Efeitos do tratamento com Berberina na sinalização por AMPK e estimulação de função mitocondrial num modelo de obesidade induzida por diet

Abstract

A obesidade é considerada como uma doença de alto risco e crónica, tendo a sua incidência atingido níveis alarmantes tanto em pessoas adultas como em crianças em todo o Mundo. A obesidade aumenta a susceptibilidade para o desenvolvimento de outras patologias associadas a esta condição como o desenvolvimento de diabetes, hipertensão, doenças cardiovasculares, entre outras. Deste modo, existe uma necessidade constante pela descoberta de tratamentos eficazes de modo a evitar as consequências das doenças relativas a esta condição que preocupa toda a população em geral sendo já considerada como uma epidemia. Os tecidos que apresentam uma actividade metabólica elevada, como é o caso do músculo esquelético, várias doenças encontram-se associadas à disfunção mitocondrial. Assim, uma dieta rica em gordura origina um aumento do uptake de ácidos gordos contribuindo assim para a acumulação de lípidos, aumento do fluxo oxidativo mitocondrial, produção de espécies reactivas de oxigénio e por fim o desenvolvimento de resistência à insulina. Uma característica importante da obesidade é a resistência à insulina que consiste numa diminuição da resposta dos tecidos periféricos à insulina. O desenvolvimento desta condição envolve uma disfunção mitocondrial acrescida de uma diminuição do conteúdo de DNA mitocondrial, redução de coactivador 1α do receptor activado por proliferadores do peroxisoma gama (PGC-1α), deficiências na fosforilação oxidativa e diminuição da síntese de ATP. Consequentemente, a estimulação da biogénese mitocondrial pode diminuir ou até mesmo evitar o desenvolvimento de síndrome metabólico por aumento da actividade mitocondrial protegendo a célula contra o aumento de fluxo de substratos para a cadeia transportadora de electrões. Este trabalho teve por objectivo avaliar se o tratamento com Berberina modula a biogénese mitocondrial do músculo esquelético em modelos de obesidade induzida por dieta rica em gordura. A Berberina é um produto natural que apresenta propriedades antidiabéticas. Neste trabalho foi verificado que este composto diminui o peso corporal e recupera a disfunção mitocondrial no músculo esquelético, em animais alimentados durante 16 semanas com dieta rica em gordura. Adicionalmente, o tratamento com Berberina estimulou a actividade de proteína cinase activada por AMP (AMPK), o que originou um aumento da capacidade oxidativa mitocondrial, do conteúdo em proteínas envolvidas na biogénese e função mitocondriais. As mitocôndrias de músculo esquelético de animais Sprague-Dawley alimentados com dieta rica em gordura durante 16 semanas (animais HFD) apresentaram decréscimo significativo do potencial transmembranar mitocondrial (ΔΨ), desenvolvido após energização relativamente aos animais controlo (Capítulo III – 3.4.1). A despolarização foi também inferior em relação aos animais controlo, estando a repolarização também afectada. Nos animais Berberina, foi observado superior ΔΨ, despolarização e também derepolarização após o tratamento de 4 semanas com Berberina (Capítulo III – 3.4.1), comparativamente aos animais HFD, sendo muito semelhante ao valor obtido para os animais controlo. Os estados 3 e 4 respiratórios nas mitocôndrias de animais HFD foram estatisticamente inferiores relativamente aos animais controlo (Capítulo III – 3.4.2). Nos animais que receberam tratamento oral com Berberina (animais Berberina), estes parâmetros foram superiores em relação aos animais HFD, sendo semelhantes aos obtidos para os animais controlo (Capítulo III – 3.4.2). A respiração estimulada por FCCP nos animais HFD foi estatisticamente inferior relativamente aos animais controlo (Capítulo III – 3.4.2), sugerindo alterações ao nível da cadeia transportadora de electrões. Nos animais Berberina, este parâmetro foi superior em relação aos animais HFD. O índice de controlo respiratório (ICR) foi significativamente inferior nos animais HFD comparativamente aos animais controlo (Capítulo III – 3.4.2), enquanto que nos animais Berberina foi superior relativamente aos animais HFD. Paralelamente, a “lag phase” foi superior nas mitocôndrias de animais HFD em relação aos animais controlo e inferior nos animais Berberina comparativamente aos animais HFD, sendo semelhante à dos animais controlo (Capítulo III – 3.4.1). Estas observações sugerem que nos animais HFD ocorreu uma diminuição da eficiência do sistema fosforilativo relativamente aos animais controlo, enquanto que nos animais Berberina há uma recuperação da eficiência por parte do sistema fosforilativo. Os animais HFD apresentaram maior susceptibilidade à indução da permeabilidade transitória mitocondrial (PTM) (Capítulo III – 3.4.3) relativamente aos animais controlo e Berberina. Adicionalmente, os animais HFD apresentaram uma redução no conteúdo em proteína cinase activada por AMP (AMPK), p-AMPK, PGC-1α, citocromo c oxidase subunidade I (COX I), citocromo c oxidase subunidade IV (COX IV), factor de transcrição mitocondrial A (TFAM) e ATP sintetase (Capítulo III – 3.4.4) relativamente aos animais controlo enquanto que, nos animais Berberina, o conteúdo destas proteínas foi superior em relação aos animais HFD, sendo muito próximo do observado nos animais controlo. De acordo com estes resultados, os efeitos da Berberina parecem envolver um mecanismo que aumenta a função e número mitocondriais podendo, deste modo, atenuar a disfunção mitocondrial que se verifica nas condições de síndrome metabólico e diabetes mellitus tipo 2. Concluindo, este composto pode possibilitar o desenvolvimento de novas aplicações farmacológicas em pacientes obesos e diabéticos e também de estratégias que poderão modular a biogénese mitocondrial e assim melhorar o tratamento de doenças metabólicas.

Obesity is considered a chronic high risk disease, having its prevalence reached alarming levels, both in adults as well as in children, all over the world. Obesity increases the susceptibility to the development of other pathologies such as diabetes, hypertension, and cardiovascular diseases, amongst others. As so, there is a constant necessity for the discovery of effective treatments as to avoid the consequences of the diseases associated with this condition. One of the main organs affected by this pathology is the skeletal muscle, since this organ presents a high metabolic activity, being on the main consumers of glucose. Due to this fact, mitochondrial activity is of vital importance to the skeletal muscle, so several pathologies that directly affect this organ are associated with mitochondrial dysfunction. As so, a fat rich diet causes an increase in the fatty acid uptake, leading to the accumulation of lipids, increased mitochondrial oxidative flow, reactive oxygen species production and finally the development of insulin resistance. An important characteristic of obesity, insulin resistance is the result of a decrease in the response of peripheral tissues to insulin. The onset of this condition involves mitochondrial dysfunction: decreased mitochondrial DNA and PGC-1α content, oxidative phosphorylation deficiencies and decreased ATP synthesis. As a result, the stimulation of the mitochondrial biogenesis can decrease or even avoid the development of the metabolic syndrome via an increase in mitochondrial activity, protecting the cell against the increase in the substrate flow through the electron transport chain. This work had the objective of evaluation if treatment with Berberine, a natural product that presents antidiabetic properties, modulates mitochondria biogenesis in the skeletal muscle of animals fed a high-fat diet. This work demonstrates that this compound decreases the overall body weight and recovers mitochondrial function in skeletal muscle of animals fed a high-fat diet for 16 weeks. Also, treatment with Berberine stimulated AMPK activity, which generated an increase in mitochondrial oxidative capacity and in proteins involved in mitochondrial biogenesis and function. Mitochondria isolated from skeletal muscle of Sprague-Dawley animals fed a high-fat diet for 16 weeks (HFD) exhibited statistically significant decrease in mitochondrial transmembrane potential (ΔΨ), induced by energization with succinate (Chapter III – 3.4.1). Mitochondrial depolarization and repolarization were also decreased in HFD animals, when compared to control animals. In the treated group, mitochondrial membrane potential, depolarization and repolarization were increased after 4 weeks of administration of Berberine (Chapter III- 3.4.1), comparatively to HFD mitochondria. No differences were observed between mitochondria isolated from Berberine and control animals. State 3 and 4 respiration were statistically decreased in mitochondria from HFD animals when compared to mitochondria from both groups HFD and Berberine (Chapter III- 3.4.2). FCCP-stimulated oxygen consumption was statistically decreased in mitochondria fromHFD animals comparatively to the control group (Chapter III- 3.4.2), suggesting alterations at the level of the electron transport chain. Berberine administration prevented this impairment. Respiratory control ratio and the lag phase were statistically decreased in mitochondria from both control and Berberine groups (Chapter III- 3.4.2 and 3.4.1). These observations suggest that in the HFD animals there was an impairment of the phosphorylative system, comparatively to control animals. On the other hand, in the animals treated with Berberine there was a recovery of the efficiency of the phosphorylative system. Mitochondria from HFD animals also exhibited increased susceptibility to the induction of the mitochondrial permeability transition (MPT), when compared to mitochondria from both control and Berberine groups. (Chapter III – 3.4.3). Additionally, in animals fed a high-fat diet for 16 weeks, comparatively to control animals, there was a decrease in the content of the following proteins: AMPK, p-AMPK, PGC-1α, cytochrome oxidase subunit I (COX I), cytochrome oxidase subunit IV, mitochondrial transcription factor A (TFAM) and ATPsynthase (Chapter III – 3.4.4). In animals treated with Berberine there was a recovery since the content in these proteins was similar to control animals and higher than HFD animals. Taking into account these results, it is suggested that Berberine action involves a mechanism of increased number and mitochondrial function. This will probably attenuate the mitochondrial dysfunction associated to metabolic syndrome and diabetes type 2. In conclusion, Berberine is a promising therapeutic agent to be used in the development of pharmacological strategies in obese and diabetic patients, with the goal of modulation of mitochondrial biogenesis and prevention of the damage involved in metabolic diseases.