Dokument: Role of Adipokines in the Crosstalk Between Human Adipose Tissue and Skeletal Muscle Cells

Titel:	Role of Adipokines in the Crosstalk Between Human Adipose Tissue and Skeletal Muscle Cells
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=19948
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20111129-114346-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Taube, Annika [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,78 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 26.11.2011 / geändert 26.11.2011
Beitragende:	Prof. Dr. Eckel, Jürgen [Gutachter] Prof. Dr. Lammert, Eckhard [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Typ 2 Diabetes (T2D) hat weltweit eine Verbreitung epidemischen Ausmaßes erreicht. Die hohe Prävalenz sowie die erwartete Zunahme von T2D Fällen in naher Zukunft verdeutlichen den Bedarf an kostengünstigen und effizienten Therapien. Hierzu ist das Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen unentbehrlich. So ist bereits bekannt, dass die Entstehung von T2D mit einer vermehrten Fettgewebsmasse sowie einer verminderten Insulinsensitivität korreliert. Dieser negative Crosstalk zwischen Fettgewebe und Muskel wird durch eine verstärkte Freisetzung von bioaktiven Proteinen aus dem Fettgewebe, den so genannten Adipokinen, vermittelt. Die Wirkung einzelner Adipokine auf die generelle sowie die Muskel‐spezifische Insulinsensitivität wurde bereits in verschiedenen Studien untersucht. Moderne Analysemethoden zeigen jedoch, dass das Adipozytensekretom ein hochkomplexes Gemisch aus hunderten verschiedener sekretierter Proteine und Peptide darstellt. Dadurch wird deutlich, dass die Analyse einzelner Adipokine nur einen limitierten Ausschnitt der komplexen physiologischen Situation liefern kann. Daher war es Ziel dieser Arbeit, weitere Einblicke in die zusammenhängende Wirkung des gesamten Adipozytensekretoms in Kombination mit physiologischen Konzentrationen von Fettsäuren auf den Metabolismus von Skelettmuskelzellen zu gewinnen. Des Weiteren wurde der Einfluss der Muskelkontraktion im Zusammenspiel mit der Wirkung von Adipokinen und Fettsäuren auf den Skelettmuskel untersucht. Der Einfluss des gesamten Adipozytensekretoms wurde mittels Adipozytenkonditionierter Medien (CM) untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Adipokine die Abundanz des Fettsäuretransportproteins CD36 sowie die Fettsäureaufnahme in primären humanen Skelettmuskelzellen (SkMC) erhöhen. Während negative Effekte einzelner Adipokine, wie z.B. Chemerin, auf die Insulinsensitivität von SkMC gezeigt werden konnten, konnte kein isoliertes Adipokin die CM‐vermittelte Wirkung auf den Lipidstoffwechsel nachahmen. Obwohl T2D häufig mit erhöhten Plasmaspiegeln von freien Fettsäuren einher geht, ist wenig über die gemeinsame Wirkung von Adipokinen und Fettsäurenbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte jedoch gezeigt werden, dass die gleichzeitige Behandlung von SkMC mit CM und Fettsäuren zu einer vermehrten Ansammlung von intramyozellulären Lipidtropfen sowie Triacylglycerol (TAG) führte, wobei unterschiedliche Effekte für Ölsäure (OA) und Palmitinsäure (PA) beobachtet werden konnten. So führte die Kombination von OA+CM zu einer vermehrten Ausbildung von intramyozellulären Lipidtropfen und einer deutlichen Ansammlung von TAG, während die Behandlung mit PA+CM eine weniger strukturierte Akkumulierung von Lipiden in der Zelle zur Folge hatte. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Behandlung von SkMC mit CM und Fettsäuren zu einer gestörten Fettsäureoxidation führt, wobei die schwerwiegendsten Defekte durch die Kombination von PA+CM hervorgerufen wurden. Da Lebensstilinterventionsstudien, unter anderem mittels vermehrter sportlicher Aktivität, eine Verbesserung der Insulinsensitivität zeigen konnten, und in vitro Studien eine dauerhafte Beeinträchtigung des Insulinsignals nahe legen, wurde die Reversibilität der CM‐induzierten Insulinresistenz untersucht. Dabei konnte nur eine partielle Aufhebung der CM‐vermittelten Defekte festgestellt werden. Um die zu zugrunde liegenden positiven Auswirkungen vermehrter körperlicher Aktivität genauer zu untersuchen, wurde ein in vitro Modell elektrisch‐induzierter Muskelkontraktion heran gezogen, um den Einfluss der Kontraktion im Zusammenspiel mit Adipokinen und Fettsäuren auf den Skelettmuskel zu untersuchen. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass die elektrische‐ Puls‐Stimulation (EPS) von SkMC die Beeinträchtigung der Fettsäureoxidation nach OA+CM‐Behandlung verhindern konnte. Interessanterweise war dies jedoch nach PA+CM‐Behandlung nicht zu beobachten. Zusammenfassend deuten die Daten dieser Arbeit auf eine neue Rolle für Adipokine bei der Verstärkung der lipotoxischen Wirkung von Fettsäuren hin. Diese Wirkung konnte nicht durch einzeln eingesetzte Adipokine nachgeahmt werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Behandlung mit CM und gesättigten Fettsäuren, im Gegensatz zu ungesättigten Fettsäuren, zu einer dauerhaften Schädigung von SkMC führt. Abschließend konnte gezeigt werden, dass die Behandlung mit EPS ein wertvolles in vitro Modell darstellt, mit dessen Hilfe der selektive Schutz vor Lipotoxizität‐induzierten Defekten durch Muskelkontraktion realisiert werden konnte. Diese Ergebnisse geben neue Einblicke in das komplexe Wechselspiel von Adipokinen, Fettsäuren und Muskelkontraktion bei der Entstehung von Adipositas und T2D, die zu der Entwicklung verbesserter oder neuer therapeutischer Ansätze bei der Behandlung von T2D und der einhergehenden Komplikationen beitragen können. The worldwide prevalence of type 2 diabetes (T2D) has reached epidemic proportions and the expected increase of T2D cases emphasizes the urgency of understanding the molecular mechanisms underlying the etiology of this disease in order to develop cost‐efficient and effective therapeutic strategies. Pathophysiology of T2D is closely associated with obesity and the induction of skeletal muscle insulin resistance. In this context, adipocyte‐secreted factors, referred to as adipokines, have been implicated in the negative crosstalk between adipose tissue and skeletal muscle. A number of studies have investigated the contribution of isolated adipokines to impaired whole body or skeletal muscle insulin sensitivity, however, highly sensitive state‐of‐the‐art proteomic analyses have revealed the complex nature of the adipocyte secretome, comprising hundreds of different secreted peptides and proteins. Thus, studies of single adipokines are only able to yield a limited picture of the complex physiological condition. Therefore, this thesis aimed to obtain further insight into the interrelated and combined impact of the entire adipocyte secretome together with physiological concentrations of fatty acids (FA) on skeletal muscle metabolism. Additionally, the influence of muscle contraction on muscle cell metabolism in the interplay with adipokines and FA was to be assessed. Adipocyte‐conditioned medium (CM) was used to investigate the influence of the entire adipocyte secretome. In this context, adipokines were found to increase protein abundance of the fatty acid transporter CD36 as well as enhance fatty acid uptake in primary human skeletal muscle cells (SkMC). Although novel adipokines, such as chemerin, could be demonstrated to contribute to the negative crosstalk of adipocytes and muscle with regard to impaired skeletal muscle insulin sensitivity, no single adipokine could be identified to be able to mimic the CM‐mediated influence on lipid metabolism. Although T2D patients are frequently characterized by increased plasma free FA levels, data on the combined influence of adipokines and FA are scarce. Simultaneous exposure of primary human SkMC to CM and FA was found to induce severe accumulation of intramyocellular lipid (IMCL) droplets and triacylglycerol (TAG), whereas distinct effects of oleic acid (OA) and palmitic acid (PA) could be identified. While combined treatment of OA+CM resulted in formation of a multitude if IMCL droplets and profound accumulation of TAG, incubation of SkMC with PA+CM yielded unstructured IMCL accumulation dispersed throughout myotubes. Additionally, SkMC FA oxidation was found to be impaired as a consequence of CM‐ and FA‐treatment, with the most profound defects induced by combination of PA+CM. In vivo data obtained from lifestyle intervention studies, involving enhanced physical activity, have indicated the potential of SkMC recovery from insulin resistance. In contrast to that, in vitro studies have demonstrated retained impairments of insulin signaling. Therefore, CM‐treatment was used to investigate the reversibility of muscle insulin resistance, indicating only partial recovery of SkMC functions. To further unravel the beneficial influences of physical exercise, an in vitro model of electrically stimulated skeletal muscle contraction was applied to characterize the impact of muscle contraction in the interplay with adipokines and FA. In this context it was revealed that subjecting SkMC to electrical pulse stimulation (EPS) could prevent impairments of OA+CM‐treatment on FA oxidation. Strikingly, this was not the case for PA+CM treatment. Collectively, data obtained in this thesis indicate a novel role for adipokines in promoting lipotoxic effects of FA, which could not be mimicked by isolated adipokines. Furthermore, muscle cell functionality was found to be persistently impaired in response to saturated but not unsaturated FA. Finally, EPS‐treatment was identified as a valuable in vitro exercise model, revealing the selective potential of muscle contraction to prevent lipotoxicity‐induced cellular defects. These findings contribute to the understanding of the molecular interplay of adipokines, FA, and muscle contraction in the pathogenesis of obesity as well as the transition to T2D and may help to develop improved or novel therapeutic strategies to combat T2D and its associated complications.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	29.11.2011
Dateien geändert am:	29.11.2011
Promotionsantrag am:	03.05.2011
Datum der Promotion:	10.10.2011