die Ergebnisse zeigen, dass Veränderungen des intestinalen serotonergen Systems die Gen- und Proteinexpression von Tight Junctions (TJ) reduzierten, was mit einer erhöhten Dünndarmpermeabilität einherging. SERT-/- Mäuse wiesen eine Abnahme der Mukusproduktion sowie der antimikrobiellen Peptidabwehr auf. Dadurch kam es zu einer vermehrten bakteriellen Translokation und einer Zunahme von Leberentzündung und -steatose. Somit spielt das serotonerge System bei der Entwicklung von Darmbarrierestörungen, bakterieller Translokation sowie metabolischen Erkrankungen eine Rolle. Im dritten Promotionsprojekt wurden neue Therapieansätze zur Behandlung von Darmbarrierestörungen untersucht. Konkret wurde geprüft, ob antimikrobielle Peptide diätinduzierte Störungen der Darmbarriere sowie metabolische Folgeerkrankungen reduzieren. Dazu erhielten 84 C57BL/6J Mäuse für 18 Wochen entweder eine Kontrolldiät oder eine WSD±F. Ab der 13. Versuchswoche wurden die Mäuse zusätzlich entweder mit HD51-9, hBD2 oder einem Kontrollpeptid behandelt. Zudem wurden potenzielle Signalwege anhand des Organoid-Zellmodells evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine 6-wöchige Defensinbehandlung mit HD51-9 oder hBD2 den Grad der Lebersteatose sowie die Glukosetoleranz bei WSDF-gefütterten Mäusen verbesserte, die Expression ilealer TJ-Proteine erhöhte und die Darmpermeabilität reduzierte. Des Weiteren resultierte die therapeutische Intervention in einer Zunahme der intestinalen antimikrobiellen Peptidabwehr, wobei der Wnt-, TLR/Myd88-, p38 MAPK sowie der Jak/STAT-Signalweg in diese Defensinvermittelten Effekte involviert waren. Defensin-Peptide sind somit ein neuer, vielversprechender Therapieansatz für die Behandlung einer dysfunktionalen Darmbarriere. Im vierten Promotionsprojekt wurde untersucht, ob die Darmbarriere, das enterische Nervensystem (ENS) sowie das mukosale Immunsystem bei der Pathologie von Nicht- Zöliakie-Weizensensitivität (NCWS) involviert sind. Dazu wurden 142 Patienten rekrutiert und anhand einer Allergiediagnostik als betroffen (n = 94) oder nicht betroffen (n = 48) klassifiziert. Zudem wurden mittels einer oralen, doppelblinden, placebokontrollierten Weizenprovokation (DBPCFC) 15 Patienten mit NCWS sowie 19 Kontrollen identifiziert. Anschließend wurden 78 Patienten im Rahmen einer konfokalen Laserendoskopie (CLE) duodenal mit Nahrungsmittelallergenen provoziert. Die Untersuchungen von Gewebeproben mittels RNA-Sequenzierung sowie histologischer und immunhistochemischer Färbungen zeigen, dass Patienten mit NCWS eine Veränderung der Mastzellzahl, eine vermehrte Aktivierung des ENS und möglicherweise Veränderungen des Defensinsystems der Darmbarriere aufwiesen. Im Rahmen der Promotionsprojekte konnten Mechanismen, die diätinduzierten Darmbarrierestörungen zugrunde liegen, beschrieben und ein neuer Therapieansatz aufgezeigt werden. Die Daten unterstreichen die Bedeutung der Darmbarriere für die Pathophysiologie, Diagnostik und Therapie ernährungsassoziierter Erkrankungen.
Abstract (English)
In recent years, dysfunctions of gut barrier have been associated with intestinal and metabolic diseases. While the relationship between intrinsic or extrinsic factors and intestinal barrier function has become quite clear during last years, the underlying molecular mechanisms are not adequately evaluated. Moreover, approaches for diagnostic use or therapeutical options to restore a dysfunctional intestinal barrier are still limited. Therefore, the present PhD work investigated the molecular effects of extrinsic nutritional factors as well as intrinsic neuronal and immunological components on intestinal barrier function. In addition, a therapeutic approach for diet-induced intestinal barrier dysfunction was evaluated and the relevance of intestinal barrier function for diagnostics of food intolerances was examined. Both malnutrition and overeating negatively affect intestinal barrier function. In preliminary work, intestinal barrier disorders were investigated in a mouse model for obesity, and it was demonstrated that prebiotics and short-chain fatty acids have preventive effects. The first project investigated the effects of vitamin A (VA) and vitamin D (VD) deficiency on intestinal barrier function. For this purpose, 36 C57BL/6J mice were fed either a control diet (CD), a vitamin A-deficient-, or a vitamin D-deficient diet for 12 weeks. In addition, the role of different signaling pathways was evaluated using organoid cell culture. Both VA and VD deficiency resulted in an impaired immunological intestinal barrier, especially in a disturbed ileal and colonic antimicrobial peptide defense. These gut barrier impairments were associated with changes in Wnt signaling pathway and increased colonic inflammation. In addition, in vitro data revealed that VA and VD regulated antimicrobial peptide expression through Jak/STAT5 signaling pathway. The results point towards the fact that VA and VD regulate the immunological intestinal barrier function and that in case of malnutrition, vitamin status should be monitored and adjusted if necessary. In the second project, intestinal barrier function was investigated in a mouse model for obesity. Specifically, the role of the intestinal serotonergic system after barrier impairments by a Western-style diet (WSD) and consequences for gut-liver axis were analyzed. Therefore, 32 mice exhibiting a knock-out in the serotonin reuptake transporter (SERT) gene (SERT-/-) and 32 SERT wild-type (SERT+/+) mice were fed either a control diet or a WSD, with or without 30 % fructose solution (F), for 12 weeks. Disturbances in the intestinal serotonergic system resulted in a reduction of tight junction (TJ) gene and protein formation, which was associated with increased small intestinal permeability. Furthermore, mucus production and antimicrobial peptide defense were decreased in SERT-/- mice, whereby these effects were associated with increased bacterial translocation and hepatic inflammation in SERT-/- mice receiving a WSDF. These results provide evidence that the intestinal serotonergic system plays a role for intestinal barrier disorders, bacterial translocation and in metabolic diseases. The aim of the third PhD project was to evaluate a therapeutic approach for diet-induced intestinal barrier dysfunctions. In particular, the study examined whether antimicrobial peptides reduce diet-induced intestinal barrier disorders and metabolic diseases. Therefore, 84 C57BL/6J mice were fed either a CD or a WSD with or without a 30% fructose solution for 18 weeks. From week 13 onwards, mice were treated additionally with either HD51-9, hBD2 or a control peptide. Moreover, possible underlying molecular mechanisms were evaluated using organoid cell culture. Six weeks of defensin treatment improved hepatic steatosis and glucose tolerance in WSDF-fed mice. Furthermore, defensin administration induced the expression of ileal TJ proteins and improved small intestinal permeability. Consistently, the therapeutic intervention restored ileal antimicrobial peptide defense in WSD±F fed mice, whereby in vivo and in vitro data revealed that Wnt, TLR/Myd88, p38 MAPK, and Jak/STAT signaling pathways were involved in defensin-mediated effects. Thus, defensin peptides represent a new, promising therapeutic approach for treating diet-induced dysfunctions of the intestinal barrier. The objective of the fourth project was to determine the role of intestinal barrier function, enteric nervous system (ENS), and duodenal immune system for the pathology of non-celiac wheat sensitivity (NCWS). For this purpose, 142 patients were recruited and classified as ARF (n = 94) or non-ARF (n = 48) based on allergy diagnostics. Moreover, 15 patients suffering from NCWS, and 19 controls were identified by an oral, double-blind, placebo-controlled food challenge (DBPCFC). Additionally, 78 patients were duodenal challenged with food allergens during confocal laser endoscopy (CLE). Analysis of duodenal biopsy samples by RNA sequencing as well as histological and immunohistochemical staining revealed altered mast cell numbers, increased activation of the ENS and possibly changes in the host peptide defense system of the intestinal barrier in NCWS patients. The present PhD project identified several molecular mechanisms of diet-induced intestinal barrier disorders. In addition, therapeutic use of defensin peptides and fragments to restore diet-induced intestinal barrier disorders was verified in a mouse model. In conclusion, the present data highlight the importance of the intestinal barrier for pathophysiology, diagnostics and treatment of several diseases.
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Faculty of Natural Sciences
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Institute of Clinical Nutrition
Examination date
2024-11-25
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Multiple languages
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Classification (DDC)
610 Medicine and health
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
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url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/17265},
author = {Filipe Rosa, Louisa},
title = {Mechanismen der diätinduzierten Störungen auf die Darmbarrierefunktion},
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