Adipose tissue as an endocrine organe [Elektronische Ressource] : the role of adipocyte derived cytokines in skeletal muscle insulin resistance / vorgelegt von Henrike Sell

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• Publié par: heinrich-heine-universitat_dusseldorf
• Publié le: 01 janvier 2007
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• Langue: Deutsch
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Extrait

ADIPOSE TISSUE AS AN
ENDOCRINE ORGAN
The role of adipocyte-derived cytokines in skeletal
muscle insulin resistance
INAUGURAL – DISSERTATION
zur
Erlangung des Doktorgrades
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
vorgelegt von
Henrike Sell
aus Merseburg
2007Gedruckt mit der Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen
Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Referent: Prof. Dr. Jürgen Eckel
Korreferent: Prof. Dr. Lutz Schmitt
Tag der mündlichen Prüfung: 12. Dezember 2007« Die Natur spielt immerfort mit der Mannigfaltigkeit der einzelnen
Erscheinungen, aber es kommt darauf an, sich dadurch nicht irren zu
lassen, die allgemeine Regel zu abstrahieren, nach der sie handelt. »
J. W. GoetheZusammenfassung
Das Fettgewebe stellt zusätzlich zu seiner Funktion als Energiespeicher auch
ein endokrines Organ dar. Die Zunahme der Fettgewebsmasse, besonders des vis-
zeralen Fetts, korreliert mit einem größeren Risiko für die Entwicklung von Stoff-
wechselkrankheiten wie Insulinresistenz und Typ-2-Diabetes. Dieser Zusammen-
hang beruht vermutlich auf einer verstärkten Freisetzung von bioaktiven Proteinen
aus dem Fettgewebe, den so genannten Adipokinen, die wahrscheinlich den En-
ergiehaushalt und die Insulinsensitivität regulieren. In vitro konnte gezeigt wer-
den, dass eine Ko-Kultur mit Adipozyten oder die Behandlung mit Adipozyten-
konditioniertem Medium Insulinresistenz in Skelettmuskelzellen induziert, ähnlich
wie man es auch im Skelettmuskel diabetischer und adipöser Patienten beobachtet.
IndieserArbeitwirdmitHilfederKo-KulturvonAdipozytenundSkelettmuskelzellen
die Art und Regulation von Adipozytenfaktoren untersucht, die an der Erzeugung
von Insulinresistenz in Skelettmuskelzellen beteiligt sind. Außerdem ist es Ziel,
MechanismenundSignalwegeaufzudecken,diemitInsulinresistenzinSkelettmuskel-
zellen im Zusammenhang stehen.
Das Adipozytenhormon Adiponectin korreliert negativ mit Adipositas und In-
sulinresistenz und fungiert möglicherweise als wichtiges anti-diabetisches Agens.
Gestörtes Insulinsignaling der Skelettmuskelzellen in der Ko-Kultur wird durch Be-
handlung mit Adiponectin verhindert. Außerdem sind Adipozyten-konditionierte
Medien, die mit Adiponectin generiert wurden, nicht mehr in der Lage Insulinre-
sistenz in Skelettmuskelzellen zu erzeugen. Da gleichzeitige Behandlung von Skelett-
muskelzellen mit Adiponectin und Adipozyten-konditioniertem Medium ein nor-
males Insulinsignaling nicht wiederherstellt, schlussfolgern wir, dass Adiponectin
hauptsächlichaufdieAdipozytenwirkt. DieAnalysevonAdipozyten-konditioniertem
Medium durch Protein Arrays ergab, dass mindestens acht verschieden Zytokine
nach Adiponectinbehandlung vermindert sezerniert werden. Adiponectin aktiviert
dabei die AMPK. Pharmakologische Stimulation der AMPK-Aktivität führt eben-
fallszueinervermindertenSekretiondermeistengemessenenZytokine. Wirschließen
iaus diesen Daten, dass Adiponectin als Schlüsselregulator der Fettzellsekretion unter
Beteiligung der AMPK fungiert. Die autokrine/parakrine Wirkung von Adiponectin
aufdieZytokinausschüttungvonAdipozytenkönntefürdenSchutzderSkelettmuskel-
zellen vor Insulinresistenz verantwortlich sein und stellt einen neuen Mechanismus
der anti-diabetischen Wirkung dieses Adipokins dar.
Humane Adipozyten sezernieren verschiedene pro-inflammatorische Adipokine
wie IL-6, IL-8, MIP-1fi/fl und MCP-1. Unter diesen Adipokinen ist lediglich MCP-1
in der Lage, in physiologischen Konzentrationen Insulinresistenz in Skelettmuskel-
zellen auszulösen. IL-6, IL-8 und MIP-1fl induzieren nur in sehr hohen Dosierungen
Insulinresistenz. Der Effekt von MCP-1 auf das Insulinsignaling der Skelettmuskel-
zellen ist über ERK vermittelt, da Inhibition der ERK Insulinresistenz vollständig
verhindert. Unsere Daten zeigen, dass ein einzelnes Adipokin den Insulinresistenz-
erzeugendenEffektvonAdipozyten-konditioniertemMediumnachahmenkann. Dies
ist ein Beleg für die Beteiligung von Adipokinen im negativen Crosstalk zwischen
FettgewebeundSkelettmuskel. MCP-1könnteeineninflammatorischenmolekularen
Link zwischen Adipositas und Insulinresistenz darstellen.
SkelettmuskelzellenexprimierenverschiedeneChemokinrezeptoreneinschließlich
CCR2, CCR4 und CCR10, die eine hohe Affinität für MCP-1 aufweisen. Die große
Sensitivität der Skelettmuskelzellen für MCP-1 kann durch eine stärkere Expression
von CCR2, dem Hauptrezeptor für MCP-1, im Vergleich zu Adipozyten erklärt wer-
den. Die Expression von CCR2 nimmt mit Differenzierung der Skelettmuskelzellen
ab, aber sie nimmt in insulinresistenten Skelettmuskelzellen wieder zu. Ein ein-
deutiger Zusammenhang zwischen der Stärke der Insulinresistenz und der Expres-
sion von CCR2 in Skelettmuskelzellen konnte jedoch nicht erbracht werden. Wir
vermuten, dass die Regulation von CCR2 keinen Anteil an der Entwicklung von
Insulinresistenz in Skelettmuskelzellen hat, was im Gegensatz zur herausragenden
Bedeutung von CCR2 in der Fettgewebsinflammation und -insulinresistenz steht.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Ko-Kultur von humanen Skelett-
muskelzellen und Adipozyten ein ideales Model zur Untersuchung der Adipozyten-
vermittelten Insulinresistenz in Skelettmuskelzellen darstellt. Wir können zeigen,
dass Adipokine die sowohl verhindern als auch auslösen können und
dass die Regulation der Adipozytensekretion eine entscheidende Rolle in der Erzeu-
gung der Insulinresistenz spielt. Die Daten dieser Arbeit illustrieren mehrere neue
AspektedeskomplexennegativenCrosstalkzwischenAdipozytenundSkelettmuskel-
zellen.
iiSummary
Adipose tissue can be viewed as an endocrine organ in addition to its function in
energy storage. Increased adipose tissue mass in obesity, especially in visceral adi-
pose tissue depots, is associated with metabolic diseases such as insulin resistance
and type 2 diabetes. This correlation is believed to be due to an increased release
of a variety of bioactive proteins by adipose tissue, the so-called adipokines, which
may regulate energy metabolism and insulin sensitivity. In vitro, it has been shown
that co-culture with adipocytes or treatment with adipocyte-conditioned medium
can induce insulin resistance in skeletal muscle cells. The degree of insulin resistance
is similar to what is observed in muscle from diabetic and obese patients. In this
thesis, the co-culture of adipocytes and skeletal muscle cells is used to elucidate
the nature and regulation of adipose-derived factors that might participate in the
generation of muscle insulin resistance. Furthermore, this work aims at revealing
mechanisms and pathways involved in insulin resistance of skeletal muscle cells.
The adipocyte hormone adiponectin is negatively correlated with obesity and
insulin resistance and may exert an important anti-diabetic function. Impaired in-
sulin signaling in skeletal muscle cells is normalized upon addition of adiponectin to
the co-culture. Moreover, adipocyte-conditioned medium generated in the presence
of adiponectin is unable to interfere with normal insulin signaling. As concomi-
tant addition of adiponectin and adipocyte-conditioned medium to the myocytes
fail to restore normal insulin action, we propose that adiponectin primarily acts
on the adipocytes. Protein array analysis of adipocyte-conditioned medium reveals
that the secretion of at least eight different cytokines is diminished in response
to adiponectin. At the same time, adiponectin activates AMPK. Pharmacological
AMPK stimulation also decreases the secretion of most of the measured cytokines.
We therefore suggest that adiponectin operates as a key regulator of adipocyte se-
cretory function involving activation of AMPK. The autocrine/paracrine action of
adiponectin on cytokine release from adipocytes may prevent the induction of skele-
tal muscle insulin resistance and represents a new mechanism for the anti-diabetic
iiieffect of this adipokine.
Human adipocytes secrete various pro-inflammatory adipokines including IL-
6, IL-8, MIP-1fi/fl, and MCP-1. Among these candidates, MCP-1 only is able to
impair insulin signaling in skeletal muscle cells at doses similar to its physiologi-
cal plasma concentrations. IL-6, IL-8 and MIP-1fl are effective in inducing muscle
insulin resistance at very high concentrations only. The action of MCP-1 on in-
sulin signaling in skeletal muscle cells occurs via activation of ERK as inhibition of
this kinase completely inhibited the insulin resistance-inducing effect of adipocyte-
conditioned medium. Our data show that a single adipokine can mimic the insulin
resistance-inducing effect of adipocyte-conditioned medium providing evidence for
an involvement of adipokines in the negative crosstalk between adipose tissue and
skeletal muscle. MCP-1 may represent an inflammatory molecular link in the rela-
tionship between obesity and insulin resistance.
SkeletalmusclecellsexpressvariouschemokinereceptorsincludingCCR2,CCR4
and CCR10 which have strong affinity to MCP-1. The high sensitivity of skeletal
muscle cells towards MCP-1 can be explained by a higher expression of the main
MCP-1 receptor,