Δια-ιστικά πρότυπα έκφρασης βιοδεικτών-κλειδί του μεταβολισμού σε ασθενείς με κλινικά σοβαρή παχυσαρκία: επίπτωση στην επαγόμενη από την παχυσαρκία νόσο

Abstract

Background: Obesity is a global epidemic which is associated with several cardiometabolic comorbidities and is characterized by chronic, low grade systemic inflammation. Numerous biomarkers have been implicated in the pathophysiology of the disease, including transcription factors and coregulators. Obesity is characterized by a chronic, low grade, systemic inflammation and there is evidence that nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) and insulin resistance are strongly related to the underlying inflammatory process. For example, Steroid Receptor Coactivator (SRC)-family are prime regulators of metabolic pathways in different tissues and disturbance of their expression corresponds to various physiological abnormalities and metabolic disorders. Although adipose tissue has been the target of interest among researchers for the last two decades, little is known about the precise mechanics in human metabolism and obesity. For example, it was recently found that skeletal muscle, not only plays a pivotal role in glucose homeostasis, but also represents an active metabolic organ whose activities need to be determined. Molecules studied included: PGC1α, which is already known as a significant regulator of mitochondrial biogenesis, oxidative phosphorylation and fatty acid metabolism. Many of those mediators are either targets or activators of nuclear factor-κappa B (NFκB), which is a key transcription factor and plays a pivotal role in the homeostasis and the regulation of inflammatory signaling pathways in the liver.Aim: The purpose of the present study was to determine the relationship between patients with morbid obesity, their underlying non-alcoholic fatty liver disease, diabetes, as well as to explore any potential associations with clinicopathological parameters. Our study focuses on the role of PPARγ, NFκΒ, PGC1a in human metabolism, based on their expression, evaluated by immunohistochemistry, in five different tissue samples, collected from 50 morbidly obese patients before undertaking planned bariatric surgery.Methods: The study population consists of 50 morbidly obese patients undergoing planned bariatric surgery, during which biopsies were taken from visceral adipose tissue (VAT), subcutaneous adipose tissue (SAT), skeletal muscle (SM), extramyocellular adipose tissue (EMAT) and liver. The presence of macrophages and lymphocytes was evaluated, by assessing the expression of CD68 and CD3 biomarkers by immunohistochemistry in the collected tissues. Potential correlations with clinicopathological parameters and with the development of diabetes and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) were also explored. We further, evaluated the differential protein expression of NFκB and PGC1a (peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha) by immunohistochemistry. The current study was designed to determine any correlations between the inflammatory mediators PPARγ, NFκB with the coregulator PGC1a, which have already established their vital role in obesity-induced metabolic diseases.Results: Our findings suggest a complex inter- and intra-tissue co-expression network that links obesity-induced inflammation in adipose depots and skeletal muscle with non-alcoholic fatty liver disease. Novel finding is the intricate cross-talk between skeletal muscle (SM) and its extramyocellular adipose tissue (EMAT) with the liver and the causal relationship between SM and EMAT inflammation and progression to liver fibrosis. Our findings have highlighted complex inter-tissue PGC1α expression patterns. Moreover, we found significant negative correlations between PGC1a expression in VAT with CD68 expression in skeletal muscle and EMAT, suggesting a protective role of PGC1a against obesity-induced inflammation. Finally, we have enough evidence to assume a beneficial role of PGC1a against obesity-induced disease, such as type II diabetes (T2DM) and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). We demonstrated an extensive intra- and intertissue co-expression network, which confirms the tissue-specific and integral role of each one of the investigated proteins in human metabolism. Moreover, a beneficial role of ERβ against NAFLD is implicated, whereas the distinct roles of TIF2 still remain an enigma.We demonstrated an extensive intra- and intertissue co-expression network, which confirms the tissue-specific and integral role of each one of the investigated proteins in human metabolism. We found that NFκB is the key biomarker in a complicated intra- and intertissue coexpression network, that interconnects metabolic and immune signaling pathways. We also demonstrated its role in lipid metabolism and possibly in the development of skeletal muscle insulin resistance and non alcoholic steatohepatitis (NASH). Moreover, we revealed a complex and extensive multi-tissue network between the three main investigated proteins and the inflammatory biomarkers, suggesting their participation in the obesity-induced inflammatory cascade. Conclusions: Although the mechanisms of obesity-induced inflammation and its association with NAFLD and liver fibrosis are incompletely understood, our findings indicate an extensive and complex tissue network that needs to be further investigated. We believe that our study will contribute to the understanding of the common underlying mechanisms among the interlinked pathologies in order to identify potential therapeutic and prognostic targets. We believe that our study will give more insight into the role of PGC1a in the underlying mechanisms of obesity and its comorbidities and we hope that it could represent a potential preventive and therapeutic target against obesity-induced disease, probably through enhancing mitochondrial biogenesis and metabolism. We hope that our findings will shed light on the complex underlying mechanisms and that the investigated biomarkers could represent future targets for the prevention and therapy of obesity and its comorbidities. Our findings suggest that NFκB may be the critical link between immune and metabolic pathways and could represent a future preventive and therapeutic target against obesity-induced metabolic diseases. We hope that our study will contribute to the better understanding of the complex intertissue connections that are disrupted in obesity and its associated comorbidities. Steroid receptor coactivators have emerged as an important new class of functional proteins that participate along with many transcription factors and inflammatory biomarkers, in regulating gene expression in response to a wide variety of environmental triggers. We hope that our study will contribute to the better understanding of the complex multi-tissue connections that are disrupted in obesity and can therefore lead in numerous cardiometabolic diseases.

Εισαγωγή: Η παχυσαρκία είναι πλέον μια επιδημία που συνδέεται με τα μεταβολικά και καρδιαγγειακά νοσήματα και χαρακτηρίζεται από χρόνια φλεγμονή. Το μεταβολικό σύνδρομο (MetS), το οποίο αποτελείται από τη συνδεδεμένη τριάδα παχυσαρκίας, σακχαρώδη διαβήτη και καρδιαγγειακής νόσου, εκτιμάται σήμερα ότι επηρεάζει το ένα τέταρτο του ενήλικου πληθυσμού στον κόσμο και επιβάλλει σημαντική επιβάρυνση για τη δημόσια υγεία. Το κύριο κλινικό συστατικό του MetS είναι η σπλαχνική παχυσαρκία και η παρουσία “έκτοπου” λίπους στα όργανα που δεν έχουν σχεδιαστεί για την αποθήκευση λίπους, ενώ η κύρια μεταβολική ανωμαλία είναι η αντίσταση στην ινσουλίνη. Πολυάριθμοι βιοδείκτες εμπλέκονται στην παθοφυσιολογία της νόσου, συμπεριλαμβανομένων των παραγόντων μεταγραφής και των συν-ρυθμιστών τους. Μεταξύ των πολυάριθμων μορίων που έχουν αναγνωριστεί ως σημαντικοί ρυθμιστές της ομοιοστασίας της γλυκόζης είναι ο PGC-1α , ο οποίος είναι συν-ενεργοποιητής του μεταγραφικού παράγοντα PPAR-γ. Αν και ο NFkB αρχικά χαρακτηρίστηκε σε κύτταρα του αιμοποιητικού συστήματος, η μετέπειτα ερευνά αποκάλυψε έναν βασικό ρόλο της σηματοδότησης του NFkB στο ήπαρ, τον λιπώδη ιστό και το κεντρικό νευρικό σύστημα στην ανάπτυξη φλεγμονής σχετιζόμενης με μεταβολικά νοσήματα. Η παχυσαρκία χαρακτηρίζεται από χρόνια, συστημική φλεγμονή και υπάρχουν ενδείξεις ότι η μη αλκοολική λιπώδης νόσος του ήπατος (NAFLD) και η αντίσταση στην ινσουλίνη σχετίζονται έντονα με την υποκείμενη φλεγμονώδη διαδικασία. Αν και ο λιπώδης ιστός υπήρξε ο στόχος ενδιαφέροντος μεταξύ των ερευνητών για τις τελευταίες δύο δεκαετίες, λίγα είναι γνωστά για την ακριβή μηχανική στον ανθρώπινο μεταβολισμό και την παχυσαρκία. Για παράδειγμα, διαπιστώθηκε πρόσφατα ότι ο σκελετικός μυς, όχι μόνο διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στην ομοιόσταση της γλυκόζης, αλλά αντιπροσωπεύει επίσης ένα ενεργό μεταβολικό όργανο του οποίου οι δραστηριότητες πρέπει να προσδιοριστούν. Η μελέτη μας είναι μια “in-situ” μορφολογική εκτίμηση της λειτουργικής διαντίδρασης (“cross-talk”) των μεταγραφικών παραγόντων NFkB, PPARγ και των συν-ρυθμιστών της μεταγραφής AIB και PGC-1a στη νοσογόνο παχυσαρκία. Επιπλέον, θα διερευνήσουμε τη συσχέτιση ανάμεσα στη φλεγμονή του σκελετικού μυός και του λιπώδους ιστού με την ανάπτυξη μη αλκοολικής λιπώδους νόσου του ήπατος (NAFLD) και σακχαρώδη διαβήτη τύπου ΙΙ, καθώς και τη σχέση με διάφορες κλινικοπαθολογικές παραμέτρους.Σκοπός: Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να προσδιοριστεί η σχέση μεταξύ ασθενών με παθολογική παχυσαρκία, η υποκείμενη μη αλκοολική λιπώδης ηπατική νόσος, ο διαβήτης, καθώς και η διερεύνηση πιθανών συσχετισμών με κλινικοπαθολογικές παραμέτρους. Η μελέτη μας επικεντρώθηκε στο ρόλο των PPARγ, NFκΒ και PGC1a στο μεταβολισμό του ανθρώπου, με βάση την έκφρασή τους, όπως αυτή αξιολογήθηκε με την ανοσοϊστοχημεία, σε πέντε διαφορετικά δείγματα ιστών, (σπλαγχνικό λιπώδη ιστό (visceral adipose tissue, VAT), υποδόριο λιπώδη ιστό (subcutaneous adipose tissue, SAT), σκελετικό μυ (skeletal muscle, SM), εξωμυοκυττάριο λιπώδη ιστό (extramyocellular adipose tissue, EMAT) κι ήπαρ. που συλλέχθηκαν από 50 ασθενείς με νοσογόνο παχυσαρκία προτού προχωρήσουν σε προγραμματισμένη βαριατρική επέμβαση. Επιλέξαμε τους παραπάνω ιστούς με βάση το γεγονός ότι οι σκελετικοί μύες και το ήπαρ διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο στην ομοιόσταση της γλυκόζης, ενώ το ενδομυϊκό και το σπλαχνικό λίπος φαίνεται να σχετίζονται με την αντίσταση στην ινσουλίνη και το NAFLD.Αποτελέσματα: Τα ευρήματά μας έδειξαν ένα σύνθετο δίκτυο συν-έκφρασης μεταξύ των ιστών που συνδέει την επαγόμενη από την παχυσαρκία φλεγμονή μέσω της εναπόθεσης λιπώδους ιστού στους σκελετικούς μύες και με μη αλκοολική λιπώδης νόσος του ήπατος. Ένα νέο εύρημα ήταν η περίπλοκη αλληλεπίδραση (cross-talk) μεταξύ του σκελετικού μυός (SM) και του εξωμυοκυτταρικού λιπώδους ιστού (EMAT) με το ήπαρ και της αιτιώδους σχέσης μεταξύ της φλεγμονής στον SM, στον EMAT και της εξέλιξης της ίνωσης του ήπατος. Τα ευρήματά μας, μας έδειξαν πολύπλοκα πρότυπα έκφρασης των μορίων NFκB, PPARγ και PGC1α μεταξύ των ιστών. Επιπλέον, διαπιστώσαμε σημαντικές αρνητικές συσχετίσεις μεταξύ της έκφρασης του PGC1a στον σπλαχνικό λιπώδη ιστό και της έκφρασης του CD68 στους σκελετικούς μύες και το εξωμυοκυτταρικό λιπώδη ιστό (EMAT), υποδεικνύοντας ένα προστατευτικό ρόλο του PGC1a κατά της φλεγμονής που προκαλείται από την παχυσαρκία. Τέλος, προκύπτουν αρκετά στοιχεία για να αναδείξουμε έναν ευεργετικό ρόλο του PGC1a κατά της νόσου που προκαλείται από την παχυσαρκία, όπως ο διαβήτης τύπου II (T2DM) και η μη αλκοολική λιπώδης νόσος του ήπατος (NAFLD). Παρουσιάσαμε ένα εκτεταμένο δίκτυο ενδοεπικοινωνίας και αλληλεπίδρασης, το οποίο επιβεβαιώνει τον αναπόσπαστο ρόλο κάθε μίας από τις ερευνηθείσες πρωτεΐνες στον ανθρώπινο μεταβολισμό. Στη μελέτη μας, διαπιστώσαμε ότι ο NFκB είναι ο βασικός βιοδείκτης σε ένα πολύπλοκο δίκτυο ενδοεπικοινωνίας και αλληλεπίδρασης, ο οποίος διασυνδέει τις σηματοδοτικές οδούς της μεταβολικής και ανοσολογικής σηματοδότησης. Επίσης, επιδείξαμε το ρόλο του στον μεταβολισμό των λιπιδίων και ενδεχομένως στην ανάπτυξη της ανθεκτικότητας στην ινσουλίνη, των σκελετικών μυών και της μη αλκοολικής στεατοηπατίτιδας (NASH).Τέλος, αναδείχθη η έκφραση των φλεγμονωδών βιοδεικτών (CD3, CD68) σε όλα τα λιπώδη διαμερίσματα να εμφανίζει θετική συσχέτιση με τα επίπεδα ηπατικών τρανσαμινασών και την παρουσία NASH στη βιοψία ήπατος, ενώ η έκφραση του CD3 στο σκελετικό μυ και το εξωμυοκυττάριο λίπος (ΕΜΑΤ) σχετίζεται με ίνωση του ήπατος. Συμπεράσματα: Παρόλο που οι μηχανισμοί της φλεγμονής που προκαλείται από την παχυσαρκία και η σύνδεσή της με τη μη αλκοολική λιπώδης νόσος του ήπατος (NAFLD) και την ίνωση του ήπατος, δεν είναι πλήρως κατανοητοί, τα ευρήματά μας υποδεικνύουν ένα εκτεταμένο και σύνθετο δίκτυο που πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω. Πιστεύουμε ότι η μελέτη μας θα συμβάλει στην κατανόηση των κοινών υποκείμενων μηχανισμών μεταξύ των αλληλοσυνδεδεμένων παθολογιών, προκειμένου να προσδιοριστούν οι δυνητικοί θεραπευτικοί και προγνωστικοί στόχοι, μιας και η παχυσαρκία δε θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ως μια ξεχωριστή νοσολογική οντότητα, αλλά ως αναπόσπαστο τμήμα ενός αλληλοσυνδεόμενου δικτύου ασθενειών. Πιστεύουμε ότι η μελέτη μας θα δώσει περισσότερη πληροφορία για το ρόλο των υπό εξέταση μορίων στους υποκείμενους μηχανισμούς της παχυσαρκίας και των συνοσηρότητας του. Ελπίζουμε ότι τα ευρήματά μας θα ρίξουν φως στους σύνθετους βασικούς μηχανισμούς και ότι οι βιοδείκτες που μελετήθηκαν θα μπορούσαν να αποτελέσουν μελλοντικούς στόχους για την πρόληψη και τη θεραπεία της παχυσαρκίας και των συνοδών νοσηροτήτων τους. Ελπίζουμε ότι η παρούσα μελέτη μας θα συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση των σύνθετων αλληλεπιδράσεων των διαφορετικών ιστών που διαταράσσονται στην παχυσαρκία.Αναμφισβήτητα, περαιτέρω έρευνα απαιτείται για την πλήρη κατανόηση των μοριακών μηχανισμών και των δικτύων συνέκφρασης που ενέχονται στην παχυσαρκία και τα συνοδά της νοσήματα με τελικό σκοπό την ανάδειξη νέων βιοδεικτών, διαγνωστικών τεχνικών κι ελπιδοφόρων θεραπευτικών στόχων στο εγγύς μέλλον.