Investigation of mechanistic processes that regulate hypothalamic response to glucose and oxygen variability
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Datum
2025-07-11
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Zusammenfassung
The hypothalamus is a central regulator of neuroendocrine responses. It plays a pivotal role in maintaining adequate levels of glucose and oxygen, both of which are essential parameters for the brain’s homeostatic function. Thereby, hypothalamic dysfunction is associated with severe neuroendocrine consequences such as diabetes mellitus (DM), where the latter is mainly characterized by hyperglycaemia. A major disadvantage of treatment against hyperglycaemia is recurrent hypoglycaemia that leads to hypoglycaemia unawareness (HU), the pathogenesis of which remains to be elucidated. Moreover, DM-associated neurological dysfunction manifests as diabetic neuropathy, the implications of which remain to be fully characterized. This thesis investigates the mechanistic processes governing hypothalamic responses to glucose and oxygen variability, focusing on hypoglycaemia-induced neuropathy. Various in-vitro studies have been employed to decipher the molecular and translational mechanisms behind hypothalamic dysfunction subjected to variable glucose and oxygen concentrations.
Since hypoxia-inducible factor-1α is a key regulator of both oxygen homeostasis and glucose metabolism, it was hypothesized to mediate the hypothalamic response to glucose and oxygen variability under the physiological oxygen concentration of the brain. Intriguing findings from primary and immortalized microglial cells debunked the proposed hypothesis. They revealed the NF-κB pathway as potential regulator of these responses, suggesting novel avenues for targeting hypoglycaemia-induced neuroinflammation. Furthermore, analysing hypothalamic neuronal responses to glucose variability implicated autophagy in the pathogenesis of hypoglycaemia-associated autonomic failure and revealed FOS as a potential regulator of these responses. The unique upregulation of angiotensin 1 converting enzyme-2 in hypothalamic neurons under glucose variability provided critical insights into the neurological manifestations of COVID-19 and its susceptibility to patients with DM, emphasizing the need for strict glycaemic control in this population. Collectively, these outcomes have achieved the primary purpose of advancing the current understanding of glucose and oxygen-induced neurological impairments, whilst offering novel insights into neuroendocrine regulation governed by the hypothalamus.
Beschreibung
Der Hypothalamus ist ein zentraler Regulator neuroendokriner Reaktionen. Er spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung eines angemessenen Glukose- und Sauerstoff¬spiegels, die beide wesentliche Parameter für die homöostatische Funktion des Gehirns sind. Eine Funktionsstörung des Hypothalamus ist mit schwerwiegenden neuroendokrinen Folgen wie Diabetes mellitus (DM) verbunden, welche vor allem durch Hyperglykämie gekennzeichnet ist. Ein großer Nachteil bei der Behandlung von Hyperglykämien ist das Auftreten von rezidivierenden Hypoglykämien, die zu einer Hypoglykämiewahrnehmungsstörung (HU) führt, deren Pathogenese noch nicht geklärt ist. Darüber hinaus manifestiert sich die DM-assoziierte neurologische Dysfunktion als diabetische Neuropathie, deren Auswirkungen noch nicht vollständig geklärt sind. In dieser Arbeit werden die mechanistischen Prozesse untersucht, die die hypothalamischen Reaktionen auf Glukose- und Sauerstoffvariabilität steuern, wobei der Schwerpunkt auf der Hypoglykämie-induzierten Neuropathie liegt. Verschiedene in vitro-Studien wurden durchgeführt, um die molekularen und translationalen Mechanismen zu entschlüsseln, die der hypothalamischen Dysfunktion bei variablen Glukose- und Sauerstoff¬konzentrationen zugrunde liegen.
Da der Hypoxie-induzierbare Faktor-1α ein wichtiger Regulator sowohl der Sauerstoffhomöostase als auch des Glukosestoffwechsels ist, wurde angenommen, dass er die hypothalamische Reaktion auf Glukose- und Sauerstoffschwankungen unter der physiologischen Sauerstoffkonzentration im Gehirn vermittelt. Interessante Ergebnisse an primären und immortalisierten Mikrogliazellen widerlegten die vorgeschlagene Hypothese und wiesen auf den NF-κB Signalweg als potenziellen Regulator dieser Reaktionen hin, was neue Wege zur Bekämpfung der durch Hypoglykämie ausgelösten Neuroinflammation eröffnet. Die Analyse der neuronalen Reaktionen des Hypothalamus auf Glukoseschwankungen zeigte, dass die Autophagie an der Pathogenese von Hypoglykämie-assoziierten autonomen Störungen beteiligt ist und dass FOS ein potenzieller Regulator dieser Reaktionen ist. Die spezifische Hochregulierung von Angiotensin-1-Converting-Enzym-2 in hypothalamischen Neuronen unter Glukosevariabilität lieferte wichtige Erkenntnisse über die neurologischen Manifestationen von COVID-19 und die Anfälligkeit von Patienten mit DM, was die Notwendigkeit einer strengen Blutzuckerkontrolle in dieser Bevölkerungsgruppe unterstreicht. Insgesamt haben diese Ergebnisse das Hauptziel erreicht, das derzeitige Verständnis der glukose- und sauerstoffinduzierten neurologischen Beeinträchtigungen zu verbessern und gleichzeitig neue Einblicke in die vom Hypothalamus gesteuerte neuroendokrine Regulation zu geben.
Schlagwörter
Diabetes Mellitus, Diabetic Neuropathy, Hypothalamus, Glucose Metabolism, Oxygen Homeostasis, Hypoglycaemia Unawareness, HIF-1α, Autophagy, Neuro-COVID.
Zitierform
Institut/Klinik
Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie