Metabolische Signaturen Des Insulin-Like Growth Factor 1 Anhand Von Metabolom-Untersuchungen in Plasma Und Urin
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Institut für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin Direktor: Univ.-Prof. Dr. med. M. Nauck Universitätsmedizin der Universität Greifswald Metabolische Signaturen des Insulin-like growth factor 1 anhand von Metabolom-Untersuchungen in Plasma und Urin Inaugural-Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Medizin (Dr. med.) der Universitätsmedizin der Universität Greifswald 2019 Vorgelegt von Henrike Knacke geb. am 07.02.1992 in Eutin Name des Dekans: Prof. Dr. Max P. Baur Erstgutachter: PD Dr. Nele Friedrich Zweitgutachter: Prof. Dr. Martin Reincke (München) Tag der Disputation: 29.11.2019 um 13:00 Uhr Ort der Disputation: Klinik für Innere Medizin A, Seminarraum 7.0.15/17 Universitätsmedizin Greifswald INHALTSVERZEICHNIS 1. EINLEITUNG ......................................................................................................................................... 3 1.1 Fragestellung ..................................................................................................................................... 3 1.2 Regulierung der IGF-I-Sekretion ........................................................................................................ 3 1.3 IGF-Binding Proteins .......................................................................................................................... 4 1.4 IGF-I Signalweg und Effekte ............................................................................................................... 4 1.5 Physiologische Funktionen von IGF-I und assoziierte Erkrankungen ................................................ 6 1.6 Metabolomics .................................................................................................................................... 8 2. MATERIAL UND METHODEN ............................................................................................................... 9 2.1 Studienpopulation ............................................................................................................................. 9 2.2 Phänotypisierung und Labormessungen ........................................................................................... 9 2.3 Metabolomics Messungen .............................................................................................................. 10 2.4 Statistische Analyse ......................................................................................................................... 10 3. ERGEBNISSE ....................................................................................................................................... 12 4. DISKUSSION ....................................................................................................................................... 15 4.1 Geschlechtsunterschiede in der Assoziation von IGF-I mit dem Metabolom ................................. 15 4.2 Steroide ........................................................................................................................................... 16 4.3 Zusammenhang zum Bradykinin-Signalling ..................................................................................... 19 4.4 Aminosäurestoffwechsel ................................................................................................................. 19 4.5 Lysolipide und Fettsäuren ............................................................................................................... 20 4.6 Translation in den klinischen Kontext und Ausblick ........................................................................ 22 4.7 Stärken und Limitationen ................................................................................................................ 23 5. ZUSAMMENFASSUNG ........................................................................................................................ 24 6. ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ............................................................................................................... 25 7. LITERATURVERZEICHNIS .................................................................................................................... 26 8. ANHANG ............................................................................................................................................ 31 8.1 Wissenschaftliche Publikation ......................................................................................................... 32 8.2 Supplement ..................................................................................................................................... 45 8.3 Eidesstattliche Erklärung ................................................................................................................. 56 8.4 Tabellarischer Lebenslauf ................................................................................................................ 57 8.5 Danksagung ..................................................................................................................................... 58 2 1. EINLEITUNG 1.1 Fragestellung Der Insulin-like Growth Factor 1 (IGF-I) ist ein Polypeptidhormon und wesentlicher Bestandteil der Growth Hormone (GH)/IGF-I Achse. Neben seinen bekannten physiologischen Wirkungen (siehe Abbildung 2) wie etwa der Stimulation von Wachstum und Proliferation, wurden Verän- derungen der Serumkonzentration mit einer Vielzahl bevölkerungsrelevanter Erkrankungen innerhalb epidemiologischer Studien assoziiert. Da bisher nur unzureichende Kenntnisse über die molekularen Mechanismen dieser Beobachtungen vorhanden sind, zielt diese Arbeit auf einen hypothesengenerierenden Ansatz ab. Die umfassende Bestimmung der niedermolekula- ren Zusammensetzung von diagnostisch relevanten Materialien wie Plasma oder Urin mittels massenspektrometrischer Verfahren - Metabolomics - erlaubt eine vertiefende Einsicht in mo- lekulare Vorgänge auch auf epidemiologischer Ebene. Unter Verwendung geeigneter statisti- scher Verfahren lassen sich so molekulare Signalwege identifizieren, die in einem beobachtba- ren Zusammenhang zu Serumkonzentrationen des IGF-I stehen. Die Einordnung der Ergebnisse in bereits bekannte Assoziationen zu Krankheiten und Stoffwechselvorgängen sowie in neue mögliche pathophysiologische Zusammenhänge soll dazu dienen, neue Erklärungs- und For- schungsansätze aufzuzeigen. 1.2 Regulierung der IGF-I-Sekretion IGF-I wird hauptsächlich in der Leber syn- thetisiert (zu ~ 75%)1,2, aber auch andere Gewebe wie beispielsweise das Gehirn, das Myokard, Endothelzellen und glatte Mus- kelzellen in Blutgefäßen, pulmonale, renale und intestinale Zellen, Zellen der Prostata sowie Knochen- und Knorpelzellen sind in der Lage, IGF-I zu exprimieren2,3. Hypothalamus, Hypophyse und die Leber sowie die weiteren IGF-I-exprimierenden Gewebe bilden einen klassischen endokri- Abbildung 1: Endokriner Regelkreis der IGF-I Sekretion. nen Regelkreis (Abbildung 1). Growth Abkürzungen: GHRH = Growth Hormone Releasing Hormone, PTH = Parathormon, EGF-I = Epidermal Growth Factor-I Hormone Releasing Hormone (GHRH) und 3 Somatostatin aus dem Hypothalamus regulieren die geschlechtsspezifische pulsatile hypo- physäre GH Ausschüttung2. GH wiederum stimuliert die mRNA-Expression des für IGF-I codie- renden Gens, dessen Produkt dann sekretiert wird4,5. Wie Abbildung 1 zu entnehmen, tragen weitere hormonelle Stimulatoren4,6 zur Feinregulation der IGF-I-Sekretion bei. Der Regelkreis unterliegt einer negativen feedback-Hemmung: IGF-I inhibiert die hypophysäre GH- Genexpression6, hemmt die hypothalamische GHRH-Freisetzung und stimuliert die Bildung von Somatostatin1,6. Zusätzlich haben auch freie Fettsäuren im Plasma einen inhibierenden Effekt auf die GH-Produktion6. 1.3 IGF-Binding Proteins Die Aktivität und Halbwertszeit von IGF-I wird über sechs IGF-binding proteins (IGFBP 1-6) re- guliert, die sowohl hemmende als auch stimulierende Wirkung auf IGF-I haben2. Weniger als 1% des zirkulierenden IGF-I liegt frei im Serum vor, der größte Anteil ist an IGFBP-3 gebunden (>80%) und bildet einen trimeren Komplex mit der Acid Labile Subunit (ALS)5,7,8, einem Stabi- lisatormolekül, das zur Familie der „leucine-rich-repeat“ Proteine gehört8. Auch die Bindungs- moleküle stammen neben der Leber aus weiteren Geweben und ihre Sekretion wird unter an- derem von GH beeinflusst. Das Verhältnis von IGF-I zu IGFBP-3, die IGF-I/IGFBP-3 Ratio, ist eine Schätzgröße für das freie, biologisch aktive IGF-I8,9, sodass im Folgenden beide Begriffe syno- nym verwendet werden. Für die IGFBPs, insbesondere für IGFBP-3, werden IGF-I unabhängige biologische Effekte wie beispielsweise Inhibierung und Förderung von Zellwachstum und - metabolismus, die Induktion von Apoptose sowie im vaskulären System modulierende Effekte auf Angiogenese und atherosklerotische Prozesse diskutiert2,5,10. Es gibt Erkenntnisse über ei- nen eigenen Rezeptor für IGFBP-35. Inwiefern IGF-I unabhängige Effekte von IGFBP-3 in beo- bachtete Assoziationen mit der Ratio eingehen, ist unklar. 1.4 IGF-I Signalweg und Effekte Der IGF-I Rezeptor (IGF-IR) ist ein Tyrosinkinaserezeptor und dem Insulinrezeptor sehr ähnlich (ca. 55% Homologie der Aminosäuresequenz). Es kann zur Hybridisierung der Rezeptorvorstu- fen kommen, die sowohl Insulin als auch IGF-I binden, jedoch mit unterschiedlicher Affinität.7,11 Die Signaltransduktion des IGF-IR erfolgt im Wesentlichen über zwei intrazelluläre Signalkaska- den. Zum einen wird über die Insulin-Rezeptor Substrate (IRS) 1-4 die Phosphatidylinositol 3’ Kinase (PI3K) und schließlich die Akt-Kinase