• de novo lipogenesi
• diabete
• metabolismo
• PET

RIASSUNTO
Questo progetto è volto alla valutazione dei meccanismi di tossicità metabolica indotti da obesità, iperglicemia acuta ed iperglicemia cronica e del possibile coinvolgimento di quest’ultima nello sviluppo di steatosi d’organo. Il progetto, diviso in due studi, è stato eseguito nel piccolo animale utilizzando la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) come principale strumento di indagine del metabolismo d’organo in vivo.
METODI. Nel primo studio sono stati utilizzati ratti Wistar, sottoposti ad esame PET con ammoniaca marcata con 13N (13NH3) e 11C-acetato durante digiuno (n=5) o iperglicemia acutamente indotta (n=4) e successivamente sacrificati per l’espianto degli organi. I dati di cinetica tessutale dei traccianti sono stati utilizzati per quantificare perfusione e de novo lipogenesi a livello d’organo. Gli indici di de novo lipogenesi sono stati validati per confronto con la proporzione di tracciante misurata nella frazione organica di ciascun tessuto. La procedura PET è stata estesa a 8 ratti Zucker/ZDF, obesi e/o diabetici per valutare gli effetti della malattia. Nel secondo studio sono stati utilizzati ratti Zucker/ZDF, di cui 10 con obesità, 10 con diabete di tipo 2, 15 di controllo, sottoposti ad esame PET con [13N]NH3 e 18F-FDG durante digiuno o iperglicemia acuta. Dall’analisi delle immagini è stato caratterizzato il flusso ed metabolismo d’organo di ciascun tipo di malattia.
RISULTATI. Negli animali di controllo, l’iperglicemia acuta causava un aumento di flusso sanguigno rispetto al digiuno a livello dei tessuti epatico, muscolare ed adiposo. Questa risposta risultava assente nel tessuto adiposo degli animali obesi, e nel fegato e nel muscolo degli animali diabetici. Il flusso miocardico era marginalmente stimolato dall’iperglicemia negli animali sani, e ridotto negli animali diabetici. Negli animali sani, l’utilizzazione tessutale del glucosio aumentava significativamente di circa tre volte durante iperglicemia acuta rispetto ai valori a digiuno. Questi ultimi erano più alti in tutti i tessuto degli animali affetti da obesità e diabete, presentando una variazione non significativa durante stimolo nel muscolo, cuore e tessuto adiposo. Nel fegato l’utilizzazione di glucosio era persistentemente aumentata. La de novo lipogenesi tessutale veniva rapidamente attivata a seguito di stimolo glucidico acuto negli animali sani; in presenza di insulino-resistenza, essendo già elevata in condizioni di digiuno, essa non manifestava alcun tipo di regolazione acuta.
CONCLUSIONI. Con l’utilizzo di una metodica diretta e non invasiva, abbiamo evidenziato la relazione esistente fra utilizzazione di glucosio, perfusione e lipogenesi, a livello d’organo, documentando che l’iperglicemia, l’obesità ed il diabete modificano questi processi. In particolare, le due malattie metaboliche mostrano un aumento della utilizzazione di substrati a digiuno ed una riduzione tessuto specifica della risposta perfusionale e metabolica ad uno stimolo iperglicemico simile a quello post-prandiale. Concludiamo che una continua sovraesposizione tessutale al glucosio e l’assenza di flessibilità metabolica promuovono l’accumulo tessutale di substrato, portando ad una glucotossicità associata alla attivazione cronica della de novo lipogenesi.
ABSTRACT
This project addresses the mechanisms of metabolic toxicity induced by obesity, acute and chronic hyperglycaemia, and the potential involvement of the latter in the development of organ steatosis. The project was divided in two studies and it was carried out in small animals, by using Positron Emission Tomography as main tool for the investigation of organ metabolism in vivo.
METHODS. In the first study, 9 Wistar rats underwent PET imaging with 13N-labelled ammonia (NH3) e 11C-acetate during fasting (n=5) or acutely induced hyperglycaemia (n=4), at the end of which they were sacrificed for organ explantation. Tracer tissue kinetics data were used to quantify organ perfusion (13NH3) and de novo lipogenesis (11C-acetate). Indexes of de novo lipogenesis were validated by comparison with the proportion of tracer recovered ex-vivo in the organic fraction in each tissue. The PET imaging procedure was used in 8 obese and/or diabetic Zucker/ZDF rats to evaluate the effects of disease. The second study included 10 obese, 10 type 2 diabetic and 15 control Zucker/ZDF rats, undergoing PET imaging with 13NH3 e 18F-labelled fluorodeoxyglucose during fasting or acute hyperglycaemia. Image analyses were performed to characterize organ perfusion and glucose metabolism in each metabolic disease.
RESULTS. In control animals, acute hyperglycaemia caused an increase in hepatic, skeletal muscle and adipose tissue blood flow over fasting values. This response was not observed in the adipose tissue of obese rats, and in the liver and muscle in diabetic animals. Myocardial blood flow was only marginally up-regulated by hyperglycaemia in healthy animals, and it was defective in diabetic rats. In control animals, tissue glucose utilization underwent a significant, approximately threefold rise during acute hyperglycaemia as compared with fasting values. The latter were higher in all tissues in both diabetic and obese rats; in the muscle, heart and fat, they showed a non significant variation during acute glucose stimulation. In the liver, glucose uptake was persistently elevated. Tissue de novo lipogenesis underwent rapid activation following acute glucose stimulation in healthy animals; in insulin-resistant rats, it was already elevated during fasting conditions and showed no acute regulation.
CONCLUSIONS. By using a direct and non-invasive molecular imaging technique, we have described the relationship between organ specific glucose utilization, perfusion, and lipogenesis, documenting that acute hyperglycaemia, obesity and diabetes modify these processes. In particular, the two metabolic disorders show an increase in substrate metabolism during fasting conditions, and a tissue-specific reduction in the flow and metabolic response to an acute hyperglycaemic stimulus, mimicking a post-prandial condition. We conclude that a persistent overexposure to glucose and absent metabolic flexibility promote tissue accumulation of substrate, leading to glucose toxicity associated with a chronic activation in de novo lipogenesis.