Dokument: The role of chronic variable stress and dietary fat on insulin sensitivity in a mouse model for posttraumatic stress disorder

Titel:	The role of chronic variable stress and dietary fat on insulin sensitivity in a mouse model for posttraumatic stress disorder
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34991
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150814-090535-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Müller-Lühlhoff, Sabrina [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,56 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 10.08.2015 / geändert 10.08.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Hadi Al-Hasani [Gutachter] Prof. Dr. Eckhard Lammert [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Fragestellung: Obwohl Glukokortikoide und Katecholamine Einfluss auf den Glukose- und Lipidmetabolismus nehmen und Stress als ein Risikofaktor für Insulinresistenz diskutiert wird, sind die metabolischen Effekte, denen die Stressphysiologie zugrunde liegt, noch größtenteils unbekannt. Der Großteil bereits vorhandener Studien stützt sich auf den Einsatz synthetischer Glukokortikoide wie Dexamethason mit Schwerpunkt auf der Untersuchung einzelner Gewebe. Des Weiteren bleiben in diesen Studien die Beobachtungen oftmals auf akute Effekte beschränkt und die Interpretation der Daten ist stark dem jeweiligen Forschungsmodell, dem Gewebetyp und der Expositionszeit unterworfen. Epidemiologische Studien im Menschen haben bereits einen Zusammenhang zwischen chronischem Stress bzw. posttraumatischer Belastungsstörung und spätmanifestiertem Diabetes aufgedeckt, jedoch erlauben diese Studien keine umfassende Analyse der zugrundeliegenden Mechanismen. Zur weiteren Beschreibung dieser Vorgänge war das Ziel der vorliegenden Dissertation die Aufklärung der potenziellen Auswirkungen von chronischem Stress auf die Ganzkörper-Insulinsensitivität in einem Mausmodell für posttraumatische Belastungsstörung sowie die Identifizierung möglicher Mediatoren stress-induzierter metabolischer Veränderungen. Des Weiteren sollte als wesentlicher Aspekt in dieser Fragestellung untersucht werden, ob die potenziellen Auswirkungen von chronischem Stress auf die Insulinsensitivität langfristig bestehen bleiben (nach Abschluss der Stressintervention) und wie sie in Abhängigkeit vom Fettgehalt der Ernährung reguliert werden könnten. Material und Methoden: Drei Monate alte, männliche C57BL/6J-Mäuse wurden für 15 Tage einer randomisierten Reihe verschiedener Stressoren ausgesetzt, wobei die Kontrolltiere (CTRL) für diesen Zeitraum in einem separaten Raum gehalten wurden. Nach der Stressintervention wurde die Körperzusammensetzung (nuclear magnetic resonance, NMR) analysiert und die Corticosteron-Spiegel (08:00-12:00 Uhr) im Plasma bestimmt (RIA). Die Insulinsensitivität wurde in vivo mittels eines hyperglykämischen-euglykämischen Clamps 1) unmittelbar nach der Stressintervention (Kurzzeiteffekte von CVS) und 2) drei Monate nach der Stressintervention mit Niedrigfett (CVS CHOW) (9 % Fett) - oder Hochfett (CVS HFD) (43 % Fett) - Fütterung bestimmt (Langzeiteffekte von CVS). Die Analysen der Kurz- und Langzeiteffekte von CVS auf die Insulinsensitivität wurden durch Messungen der Spiegel von Fettmetaboliten, Hormonen und Cytokinen im Plasma und durch die Bestimmung der Genexpression (real-time-PCR, RT-PCR) und Proteinspiegel (Western Blots, WBs) in Hypothalamus, Skelettmuskel, Leber und Fettgewebe ergänzt. Ergebnisse: CVS-Mäuse wiesen eine Verringerung der fettfreien Masse und des Körpergewichts auf, während die Corticosteron-Spiegel im Plasma und die Fettmasse erhöht waren. Die endogene Glukoseproduktion (EGP, Leber) wurde durch CVS herabgesetzt. Die Ganzkörperinsulinsensitivität gemessen an der Glukoseinfusionsrate (GIR) blieb durch CVS unverändert, jedoch war der Insulin-stimulierte Glukoseumsatz in peripheren Geweben (rate of glucose disposal, Rd %) im Vergleich mit den CTRL-Mäusen erhöht. In Einklang mit der gesteigerten Rd % bzw. der unveränderten GIR waren die Adiponektin-Spiegel im Plasma tendenziell erhöht, während die Resistin-Spiegel unverändert blieben. Des Weiteren waren die Proteinspiegel der Fettsäureoxidations-Marker AMPK, p-ACC, ACC im Skelettmuskel erhöht und die Triglycerid-Spiegel im Plasma verringert. Unterschiede in der Expression des Fettsäureoxidations-Markers Cpt1b im Skelettmuskel wurden nicht gefunden. Drei Monate nach der Stressintervention wiesen CVS CHOW-Mäuse im Vergleich mit CTRL CHOW-Mäusen eine erhöhte GIR und Rd % auf. Im Gegensatz dazu wiesen CVS HFD-Mäusen im Vergleich mit den CTRL HFD-Mäusen eine verminderte GIR und Rd % auf. CVS CHOW-Mäuse zeigten verringerte Adiponektin- und Resistin- Spiegel, während CVS HFD-Mäuse verringerte Adiponektin- und erhöhte Resistin-Spiegel aufwiesen. Die Cpt1b-Expression im Skelettmuskel war im Vergleich mit den entsprechenden CTRL-Mäusen in CVS CHOW-Mäusen erhöht und in CVS HFD-Mäusen verringert, was auf eine erhöhte bzw. verminderte Fettsäureoxidation hinweist. In Einklang damit zeigten CVS CHOW-Mäuse verringerte Triglycerid-Spiegel im Plasma und eine verminderte adipogene Aktivität im weißen Fettgewebe (WAT) gemessen an der verringerten Expression von Lpl und Fasn und der gesteigerten Expression von Lipe. CVS HFD-Mäuse wiesen im Vergleich mit den CTRL HFD-Mäusen keine Unterschiede in Triglycerid-Spiegeln und in der Lpl, Fasn and Lipe-Expression im WAT auf. CVS zeigte keine Langzeiteffekte auf die Proteinspiegel von Fettsäureoxidations-Markern im Skelettmuskel. Schlussfolgerungen: CVS vermindert die hepatische Insulinsensitivität, während der Glukoseumsatz in peripheren Geweben erhöht ist. Als Folge dieser komplementären Regulation stellt sich die Ganzkörper-Insulinsensitivität (GIR) durch CVS als unverändert dar. Langfristig steigert CVS bei fettarmer Ernährung die Insulinsensitivität und den Glukoseumsatz in peripheren Geweben, während CVS in Verbindung mit nachfolgender Hochfetternährung die Insulinsensitivität und den Glukoseumsatz in peripheren Geweben herabsetzt. Demnach reguliert der Fettgehalt der Nahrung die Langzeiteffekte von CVS als Steigerung (Niedrigfett) oder Verminderung (Hochfett) der Insulinsensitivität. Metabolische Veränderungen auf der Ebene des WAT ebenso wie die veränderte Gen- und Proteinexpression von Fettsäureoxidations-Markern im Skelettmuskel deuten auf Modifikationen des Lipidmetabolismus als wesentlicher Mechanismus hinter den Langzeiteffekten von CVS und Ernährungsintervention auf die Insulinsensitivität hin. Daher konnte im vorliegenden Mausmodell für posttraumatische Belastungsstörung zum ersten Mal gezeigt werden, dass chronischer Stress Auswirkungen auf die Insulinsensitivität hat, die sich spät im Leben in Abhängigkeit von Lebensstilfaktoren wie Ernährung manifestieren. Background and aim: Although glucocorticoids (GCs) and catecholamines have an impact on glucose and lipid metabolism and actually stress has been suggested to contribute to insulin resistance, the metabolic effects behind the physiology of stress are still poorly understood. Most of the studies have been performed with synthetic GCs like dexamethasone and are often focused just in one tissue, with the observations limited to acute effects and the interpretation subjected to the research model, tissue and time of exposure. Epidemiological studies in humans link chronic stress and PTSD with late diabetes onset; however, those studies do not allow the analysis of the overall mechanisms behind the observed effects. Therefore, the aim of the present doctoral thesis was to elucidate in a mouse model for PTSD whether chronic stress may affect whole-body insulin sensitivity, whether those effects last in time (after the stress situation ceased) and how they can be regulated by dietary fat. Furthermore, potential factors that could drive and orchestrate those metabolic alterations were also analyzed in the present doctoral thesis. Methods: Three-months old, body weight-matched male C57BL/6 mice were exposed to a random series of stressors for 15 days (CVS), the unstressed controls (CTRL) were housed separately during that time. After CVS, body composition was analyzed with nuclear magnetic resonance (NMR) and blood was collected (8-12 a.m.) for corticosterone (radioimmunoassay, RIA) analysis. Subsequently, insulin sensitivity was analyzed in vivo with hyperinsulinemic-euglycemic clamps in one group of animals (short-term effects of CVS). Another group of mice was divided into two subgroups either consuming a low fat diet (CHOW, 9 % fat) or a high fat diet (HFD, 43 % fat) for 3 months without further stress intervention before the analysis of insulin sensitivity (long-term effects of CVS). In addition to the analysis of insulin sensitivity, lipid metabolites, hormones and cytokines in plasma and gene expression (real time PCR, RT-PCR) and protein levels (western blot, WBs) in hypothalamus, muscle, liver and adipose tissue were done at the same time points. Results: Exposure to CVS increased plasma corticosterone and fat mass and decreased lean mass and body weight. On the short-term, CVS impaired endogenous glucose production (EGP, liver) and increased peripheral glucose disposal (Rd %) without changing whole body insulin sensitivity (glucose infusion rate, GIR). In line with Rd % and GIR, respectively, adiponectin showed a trend to be increased while resistin was unchanged. The protein levels of muscle markers for fatty acid oxidation (AMPK, p-ACC, ACC) were increased while plasma triglycerides (TGs) were decreased. No changes were observed in the expression of the fatty acid oxidation marker Cpt1b in skeletal muscle. On the long-term with CHOW consumption, CVS increased GIR and Rd % compared to CTRL CHOW. On the contrary, GIR as well as Rd % were decreased in CVS HFD mice compared to CTRL HFD mice. CVS CHOW mice showed decreased plasma adiponectin and resistin, whereas CVS HFD mice showed decreased plasma adiponectin and increased plasma resistin. Cpt1b expression in skeletal muscle was increased in CVS CHOW and decreased in CVS HFD mice compared to the respective CTRL mice suggesting higher or lower fatty acid oxidation, respectively. In line with that observation, CVS CHOW mice showed lower plasma TGs and lower adipogenic activity in WAT as suggested by decreased Lpl and Fasn expression and increased Lipe expression. With HFD, no changes between CVS and CTRL mice were observed in plasma TGs levels and in WAT Lpl, Fasn and Lipe expression. No differences were found in the protein levels of muscle markers for fatty acid oxidation on the long-term. Conclusions: Exposure to CVS impairs hepatic insulin sensitivity and improves peripheral glucose disposal without changing whole-body insulin sensitivity. On the long-term, CVS improves insulin sensitivity and increases peripheral glucose disposal when dietary fat is kept low. On the contrary, HFD consumption decreases peripheral glucose disposal increasing insulin resistance. Therefore, dietary fat content determines the long-term effects of CVS enhancing (low fat) or impairing (high fat) insulin sensitivity. Changes at the level of the WAT and skeletal muscle gene markers for fatty acid oxidation suggest changes in lipid metabolism as the main mechanism in relation to CVS and dietary fat effects on insulin sensitivity regarding time. Therefore, the present experimental animal model for PTSD proves for the first time that chronic stress, as observed in human subjects, has effects on insulin sensitivity that manifest late in time. Furthermore, lifestyle factors such as diet would determine the onset of the pathological state.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	14.08.2015
Dateien geändert am:	14.08.2015
Promotionsantrag am:	23.03.2015
Datum der Promotion:	13.07.2015