Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/9709
Title: Insulin resistance and diabetes : insights from magnetic resonance studies of hepatic glucose and lipid metabolism
Other Titles: Resistência à insulina e diabetes : estudos de ressonância magnética do metabolismo hepático da glicose e lipídico
Authors: Delgado, Teresa de Jesus Cardoso 
Orientador: Geraldes, Carlos Frederico de Gusmão Campos
García-Esteller, Sebastián Cerdán
Jones, John Griffith
Issue Date: 13-Mar-2009
Citation: Delgado, Teresa C. - Insulin resistance and diabetes : insights from magnetic resonance studies of hepatic glucose and lipid metabolism. Coimbra, 2008.
Abstract: Nas últimas décadas, a incidência de resistência à insulina e de diabetes tipo 2 têm aumentado principalmente devido a alterações de estilos de vida e na dieta. A diabetes pós-transplante é igualmente um tópico de crescente interesse considerando os números elevados e aumento das taxas de sobrevivência actuais de transplantes de orgãos. O fígado é um orgão profundamente envolvido na regulação da homeostase corporal da glicose e lipídica. Como tal, alterações hepáticas do metabolismo da glicose e lipídico poderão ocupar um papel central no desenvolvimento de patologias como a resistência à insulina, a diabetes tipo 2 ou a diabetes pós-transplante. Nesta Tese procedeu-se à avaliação do metabolismo hepático da glicose e lipídico em modelos animais e em pacientes com resistência à insulina, diabetes tipo 2 ou diabetes pós-transplante, utilizandose marcadores de isótopos estáveis e análise por espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Adicionalmente, foram desenvolvidas novas metodologias para o estudo do metabolismo hepático da glicose em situações de jejum e em condições mais dinâmicas, e procedeu-se a uma análise integrativa do metabolismo hepático da glicose e lipídico. No Capítulo 1, o metabolismo corporal da glicose e lípidos foi revisto e integrado focando as alterações do metabolismo hepático associadas à resistência à insulina e à diabetes. Os marcadores de isótopos estáveis e as técnicas de Ressonância Magnética assim como a sua aplicação à avaliação do metabolismo hepático foram introduzidos. No Capítulo 2, as fontes endógenas de glicose durante o jejum foram avaliadas em ratos controlo e modelos animais de resistência à insulina induzida através de uma dieta rica em gordura. Para tal, utilizou-se [3,4-13C2]glicose e água deuterada (2H2O) em combinação com espectroscopia de RMN de carbono 13 (13C) e deutério (2H). A produção endógena de glicose resultante da gluconeogénese e da glicogenólise determinada nos animais alimentados com uma dieta rica em gordura foi essencialmente idêntica à dos controlos com uma dieta normal. Os fluxos normais de produção endógena de glicose encontrados nos animais sujeitos a uma dieta rica em gordura sugerem que as alterações dos fluxos hepáticos da glicose não estão envolvidas, pelo menos nos estádios iniciais, no desenvolvimento da resistência à insulina como consequência de uma dieta rica em gordura. No Capítulo 3, as fontes hepáticas de glicose durante o jejum foram quantificadas em pacientes com transplante renal e terapia imunossupressora baseada em Ciclosporina A (CsA). Foi proposta uma nova análise Bayesiana dos sinais de RMN de 2H das posições 2 e 5 da monoacetona glicose derivada do glucuronado de paracetamol urinário, após ingestão de 2H2O e paracetamol, para a quantificação relativa das fontes gliconeogénicas e glicogenolíticas de produção hepática de glicose. Nos pacientes com transplante renal, a contribuição da gliconeogénese para a produção hepática de glicose é significativamente superior nos casos estabelecidos de diabetes pós-transplante. Esta alteração metabólica está principalmente relacionada com a crescente adiposidade e aumento do índice de massa corporal. Por outro lado, o tratamento com CsA per se provocou alterações modestas nas fontes hepáticas de glicose, não estando associado com a hiperglicémia ou hiperinsulinémia em jejum. O destino de uma carga de glicose intra-peritoneal em ratos saudáveis foi estudado no Capítulo 4, utilizando a análise por espectroscopia de RMN de 13C e 2H após administração de [U-13C]glicose e 2H2O. A contribuição da produção hepática de glicose para a glicose total foi determinada a partir do enriquecimento em 2H da posição 2 da glicose plasmática em relação ao enriquecimento da água plasmática. Por outro lado, a contribuição da gliconeogénese foi determinada pela quantificação da razão entre os enriquecimentos em 2H da posição 5 do glicose plasmática e da água plasmática. As contribuições da carga intra-peritoneal de glicose e da glicose “reciclada” através do ciclo de Cori para a glicose total foram estimadas a partir dos níveis de enriquecimento dos respectivos isotopómeros de [U-13C]glicose presentes no plasma em relação ao enriquecimento inicial da carga de glicose. As fontes de glicose após a prova de tolerância à glicose intra-peritoneal foram avaliadas em animais sob uma dieta rica em gordura e com tratamento baseado em CsA. Ambos os grupos de animais mostraram intolerância à glicose relativamente aos controlos. Com a dieta rica em gordura, a produção hepática de glicose não foi alterada, tendo-se observado um padrão de secreção normal de insulina pelas células-b pancreáticas. Como tal, a hiperglicémia pós-prandial observada provavelmente reflecte uma ligeira resistência à insulina a nível dos orgãos periféricos em vez de produção hepática de glicose alterada. Por outro lado, nos animais tratados com CsA, a intolerância à glicose observada está associada com um aumento da contribuição da produção hepática de glicose. O Capítulo 5 focou o metabolismo hepático pós-prandial de glicose após uma prova de tolerância à glicose oral (PTGO) em pessoas saudáveis. Foram avaliadas as contribuições relativas da via directa e indirecta de síntese de glicogénio durante a PTGO utilizando dois marcadores de isótopos estáveis ([U-13C]glicose e [U-2H7]glicose), após ingestão de mentol e análise por espectroscopia de RMN dos enriquecimentos em 13C e 2H da glicose plasmática e do glucuronado de mentol urinário. As trocas existentes dos meios de carbono e de hidrogénio envolvidos foram reveladas e quantificadas. Durante a PTGO em pessoas saudáveis, cerca de metade da síntese de glicogénio hepático derivou de precursores de 3 carbonos (via indirecta) e não directamente da glicose oral fornecida. Durante a PTGO, ~20% do fluxo da via directa esteve envolvido em trocas promovidas pela transaldolase, pelo que os valores derivados a partir do marcador de [U-13C]glicose resultam numa subestima das contribuições da via directa. As fontes de triglicéridos hepáticos em ratos saudáveis e alimentados com uma dieta rica em gordura foram determinadas no Capítulo 6 utilizando uma nova metodologia baseada em 2H2O e análise por espectroscopia de RMN de 2H juntamente com espectroscopia de Ressonância Magnética de protão (1H) in vivo para avaliação do conteúdo de triglicéridos no fígado. Em ratos saudáveis, os níveis de triglicéridos hepáticos podem ser rapidamente regulados alterando o conteúdo em gordura da dieta. Estas mudanças podem ser efectivamente monitorizadas usando espectroscopia de Ressonância Magnética de 1H in vivo. Nos ratos com uma dieta rica em gordura, quase a totalidade dos triglicéridos hepáticos derivaram dos lípidos da dieta com uma contribuição residual da lipogénese de novo hepática. Finalmente, o Capítulo 7 apresenta as conclusões gerais onde todos os resultados descritos nesta Tese foram discutidos e integrados.
In the last decades, insulin resistance (IR) and type 2 diabetes (T2D) are becoming more prevalent due to alterations in dietary and life-styles. Posttransplant diabetes mellitus (PTDM) has also become a subject of interest and importance in the wake of increased numbers and survival rates of solid organ transplantations. The liver is deeply involved in the regulation of whole body glucose and lipid homeostasis and hepatic glucose and lipid metabolic disruptions may play a central role in the onset of IR, T2D and PTDM. Changes in hepatic glucose and lipid fluxes using stable isotope tracers and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) analysis both in animal models and patients with IR, T2D or PTDM were addressed in this Thesis. Moreover, further developments of techniques for the study of hepatic glucose metabolism from fasting to dynamic situations were challenged as well as for the integrated analysis of hepatic glucose and lipid metabolism. In Chapter 1, whole body glucose and lipid metabolism were reviewed and integrated focusing on hepatic metabolic disruptions associated with IR and diabetes. Moreover, the stable isotope tracers and Magnetic Resonance techniques and their applications to hepatic metabolism evaluation were introduced. In Chapter 2, fasting sources of endogenous glucose production (EGP) were evaluated in control and high fat (HF) diet induced-IR animal models by using [3,4-13C2]glucose and deuterated water (2H2O) combined with carbon 13 (13C) and deuterium (2H) NMR spectroscopy. Postabsorptive EGP from gluconeogenesis and glycogenolysis in HF diet-fed animals was essentially identical to the normally fed controls. The normal EGP rates found in HF dietfed animals suggest that altered hepatic glucose fluxes are not involved in the development of IR secondary to HF diet feeding, at least in the early stages. In Chapter 3, sources of fasting hepatic glucose production (HGP) were quantified in kidney transplant patients, undergoing cyclosporine A (CsA) immunosuppressant therapy. A novel Bayesian analysis of the position 2 and 5 2H NMR signals of monoacetone glucose derived from urinary acetaminophen glucuronide following 2H2O and acetominophen ingestion was proposed for quantification of gluconeogenesis and glycogenolysis relative contributions to HGP. For kidney transplant patients, the gluconeogenic contribution to HGP was significantly increased in the setting of PTDM. This metabolic alteration was found to be most strongly associated with adiposity and increased body mass index whereas CsA treatment per se provoked only modest alterations of HGP sources and was not shown to be associated with fasting hyperglycemia or hyperinsulinemia. The fate of an intraperitoneal (i.p.) glucose load by 13C and 2H NMR analysis following administration of [U-13C]glucose and 2H2O in healthy, HF diet-fed and CsA-treated rodents was addressed in Chapter 4. The contribution of HGP to total glucose was determined from the 2H-enrichment of plasma glucose position 2 relative to that of plasma water and gluconeogenic sources were quantified from the 2H-enrichment level at position 5 of plasma glucose relative to that of plasma water. The i.p. glucose load and “recycled” glucose from Cori cycle contributions to total glucose were estimated from the enrichment level of plasma [U- 13C]glucose respective isotopomers relative to that of the load. Sources of total glucose after an i.p. glucose load were further evaluated in HF diet-fed and CsA-treated animals. Both groups of animals showed impaired glucose tolerance (IGT) relative to controls. HF diet did not promote impaired contribution from HGP and insulin secretion by pancreatic b-cells was not affected. Thus, the IGT of HF diet-fed animals can be attributed to decreased whole body glucose disposal secondary to peripheral insulin resistance rather than impaired HGP suppression. With CsA-treated animals the observed IGT was associated with a higher HGP contribution to plasma glucose levels, suggesting that in this model impaired HGP suppression was a significant component of IGT. Chapter 5 focused on postprandial hepatic glucose metabolism after a glucose load in healthy humans. Direct and indirect pathway contributions to hepatic glycogen synthesis during an oral glucose tolerance test (OGTT) were assessed by means of two isotopic tracers ([U-13C]glucose and [U-2H7]glucose) following ingestion of peppermint oil and NMR analysis of plasma glucose and menthol glucuronide enrichments. Exchanges of both carbon and hydrogen moieties during the direct pathway metabolism of glucose were further revealed and quantified. During an OGTT in healthy humans, half of the hepatic glycogen synthesis was derived from 3-carbon precursors (indirect pathway) rather than directly from the glucose load. Furthermore, during an OGTT, ~20% of the direct pathway flux was involved in transaldolase exchange, hence the values derived from the [U-13C]glucose tracer resulted in underestimates of the direct pathway contribution. Sources of hepatic triglycerides accumulation in healthy and HF diet-fed rats, for evaluation of hepatic triglycerides content by using a novel 2H2O and 2H NMR methodology combined with in vivo proton (1H) Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS), were determined in Chapter 6. In healthy rats, hepatic triglyceride levels can be acutely raised or lowered by altering the dietary fat content and these changes can be effectively monitored by 1H MRS. During HF diet feeding, essentially all of the hepatic triglycerides were derived from dietary lipid with very little contribution from hepatic de novo lipogenesis. Finally, Chapter 7 presents the concluding remarks where all the results described in this Thesis were integrated and further discussed.
Description: Tese de doutoramento em Bioquímica (Biofísida Celular) apresentada à Fac. Ciências da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/9709
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Ciências da Vida - Teses de Doutoramento

Files in This Item:
File Description SizeFormat
PhD_Thesis_Teresa_Delgado.pdf23.75 MBAdobe PDFView/Open
Show full item record

Page view(s)

168
checked on Sep 20, 2022

Download(s)

237
checked on Sep 20, 2022

Google ScholarTM

Check


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.