The role of the farnesoid X receptor in metabolic control Stroeve, Johanna Helena Maria 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: 2011 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Stroeve, J. H. M. (2011). The role of the farnesoid X receptor in metabolic control Groningen: s.n. 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): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date: 10-02-2017
APPENDICES SAMENV ATTING Obesitas of overgewicht vormt een ernstige bedreiging voor de volksgezondheid in de 21 ste eeuw. De huidige obesitas epidemie, die met name ook kinderen treft, is grotendeels het resultaat van een veranderde levensstijl (minder beweging) en veranderde voedingsgewoontes (te hoge inname van energierijk voedsel). Naast de zware fysieke belasting, vergroot obesitas de kans op ernstige gezondheidsproblemen, met name stofwisselingsziekten zoals het metabool syndroom. Het metabool syndroom wordt beschouwd als syndroom omdat het uit meerdere componenten is opgebouwd. Naast obesitas, wordt het metabool syndroom gekenmerkt door insuline ongevoeligheid, lever vervetting en een verstoord vetgehalte in het bloed (dyslipidemie), met verhoogde gehaltes van triglyceriden en LDL-cholesterol (het slechte cholesterol ) en lage spiegels van HDL-cholesterol (het goede cholesterol ). Patiënten met het metabool syndroom hebben een verhoogd risico op het ontwikkelen van type 2 diabetes en hart- en vaatziekten. Verschillende strategieën worden toegepast om het metabool syndroom te bestrijden. Zo worden mensen geadviseerd meer te bewegen (minimaal 30 minuten per dag) en gezond, caloriearm te eten. Deze levensstijl-gerelateerde benadering is in de praktijk niet altijd effectief, omdat mensen in het algemeen moeite hebben met het nakomen van veranderingen in de levensstijl en eetgewoonten. Daarnaast wordt regelmatig medicatie voorgeschreven aan patiënten met het metabool syndroom. Echter, in het algemeen worden de individuele componenten van het metabool syndroom bestreden en niet het metabool syndroom als een geheel. Gezien de enorme en groeiende omvang van het probleem zijn nieuwe strategieën ter voorkoming en behandeling van het metabool syndroom van essentieel belang. Galzouten worden in de lever geproduceerd uit cholesterol. Galzouten worden vervolgens uitgescheiden in gal en opgeslagen in de galblaas. Na het eten van een maaltijd wordt de gal uitgescheiden in de dunne darm. Galzouten functioneren hier als een soort oplosmiddel om de opname van voedingsvetten te vergemakkelijken. Aan het einde van de dunne darm wordt het merendeel van de galzouten opgenomen en via het bloed teruggetransporteerd naar de lever, waardoor de zogenaamde enterohepatische circulatie van galzouten wordt voltooid. Slechts ~5% van de galzouten weet te ontsnappen aan opname in de dunne darm en komt daardoor in de dikke darm terecht. Hier krijgen ze, na omzetting door bacteriën, een tweede kans om opgenomen te worden. De galzouten die niet worden opgenomen verlaten het lichaam via de ontlasting. Dit verlies van galzouten wordt gecompenseerd door productie van nieuwe galzouten in de lever. Hierdoor blijft de totale hoeveelheid galzouten in het lichaam gelijk (homeostase). In de afgelopen paar jaar is het steeds duidelijker geworden dat galzouten een rol spelen in de regulatie van verschillende stofwisselingsprocessen. Galzouten kunnen binden aan de farnesoid X receptor (FXR). Door deze binding wordt FXR geactiveerd. Het uitzonder- Appendices 181
lijke van FXR is dat het niet alleen de stofwisseling van galzouten reguleert, maar ook de stofwisseling van suikers en vetten. Aangezien het metabool syndroom een aandoening is waarbij de stofwisseling van galzouten, suikers en vetten verstoord is, wordt FXR beschouwd als een veelbelovende target voor nieuwe behandelingen van het metabool syndroom. In de afgelopen jaren is onze kennis van functioneren van FXR aanzienlijk toegenomen. Tegelijkertijd echter, heeft deze nieuwe kennis geleid tot het ontstaan van vele nieuwe vragen. Werk beschreven in dit proefschrift had tot doel een aantal specifieke functies van FXR op te helderen. Om dit doel te bereiken is gebruik gemaakt van innovatieve muismodellen. Het is bekend dat FXR aanwezig is in diverse weefsels en organen, waaronder de lever en de darm. De eerste studie (hoofdstuk 2) richtte zich op de bijdrage van FXR activiteit in de darm (vanaf nu af aan aangeduid als darm-fxr) aan de regulatie van de galzoutproductie in de lever. Darm-FXR stimuleert de productie van het eiwit FGF15. FGF15 wordt vervolgens uitgescheiden in het bloed en o.a. getransporteerd naar de lever. In de lever bindt FGF15 aan een eiwit (FGFR4). Als gevolg hiervan wordt de productie van galzouten door de lever geremd. Dit is echter niet de enige manier waarop FXR bijdraagt aan de regulatie van de galzoutproductie in de lever. Zoals gezegd komt FXR ook tot expressie in de lever zelf (aangeduid als lever-fxr). Wanneer lever-fxr wordt geactiveerd draagt deze eveneens bij aan de regulatie van de galzoutproductie. In deze studie werd aangetoond dat vooral tijdens de periode van de dag waarop de productie van galzouten het hoogst is, dus in de nacht, darm-fxr sterk bijdraagt aan de regulatie van de productie van galzouten door de lever en daardoor aan de totale hoeveelheid circulerende galzouten. Daarnaast werd aangetoond dat een kleine manipulatie van de totale hoeveelheid circulerende galzouten voldoende is om de bijdrage van darm-fxr aan de stofwisseling van galzouten tot een minimum te beperken. Obesitas ontwikkelt zich wanneer de inname van energie chronisch hoger is dan de uitgave van energie. Recent is duidelijk geworden dat de opslagcapaciteit van vetweefsel een belangrijke factor is in het ontstaan van obesitas-gerelateerde metabole ziekten. Wanneer deze opslagcapaciteit tekort schiet worden de overmatige voedingsstoffen, met name vetten, doorgestuurd naar andere organen zoals lever, spieren en hart. Met name deze overloop van voedingsstoffen is verantwoordelijk voor het ontstaan van metabole ziekten. De kennis omtrent het functioneren van FXR in obesitas is nog zeer beperkt. Met behulp van muismodellen is onderzoek gedaan naar de rol van FXR in de stofwisseling van galzouten, suikers en vetten (hoofdstukken 3 en 4) in obesitas. In hoofdstuk 3 wordt aangetoond dat afwezigheid van FXR in het gehele lichaam, totale FXR-deficiëntie, de ontwikkeling van obesitas remt: FXR-deficiëntie beperkt de gewichtstoename en zorgt voor een betere stofwisseling van suikers. Vervolgens is 182 Appendices
APPENDICES uitgezocht welk(e) weefsel(s) verantwoordelijk zijn voor dit gunstige effect van FXRdeficiëntie. Allereerst is de aandacht gericht op de lever, omdat de lever een centrale rol in de verwerking van suikers speelt. Door specifiek de lever deficiënt te maken aan FXR hebben we de bijdrage van lever-fxr onderzocht. Verassend bleek de afwezigheid van lever-fxr alleen de stofwisseling van suikers niet te verbeteren. Vervolgens hebben we ons gericht op vetweefsel. Vetweefsel kan met behulp van insuline suikers opnemen. FXR-deficiëntie gaat gepaard met een verhoogde gevoeligheid van vetweefsel voor insuline. Hierdoor worden meer suikers opgenomen in het vetweefsel en worden ze niet doorgestuurd naar andere organen. Concluderend, FXR-deficiëntie in obesitas beperkt de gewichtstoename en verbetert de verwerking van suikers door vetweefsel. Deze verbeteringen gingen echter gepaard met relatief hoge galzoutconcentraties in het bloed en een toegenomen vervetting van de lever in FXR-deficiënte dikke muizen. In hoofdstuk 4 is daarom de relatie tussen de stofwisseling van galzouten en de ontwikkeling van leverziekte onderzocht. De oorzaak van de hoge galzoutconcentraties in het bloed van FXR-deficiënte dikke muizen is bepaald. Dit bleek niet te worden veroorzaakt door een verandering in de productie van galzouten. Gedetailleerde analyse van het transport van galzouten toonde aan dat FXR-deficiëntie in obesitas gepaard gaat met een sterk verminderde hoeveelheid ABCB11 eiwit. ABCB11 is verantwoordelijk voor het transport van galzouten vanuit de lever naar de gal. Als gevolg van de verminderde aanwezigheid van ABCB11 is het uitscheidend vermogen van de lever sterk verminderd. Hierdoor vindt een verhoging van de galzoutconcentraties in bloed en lever plaats. Deze sterk verhoogde galzoutconcentraties veroorzaken aanzienlijke schade aan de lever in deze muizen. Deze schade bestond, naast de ernstige vervetting van de lever, uit de aanwezigheid van opgezette levercellen, een milde vorming van fibrose (littekenweefsel), de aanwezigheid van ontstekingscellen, en een uitbreiding van het stamcel compartiment. Deze vorm van leverschade is eveneens karakteristiek voor één van de meest voorkomende chronische leverziekten bij volwassenen en kinderen (niet-alcoholische steatohepatitis (NASH)). Het is bekend dat NASH zich ontwikkelt vanuit een vette lever. De factor(en) die verantwoordelijk zijn voor deze ontwikkeling zijn onvoldoende begrepen. Hoofdstuk 4 laat zien dat de ontwikkeling van deze leverschade in FXR-deficiënte dikke muizen, ten minste gedeeltelijk, veroorzaakt wordt door de hoge galzoutconcentraties. Een rol voor galzouten in de ontwikkeling van NASH in mensen is denkbaar, aangezien galzoutconcentraties in het bloed van patiënten met NASH ook verhoogd zijn. Verlaging van de galzoutconcentraties in onze FXR-deficiënte dikke muizen, door middel van het verhinderen van galzout opname in de darm, beperkt de ontwikkeling van leverschade in deze muizen. Onze resultaten duiden op een rol voor FXR, hetzij rechtstreeks of indirect via galzouten, in de progressie van een vette lever naar NASH in een muismodel voor obesitas. Appendices 183
Goed functioneren van vetweefsel is van essentieel belang. Het biedt immers opslagcapaciteit voor de overtollige voedingsstoffen. Vetweefsel kan deze opslagcapaciteit uitbreiden door het vergroten van al aanwezige vetcellen (hypertrofie) of door het vormen van nieuwe vetcellen (hyperplasie). Het is bekend dat FXR ook in vetweefsel aanwezig is (aangeduid als vet-fxr). Recente studies, waaronder hoofdstuk 3, benadrukken een rol voor vet-fxr in het functioneren van vetweefsel. Welke functie(s) vet-fxr precies vervult in vetweefsel is echter grotendeels onbekend. Om hierin inzicht te krijgen is een vetcel-specifiek FXR overexpressie muismodel ontwikkeld (hoofdstuk 5). Deze muizen hebben een verhoogde hoeveelheid vet-fxr. Als gevolg hiervan zijn de vetcellen vergroot. Op een vetrijk dieet blijkt het vetweefsel met veel FXR zeer beperkt in het uitbreiden van de opslagcapaciteit. Deze uitbreiding is geremd door beperkingen in zowel de uitbreiding als de aanmaak van nieuwe vetcellen. Dit heeft een ongewenste overloop van voedingsstoffen naar andere organen, waaronder de spieren en de lever, tot gevolg. Het bleek dat een grote hoeveelheid vet-fxr een verstoring in de extracellulaire matrix (ECM) teweeg brengt. De ECM biedt stevigheid en structuur aan organen en weefsels. Vet-FXR stimuleert de productie van extreem veel ECM eiwitten. Dit zorgt voor een toegenomen stijfheid van de ECM die waarschijnlijk verantwoordelijk is voor de beperkte uitbreidingsmogelijkheden van vetweefsel in het ontwikkelde muismodel. Naast wit vetweefsel bestaat er bruin vetweefsel. In tegenstelling tot wit vetweefsel is bruin vetweefsel gespecialiseerd in de verbranding van vetten voor de productie van warmte. Het is dan ook niet verwonderlijk dat bruin vetweefsel een belangrijke rol speelt in de temperatuurregulatie. Net als in wit vetweefsel, stimuleert de grote hoeveelheid vet-fxr in bruin vetweefsel de productie van extreem veel ECM eiwitten en remt het de ontwikkeling van bruin vetweefsel. De verminderde ontwikkeling van het bruin vetweefsel leidde tot een lagere hoeveelheid van eiwitten die betrokken zijn in de productie van warmte. Om het gevolg hiervan voor het functioneren van het bruinvet te testen, zijn muizen blootgesteld aan kou (24 uur bij 4 graden Celsius). Verrassend waren de muizen in staat zich te beschermen tegen onderkoeling. Het onderontwikkelde bruin vetweefsel produceerde, zoals verwacht, minder warmte. Echter, de muizen vonden in het sterk verminderen van hun lichamelijke activiteit een manier om de kou te weerstaan. Deze studies tonen aan dat vet-fxr een belangrijke factor is in de ontwikkeling en het functioneren van vetweefsel. Hiermee wordt eveneens een rol gesuggereerd voor vet-fxr in het tot stand komen van obesitas gerelateerde ziekten zoals die kunnen ontstaan door de overloop van voedingsstoffen naar andere organen. FXR is een interessante target voor nieuwe behandelingsstrategieën in de strijd tegen het metabool syndroom. Echter, de mechanismen die ten grondslag liggen aan de functies van FXR zijn zeer complex en vaak verschillend in ziekte en gezondheid. Om tot een FXR-gebaseerde behandeling te komen is het van essentieel belang om een beter 184 Appendices
APPENDICES begrip te krijgen van het functioneren van FXR. De resultaten die beschreven staan in dit proefschrift zijn een stap in deze richting en hebben geleid tot nieuwe inzichten in de rol van FXR in de regulatie van verschillende stofwisselingsprocessen. Appendices 185