Muskelfasertypspezifische und hepatische Dynamik des Fettsäurestoffwechsels - eine in vivo 1H-NMR-spektroskopische Studie zur pharmakologischen Charakterisierung antidiabetisch wirksamer Substanzen

Abstract

Insulinresistenz und Typ 2 Diabetes stellen ein wachsendes Gesundheitsproblem der Industrienationen dar. Die molekulare Grundlage der Insulinresistenz ist noch nicht vollständig aufgeklärt. Es besteht jedoch ein Zusammenhang zwischen verminderter Insulinwirkung und Störungen im Fettstoffwechsel. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine primär auf den Lipidstoffwechsel wirkende antidiabetische Substanz pharmakologisch charakterisiert. Diese Charakterisierung erfolgte im Zusammenhang mit einer Phase der Nahrungskarenz. Dafür wurde in vivo die Dynamik intramyo- und hepatozellulärer Lipide (IMCL und HepCL) 1H-NMR-spektroskopisch bestimmt. IMCL und HepCL sind Surrogatparameter für die Insulinsensitivität. Mittels HPLC erfolgte außerdem die Analyse verschiedener Spezies langkettiger aktivierter Fettsäuren (LCACoA) in Skelettmuskulatur und Leber. Die LCACoA sollen eine kausale Rolle bei der Pathogenese der Insulinresistenz spielen. Die Untersuchungen erfolgten während einer 3-tägigen Phase der Nahrungskarenz an unterschiedlichen Ratten (insulinsensitiv, insulinresistent, diabetisch sowie unter Behandlung mit Antidiabetika). Bei diesen Untersuchungen konnte eine ausgeprägte, muskelfasertypspezifische Dynamik des IMCL gezeigt werden: Trotz der postabsorptiv erhöhten b-Oxidationsrate wurde ein schneller Anstieg des IMCL-Gehaltes in glykolytischen Muskeln beobachtet. Bei Nahrungskarenz wird aus den Adipozyten mehr Lipid freigesetzt, als aktuell für die Energieversorgung peripherer Gewebe benötigt wird. Dieses Lipid wird in Form von IMCL gespeichert. Muskeln mit hoher Kapazität zur Lipidoxidation zeigten hinsichtlich ihres IMCL-Gehaltes im Versuchsverlauf keinerlei Dynamik. Die IMCL-Erhöhung scheint ein protektiver Mechanismus zu sein, um eine Erhöhung intrazellulärer LCACoA-Konzentrationen zu vermeiden: Die muskuläre LCACoA-Konzentration blieb bei insulinsensitiven Ratten postabsorptiv konstant. In der Leber insulinsensitiver Ratten führte die erhöhte adipozytäre Lipolyserate nicht zu einer Erhöhung des HepCL. Bei insulinresistenten Ratten stieg HepCL dagegen postabsorptiv an. Die hepatische LCACoA-Konzentration stieg bei allen untersuchten Ratten an. Eine Prävention des Diabetes durch PPAR-a-Agonisten senkte bei gefütterten Tieren den IMCL- und HepCL-Gehalt. Die postabsorptive adipozytäre Lipolyse führte jedoch zu deutlich höheren IMCL- und HepCL-Werten als bei unbehandelten Ratten. Im Rahmen der LCACoA-Analysen zeigte C16:1 eine von den anderen aktivierten Fettsäuren abweichende Dynamik. C16:1 wird endogen über die Stearoyl-CoA-Desaturase (SCD) gebildet. Dieses Enzym wird momentan in der Literatur als potentielles Target für die Entwicklung neuer antidiabetisch wirksamer Substanzen diskutiert. Bei den durchgeführten Untersuchungen war bei den insulinresistenten Tieren die Konzentration von C16:1 mit Ausnahme der FFS im Serum in allen untersuchten Geweben erhöht. Today, insulin resistance and type 2 diabetes are among the main threats to human health in industrial nations. However, the molecular basis of insulin resistance is not entirely understood. There is a link between diminished efficiency of insulin and defective lipid metabolism. The aim of this work was to characterize an antidiabetic drug exerting a major effect on lipid metabolism. This characterization was performed in connection with increased lipolysis and lipid oxidation during a period of starvation. Therefore, the dynamics of intramyo- and hepatocellular lipids (IMCL and HepCL) were measured by 1H-NMR-spectroscopy. IMCL and HepCL serve as surrogate parameters for insulin sensitivity. In parallel different species of long chain acyl CoA (LCACoA) in liver and skeletal muscle were analyzed by HPLC. LCACoA are proposed to be a causative factor in the pathogenesis of insulin resistance. Experiments were performed during a 3 day-starvation period in different rat strains: insulin sensitive, insulin resistant and diabetic rats. Furthermore, insulin resistant rats were treated with different antidiabetic agents. The investigations showed rapid, muscle fiber type specific dynamics of IMCL: Despite the increased b-oxidation during starvation, IMCL increased rapidly in glycolytic muscles. During starvation, adipocytes release more lipids than peripheral tissues actually need. These lipids are stored in skeletal muscle cells as IMCL. However, muscles with a high capacity for lipid oxidation showed no dynamics regarding IMCL-content during the period of starvation. The increase of IMCL seems to prevent an accumulation of muscle LCACoA: In insulin sensitive rats, total-LCACoA remained constant during the whole study period. With regard to the liver, increased lipolysis in adipocytes did not lead to an increase of HepCL in insulin sensitive rats. Insulin resistant rats coped differently with the increased lipolysis during starvation: Increased lipid content in plasma resulted in an accumulation of HepCL. Hepatic LCACoA-concentrations were increased in all rats during starvation.Prevention of diabetes by treatment with PPAR-agonists decreased IMCL and HepCL in fed state. However, during postabsorptive lipolysis, IMCL and HepCL increased to a much higher level than in untreated rats. Analysis of the LCACoA-species revealed, that C16:1 displayed completely different dynamics than all the other fatty acids. C16:1 is synthesized endogenously by Stearoyl-CoA Desaturase (SCD). Actually this enzyme is discussed to be a potential drug-target for the development of antidiabetic agents. The results of the LCACoA-analysis yielded elevated concentrations of C16:1 in liver, muscle and adipose tissue in obese rats.