Cover Page The handle http://hdl.handle.net/1887/20179 holds various files of this Leiden University dissertation. Author: Wei, Heng Title: Systems-based metabolomics of type 2 diabetes mellitus subtypes Date: 2012-11-27
173 Samenvatting De incidentie van type 2 diabetes mellitus (T2DM) en de daaraan verbonden cardio-metabole complicaties blijft wereldwijd toenemen. Deze epidemiologische werkelijkheid verhoogt de urgentie voor het verkrijgen van een beter begrip van de complexe moleculaire pathogenese en de genetische basis van deze ziekte. Behandeling gericht op glykemische controle is veelal niet genoeg om de cardiovasculaire morbiditeit te verminderen. Een meer persoonlijke en systeemgebaseerde strategie heeft de voorkeur voor diabetische preventie en therapie. Systeembiologie op basis van metabolomics wordt beschouwd als een veelbelovende aanpak om van een patient een beeld op systeemniveau te geven en daarmee gepersonaliseerde geneeskunde mogelijk maakt. De systeembiologie wordt in toenemende mate toegepast om complexe ziektes en de onderliggende mechanismen te bestuderen, en voor de gezondheid-ziekte relatie biomarkers te ontdekken. Het creëert ook de mogelijkheid om het systeem te bestuderen en evalueren van op basis van diagnose en tussenkomst van andere medische systemen zoals Chinese Geneeskunde (CM). Het concept van gepersonaliseerde gezondheidszorg met diagnostische principes is de basis van CM die zich richt op het 'ziekte subtype'. Als CM gediagnosticeerde subtypes gecorreleerd kunnen worden met kwantitatieve metaboliet-patronen, kan het helpen patiënten te stratificeren en het bijbehorende patroon van veranderingen in metabolietconcentraties, het ziekte gerelateerde metabolietprofiel te identificeren. Het doel van het onderzoek beschreven in dit proefschrift was om metabolomics en CM diagnostiek te combineren om te zoeken naar de diagnostische markers of metabolietprofielen voor T2DM subtypes. De multicomponent preparaten of medicijnen om cardio-metabole stoornissen te behandelen werden bestudeerd met metabolomics om de onderliggende multifactoriele effecten te begrijpen, en daarmee de persoonlijke therapie van T2DM te versterken. Hoofdstuk 2 beschrijft een studie aan 50 mannen met pre-diabetes waarin een combinatie van urine metabolomics met CM diagnose is gedaan met als doel de metabolietpatronen te identificeren die correleren met de CM diagnose. Drie CM artsen bereikten 85% overeenkomst in de diagnose wat resulteerde in de indeling van de proefpersonen in drie pre-diabetische subgroepen. Op basis van de metabolietprofielen in urine konden twee pre-diabetische subtypes A en B geïdentificeerd woorden. De meerderheid van de metabolieten (51%), vooral suikers en aminozuren, hadden hogere urineconcentraties voor subtype B in vergelijking met subtype A. Dit duidt op grotere verstoringen van het koolhydraat metabolisme, de Krebs-cyclus en de nierfunctie bij subtype B. Er werden geen verschillen gevonden voor hematologische en biochemische parameters, behalve
voor het gehalte aan glucose en γ-glutamyltransferase die significant hoger waren in subtype B. Uit dit onderzoek blijkt dat de combinatie van metabolomics en CM diagnose resulteert in een metabole vingerafdruk voor pre-diabetische subtypen. De geïdentificeerde metabolieten in de urine zijn potentieel klinisch relevant voor niet-invasieve screening op subtypen van pre-diabetes, en kunnen leiden tot een verbetering van gepersonaliseerde interventies voor diabetici. Vanwege het relatief kleine aantal proefpersonen in studie zijn toekomstige studies met meer deelnemers noodzakelijk om de betrouwbaarheid en generalisatie van deze nieuwe benadering voor pre-diabetische subtypering te onderbouwen en te valideren. In hoofdstuk 3 en 4 is onderzoek gedaan naar de effecten van Rimonabant en een multi-component CM geneesmiddel (SUB885C), beiden met gerapporteerde effecten op de regulering van gewicht en de verbetering van cardio-metabolische risicofactoren, op het plasmalipidenprofiel in ApoE * 3Leiden.CETP muizen met licht overgewicht. De muizen kregen een 4-weken durende interventie, hetzij Rimonabant of SUB885C, en werden vergeleken met een controlegroep. Rimonabant is een selectieve cannabinoïde-1 receptor antagonist voor de behandeling van obesitas en richt zich op het endocannabinoïdsysteem. SUB885C is ontwikkeld volgens de principes van CM en bevat acht natuurlijke ingrediënten. De kernformulering van SUB885C wordt in China gebruikt voor de behandeling van metabool syndroom en T2DM bij obese patienten in een vroeg stadium. Er is weinig bekend over de impact van deze twee geneesmiddelen op de regulering van het vetmetabolisme in de vroege fase van obesitas. De behandeling met Rimonabant gedurende 4 weken leidde tot een aanzienlijke vermindering van het lichaamsgewicht en had een geringe invloed op het plasmalipiden profiel in licht obese ApoE * 3Leiden.CETP muizen. Hoewel er geen gewichtsverlies werd waargenomen na behandeling met SUB885C, leidde dit CM geneesmiddel tot meerdere anti-atherogene veranderingen in het plasmalipidenprofiel van de muizen. De verbetering van metabole parameters en lipidenpatronen manifesteerde zich als een verlaagd plasma cholesterol, triglyceriden, verhoogde HDL-C en een verandering in een scala van neutrale lipiden. Deze effecten waren vergelijkbaar met die verkregen met bekende geneesmiddelen (bijv. atorvastatine, niacine). In vitro, stimuleert een SUB885C extract adipolysis en remt adipogenese in 3T3-L1 cellen. Deze twee studies met illustreren de kracht van lipidomics in het ontrafelen van interventie-effecten en kan daarmee helpen bij het vinden van nieuwe targets en/ of ingrediënten voor interventies bij lifestyle-gerelateerde metabole aandoeningen. Panax ginseng CA Mey (vaak simpelweg aangeduid als ginseng) wordt in China gebruikt als een middel om diabetische symptomen in China behandelen. Echter, de relatie tussen de therapeutische werking bij diabetes en de chemische 174
samenstelling (kwaliteit en leeftijd) is nog onduidelijk. In hoofdstuk 5 is een gecombineerde aanpak van lipidomics, biochemische parameters en samenstellings analyse van Panax toegepast om de effecten van de ginseng wortels, variërend in leeftijd van 3-6 jaar, op hyperglycemie en dyslipidemie in een diabetisch Goto-Kakizaki (GK) rat model te evalueren. Zes groepen van GK ratten kregen ofwel metformine, 3 tot 6 jaar oude ginseng wortel, of geen behandeling. De behandelingen werden tweemaal daags toegediend gedurende 9 weken. Vergeleken met de onbehandelde groep gaf zowel 4 als 6 jaar oude ginsengwortel een aanzienlijk verbeterd glucosemetabolisme, en de 5 jaar oude ginseng-behandeling gaf een significant verhoogd HDL-cholesterol. De behandeling met 6 jaar oude ginseng leidde tot een significante daling van plasma-triacylglyceriden (TG) en VLDL-cholesterol en een verbetering van geglycosyleerd hemoglobine (HbA1c) in plasma. Bovendien, resulteerde de behandeling met 4, 5 en 6 jaar oude ginseng in een verlaging van plasmatriglyceriden in diabetische GK. Metformine verminderde de bloedsuikerspiegel na vasten met 41% en verlaagde de HbA1c-waarde met 11%, maar toonde geen effecten op de plasmalipiden. Deze studie toont aan dat ginseng een leeftijdsafhankelijke (groei) therapeutisch effect op hyperlipidemie en hyperglycemie in diabetische GK ratten heeft. Deze leeftijdsafhankelijke effecten kunnen worden gerelateerd aan de variatie in zowel de verhoudingen als concentraties van specifieke bio-actieve ginsenosiden in ginseng wortels. De 4 jaar oude ginseng wortels bevatten bioactieve ginsenosiden die waardevol zijn voor de ontwikkeling van medicijnen of voedingssupplementen om dyslipidemie te reguleren en glucose tolerantie te verhogen. Deze studie heeft nieuwe systeembiologische benaderingen geïntroduceerd voor het koppelen van biologische activiteit met actieve componenten in kruidenmengsels. In hoofdstuk 6 is de ontwikkeling beschreven van een snelle plasmalipiden analyseplatform door middel van directe nanospray infusie met behulp van een TriVersa nanospraychip systeem in combinatie met een hoge resolutie LTQ- Orbitrap massaspectrometer. Een aangepaste Folch methode werd toegepast voor de extractie van lipiden uit plasma. Met een volume van slechts 5 µl plasma, kan binnen 5 minuten per monster data verkregen worden van de volgende lipidenklassen: triacylglycerolen, cholesterol esters, fosfatidylcholines, lysofosfatidylcholines, spingomyelinen en vetzuren. In vergelijking met de gevalideerde vloeistofchromatografie-massaspectrometrie (LC-MS)-methode, is deze snelle methode ondanks een mindere nauwkeurigheid nagenoeg gelijkwaardig voor plasmalipiden met een hoge concentratie. Deze methode is in principe bijzonder geschikt voor high-throughput plasmalipiden analyse maar vraagt nog verdere ontwikkeling en validatie. 175
Tot slot, het systeembiologie-metabolomics onderzoek verricht in dit proefschrift convergeerde analytische biowetenschappen, klinisch onderzoek en de diagnostische concepten in andere gezondheidszorgsystemen, zoals CM om een systeembiologisch beeld van de pre-fase van T2DM te verkrijgen. Het is veelbelovend om met een combinatie van metabolomics en CM diagnosemethodieken te zoeken naar subtypes van T2DM. Metabolomics, en i.h.b. lipidomics, is in staat om multi-dimensionele farmacologische effecten te onderzoeken en potentiële biomarkers die verband houden met deze effecten op te sporen. Deze bevindingen kunnen worden gebruikt om nieuw onderzoekstrategieën en/of producten op het voeding-farma grensvlak te ontwikkelen voor T2DM behandeling en de daarmee samenhangende metabole afwijkingen te beheren. Dit zal echter alleen worden gerealiseerd als analytische methoden verder verbeteren, en systeembiologie en metabolomics beter geïntegreerd zijn binnen biomedisch onderzoek. 176