Metabolic adaptations in models of fatty liver disease Hijmans, Brenda

Transcriptie

1 Metabolic adaptations in models of fatty liver disease Hijmans, Brenda IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2017 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Hijmans, B. (2017). Metabolic adaptations in models of fatty liver disease: Of mice and math [Groningen]: Rijksuniversiteit Groningen Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Wetenschappelijke samenvatting In de laatste decennia is in de westerse wereld het aantal mensen met overgewicht sterk toegenomen. Overgewicht kan leiden tot een verscheidenheid aan medische symptomen die samen tot het metabool syndroom worden gerekend. De non-alcoholische vette lever, ook leververvetting of steatose genoemd, is een onderdeel van het metabool syndroom en wordt gekarakteriseerd door een verhoogde opslag van lipiden in de vorm van triglyceriden in de lever. De precieze moleculaire oorzaken van een vette lever zijn niet bekend. In de experimenten beschreven in dit proefschrift onderzochten wij metabole adaptaties in vetzuur en glucose metabolisme in twee muis modellen voor een vette lever: farmacologische activatie van de lever X receptor (LXR) en lever-specifieke deletie van glucose-6-fosfatase (G6PC). De oorzaak van een vette lever kan flexibel zijn Een vette lever ontstaat wanneer er een disbalans is tussen metabole in- en afvoerpaden naar de triglyceride opslag in de lever. Invoerpaden betreffen opname van vetzuren vanuit het bloed en synthese van nieuwe vetzuren. Tot de afvoerpaden behoren afbraak van triglyceriden en uitscheiding via lipoproteinen. De oorzaak van een vette lever kan tussen individuen en verschillende muismodellen variëren. Onze experimenten naar vetzuursynthese met behulp van de 13 C-gelabelde precursor acetaat in het kader van lever steatose demonstreren aanpassingsvermogen van het vetzuurmetabolisme onder verschillende omstandigheden binnen muismodellen. In dit proefschrift laten wij zien dat de oorzaak van lever steatose in de tijd (hoofdstuk 2) en tussen voeden en vasten (hoofdstuk 4) kan veranderen. Tijdsafhankelijke oorzaken van LXR-geïnduceerde lever steatose LXR agonisten hebben een sterk positief effect op cholesterol uitscheiding en verlagen atherosclerose in diermodellen, maar resulteren tegelijkertijd in lever steatose en tijdsafhankelijke veranderingen in plasma triglyceride concentraties. Voor hoofdstuk 2 en 3 onderzochten wij de effecten van korte, middellange en 183

3 184 Wetenschappelijke samenvatting langdurige behandeling met de LXR agonist T Niet alle metabole paden die tot lever steatose leiden kunnen in vivo worden gemeten. Om een goede inschatting te kunnen maken van tijdsafhankelijke effecten van LXR activatie op het lipide metabolisme, maakten wij daarom gebruik van een mathematisch model (ADAPT), gemaakt door onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven. De data die wij in muizen verzamelden, waaronder concentraties van lipiden in lever en plasma, expressie van genen die een rol spelen in vetzuurmetabolisme en vetzuursynthese in de lever en in lipoproteine metabolisme, zijn in het model gebruikt. Vervolgens kon het aandeel van onbekende metabole wegen worden geschat. ADAPT gaf aanwijzingen dat LXR activatie leidt tot een verhoging van zowel in- als uitvoer wegen naar de triglyceride opslag en voorspelde dat er maar een kleine disbalans nodig is voor de ontwikkeling van lever steatose. Over het algemeen wordt aangenomen dat LXR activatie vooral via inductie van genen betrokken bij de vetzuursynthese in een vette lever resulteert. Wat opviel in onze data was dat, terwijl in de eerste periode van LXR activatie de expressie van deze genen in de lever was geïnduceerd, er geen verhoging in de vetzuur-synthese flux te vinden was. ADAPT voorspelde dat in de eerste periode van LXR activatie lever steatose vooral door een verhoogde invoer van vetzuren vanuit het bloed naar de lever werd veroorzaakt. Deze voorspelling konden wij verifiëren met behulp van infusie van 13 C-gelabeld palmitaat. De inbouw van dit vetzuur in triglyceriden in de lever was hoger in muizen die één dag waren behandeld met T , vergeleken met controle muizen. Wanneer muizen langer werden behandeld met T nam de vetzuursynthese toe. Ook het door ADAPT geschatte aandeel van de vetzuursynthese in LXRgeïnduceerde lever steatose werd hoger. Na een behandeling van twee weken stelde zich een nieuw evenwicht in en nam de lever steatose niet verder toe. Onze studies in hoofdstukken 2 en 3 laten zien dat de complexe metabole effecten van farmacologische interventies kunnen worden ontrafeld door in vivo metabool onderzoek te combineren met mathematische modellen. De oorzaak van lever steatose in de G6PC-deficiënte lever hangt af van de voedingsstatus Glucose-6-fosfatase (G6PC) katalyseert de defosforylering van glucose-6-fosfaat, de laatste stap in de gluconeogenese en de glycogenolyse. In glycogeen stapelingsziekte type Ia (GSD Ia) is het enzym G6PC inactief, waardoor grote metabole veranderingen plaatsvinden in organen die normaal gesproken via G6PC activiteit glucose produceren. GSD Ia patiënten hebben in de eerste plaats

4 185 een gevaste hypoglycemie en secundaire metabole defecten betreffen onder andere lever steatose, hypertriglyceridemie en lever adenomen. In experimenten beschreven in hoofdstuk 4 onderzochten wij verschillen in vetzuurmetabolisme tussen gevoede en gevaste muizen met een lever-specifieke deletie van G6pc (L- G6pc / muizen). Lever triglyceriden namen zowel in gevoede als in gevaste L-G6pc / muizen toe. In gevoede L-G6pc / muizen ging deze lever steatose gepaard met een verhoogde vetzuursynthese. In gevaste L-G6pc / muizen wezen een verhoogde ketenverlenging van vetzuren en een verhoogde vetweefsel lipolyse op een verhoogde invoer van vetzuren van buiten de lever. Deze verschillen in de origine van lever steatose zijn te verklaren door een verschil in bloed glucose concentraties en de effecten daarvan op insuline en glucagon concentraties. Menselijke patiënten worden veelal in een semi-gevoede toestand gehouden door hun dieet dat gericht is op het voorkomen van hypoglycemie. Onze data laten zien dat het belangrijk is om rekening te houden met voedingstoestand in onderzoek naar GSD Ia. De G6PC-deficiënte lever produceert glucose via een andere weg Hoewel GSD Ia patiënten G6PC missen, is uit voorgaand onderzoek gebleken dat zij toch endogeen glucose produceren. De origine hiervan is onduidelijk en data van klinische studies spreken elkaar tegen. Vanuit dierstudies zijn aanwijzingen voor de lever als belangrijke bron van de endogene glucose productie (EGP) in afwezigheid van G6PC. Voor hoofdstuk 5 onderzochten wij het moleculaire mechanisme achter EGP in L-G6pc / muizen in primaire hepatocyten en door in vivo kwantificatie van glucose fluxen in de lever met behulp van stabiele isotopen. In hoofdstuk 5 presenteren wij data waaruit blijkt dat G6PC-deficiënte hepatocyten glucose kunnen produceren. Daarnaast vonden wij indicaties voor een sterk verhoogde cycling van uridine difosfaat (UDP)-glucose en een verhoogde glycogeen afbraak. Bij glycogeen afbraak komt ongeveer 10% van de residuen als een ongefosforyleerd glucose (vrij glucose) molecuul vrij via een enzym met α-glucosidase activiteit, glycogeen debrancher. Farmacologische inhibitie van α-glucosidase onderdrukte de glucose productie in primaire hepatocyten van L- G6pc / muizen bijna geheel. De α-glucosidase die wij gebruikten heeft echter ook een inhiberende werking op amyloglucosidase en inhibeert daarmee ook lysosomale glycogeen afbraak. Onze data laten zien dat in GSD Ia hepatocyten een belangrijke rol spelen in EGP. Een toename in glycogeen turnover leidt waarschijnlijk tot de pro-

5 186 Wetenschappelijke samenvatting ductie van ongefosforyleerd glucose via glycogeen debrancher en/of lysosomale glycogeen afbraak. De gevaste G6PC-deficiënte lever fosforyleert weinig glucose In hoofdstuk 5 presenteren wij ook data waaruit blijkt dat de glucokinase flux in de lever van L-G6pc / muizen extreem laag is. Dit is een belangrijk inzicht, omdat bij een hoge fosforyleringsactiviteit (een hoge activiteit van glucokinase) de glucose die wordt geproduceerd door G6PC-deficiënte hepatocyten weer zal worden gefosforyleerd en niet aan het bloed zal worden afgegeven. Een lage glucokinase activteit kan ervoor zorgen dat de vrije glucose, geproduceerd in G6PC-deficiënte hepatocyten via glycogeen debrancher en/of lysosomale glycogeen afbraak, aan het bloed wordt afgegeven. Metabole zonatie als verklaring voor de insuline resistentie paradox Een onderdeel van het metabool syndroom betreft type II diabetes, gekarakteriseerd door insuline resistentie. Insuline resistentie is een metabool fenomeen waarbij cellen niet meer adequaat reageren op insuline, doordat signaal transductie wegen ongevoelig zijn. Volgens de bekende insuline signaal cascades zou insuline resistentie tot verhoging van glucose productie, maar een verlaging van triglyceride productie in de lever moeten leiden. Type II diabeten hebben echter hoge bloed glucose en triglyceride concentraties. Uit verscheidene dierexperimenten blijkt een insuline resistentie paradox: als de lever totaal insuline resistent is treedt er wel hyperglycemie, maar geen hypertriglyceridemie op. In hoofdstuk 6 presenteren wij een theoretisch mechanisme dat deze insuline resistentie paradox kan verklaren vanuit zonatie van metabole processen in de lever die ervoor zorgen dat periportale hepatocyten insuline resistent worden, terwijl pericentrale hepatocyten insuline sensitief blijven.