Leg and arm lactate and substrate kinetics during exercise

[EN] To study the role of muscle mass and muscle activity on lactate and energy kinetics during exercise, whole body and limb lactate, glucose, and fatty acid fluxes were determined in six elite cross-country skiers during roller-skiing for 40 min with the diagonal stride (Continuous Arm + Leg) followed by 10 min of double poling and diagonal stride at 72-76% maximal O(2) uptake. A high lactate appearance rate (R(a), 184 +/- 17 micromol x kg(-1) x min(-1)) but a low arterial lactate concentration ( approximately 2.5 mmol/l) were observed during Continuous Arm + Leg despite a substantial net lactate release by the arm of approximately 2.1 mmol/min, which was balanced by a similar net lactate uptake by the leg. Whole body and limb lactate oxidation during Continuous Arm + Leg was approximately 45% at rest and approximately 95% of disappearance rate and limb lactate uptake, respectively. Limb lactate kinetics changed multiple times when exercise mode was changed. Whole body glucose and glycerol turnover was unchanged during the different skiing modes; however, limb net glucose uptake changed severalfold. In conclusion, the arterial lactate concentration can be maintained at a relatively low level despite high lactate R(a) during exercise with a large muscle mass because of the large capacity of active skeletal muscle to take up lactate, which is tightly correlated with lactate delivery. The limb lactate uptake during exercise is oxidized at rates far above resting oxygen consumption, implying that lactate uptake and subsequent oxidation are also dependent on an elevated metabolic rate. The relative contribution of whole body and limb lactate oxidation is between 20 and 30% of total carbohydrate oxidation at rest and during exercise under the various conditions. Skeletal muscle can change its limb net glucose uptake severalfold within minutes, causing a redistribution of the available glucose because whole body glucose turnover was unchanged.

Metabolic and thermodynamic responses to dehydration-induced reductions in muscle blood flow in exercising humans

[EN] 1. The present study examined whether reductions in muscle blood flow with exercise-induced dehydration would reduce substrate delivery and metabolite and heat removal to and from active skeletal muscles during prolonged exercise in the heat. A second aim was to examine the effects of dehydration on fuel utilisation across the exercising leg and identify factors related to fatigue. 2. Seven cyclists performed two cycle ergometer exercise trials in the heat (35 C; 61 +/- 2 % of maximal oxygen consumption rate, VO2,max), separated by 1 week. During the first trial (dehydration, DE), they cycled until volitional exhaustion (135 +/- 4 min, mean +/- s.e.m.), while developing progressive DE and hyperthermia (3.9 +/- 0.3 % body weight loss and 39.7 +/- 0.2 C oesophageal temperature, Toes). On the second trial (control), they cycled for the same period of time maintaining euhydration by ingesting fluids and stabilising Toes at 38.2 +/- 0.1 degrees C. 3. After 20 min of exercise in both trials, leg blood flow (LBF) and leg exchange of lactate, glucose, free fatty acids (FFA) and glycerol were similar. During the 20 to 135 +/- 4 min period of exercise, LBF declined significantly in DE but tended to increase in control. Therefore, after 120 and 135 +/- 4 min of DE, LBF was 0.6 +/- 0.2 and 1.0 +/- 0.3 l min-1 lower (P < 0.05), respectively, compared with control. 4. The lower LBF after 2 h in DE did not alter glucose or FFA delivery compared with control. However, DE resulted in lower (P < 0.05) net FFA uptake and higher (P < 0.05) muscle glycogen utilisation (45 %), muscle lactate accumulation (4.6-fold) and net lactate release (52 %), without altering net glycerol release or net glucose uptake. 5. In both trials, the mean convective heat transfer from the exercising legs to the body core ranged from 6.3 +/- 1.7 to 7.2 +/- 1.3 kJ min-1, thereby accounting for 35-40 % of the estimated rate of heat production ( approximately 18 kJ min-1). 6. At exhaustion in DE, blood lactate values were low whereas blood glucose and muscle glycogen levels were still high. Exhaustion coincided with high body temperature ( approximately 40 C). 7. In conclusion, the present results demonstrate that reductions in exercising muscle blood flow with dehydration do not impair either the delivery of glucose and FFA or the removal of lactate during moderately intense prolonged exercise in the heat. However, dehydration during exercise in the heat elevates carbohydrate oxidation and lactate production. A major finding is that more than one-half of the metabolic heat liberated in the contracting leg muscles is dissipated directly to the surrounding environment. The present results indicate that hyperthermia, rather than altered metabolism, is the main factor underlying the early fatigue with dehydration during prolonged exercise in the heat.

Muscle blood flow is reduced with dehydration during prolonged exercise in humans

[EN] 1. The present study examined whether the blood flow to exercising muscles becomes reduced when cardiac output and systemic vascular conductance decline with dehydration during prolonged exercise in the heat. A secondary aim was to determine whether the upward drift in oxygen consumption (VO2) during prolonged exercise is confined to the active muscles. 2. Seven euhydrated, endurance-trained cyclists performed two bicycle exercise trials in the heat (35 C; 40-50 % relative humidity; 61 +/- 2 % of maximal VO2), separated by 1 week. During the first trial (dehydration trial, DE), they bicycled until volitional exhaustion (135 +/- 4 min, mean +/- s.e.m.), while developing progressive dehydration and hyperthermia (3.9 +/- 0.3 % body weight loss; 39.7 +/- 0.2 C oesophageal temperature, Toes). In the second trial (control trial), they bicycled for the same period of time while maintaining euhydration by ingesting fluids and stabilizing Toes at 38.2 +/- 0.1 C after 30 min exercise. 3. In both trials, cardiac output, leg blood flow (LBF), vascular conductance and VO2 were similar after 20 min exercise. During the 20 min-exhaustion period of DE, cardiac output, LBF and systemic vascular conductance declined significantly (8-14 %; P < 0.05) yet muscle vascular conductance was unaltered. In contrast, during the same period of control, all these cardiovascular variables tended to increase. After 135 +/- 4 min of DE, the 2.0 +/- 0.6 l min-1 lower blood flow to the exercising legs accounted for approximately two-thirds of the reduction in cardiac output. Blood flow to the skin also declined markedly as forearm blood flow was 39 +/- 8 % (P < 0.05) lower in DE vs. control after 135 +/- 4 min. 4. In both trials, whole body VO2 and leg VO2 increased in parallel and were similar throughout exercise. The reduced leg blood flow in DE was accompanied by an even greater increase in femoral arterial-venous O2 (a-vO2) difference. 5. It is concluded that blood flow to the exercising muscles declines significantly with dehydration, due to a lowering in perfusion pressure and systemic blood flow rather than increased vasoconstriction. Furthermore, the progressive increase in oxygen consumption during exercise is confined to the exercising skeletal muscles.

Behavior of respiratory metabolism and pyridine nucleotide levels in Oxyrrhis marina during starvation

Máster en Oceanografía

Bottle effects, toxicity and cell viability during incubation experiments to asses community respiration

Máster en Oceanografía

A parallel future for Ocean research?

[EN] Today, science is difficult to pursue because funding is so tenuous. In such a financial climate, researchers need to consider parallel alternatives to ensure that scientific research can continue. Based on this thinking, we created BIOCEANSolutions, a company born of a research group. A great variety of environmental regulations and standards have emerged over recent years with the purpose of protecting natural ecosystems. These have enabled us to link our research to the market of environmental management. Marine activities can alter environmental conditions, resulting in changes in physiological states, species diversity, abundance, and biomass in the local biological communities. In this way, we can apply our knowledge, to plankton ecophysiology and biochemical oceanography. We measure enzyme activities as bio-indicators of energy metabolism and other physiological rates and biologic-oceanographic processes in marine organisms. This information provides insight into the health of marine communities, the stress levels of individual organisms, and potential anomalies that may be affecting them. In the process of verifying standards and complying with regulations, we can apply our analytic capability and knowledge. The main analyses that we offer are: (1) the activity of the electron transport system (ETS) or potential respiration (Φ), (2) the physiological measurement of respiration (oxygen consumption), (3) the activity of Isocitrate dehydrogenase (IDH), (4) the respiratory CO2 production, and (5) the activity of Glutamate dehydrogenase (GDH) and (6) the physiological measurement of ammonium excretion. In addition, our experience in a productive research group allows us to pursue and develop technical-experimental activities such as marine and freshwater aquaculture, oceanographic field sampling, as well as providing guidance, counseling, and academic services. In summary, this new company will permit us to create a symbiosis between public and private sectors that serve clients and will allow us to grow and expand as a research team.

Active mesopelagic prokaryotes support high respiration in the subtropical northeast Atlantic Ocean

[EN]Here we provide evidence, based on prokaryote metabolic proxies and direct estimates of oxygen consumption, that the mesopelagic prokaryote assemblage in the subtropical Northeast Atlantic is an active one. It supports a high respiration (0.22 ± 0.05 μmol O2 l−1 d−1, corresponding to 68 ± 8 mmol CO2 m−2 d−1), comparable to that of the epipelagic zone during the same period (64–97 mmol C m−2 d−1). Our findings suggest that mesopelagic prokaryotes in the NE subtropical Ocean, as well as in other eastern boundary regions, are important carbon sinks for organic matter advected from the highly productive coastal systems, and would play a key role in the global carbon cycle of the oceans.

Relationships between running economy and mechanics in middle-distance runners

Running economy (RE), i.e. the oxygen consumption at a given submaximal speed, is an important determinant of endurance running performance. So far, investigators have widely attempted to individuate the factors affecting RE in competitive athletes, focusing mainly on the relationships between RE and running biomechanics. However, the current results are inconsistent and a clear mechanical profile of an economic runner has not been yet established. The present work aimed to better understand how the running technique influences RE in sub-elite middle-distance runners by investigating the biomechanical parameters acting on RE and the underlying mechanisms. Special emphasis was given to accounting for intra-individual variability in RE at different speeds and to assessing track running rather than treadmill running. In Study One, a factor analysis was used to reduce the 30 considered mechanical parameters to few global descriptors of the running mechanics. Then, a biomechanical comparison between economic and non economic runners and a multiple regression analysis (with RE as criterion variable and mechanical indices as independent variables) were performed. It was found that a better RE was associated to higher knee and ankle flexion in the support phase, and that the combination of seven individuated mechanical measures explains ∼72% of the variability in RE. In Study Two, a mathematical model predicting RE a priori from the rate of force production, originally developed and used in the field of comparative biology, was adapted and tested in competitive athletes. The model showed a very good fit (R2=0.86). In conclusion, the results of this dissertation suggest that the very complex interrelationships among the mechanical parameters affecting RE may be successfully dealt with through multivariate statistical analyses and the application of theoretical mathematical models. Thanks to these results, coaches are provided with useful tools to assess the biomechanical profile of their athletes. Thus, individual weaknesses in the running technique may be identified and removed, with the ultimate goal to improve RE.

Untersuchungen zur Expression und Funktion intrazellulärer Globine

Im Rahmen meiner Dissertation untersuchte ich die intrazelluläre Lokalisation des Hämoglobin von Drosophila melanogaster, sowie von Neuroglobin und Cytoglobin der Vertebraten. Obwohl alle drei Globine erst kürzlich entdeckt wurden, liegen bereits Daten über ihre Struktur, ihre biochemischen Eigenschaften und die Lokalisation der mRNA vor. Ihre Funktionen konnten bisher jedoch nicht eindeutig geklärt werden. Das Globin von Drosophila melanogaster konnte mittels Westernblot sowohl in Larven als auch adulten Fliegen nachgewiesen werden. Ebenso war es mir möglich, mittels Immunperoxidaseuntersuchungen die Tracheen, die Terminalzellen der Tracheolen sowie die Fettkörperzellen als Ort der Globinexpression in Drosophila zu identifizieren. Diese Daten deuten darauf hin, dass dieses Globin eine Funktion als Sauerstoffpuffer, der sowohl Sauerstoff speichert als auch transportiert, hin. Damit würde das Drosophila Globin eine zu anderen Insektenglobinen vergleichbare Funktion übernehmen. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass Neuroglobin auch in der neuronalen Netzhaut von Säugern und Fischen vorkommt. Des Weiteren konnte Neuroglobin in der Retina zellulär sowie subzellulär lokalisiert werden. In der avaskulären Mäuseretina wurde Neuroglobin neben den Innensegmenten der Photorezeptorzellen, auch noch in den beiden plexiformen Schichten sowie in der Ganglienzellschicht gefunden. Die gezeigte Kolokalisation dieses intrazellulären Globins mit Mitochondrien und somit auch mit den Orten des höchsten Sauerstoffbedarfs in der Retina deutet auf eine Funktion im Sauerstofftransport zu den Mitochondrien hin. Des Weiteren könnte Neuroglobin auch als Sauerstoffspeicher dienen, der es Neuronen ermöglicht, kurzfristige hypoxische Bedingungen unbeschadet zu überstehen. Andere mögliche Funktionen wie z.B. die als Detoxifizierer von reaktiven Sauerstoff- bzw. Sickstoffverbindungen, als Sauerstoffsensor, sowie als terminale Oxidase erscheinen durch die gezeigten Daten eher unwahrscheinlich. Die bisherige Annahme, dass Cytoglobin ein ubiquitär exprimiertes Protein ist, konnte von mir nicht bestätigt werden. Für nichtneuronale Gewebe konnte gezeigt werden, dass Cytoglobin lediglich auf das Cytoplasma von Fibroblasten und ontogenetisch verwandte Zelltypen wie Osteoblasten, Chondroblasten und Sternzellen beschränkt ist. Möglicherweise hat Cytoglobin dort eine Funktion in der Kollagensynthese. Ferner wird Cygb cytoplasmatisch und nukleär in einigen Neuronen der Retina und des Gehirns exprimiert. Dort könnte Cygb z.B. nukleäre Enzyme wie die NO-Synthase mit Sauerstoff versorgen. Andere Funktionen scheinen aufgrund meiner Daten im Moment unwahrscheinlich.

Untersuchung zur Temperaturabhängigkeit der O2-Bindungseigenschaft von Hämocyanin aus Arthropoden verschiedener Biotope

Die Evolution hat nur wenige O2-Transportproteine im Tierreich hervorgebracht. Sie alle nutzen entweder die Metallionen Fe2+ oder Cu2+ zur reversiblen Sauerstoffbindung in vier verschiedenen Typen von aktiven Zentren. Die Metallatome werden dabei über eine prosthetische Gruppe (Porphyrin-Ring) oder direkt (koordinativ) durch Histidine an die Proteinmatrix gebunden. Die Atmungsproteine sorgen für den Transport des Sauerstoffs von den respiratorischen Epithelien (Lunge, Kiemen), hin zu den O2 verbrauchenden Gewebszellen (oxidativer Stoffwechsel). Die Beladung mit Sauerstoff in den Lungen, bzw. den Kiemen sollte leicht und schnell, d.h. mit einer möglichst hohen O2-Affinität erfolgen. Die Arthropoden sind ein sehr artenreicher und erfolgreicher Tierstamm. Ihnen ist es im Laufe der Evolution gelungen, fast alle Lebensräume zu Wasser, auf dem Land und in der Luft zu besiedeln. Die Erschließung so unterschiedlicher Biotope setzt eine sehr gute physiologische Anpassungsfähigkeit voraus. Das physiologisch wichtigste Problem, welches für jeden Lebensraum während der Evolution gelöst werden mußte, ist eine optimale Sauerstoffversorgung der Körperzellen bei allen Umweltbedingungen zu gewährleisten. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, inwieweit verschiedene Arthropoden-Hämocyanine eine biotopabhängige (temperaturabhängige) Adaptation der O2-Versorgung (Proteinfunktion) auf Ebene des Hämocyaninmoleküls zeigen. Bei den hier untersuchten Hämocyaninen ließ sich eine signifikante Biotopabhängigkeit für den „Proteinfunktions-Parameter“ Kooperativität nachweisen.

L’inibizione della lattico deidrogenasi: una possibile strategia per migliorare il trattamento farmacologico del carcinoma epatocellulare

Il lavoro svolto nel corso del mio dottorato ha avuto per oggetto lo studio dell’ inibizione della glicolisi aerobia (il principale processo metabolico utilizzato dalle cellule neoplastiche per produrre energia) ottenuta mediante il blocco dell’enzima lattato deidrogenasi (LDH). La mia attività si è concentrata sulla possibilità di utilizzare questo approccio allo scopo di migliorare l’efficacia della terapia antitumorale, valutandone gli effetti su colture di carcinoma epatocellulare umano Inizialmente, per valutare gli effetti della inibizione della LDH, è stato usato l’acido ossamico ( OXA). Questo composto è l’unico inibitore noto specifico per LDH ; è una molecola non tossica in vivo, ma attiva a concentrazioni troppo elevate per consentirne un uso terapeutico. Un importante risultato ottenuto è stata la dimostrazione che l’ inibizione della LDH ottenuta con OXA non è solo in grado di innescare una risposta di morte nelle cellule trattate, ma, associata alla somministrazione di sorafenib, aumenta fortemente l’efficacia di questo farmaco, determinando un effetto di sinergismo. Questo forte effetto di potenziamento dell’azione del farmaco è stato spiegato con la dimostrazione che il sorafenib ha la capacità di inibire il consumo di ossigeno delle cellule trattate, rendendole più dipendenti dalla glicolisi. Grazie alla collaborazione con il Dipartimento di Scienze Farmaceutiche il nostro gruppo di ricerca è arrivato alla identificazione di un composto (galloflavina) che inibisce la LDH con una efficienza molto maggiore di OXA. I risultati preliminari ottenuti sulle cellule di epatocarcinoma suggeriscono che la galloflavina potrebbe essere un composto promettente nel campo degli inibitori metabolici tumorali e inducono a una sua valutazione più approfondita come potenziale farmaco antineoplastico.

Assessment of vibratory stimulation on neuromuscular system

The thesis analyze a subject of renewed interest in bioengineering, the research and analysis of exercise parameters that maximize the neuromuscular and cardiovascular involvement in vibration treatment. The research activity was inspired by the increasing use of device able to provide localized or whole body vibration (WBV). In particular, the focus was placed on the vibrating platform and the effect that the vibrations have on the neuromuscular system and cardiovascular system. The aim of the thesis is to evaluate the effectiveness and efficiency of vibration applied to the entire body, in particular, it was investigated the effect of WBV on: 1) Oxygen consumption during static and dynamic squat; 2) Resonant frequency of the muscle groups of the lower limbs; 3) Oxygen consumption and electromyographic signals during static and dynamic squat. In the first three chapters are explained the state of the art concerning vibration treatments, the effects of vibration applied to the entire body, with the explanation of the basic mechanisms (Tonic Vibration Reflex, TVR) and the neuromuscular system, with particular attention to the skeletal muscles and the stretch reflex. In the fourth chapter is illustrated the set-up used for the experiments and the software, implemented in LabWindows in order to control the platform and acquire the electromyographic signal. In the fifth chapter were exposed experiments undertaken during the PhD years. In particular, the analysis of Whole Body Vibration effect on neurological and cardiovascular systems showed interesting results. The results indicate that the static squat with WBV produced higher neuromuscular and cardiorespiratory system activation for exercise duration <60 sec. Otherwise, if the single bout duration was higher than 60 sec, the greater cardiorespiratory system activation was achieved during the dynamic squat with WBV while higher neuromuscular activation was still obtained with the static exercise.

Wirkmechanismen der trifunktionalen Antikörper catumaxomab und ertumaxomab in humanen Tumorsphäroid-Kokulturen

Ein neuer Ansatz der immunologischen Krebstherapie ist die Verwendung der bispezifischen, trifunktionalen Antikörper catumaxomab (anti-EpCAM x anti-CD3) und ertumaxomab (anti-Her2/neu x anti-CD3). Die Bispezifität besteht in der Bindung eines Tumor-assoziierten Antigens (EpCAM bzw. Her2/neu) und des CD3 Moleküls auf der Oberfläche von T-Zellen. Darüber hinaus stellt die Interaktion des Fc-Teils mit FcγRI/IIa/III positiven akzessorischen Immunzellen die dritte Funktion der Antikörper dar. Diese einzigartige Kombination ermöglicht theoretisch die Ausbildung eines Tri-Zell-Komplexes. In klinischen Studien konnte bereits die Wirksamkeit beider Antikörper nachgewiesen werden. Die eigentlichen Wirkmechanismen der trifunktionalen Antikörper jedoch sind noch nicht ausreichend bekannt. Um die Wechselwirkung zwischen den stark EpCAM- und schwach Her2/neu-positive FaDu- sowie den stabil mit humanem Her2/neu transfizierten FaDu E593-Tumorzellen, peripheren Blutmonozyten (PBMC) und trifunktionalen Antikörpern systematisch zu untersuchen wurde ein 3D-Tumormodell, die so genannten multizellulären Tumorsphäroide (MCTS), angewandt. Als Endpunkte zur Beurteilung der Therapieeffizienz dienten das Volumenwachstum der Sphäroide, sowie die Klonogenität und die Zellvitalität. Zur Beurteilung der PBMC-Penetration in die Sphäroide erfolgten immunhistochemische Färbungen und molekularbiologische Nachweise der Abwehrzellantigene. Entsprechend wurden in den Sphäroiden die Proliferationsrate über eine Ki67-Färbung sowie die Apoptoserate über eine FragEL-Markierung identifiziert. Die Aktivität der PBMC wurde durch die Bestimmung ausgewählter Zytokine (ELISA) und der Zellzahl aus den Medienüberständen charakterisiert. Die an den FaDu- und E593-Sphäroiden erzielten Ergebnisse zeigten, dass catumaxomab und ertumaxomab eine konzentrations- und zeitabhängige Abnahme des Sphäroidvolumens bewirkten. Die Schrumpfung der Tumorsphäroide ging mit einer Reduktion des proliferativen und mit einer Steigerung des apoptotischen Tumorzellanteils einher. Die histologischen Befunde weisen darauf hin, dass die Volumenreduktion durch eine gesteigerte Anzahl infiltrierender Leukozyten bedingt ist. Auf verschiedenen Methoden basierende Analysen der Immunzellsubtypen zeigten eine dominierende Infiltration von zytotoxischen T-Zellen in die Tumorsphäroide. Der Aktivitätsnachweis der T-Zellen wurde über die Detektion der IL-2 mRNA und des sekretierten Zytokins erbracht. Einen zusätzlichen Hinweis auf eine zelluläre Immunantwort liefert das Zytokinmuster mit hohen Konzentrationen an IFN-γ. Der direkte Vergleich beider Antikörper zeigte, dass der anti-tumorale Effekt abhängig von der Antigenexpression auf den Tumorzellen war. Die Analyse von Medienüberständen wies auf eine mehrheitlich höhere Zytokinausschüttung in Gegenwart des Tumorantigens hin. Sphäroid-Kokulturen, die mit dem parentalen anti-EpCAM Antikörper behandelt wurden, zeigten keine Volumenreduktion. Im Gegensatz dazu führte der parentale CD3-Antikörper, das CD3- und Tumorzell-bindende catumaxomab F(ab')2 Fragment oder eine Kombination beider parentaler Antikörper zu einer anti-tumoralen Wirkung, die jedoch nicht so stark war wie die des trifunktionalen Antikörpers catumaxomab. Demnach ist für catumaxomab gezeigt, dass für die Effektivität des Antikörpers die Trifunktionalität unabdingbar ist. Daraus leitet sich ab, dass die Aktivierung der Abwehrzellen durch kostimulatorische Signale notwendig ist und über die Tumorantigenbindung Mechanismen wie ADCC (antibody-dependent cellular cytotoxicity) zum Tragen kommen. Die Experimente mit gleichzeitiger Gabe von trifunktionalen Antikörpern und Immunsuppressiva haben gezeigt, dass eine Kombination beider Agenzien möglich ist. Die Konzentrationen sind jedoch sorgfältig derart zu wählen, dass die Zytokinausschüttung und die damit verbundenen Nebenwirkungen reduziert sind, ohne dass die anti-tumorale Wirkung der Antikörper maßgeblich beeinflusst wird. T-Zellen bedienen sich nach Aktivierung für die rasche Proliferation einer gesteigerten aeroben Glykolyse. Unter Behandlung der Kokulturen mit catumaxomab konnte im Vergleich zu anderen immunstimulatorischen Agenzien die größte Steigerung der Laktatproduktion bzw. der Azidifizierungs- und Sauerstoffverbrauchsrate detektiert werden. Diese Effekte weisen auf eine metabolische Aktivierung der PBMC durch catumaxomab hin. Das von den Tumorzellen abgegebene Laktat kann die Immunzellen jedoch inhibieren. Daher wäre die Kombination mit Glykolyseinhibitoren ein möglicher Ansatz, um die Therapieeffizienz weiter zu steigern. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine Komedikation der trifunktionalen Antikörper mit Chemotherapeutika zu einer gesteigerter Wirkung führte. Insgesamt liegt die Zukunft der Immuntherapien wohl in der Kombination mit anderen Wirkstoffklassen, die anti-tumorale Effekte verstärken oder immunsupprimierende Mechanismen inhibieren.

Evolutionäre Veränderungen in der Nutzung redox-aktiver Aminosäuren und ihre Ursachen

Gewebe, Zellen und speziell Zellkompartimente unterscheiden sich in ihrer Sauerstoffkonzentration, Stoffwechselrate und in der Konzentration an gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies. Um eine mögliche Änderung in der Aminosäurennutzung durch den Einfluss von Sauerstoff und seinen reaktiven Spezies untersuchen zu können wurden, Bereiche bzw. Kompartimente der menschlichen Zelle definiert, die einen Referenzrahmen bildeten und bekannt dafür sind, einen relativ hohen Grad an reaktiven Sauerstoffspezies aufzuweisen. Aus dem Vergleich wurde deutlich, dass vor allem die beiden redox-aktiven und schwefeltragenden Aminosäuren Cystein und Methionin durch eine besondere Verteilung und Nutzung charakterisiert sind. Cystein ist hierbei diejenige Aminosäure mit den deutlichsten Änderungen in den fünf untersuchten Modellen der oxidativen Belastung. In all diesen Modellen war die Nutzung von Cystein deutlich reduziert, wohingegen Methionin in Proteinen des Mitochondriums und der Elektronentransportkette angereichert war. Dieser auf den ersten Blick paradoxe Unterschied zwischen Cystein und Methionin wurde näher untersucht, indem die differenzierte Methioninnutzung in verschiedenen Zellkompartimenten von Homo sapiens charakterisiert wurde.rnDie sehr leicht zu oxidierende Aminosäure Methionin zeigt ein ungewöhnliches Verteilungsmuster in ihrer Nutzungshäufigkeit. Entgegen mancher Erwartung wird Methionin in zellulären Bereichen hoher oxidativer Belastung und starker Radikalproduktion intensiv verwendet. Dieses Verteilungsmuster findet man sowohl im intrazellulären Vergleich, als auch im Vergleich verschiedener Spezies untereinander, was daraufhin deutet, dass es einen lokalen Bedarf an redox-aktiven Aminosäuren gibt, der einen sehr starken Effekt auf die Nutzungshäufigkeit von Methionin ausübt. Eine hohe Stoffwechselrate, die im Allgemeinen mit einer erhöhten Produktion von Oxidantien assoziiert wird, scheint ein maßgeblicher Faktor der Akkumulation von Methionin in Proteinen der Atmungskette zu sein. Die Notwendigkeit, oxidiertes Antioxidans wieder zu reduzieren, findet auch bei Methionin Anwendung, denn zu Methioninsulfoxid oxidiertes Methionin wird durch die Methioninsulfoxidreduktase wieder zu Methionin reduziert. Daher kann die spezifische Akkumulation von Methionin in Proteinen, die verstärkt reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt sind, als eine systematische Strategie angesehen werden, um andere labile Strukturen vor ungewollter Oxidation zu schützen. rnDa Cystein in allen untersuchten Modellen der oxidativen Belastung und im Besonderen in Membranproteinen der inneren Mitochondrienmembran lebensspannenabhängig depletiert war, wurde dieses Merkmal näher untersucht. Deshalb wurde die Hypothese getestet, ob ein besonderer Redox-Mechanismus der Thiolfunktion für diese selektive Depletion einer im Allgemeinen als harmlos oder antioxidativ geltenden Aminosäure verantwortlich ist. Um den Effekt von Cysteinresten in Membranen nachzustellen, wurden primäre humane Lungenfibroblasten (IMR90) mit diversen Modellsubstanzen behandelt. Geringe Konzentrationen der lipophilen Substanz Dodecanthiol verursachten eine signifikante Toxizität in IMR90-Zellen, die von einer schnellen Zunahme an polyubiquitinierten Proteinen und anderen Indikatoren des proteotoxischen Stresses, wie Sequestosom 1 (P62), HSP70 und HSP90 begleitet wurde. Dieser Effekt konnte spezifisch der Chemie der Thiolfunktion in Membranen zugeordnet werden, da Dodecanol (DOH), Dodecylmethylsulfid (DMS), Butanthiol oder wasserlösliche Thiole weder eine cytotoxische Wirkung noch eine Polyubiquitinierung von Proteinen verursachten. Die Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass Thiole innerhalb von biologischen Membranen als radikalische Kettentransferagentien wirken. Diese Eigenschaft wird in der Polymerchemie durch Nutzung von lipophilen Thiolen in hydrophoben Milieus technisch für die Produktion von Polymeren benutzt. Da die Thiylradikal-spezifische Reaktion von cis-Fettsäuren zu trans-Fettsäuren in 12SH behandelten Zellen verstärkt ablief, kann gefolgert werden, dass 12SH zellulär radikalisiert wurde. In lebenden Organismen kann demnach die Oxidation von Cystein die Schädigung von Membranen beschleunigen und damit Einfallstore für die laterale Radikalisierung von integralen Membranproteinen schaffen, welche möglicherweise der Langlebigkeit abträglich ist, zumindest, wenn sie in der inneren Mitochondrienmembran auftritt.

Perioperative metabolic changes in patients undergoing cardiac surgery

Perioperative metabolic changes in cardiac surgical patients are not only induced by tissue injury and extracorporeal circulation per se: the systemic inflammatory response to surgical trauma and extracorporeal circulation, perioperative hypothermia, cardiovascular and neuroendocrine responses, and drugs and blood products used to maintain cardiovascular function and anesthesia contribute to varying degrees. The pathophysiologic changes include increased oxygen consumption and energy expenditure; increased secretion of adrenocorticotrophic hormone, cortisol, epinephrine, norepinephrine, insulin, and growth hormone; and decreased total tri-iodothyronine levels. Easily measurable metabolic consequences of these changes include hyperglycemia, hyperlactatemia, increased aspartate, glutamate and free fatty acid concentrations, hypokalemia, increased production of inflammatory cytokines, and increased consumption of complement and adhesion molecules. Nutritional risk before elective cardiac surgery-defined as preoperative unintended pathologic weight loss/low amount of food intake in the preceding week or low body mass index-is related to adverse postoperative outcome. Improvements in surgical techniques, anesthesia, and perioperative management have been designed to minimize the stressful stimulus to catabolism, thereby slowing the wasting process to the point where much less nutrition is required to meet metabolic requirements. Early nutrition in cardiac surgery is safe and well tolerated.