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Einfluss von Prostaglandin E2 auf die Entstehung von Insulinresistenz und die Regulation der Entzündungsantwort bei der Diät-induzierten nicht-alkoholischen Fettlebererkrankung

Title data

Henkel-Oberländer, Janin:
Einfluss von Prostaglandin E2 auf die Entstehung von Insulinresistenz und die Regulation der Entzündungsantwort bei der Diät-induzierten nicht-alkoholischen Fettlebererkrankung.
Universität Potsdam , 2020
( Habilitation thesis, 2021 , Universität Potsdam, Institut für Ernährungswissenschaft, Biochemie der Ernährung)

Abstract in another language

Weltweit sind fast 40 % der Bevölkerung übergewichtig und die Prävalenz von Adipositas, Insulinresistenz und den resultierenden Folgeerkrankungen wie dem Metabolischen Syndrom und Typ 2-Diabetes steigt rapide an. Als häufigste Ursachen werden diätetisches Fehlverhalten und mangelnde Bewegung angesehen. Die nicht-alkoholische Fettleber-erkrankung (NAFLD), deren Hauptcharakteristikum die exzessive Akkumulation von Lipiden in der Leber ist, korreliert mit dem Body Mass Index (BMI). NAFLD wird als hepatische Manifestation des Metabolischen Syndroms angesehen und ist inzwischen die häufigste Ursache für Leberfunktionsstörungen. Die Erkrankung umfasst sowohl die benigne hepatische Steatose (Fettleber) als auch die progressive Form der nicht-alkoholischen Steatohepatitis (NASH), bei der die Steatose von Entzündung und Fibrose begleitet ist. Die Ausbildung einer NASH erhöht das Risiko, ein hepatozelluläres Karzinom (HCC) zu entwickeln und kann zu irreversibler Leberzirrhose und terminalem Organversagen führen. Nahrungsbestandteile wie Cholesterol und Fett-reiche Diäten werden als mögliche Faktoren diskutiert, die den Übergang einer einfachen Fettleber zur schweren Verlaufsform der Steatohepatitis / NASH begünstigen. Eine Ausdehnung des Fettgewebes wird von Insulinresistenz und einer niedrig-gradigen chronischen Entzündung des Fettgewebes begleitet. Neben Endotoxinen aus dem Darm gelangen Entzündungsmediatoren aus dem Fettgewebe zur Leber. Als Folge werden residente Makrophagen der Leber, die Kupfferzellen, aktiviert, die eine Entzündungsantwort initiieren und weitere pro-inflammatorische Mediatoren freisetzen, zu denen Chemokine, Cytokine und Prostanoide wie Prostaglandin E2 (PGE2) gehören. In dieser Arbeit soll aufgeklärt werden, welchen Beitrag PGE2 an der Ausbildung von Insulinresistenz, hepatischer Steatose und Entzündung im Rahmen von Diät-induzierter NASH im komplexen Zusammenspiel mit der Regulation der Cytokin-Produktion und anderen Co-Faktoren wie Hyperinsulinämie und Hyperlipidämie hat.
In murinen und humanen Makrophagen-Populationen wurde untersucht, welche Faktoren die Bildung von PGE2 fördern und wie PGE2 die Entzündungsantwort aktivierter Makrophagen reguliert. In primären Hepatozyten der Ratte sowie in isolierten humanen Hepatozyten und Zelllinien wurde der Einfluss von PGE2 allein und in Kombination mit Cytokinen, deren Bildung durch PGE2 beeinflusst werden kann, auf die Insulin-abhängige Regulation des Glucose- und Lipidstoffwechsels untersucht. Um den Einfluss von PGE2 im komplexen Zusammenspiel der Zelltypen in der Leber und im Gesamtorganismus zu erfassen, wurden Mäuse, in denen die PGE2-Synthese durch die Deletion der mikrosomalen PGE-Synthase 1 (mPGES1) vermindert war, mit einer NASH-induzierenden Diät gefüttert.
In Lebern von Patienten mit NASH oder in Mäusen mit Diät-induzierter NASH war die Expression der PGE2-synthetisierenden Enzyme Cyclooxygenase 2 (COX2) und mPGES1 sowie die Bildung von PGE2 im Vergleich zu gesunden Kontrollen gesteigert und korrelierte mit dem Schweregrad der Lebererkrankung. In primären Makrophagen aus den Spezies Mensch, Maus und Ratte sowie in humanen Makrophagen-Zelllinien war die Bildung pro-inflammatorischer Mediatoren wie Chemokinen, Cytokinen und Prostaglandinen wie PGE2 verstärkt, wenn die Zellen mit Endotoxinen wie Lipopolysaccharid (LPS), Fettsäuren wie Palmitinsäure, Cholesterol und Cholesterol-Kristallen oder Insulin, das als Folge der kompensatorischen Hyperinsulinämie bei Insulinresistenz verstärkt freigesetzt wird, inkubiert wurden. Insulin steigerte dabei synergistisch mit LPS oder Palmitinsäure die Synthese von PGE2 sowie der anderen Entzündungsmediatoren wie Interleukin (IL) 8 und IL-1β. PGE2 reguliert die Entzündungsantwort: Neben der Induktion der eigenen Synthese-Enzyme verstärkte PGE2 die Expression der Immunzell-rekrutierenden Chemokine IL-8 und (C-C-Motiv)-Ligand 2 (CCL2) sowie die der pro-inflammatorischen Cytokine IL-1β und IL-6 in Makrophagen und kann so zur Verstärkung der Entzündungsreaktion beitragen. Außerdem förderte PGE2 die Bildung von Oncostatin M (OSM) und OSM induzierte in einer positiven Rückkopplungsschleife die Expression der PGE2-synthetisierenden Enzyme. Andererseits hemmte PGE2 die basale und LPS-vermittelte Bildung des potenten pro-inflammatorischen Cytokins Tumornekrosefaktor α (TNFα) und kann so die Entzündungsreaktion abschwächen.
In primären Hepatozyten der Ratte und humanen Hepatozyten beeinträchtigte PGE2 direkt die Insulin-abhängige Aktivierung der Insulinrezeptor-Signalkette zur Steigerung der Glucose-Verwertung, in dem es durch Signalketten, die den verschiedenen PGE2-Rezeptoren nachgeschaltet sind, Kinasen wie ERK1/2 und IKKβ aktivierte und eine inhibierende Serin-Phosphorylierung der Insulinrezeptorsubstrate bewirkte. PGE2 verstärkte außerdem die IL-6- oder OSM-vermittelte Insulinresistenz und Steatose in primären Hepatozyten der Ratte.
Die Wirkung von PGE2 im Gesamtorganismus sollte in Mäusen mit Diät-induzierter NASH untersucht werden. Die Fütterung einer Hochfett-Diät mit Schmalz als Fettquelle, das vor allem gesättigte Fettsäuren enthält, verursachte Fettleibigkeit, Insulinresistenz und eine hepatische Steatose in Wildtyp-Mäusen. In Tieren, die eine Hochfett-Diät mit Sojaöl als Fettquelle, das vor allem (ω-6)-mehrfach-ungesättigte Fettsäuren (PUFAs) enthält, oder eine Niedrigfett-Diät mit Cholesterol erhielten, war lediglich eine hepatische Steatose nachweisbar, jedoch keine verstärkte Gewichtszunahme im Vergleich zu Geschwistertieren, die eine Standard-Diät bekamen. Im Gegensatz dazu verursachte die Fütterung einer Hochfett-Diät mit PUFA-reichem Sojaöl als Fettquelle in Kombination mit Cholesterol sowohl Fettleibigkeit und Insulinresistenz als auch hepatische Steatose mit Hepatozyten-Hypertrophie, lobulärer Entzündung und beginnender Fibrose in Wildtyp-Mäusen. Diese Tiere spiegelten alle klinischen und histologischen Parameter der humanen NASH im Metabolischen Syndrom wider. Nur die Kombination von hohen Mengen ungesättigter Fettsäuren aus Sojaöl und Cholesterol in der Nahrung führte zu einer exzessiven Akkumulation des Cholesterols und der Bildung von Cholesterol-Kristallen in den Hepatozyten, die zur Schädigung der Mitochondrien, schwerem oxidativem Stress und schließlich zum Absterben der Zellen führten. Als Konsequenz phagozytieren Kupfferzellen die Zelltrümmer der Cholesterol-überladenen Hepatozyten, werden dadurch aktiviert, setzen Chemokine, Cytokine und PGE2 frei, die die Entzündungsreaktion verstärken und die Infiltration von weiteren Immunzellen initiieren können und verursachen so eine Progression zur Steatohepatitis (NASH). Die Deletion der mikrosomalen PGE-Synthase 1 (mPGES1), dem induzierbaren Enzym der PGE2-Synthese aus Cyclooxygenase-abhängigen Vorstufen, reduzierte die Diät-abhängige Bildung von PGE2 in der Leber. Die Fütterung der NASH-induzierenden Diät verursachte in Wildtyp- und mPGES1-defizienten Mäusen eine ähnliche Fettleibigkeit und Zunahme der Fettmasse sowie die Ausbildung von hepatischer Steatose mit Entzündung und Fibrose (NASH) im histologischen Bild. In mPGES1-defizienten Mäusen waren jedoch Parameter für die Infiltration von Entzündungszellen und die Diät-abhängige Schädigung der Leber im Vergleich zu Wildtyp-Tieren erhöht, was sich auch in einer stärkeren Diät-induzierten systemischen Insulinresistenz widerspiegelte. Die Bildung des pro-inflammatorischen und pro-apoptotischen Cytokins TNFα war in mPGES1-defizienten Mäusen durch die Aufhebung der negativen Rückkopplungshemmung verstärkt, was einen gesteigerten Diät-induzierten Zelluntergang gestresster Lipid-überladener Hepatozyten und eine nach¬geschaltete Entzündungsantwort zur Folge hatte. Zusammenfassend wurde unter den gewählten Versuchsbedingungen in vivo eine anti-inflammatorische Rolle von PGE2 verifiziert, da das Prostanoid vor allem indirekt durch die Hemmung der TNFα-vermittelten Entzündungsreaktion die Schädigung der Leber, die Verstärkung der Entzündung und die Ausbildung von Insulinresistenz im Rahmen der Diät-abhängigen Fettlebererkrankung abschwächte.

Abstract in another language

Obesity is a worldwide problem affecting almost 40 % of the population. The prevalence of obesity, insulin resistance and the consequent diseases such as type-2-diabetes and metabolic syndrome is increasing rapidly. The main underlying reasons are high caloric diets and reduced physical exercise. The incidence of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), characterized by hepatic lipid accumulation, is correlated with the body mass index. NAFLD is generally considered to be the hepatic manifestation of metabolic syndrome and is the most frequent cause of functional disorders of the liver. NAFLD comprises both the mild form of benign hepatic steatosis (fatty liver) as well as the progressive form of non-alcoholic steatohepatitis (NASH), in which hepatic steatosis is accompanied by inflammation and fibrosis. The development of NASH may result in hepatocellular carcinoma, liver cirrhosis and terminal organ failure. High fat diets and dietary cholesterol might impact the transition from fatty liver to NASH. The diet induced expansion of the white adipose tissue is associated with the development of insulin resistance as well as low-grade chronic inflammation. Inflammatory mediators from the adipose tissue in combination with dietary components from the gut reach the liver and activate Kupffer cells, the resident liver macrophages. As a consequence, macrophages initiate an inflammatory response that involves secretion of immune cell recruiting chemokines, pro-inflammatory cytokines and prostanoids like prostaglandin E2 (PGE2). The aim of the study was to elucidate the impact of PGE2 in the development of insulin resistance, hepatic steatosis and inflammation in diet-induced NASH. These processes implicate a complex interplay of various cell types in the liver, the PGE2-mediated regulation of cytokine synthesis, as well as factors like hyperinsulinemia and hyperlipidemia.
In vitro studies with murine and human macrophage populations characterise the generation of PGE2 and the PGE2-mediated regulation of the inflammatory response. Primary rat and human hepatocytes, in addition to immortal cell lines, were incubated with PGE2 alone and in combination with PGE2-dependent generated cytokines. The intent of this experimental series was to clarify the impact of these mediators on the activation of the insulin signaling chain and resulting metabolic processes in glucose and lipid metabolism. The role of PGE2 in vivo was examined in mice with reduced PGE2 synthesis due to the genetic deletion of microsomal PGE synthase 1 (mPGES1), which were additionally fed a NASH-inducing diet.
The hepatic expression of the PGE2-generating enzymes cyclooxygenase 2 (COX2) and mPGES1 was increased in mice with diet-induced NASH as well as in liver biopsies of patients with NASH compared to patients with simple hepatic steatosis or non-steatotic controls, indicating an enlarged capacity for PGE2 synthesis in NASH. Furthermore, the expression of COX2 and mPGES1 in the human study cohort correlated with the severity of the hepatic disease. Treatment of macrophages with endotoxins like lipopolysaccharide (LPS), fatty acids like palmitic acid, cholesterol and cholesterol crystals, or insulin, which is released as a consequence of insulin resistance in the context of a compensatory hyperinsulinemia, resulted in an enhanced production of pro-inflammatory mediators such as chemokines, cytokines and PGE2. A combinatory treatment of human macrophages with insulin and LPS or palmitic acid induced a synergistic increase in PGE2 synthesis and production of interleukins (IL) like IL-8 and IL-1β. PGE2 itself modulates the inflammatory response: The prostanoid induced the enzymes involved in its own synthesis, in addition to immune cell recruiting chemokines such as IL-8 and (C-C-motiv) ligand 2 (CCL2), and pro-inflammatory cytokines such as IL-1β and IL6 in macrophages. This may result in an amplification of the inflammatory response. Furthermore, PGE2 induced the production of oncostatin M (OSM), which in turn enhanced the expression of the enzymes generating PGE2 in a positive feedback loop. On the other hand, PGE2 inhibited the basal and LPS-mediated synthesis of the potent pro-inflammatory cytokine tumor necrosis factor α (TNFα). This may result in a reduced inflammatory response.
In primary rat and human hepatocytes PGE2 directly interfered with the insulin mediated activation of the insulin receptor signaling chain and impaired glucose utilisation. Mechanistically, through interaction with different PGE2 receptors, PGE2 activated serine kinases including ERK1/2 and IKKβ, which cause inhibitory phosphorylations at serine residues of the insulin receptor substrates and force their degradation. PGE2 enhanced the insulin resistance and increased hepatic steatosis induced by IL-6 or OSM in primary rat hepatocytes.
A murine model of diet-induced NASH was established to elucidate the impact of PGE2 in the complex in vivo regulation. Lard-based high fat diets containing mainly saturated fatty acids initiated a strong body weight gain, obesity, insulin resistance and hepatic steatosis without further damage of the liver in mice. Furthermore, mice fed a high fat diet based on soybean oil with high amounts of (ω-6)-poly-unsaturated fatty acids (PUFAs) or a low fat diet with high cholesterol did not result in increased body weight gain compaired to mice fed a chow (low fat) diet, but did cause mild hepatic steatosis. In contrast, mice fed a high fat diet based on PUFA-rich soybean oil in combination with high dietary cholesterol caused body weight gain, obesity, insulin resistance and hepatic steatosis accompanied by hepatocyte hypertrophy, lobular inflammation and fibrosis in wildtype mice. This dietary model displayed all clinical and histological parameters of human NASH in the metabolic syndrome. Only the combination of soybean oil derived fatty acids and dietary cholesterol provoked an excessive accumulation of cholesterol in hepatocytes and the generation of cholesterol crystals that caused mitochondrial damage, severe oxidative stress, and subsequently hepatocyte death. Hepatic macrophages phagocytose hepatocyte debris, lipids and cholesterol crystals and thereby were activated to produce pro-inflammatory mediators like chemokines, cytokines and prostanoids like PGE2 that initiate an inflammatory response. This included immune cell infiltration, inflammation and fibrogenic processes that determine the progression to steatohepatitis (NASH). The deletion of microsomal PGE synthase 1 (mPGES1), the inducible enzyme generating PGE2 from COX2 derived PGH2, reduced the diet-dependent increase in hepatic PGE2 production in mice fed a NASH-inducing diet. While body weight gain, obesity and histological parameters of NASH including steatosis, inflammation and fibrosis were comparable in wild type and mPGES1-deficient mice fed a NASH inducing diet, parameters of immune cell infiltration and hepatic damage were augmented only in mPGES1-deficient mice. This results in a more pronounced diet-induced glucose intolerance and insulin resistance index in mPGES1-deficient mice compared to wild type littermates. In parallel, hepatic production of the potent pro-inflammatory and pro-apoptotic cytokine TNFα was enhanced in mice with the deletion of mPGES1 due to the abolished PGE2-mediated negative feedback loop. This was accompanied by increased diet induced cell death of lipid loaded stressed hepatocytes and could result in an intensified inflammatory response. In summary, in vivo studies verify an anti-inflammatory role of PGE2. The prostanoid PGE2 acts mainly indirectly and could attenuate the TNFα-mediated liver damage, immune response and the resulting insulin resistance in the context of diet induced fatty liver diseases.

Further data

Item Type: Habilitation thesis
Subject classification: Biochemie und Pathobiochemie der Ernährung
Institutions of the University: Faculties > Faculty of Life Sciences: Food, Nutrition and Health
Faculties
Faculties > Faculty of Life Sciences: Food, Nutrition and Health > Lehrstuhl Biochemie der Ernährung > Lehrstuhl Biochemie der Ernährung - Univ.-Prof. Dr. Janin Henkel-Oberländer
Faculties > Faculty of Life Sciences: Food, Nutrition and Health > Lehrstuhl Biochemie der Ernährung
Result of work at the UBT: No
DDC Subjects: 500 Science
500 Science > 570 Life sciences, biology
600 Technology, medicine, applied sciences > 610 Medicine and health
Date Deposited: 26 Apr 2021 13:11
Last Modified: 17 May 2021 06:53
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/64940