Prof. Daniel und Prof. Skurk: 40 verschiedene Zucker und Zuckerverbindungen im Blut

Medizin am Abend Berlin - MaAB-Fazit: Mit neuen Biomarkern Diabetes-Typ-2 frühzeitig erkennen - Zucker und Zuckerverbindungen im Fokus

463 Millionen Erwachsene weltweit leben mit Diabetes mellitus. 

Rund 90 Prozent davon weisen einen Diabetes-Typ-2 auf, der im Gegensatz zum Typ-1 maßgeblich durch den Lebensstil bedingt ist. 

Etwa die Hälfte der Fälle wird nicht frühzeitig diagnostiziert. 

Mit Hilfe einer am Max Rubner-Institut, entwickelten Analytik für eine Vielzahl von Zuckerverbindungen und deren Abkömmlingen konnten in einer Studie einige bisher im Blut nicht bekannte Zuckerverbindungen gefunden werden, die sich mit der Erkrankung an Diabetes-Typ-2 veränderten. 

Sie könnten daher als Biomarker für eine frühzeitige und verbesserte Diagnose dienen.

Eine frühzeitige Diagnose von Diabetes-Typ-2 kann durch präventive Maßnahmen, wie zum Beispiel einer Ernährungsumstellung und mehr Bewegung, die Erkrankung verhindern und gar die Heilung früher Stadien des Diabetes-Typ-2 ermöglichen. 

• Blutglucosespiegel, Glucose im Urin und glykiertes Hämoglobin (HbA1C) im Blut sind gute Marker für die Diagnose, das Fortschreiten und die Überwachung der Erkrankung. 

Doch Marker, die noch früher, schnell, einfach und sicher eine Diagnose vor dem Auftreten von Symptomen ermöglichen, sind wünschenswert.

In den letzten Jahren werden vermehrt sogenannte Metabolomics-Methoden genutzt, um neue Biomarker zu finden. Diese Ansätze ermöglichen eine umfangreiche Analyse aller Verbindungen, die zum Beispiel in Urin oder Blut vorkommen. Metabolom-Daten gewähren daher tiefergehende Einblicke in das Stoffwechselgeschehen und können helfen, die Entwicklung von Erkrankungen besser zu verstehen.  

Obwohl es sich bei Diabetes um eine Erkrankung handelt, die vor allem den Zuckerstoffwechsel betrifft, wurden bisher nur wenige Zucker und Zuckerverbindungen im Zusammenhang mit einer Insulinresistenz, als verändert identifiziert.  

• Insulin-Resistenz ist eine der wichtigsten Stoffwechselveränderungen zu Beginn einer Diabetes-Erkrankung, bei der der Körper zunehmend unempfindlich auf die Insulinausschüttung infolge einer zuckerreichen Mahlzeit reagiert. 

Eine Schwierigkeit bei der Suche nach Zuckern als Biomarker sind analytische Probleme, weil diese Stoffklasse viele sehr ähnliche Verbindungen umfasst, die meist nicht separiert werden können. Mit Hilfe einer speziellen Methode hat das Institut für Sicherheit und Qualität bei Obst und Gemüse nun die Möglichkeit, eine Vielzahl von Zuckern und Zuckerverbindungen in biologischen Proben zu erfassen. 

• Dabei werden nicht nur typische Mono- und Disaccharide
• wie Glucose, 
• Fructose,  
• Saccharose nachgewiesen, sondern auch die davon abgeleiteten 
• Zuckeralkohole, 
• Zuckersäuren
• Aminozucker
• seltene Zucker.

Am Max Rubner-Institut wurde das Zuckerprofil im Blut gesunder, prädiabetischer und diabetischer Probanden einer humanen Interventionsstudie untersucht, die an der Technischen Universität München (Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppe von Prof. Daniel und Prof. Skurk) durchgeführt wurde. 

Insgesamt konnten 40 verschiedene Zucker und Zuckerverbindungen im Blut gefunden werden. 

Davon wurden 27 Zuckerverbindungen eindeutig identifiziert, während die verbleibenden 13 Verbindungen bisher nur bestimmten Klassen von Zuckerverbindungen zugeordnet werden konnten. 

Auch seltene und unübliche Zuckerverbindungen wie Allulose, Trehalose oder Xylonsäure wurden im Blut nachgewiesen.

Die Analysen ergaben, dass sich das Zuckerprofil im Blut von Gesunden, Prädiabetikern und Diabetikern bereits im Nüchternzustand deutlich unterschied: 

• Nicht nur beim klassischen „Blutzucker“ Glucose, sondern auch bei anderen Zuckern wie Mannose, Maltose, Trehalose, Fructose und 1,5-Anhydrosorbitol wurden signifikant unterschiedliche Mengen im Plasma im Vergleich zu gesunden Probanden nachgewiesen. 

Weiterhin konnte gezeigt werden, dass es Zuckerverbindungen gibt, die unabhängig vom Diabetes-Status der Probanden nach Gabe des Test-Getränks anstiegen, z.B. Allulose und eine weitere, bisher nicht genau identifizierte Zuckerverbindung. 

Andere Verbindungen (u.a. Trehalose, Mannose, Fructose, Threitol) zeigten nach Aufnahme des Test-Getränks ähnliche zeitliche Konzentrationsverläufe wie Glucose. 

Welche Zusammenhänge hier zum Insulinstoffwechsel bestehen, ist noch unklar. 

Die Ergebnisse aus Nüchternplasma und den Befunden aus dem oralen Glucosetoleranztest machen jedoch deutlich, wie wenig bisher über den Stoffwechsel der „anderen“, bisher oft nicht erfassten und daher nicht beachteten Zucker bekannt ist.

• Aufgrund der charakteristischen Unterschiede einiger Zucker und Zuckerverbindungen zwischen Gesunden, Prädiabetikern und Diabetikern erscheint es lohnenswert, deren Verwendbarkeit als frühzeitige Marker für Diabetes-Typ-2 zu prüfen. 

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Zuckerpolymer Heparin: Hemmung der Blutgerinnung und die Spermien/Samenflüssigkeit

Medizin am Abend Berlin Fazit: Die süße Seite der Fortpflanzungsbiologie

Dummerstorfer Wissenschaftler suchen Zucker, die das Immunsystem modulieren können

Gegenwärtig steht Zucker unter Generalverdacht, für viele Volkskrankheiten und gesundheitliche Probleme der Menschheit, insbesondere in den Industrienationen, verantwortlich zu sein. 

Hierbei handelt es sich meist um Zucker, die aus Glucose oder Fructose aufgebaut sind, wie unser Haushaltszucker die Saccharose. 

• Zucker sind jedoch mehr als nur ein reiner Energieträger. 

 
 PD Dr. Sebastian Galuska (39) mit dem körpereigenem Zucker Polysialinsäure.
Fotos/Bildnachweise: FBN

 
Der Körper selber produziert eine ganze Batterie aus komplex aufgebauten Kohlenhydraten, die aus unterschiedlichsten Monosacchariden zusammengesetzt werden. 

• Der prominenteste Vertreter ist vielleicht das Zuckerpolymer Heparin, dessen Anwendung bei der Hemmung der Blutgerinnung in der Medizin nicht mehr wegzudenken ist. 
• MaAB-CAVE: Das würde somit auch bedeuten, dass wir bei Heparin Therapie-Diagnostik immer auch die Zuckerwerte (Leber/Niere/Schildrüse/Glukose/Hb1ac) Werte im Auge des Befunders behalten sollen sowie die Körpergewichte und die Augenarztsituation.

Medizin am Abend Berlin ZusatzFachLink: Laborerhebung 

Am Leibniz-Institut für Nutztierbiologie Dummerstorf erforscht seit 2016 die wissenschaftliche Nachwuchsgruppe „Glykobiologie“ unter Leitung von PD Dr. Sebastian P. Galuska mit großem Erfolg die Rolle der Zuckermoleküle bei der Fortpflanzung.

• Glykobiologie ist die Wissenschaft von der Struktur, Biosynthese und Biologie der körpereigenen Zuckerketten (Saccharide oder Glykane). 

„Wir erforschen zusammen mit nationalen und internationalen Kooperationspartnern die Rolle von komplexen Zuckermolekülen in der Reproduktionsimmunologie, da zahlreiche Studien zeigen, dass diese Glykane als eine Art ID-Karte von Lebewesen verwendet wird, um sich vor Zellen des Immunsystems zu erkennen zu geben.

All unsere Zellen sind ummantelt von einer Zuckerschicht, bestehend aus einer Vielzahl von unterschiedlichsten Glykokonjugaten“, erklärte Gruppenleiter Dr. Sebastian P. Galuska.

• Nach dem Geschlechtsakt kommt es zur Aktivierung des Immunsystems im weiblichen Geschlechtstrakt, was eigentlich zum Abtöten fremder Invasoren, also der Spermien, und somit zur Unfruchtbarkeit führen müsste. 

• Im Ejakulat und an der Spermienoberfläche sind jedoch zahlreiche Moleküle, die das Immunsystem beeinflussen können. 

• Fehlen z.B. bestimmte Zuckermoleküle auf der Oberfläche von Spermien, ist ihre „ID-Karte“ fehlerhaft. 

• Dies führt dazu, dass sie sich nicht mehr korrekt vor weiblichen Immunzellen ausweisen können und aufgefressen (phagozytiert) werden. 

„Unser Schwerpunkt liegt darin, natürlich vorkommende Zuckerstrukturen z.B. auf Spermien oder in der Samenflüssigkeit zu identifizieren, die gezielt Mechanismen des Immunsystems beeinflussen können.“

Die Suche nach solchen Zuckermolekülen ist inzwischen auf die Milch und Fische ausgeweitet worden.

Beteiligt an der Suche sind die Justus-Liebig-Universität Gießen, die Medizinische Hochschule Hannover, die Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und Fischerei MV in Born sowie die Universität für Bodenkultur Wien (Österreich), das University College Dublin (Irland) und die Universitäten in Pécs (Ungarn) und Lille (Frankreich).



DNA-Netze als Fallen für Spermien
Neben der Phagozytose sind die sogenannten „neutrophilen extrazellulären Fallen“ ein weiterer Abwehrmechanismus, der im wissenschaftlichen Fokus steht.

Dabei handelt es sich um eine Art Netz, das aus DNA und zahlreichen antimikrobiellen Komponenten besteht. Ähnlich wie einer Spinne Insekten ins Netz gehen, werden so im Körper Bakterien und anderer Pathogene eingeschlossen und abgetötet. Im Prinzip würde dies auch geschehen, wenn „körperfremde“ Spermien auf weibliche Neutrophile treffen.

• Die Spermien und die Samenflüssigkeit sind jedoch mit zahlreichen Biomolekülen ausgestattet, um dieser natürlichen Immunreaktionen zu entkommen und so unbehelligt an ihr Ziel zu gelangen.

Die weiblichen Abwehrfallen umschiffen
„Gemeinsam analysieren wir, welche strukturellen Voraussetzungen Zuckermoleküle auf Spermien erfüllen müssen, um die vielen Hindernisse bis zur Eizelle zu umschiffen und ob solche zuckerabhängigen Mechanismen auch an anderen Orten im Körper stattfinden oder bei Erkrankungen eine Rolle spielen könnten“, erläuterte der Biotechnologe.

Verschiedenste Zuckermoleküle könnten somit als körpereigene Therapeutika eingesetzt werden, um biomedizinische Anwendungen zu entwickeln. 

• Es wäre denkbar, solche natürlichen Zuckerketten bei der künstlichen Befruchtung einzusetzen, so dass mehr Samenzellen die „Abwehrwelle“ des weiblichen Immunsystems überwinden können und die Befruchtungswahrscheinlichkeit erhöht werden kann. 

Da die gesteigerte Bildung von „neutrophilen extrazellulären Fallen“ auch bei zahlreichen Krankheiten einen negativen Einfluss hat, wie etwa bei einer Blutvergiftung (Sepsis), ist auch hier ein Einsatz von Zuckerpolymeren eine vielversprechende innovative Möglichkeit.


„Wir konnten beispielsweise aufzeigen, dass ein lineares Zuckerpolymer, welches aus dem Zuckerbaustein N-Acetylneuraminsäure besteht, Histone in „neutrophilen extrazellulären Fallen“ bindet und als molekularer Anker verwendet werden kann, um z.B. therapeutische Nanopartikel an solchen Strukturen von Entzündungsherden anzulagern.“ Dieses Polymer, das Polysialinsäure genannt wird, konnte die Nachwuchsgruppe von Sebastian P. Galuska unter anderem als lösliche Form im Ejakulat, aber auch an Spermien gebunden nachweisen.
 
 Doktorandin Marzia Tindara Venuto mit Fischeiern in einer Petrischale.
Fotos/Bildnachweise: FBN

Insgesamt sind die Ergebnisse der Grundlagenforschung am Dummerstorfer Leibniz-Institut für Nutztierbiologie in diesem Bereich auch von einem hohen Interesse für die Humanmedizin, vor allem in der Immunologie sowie in der Transfusions- und Reproduktionsmedizin. Für die Spitzenforschung am FBN steht den jungen Wissenschaftlern eine moderne Ausstattung zur Verfügung, so unter anderem Massenspektrometer der neuesten Generation und Laserscanningmikroskope zur Livebeobachtung der Formation solcher „neutrophilen extrazellulären Fallen“.

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PD Dr. Sebastian Galuska (39) mit dem körpereigenem Zucker Polysialinsäure. Rein äußerlich unterscheidet sich dieses Polymer nicht vom Haushaltszucker, aber im molekularen Aufbau. Der gebürtige Duisburger hat an der Technischen Hochschule Mittelhessen in Gießen Biotechnologie studiert und am Biochemischen Institut des Fachbereichs Medizin der Justus-Liebig Universität in Gießen promoviert und habilitiert, bevor er 2016 an das Leibniz-Institut nach Dummerstorf wechselte.

Doktorandin Marzia Tindara Venuto mit Fischeiern in einer Petrischale. Am FBN werden Zuckermoleküle auf Fischeiern untersucht, um deren schützende Funktionen gegen Keime und deren Rolle für die Befruchtung in Erfahrung zu bringen. Diese Erkenntnisse sind insbesondere für die wachsende Nahrungsmittelbranche der Aquakultur von großer Bedeutung.

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Wissenschaftsorganisation Dr. Norbert K. Borowy
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Die Niere und der Urin: Haushaltszucker, Traubenzucker, Fruchtzucker

Medizin am Abend Berlin Fazit: Haushaltszucker im Urin? Biologen der Uni Osnabrück machen verblüffende Entdeckung

Unser Urin enthält Haushaltzucker, was für den Schutz der Nierenzellen eine wichtige Rolle spielen kann. 

Diesen im Rahmen ihres von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützten Forschungsprojekts erzielten Befund publizierten Dr. Olga Vitavska und Prof. Dr. Helmut Wieczorek vom Fachbereich Biologie/Chemie der Universität Osnabrück kürzlich im European Journal of Physiology (Vol. 468, 2016). 
 
Zum Hintergrund: 

• Täglich produzieren die Nieren ein bis zwei Liter Urin und sorgen dafür, dass der Salz- und Flüssigkeit-Haushalt in unserem Körper stabil bleibt. 

Während der Erfüllung dieser lebenswichtigen Funktion stehen die Nierenzellen selbst unter einer enormen Belastung. 

»Wenn wir nicht ausreichend trinken, wird unser Urin sehr konzentriert und die Epithelzellen im Nierenmark können schrumpfen«, erklärt Vitavska. 

»Wenn wir viel Flüssigkeit zu sich nehmen, wird der Urin sehr wässrig und die Nierenzellen können schwellen und platzen. 

Auch wenn man sich gesund und ausgewogen ernährt, haben die Nieren ständig zu tun. Eine Tasse leckeren Tees für uns bedeutet viel Arbeit für unsere Nieren.«

• Damit die Nierenzellen ihr Volumen stabil halten und dadurch funktionsfähig bleiben, werden so genannte Osmolyte in sie hinein bzw. aus ihnen heraus transportiert, wodurch der Änderung des Zellvolumens entgegengewirkt wird. 

Manche Osmolyte synthetisieren die Nierenzellen selbst, einige müssen jedoch aus dem Blut aufgenommen werden.

Um in die Zelle zu kommen, benötigen Osmolyte bestimmte Proteine, die sie durch die Zellmembran transportieren.

Die Osnabrücker Wissenschaftler haben eine neue Klasse solcher Membranproteine in Nierenzellen gefunden. 

Diese befinden sich an der zum Urin gerichteten Seite der Nierenzellen und können Zucker wie Haushaltzucker (Saccharose), Traubenzucker (Glucose) und Fruchtzucker (Fructose) in die Zellen transportieren.

• Bei gesunden Menschen ist Glucose im Urin nicht nachweisbar, ihre Anwesenheit hingegen dient als Marker für Diabetes. 

• Fructose ist im Urin vorhanden, kann aber in der Zelle umgewandelt und als Energiequelle genutzt werden. 

• »Saccharose dagegen bleibt stabil und kann somit als ein effektiver Osmolyt dienen. 

Obwohl Saccharose im Urin nur in sehr geringer Konzentration vorkommt und nur mit sehr sensitiven Methoden bestimmt werden kann, reicht dies für eine Funktion als Osmolyt völlig aus«, so Wieczorek.

Für die Medizin ergeben sich aus den Befunden der Osnabrücker Wissenschaftler neue Einsichten über die Schutzmechanismen der Nierenzellen.

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