Tracing Hepatic Glycogen and Lipid Metabolism with Stable Isotope Tracers: Insight From Murine Studies

Abstract

Humans evolved in environments where calorie supply and availability were scarce and unpredictable, thereby developing mechanisms that allowed them to store nutrients during times of plenty for utilization in times of need. In a remarkably short time, humanity has managed to profoundly change the environment from which it originally evolved. Nowadays, food is easily available in most societies and is frequently consumed in excess. At the same time, caloric requirements have diminished as lifestyle has become more sedentary. As a consequence, obesity and associated diseases became endemic in the last fifty years and have currently taken a tremendous toll on many aspects of society. Insulin resistance is considered a sine qua non for the development and progression of most common metabolic diseases. Although insulin resistance induces a multi-organ pathological response, disruption of insulin regulation has different manifestations on the various insulin- sensitive tissues of an organism. The liver plays a central role in systemic glucose and lipid homeostasis and a well-coordinated hepatic metabolism is essential for the overall metabolic health. Hepatic insulin resistance is an important element in the pathogenesis and precipitation of metabolically altered states and many therapeutic approaches target the liver specifically. Insulin governs metabolic fluxes in the liver by stimulating anabolic pathways during states of nutrients abundance, mostly by prompting glycogen and lipid synthesis. Thus, impaired glycogen deposition and aberrant lipid production are major hallmarks of the insulin-resistant liver. This thesis is constructed around three sets of animal model studies that applied stable isotope tracers coupled with Nuclear Magnetic Resonance (NMR) analysis of their enrichment of hepatic glycogen and/or lipids. The objectives were to enhance our understanding on the impact of diet, drugs and genetic manipulation - mediated in part by their effects on hepatic insulin actions - on hepatic glycogen and lipid metabolism. In Study 1, we combined the use of deuterated water (2H2O) with 13C uniformly labeled fructose and glucose to study the effect of high-fructose corn syrup, a very much investigated nutrient in the context of metabolic diseases, on hepatic glycogenesis in mice fed a high-sugar diet for a prolonged period of time. We observed that the fructose and the glucose components of the sugar administered to the animals under study contributed equally to hepatic glycogenesis. Moreover, overall glycogen synthesis and glycogen deposition via direct pathway were not compromised after chronic high- sugar feeding in mice. In Study 2, H2O was employed for the first time to examine the effects of second-generation antipsychotics, widely used medications associated with detrimental metabolic side effects, on hepatic metabolic fluxes in mice. Despite some early systemic metabolic alterations, we found intact hepatic glycogen and lipid fluxes in animals treated with second-generation antipsychotics over a period of seven months. In Study 3, H2O was utilized to characterize the hepatic metabolism of PTP-1B knockout mice, an animal model of insulin hypersensitivity. We observed reduced glycogen concentration and lipid synthetic fluxes in PTP-1B knockout mice, an outcome that contradicted our expectations from a mouse model of hypersensitivity to insulin.

Os seres humanos evoluíram em ambientes onde o provimento e a disponibilidade calórica eram escassos e imprevisíveis, por isso desenvolveram mecanismos que lhes permitiram armazenar nutrientes durante tempos de abundância para serem utilizados em tempos de necessidade. Num espaço de tempo notavelmente curto, a humanidade conseguiu mudar profundamente o ambiente do qual originalmente evoluiu. Nos nossos dias, os alimentos estão facilmente disponíveis na maioria das sociedades e frequentemente são consumidos em excesso. Ao mesmo tempo, as exigências calóricas diminuíram à medida que o estilo de vida se tornou mais sedentário. Como consequência, a obesidade e as doenças associadas tornaram-se endémicas nos últimos cinquenta anos e atualmente têm tido um tremendo impacto em muitos aspetos da sociedade. A resistência à insulina é considerada sine qua non para o desenvolvimento e progressão das doenças metabólicas mais comuns. Embora a resistência à insulina induza uma resposta patológica multi-orgão, a rutura da regulação da insulina resulta em manifestações diferentes nos vários tecidos dependentes da insulina de um organismo. O fígado desempenha um papel central na homeostase da glicose sistémica e lipídica, e um metabolismo hepático bem coordenado é essencial para a saúde metabólica geral. A resistência hepática à insulina é um elemento importante na patogénese e no rápido aparecimento de estados metabolicamente alterados e muitas abordagens terapêuticas visam especificamente o fígado. A insulina rege os fluxos metabólicos no fígado, estimulando as vias anabólicas durante estados de abundância de nutrientes, principalmente por promover a síntese de glicogénio e de lípidos. Assim, alterações no armazenamento de glicogénio e uma síntese lipídica aberrante são os principais sinais de um fígado resistente à insulina. Esta tese é construída em torno de três conjuntos de estudos em modelos animais nos quais foram utilizados marcadores com isótopos estáveis, combinados com a análise do seu enriquecimento no glicogénio hepático e/ou lípidos por Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Os objetivos foram o aprofundamento da nossa compreensão sobre o impacto da dieta, drogas e manipulação genética - mediado em parte pelos seus efeitos sobre a ação da insulina no fígado - no metabolismo hepático do glicogénio e lipídico. No Estudo 1, combinámos a utilização da água deuterada (2H2O) com frutose e glicose uniformemente marcadas com 13C para estudar o efeito do xarope de milho com elevado teor de frutose, um nutriente muito investigado no contexto de doenças metabólicas, na glicogénese hepática em murganhos alimentados com uma dieta rica em açúcar durante um período prolongado de tempo. Observámos que a frutose e a glicose, componentes do açúcar administrado aos animais estudados, contribuíram de igual forma para a glicogénese hepática. Além disso, a síntese e o armazenamento do glicogénio pela via direta não ficaram comprometidos nos murganhos após uma alimentação crónica com elevado teor de açúcares. No Estudo 2, empregámos a 2H2O para examinar os efeitos de medicamentos antipsicóticos de segunda geração nos fluxos metabólicos hepáticos em murganhos. Apesar de algumas alterações metabólicas sistémicas precoces, verificámos que os fluxos de glicogénio e de lípidos hepáticos se encontravam intactos naqueles animais tratados com antipsicóticos de segunda geração durante um período de sete meses. No Estudo 3, foi utilizada a 2H2O para caracterizar o metabolismo hepático em murganhos knockout para PTP-1B, um modelo animal de hipersensibilidade à insulina. Observámos uma redução da concentração de glicogénio e dos fluxos de síntese lipídica nos murganhos knockout para PTP-1B, um resultado que contradisse as nossas expetativas para um modelo de murganho de hipersensibilidade à insulina.