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Tryptophan-Metabolismus bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen : Biomarker für Inflammation und Karzinogenese

Huhn, Meik (2021):
Tryptophan-Metabolismus bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen : Biomarker für Inflammation und Karzinogenese. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.12921/tuprints-00017215,
[Ph.D. Thesis]

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Dissertation Meik Huhn TU Prints 08.12.2020.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Tryptophan-Metabolismus bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen : Biomarker für Inflammation und Karzinogenese
Language: German
Abstract:

Chronisch-entzündliche Darmerkrankungen, wie die beiden wesentlichen pathophysiologischen Formen Colitis ulcerosa und Morbus Crohn, sind persistierende gastrointestinale Erkrankungen, die auf einer überschießenden Immunantwort mit einem Ungleichgewicht von pro- und antiinflammatorischen Zytokinen basieren. Eine Verbesserung der Symptomatik kann mit antientzündlichen, immunsuppressiven Medikamenten und Biopharmazeutika, aber oft leider nur mit chirurgischen Maßnahmen erreicht werden. Die diagnostische Abgrenzung von Colitis ulcerosa und Morbus Crohn hat sich durch die Charakterisierung neuer Biomarker zwar verbessert, trotzdem treten in der Klinik Fälle auf, die eine genaue Identifikation des Phänotyps und die Wahl einer spezifischen individuellen Therapie erschweren. Aktuelle Studien zeigen, dass die Berücksichtigung der Lokalisation der Inflammation entlang des gastrointestinalen Traktes essenziell für den Erfolg einer Therapie ist. Die Identifikation eines Biomarkers, der eine differenzierte Diagnose von chronisch entzündlichen Darmerkrankung relevanten Subtypen zulässt, wäre daher von großer Bedeutung. Vielversprechend sind kürzliche Beobachtungen eines differenziell veränderten Tryptophanstoffwechsels mit verminderten systemischen Tryptophankonzentrationen. Tryptophanmetabolite sind als biologisch aktive Moleküle beschrieben, die in Abhängigkeit vom Immunstatus sowohl anti- als auch proinflammatorisch wirken können. Ziel dieser Arbeit war es innerhalb des Tryptophanstoffwechsels einen Biomarker zu identifizieren, der eine eindeutige Differenzierung von Subtypen der chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen erlaubt. Zudem sollten neue Zielstrukturen charakterisiert werden, die den Immunmetabolismus modellieren können, um die Progression von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen sowie eine mögliche Kanzerogenese zu verhindern. Mittels LC-MSMS und ELISA erfolgte eine Untersuchung des systemischen Tryptophanstoffwechsels von Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen sowie im murinen Modell der DSS Colitis. Die Analysen der Plasmaproben zeigten ein verändertes Tryptophanmetabolitprofil abhängig von der Stärke der Inflammation. Während Patienten in Remission kaum veränderte Tryptophanmetabolitwerte zeigten, war im murinen Colitis-Modell eine moderate und starke Inflammation von einer Aktivierung des Tryptophanstoffwechsels begleitet. Die moderate Inflammation verursachte ein Anstieg der Kynureninkonzentration, wohingegen die starke Inflammation die Kynureninkonzentrationen abfallen ließ. Die starke Inflammation induzierte zusätzlich ein Abfall der Konzentration von 3-Hydroxyanthranilsäure, einem weiteren Folgemetaboliten von Kynurenin. Um den Einfluss der intestinalen Enzymexpressionen sowie die auftretenden Metabolitkaskaden zu untersuchen, erfolgte eine immunhistochemische Analyse des lokalen Tryptophanstoffwechsels bei Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen im Schub. Die Ergebnisse zeigten eine spezifische Biomarker-Signatur, die eine eindeutige Differenzierung der chronisch-entzündlichen Darmerkrankung relevanten Subtypen Ileum-assoziierter Morbus Crohn, Kolon-assoziierter Morbus Crohn und Kolon-assoziierte Colitis ulcerosa möglich machten. Die immunhistochemische Bestimmung von Indolamin-2,3-Dioxygenase 1, Kynureninase und Kynurenin-3-Monooxygenase sowie das Verhältnis der Tryptophanmetabolite 3-Hydroxyanthranilsäure zu Kynurenin ermöglichte die eindeutige Differenzierung. Abschließende in vitro Versuche konnten erfolgreich Enzyme des Tryptophanstoffwechsels entweder den Zellen des Immunsystems oder des intestinalen Epithels zuordnen. Hierbei entstand ein neues komplexes und transzelluläres Schema, in welchem Antigenpräsentierende Zellen und Epithelzellen als Produzenten der Tryptophanmetabolite sowie Lymphozyten als Zielzellen charakterisiert wurden. Im Weiteren verdeutlichte eine ausbleibende mRNA Regulation der Kynureninase innerhalb der Analyse der intestinalen Krebszelllinien eine potenzielle Rolle in der Kanzerogenese von Kolonkarzinomen. Hierbei produzieren die intestinalen Krebszellen mittels der entzündungsinduzierten mRNA Expression von Indoleamin-2,3-Dioxygenase 1 und Tryptophan-2,3-Dioxygenase ein konstant hohes Niveau an Kynurenin, indem abwärts-gerichtete Enzyme vermindert exprimiert werden. Zusammenfassend erfolgte innerhalb dieser Arbeit die Identifikation einer mukosalen Biomarker-Signatur, welche mittels immunhistochemischen Analysen eine klare Abgrenzung der chronisch-entzündlichen Darmerkrankung relevanten Subtypen Ileum-assoziierter Morbus Crohn, Kolon-assoziierter Morbus Crohn und Kolon-assoziierte Colitis ulcerosa gewährleistet. Zudem motivieren die Ergebnisse weiterführende Studien durchzuführen, die die Steuerung von lokalen Kynurenin und Kynurenin-abwärtsgerichteten Metaboliten innerhalb von chronisch-entzündlichen Erkrankungen untersuchen und darauf aufbauend potenzielle neue Therapieziele identifizieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Chronic inflammatory bowel diseases such as the two major pathophysiological entities, ulcerative colitis and Crohn's disease, are persistent gastrointestinal injuries based on an excessive immune response with an imbalance of pro- and antiinflammatory cytokines. An improvement of symptoms is currently achieved with antiinflammatory, immunosuppressive drugs or biopharmaceuticals. Unfortunately however, only surgical measures remain as last resort. Diagnostic differentiation of ulcerative colitis and Crohn's disease has improved due to the characterization of new biomarkers. Still patients present in the clinic whose phenotype of colitis is difficult to discern and hampers the right choice of a specific individual therapy. Recent studies show that consideration of the localization of inflammation along the gastrointestinal tract is essential for a successful therapy. The identification of a biomarker that allows a differentiated diagnosis of chronic inflammatory bowel disease relevant subtypes would therefore be of great importance. Recent observations of a differentially altered tryptophan metabolism with reduced systemic tryptophan concentrations are promising. Tryptophan metabolites are described as biologically active molecules that can act both antiinflammatory and proinflammatory depending on the immune status. The aim of this work was to identify a biomarker within the tryptophan metabolism that allows a clear differentiation of subtypes of chronic inflammatory bowel diseases. In addition, new target structures were characterized which potentially modify the immune metabolism to prevent the progression of chronic inflammatory bowel diseases as well as a possible carcinogenic process. LC-MSMS and ELISA were used to determine tryptophan metabolites in plasma of patients with chronic inflammatory bowel diseases and in a murine model of DSS colitis. The analysis revealed an altered tryptophan metabolite profile depending on the intensity of inflammation. While patients in remission hardly showed changes of the tryptophan metabolite levels, in the murine colitis model moderate and severe inflammation was accompanied by activation of tryptophan metabolism. The moderate inflammation caused an increase of the concentration of kynurenine, whereas a strong inflammatory challenge caused a decrease in the concentration of kynurenine. The strong inflammation additionally induced a decrease in the concentration of 3-hydroxyanthranilic acid, another metabolite of kynurenine. In order to investigate the influence of intestinal enzyme expression as well as the occurring metabolite cascades, an immunohistochemical analysis of the local tryptophan metabolism in patients with chronic inflammatory bowel diseases during relapses was performed. The results showed a specific biomarker signature, which allowed a clear differentiation of the chronic inflammatory bowel disease relevant subtypes ileum-associated Crohn's disease, colon-associated Crohn's disease and colon-associated ulcerative colitis. The immunohistochemical determination of indoleamine 2,3-dioxygenase 1, kynureninase and kynurenine 3-monooxygenase as well as the ratio of tryptophan metabolite 3-hydroxyanthranilic acid to kynurenine allowed a clear differentiation. Concluding in vitro experiments successfully demonstrated a preferential expression of enzymes of the tryptophan metabolism either in cells of the immune system or in intestinal epithelial cells. This finding allow to lay out a new complex and transcellular scheme in which antigen-presenting cells and epithelial cells act as producers of tryptophan metabolites whereas lymphocytes were characterized as target cells. Furthermore, the lack of mRNA regulation of kynureninase in the analysis of intestinal cancer cell lines revealed a potential role in the carcinogenesis of colon carcinomas. Here the colon cancer cells after inflammatory activation expressed indoleamine 2,3-dioxygenase 1 and tryptophan 2,3-dioxygenase mRNA allowing constantly high levels of kynurenin, which was supported by lower expression levels of downstream enzymes. In summary, the identification of a mucosal biomarker signature was successfully achieved within this thesis, which warrants a clear differentiation of the chronic inflammatory bowel disease relevant subtypes, ileum-associated Crohn's disease, colon-associated Crohn's disease and colon-associated ulcerative colitis, by immunohistochemical analyses. The results also motivate further studies to investigate the control of local kynurenine and kynurenine downstream metabolites within chronic inflammatory diseases and to identify potential new therapeutic targets.English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: IV, 172 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology > Synthetic Genetic Circuits
Date Deposited: 14 Jan 2021 14:44
Last Modified: 14 Jan 2021 14:44
DOI: 10.12921/tuprints-00017215
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-172157
Referees: Süß, Prof. Dr. Beatrix and Radeke, Prof. Dr. Heinfried H.
Refereed: 5 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17215
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