• No results found

“Mitochondriële aanpassingen in insulineresistente spieren”

Diabetes  is  uitgegroeid  tot  een  wereldwijde  epidemie.  Type  2  diabetes  (T2D)  neemt  ongeveer  90%  van  alle  diabetes  gevallen  in  beslag  en  wordt  gekarakteriseerd  door  insulineresistentie  (IR)  in  belangrijke  metabole  weefsels.  De  enorme  stijging  in  het  aantal  T2D patiënten is gerelateerd aan de toename van het aantal mensen met overgewicht en  vervetting van de organen, in het bijzonder de spieren, veroorzaakt door een overmaat aan  voedselconsumptie en een verminderde fysieke activiteit. Echter, de exacte processen die  leiden tot IR zijn nog niet bekend. Een belangrijke hypothese binnen het onderzoeksgebied  naar  de  oorzaken  van  T2D  is  dat  een  verstoorde  functie  van  de  mitochondriën  in  de  skeletspier leidt tot een verlaagde capaciteit om vetzuren te oxideren, wat resulteert in een  ophoping  van  vetten  in  de  spiercellen  (intramyocellulaire  lipiden,  IMCL).  Verhoogde  concentraties  IMCL  en  intermediairen  daarvan  induceren  daarop  IR  door  een  proteïne  kinase  te  activeren,  welke  de  insuline  signalering  en  daarmee  glucose  opname  verstoort.  Recente  studies  hebben  deze  theorie  in  twijfel  getrokken  and  linken  IR  aan  een  toegenomen  in  plaats  van  afgenomen  capaciteit  om  vetzuren  te  oxideren.  De  hoge  vetzuuroxidatie snelheden zoals waargenomen in insulineresistente spier zijn geassocieerd  met een lage complete vetzuuroxidatie en een verhoogde incomplete ‐oxidatie. Daarom is  gesuggereerd  dat  de  ophoping  van  incompleet  gemetaboliseerde  vetzuren  in  de  mitochondriën ‘mitochondriële stress’ veroorzaakt, wat zou leiden tot IR. Ter verheldering  van deze kwestie worden in dit proefschrift de mitochondriële aanpassingen in skeletspier  tijdens de ontwikkeling van IR and T2D nader onderzocht  middels het  gebruik van  in  vivo  (31P  en 1H  magnetische  resonantie  spectroscopie  (MRS))  en  in  vitro  (o.a.  mitochondriële  respiratie  metingen  en  bepaling  van  mitochondriaal  DNA  en  acylcarnitine  niveaus)  methodes. 

De tegenstrijdige resultaten aangaande de rol van mitochondriële disfunctie in T2D zouden  verklaard  kunnen  worden  door  de  verschillende  technieken  die  gebruikt  zijn  om  de  mitochondriële  functie  in  de  spier  te  bepalen.  In  vitro  methodes,  zoals  de  bepaling  van  genexpressie  niveaus,  enzym  activiteiten,  het  aantal  mitochondriën,  de  morfologie  van  mitochondriën en mitochondriële respiratie, geven specifieke informatie over verschillende  aspecten  van  mitochondriële  functie,  maar  de  resultaten  kunnen  niet  direct  vertaald  worden naar in vivo mitochondriële functie. Met behulp van 31P MRS kan de energetische  status van de spiercel in vivo worden bepaald door het meten van fosfocreatine (PCr), ATP  en  anorganisch  fosfaat  (Pi).  In  de  literatuur  zijn  twee  verschillende 31P  MRS  methodes  toegepast  om  de  mitochondriële  functie  van  skeletspier  in  vivo  te  bepalen,  namelijk  het  meten  van  (1)  de  ATP  synthese  flux  in  rust  met  behulp  van  een  saturatie  transfer  (ST)  experiment  en  (2)  de  snelheid  van  PCr  herstel  na  inspanning  met  dynamische 31P  MRS.  Echter, deze methodes leveren totaal verschillende parameters, te weten de snelheid van  het  basale  metabolisme  en  de  maximale  oxidatieve  capaciteit.  In  hoofdstuk  2  van  dit 

proefschrift  zijn  beide  methodes  vergeleken  in  ratten  met  mitochondriële  disfunctie  door  behandeling  met  de  complex  I  remmer  diphenyleneiodonium  (DPI),  met  het  doel  om  te  bepalen welke methode het meest geschikt is om de mitochondriële functie van de spier in 

vivo te meten. Terwijl de dynamische 31P MRS metingen na inspanning lieten zien dat het  herstel van PCr 46% langzamer was in ratten behandeld met DPI, was de ATP synthese flux  in rust gemeten met ST niet verschillend ten opzichte van controle ratten. Deze resultaten  tonen  aan  dat  in  vivo  mitochondriële  functie  in  de  spier  directer  en  gevoeliger  bepaald  wordt door de PCr herstelsnelheid na inspanning dan door ST metingen in rust. 

In hoofdstuk 3 is de pH‐afhankelijkheid van de PCr hersteltijdsconstante, PCr, onderzocht.  Verzuring van spierweefsel vertraagt de PCr hersteltijd en bemoeilijkt de interpretatie van  PCr als  maat  voor  oxidatieve  capaciteit.  Door  meerdere  inspanningsprotocollen  met  een  variërende intensiteit uit te laten voeren door elke proefpersoon konden we concluderen  dat het effect van verzuring op de PCr herstelsnelheid verschilt tussen personen en dat een  algemene  correctiefactor  voor  verzuring  dus  niet  toepasbaar  is.  Daarnaast  is  aangetoond  dat  de  pH‐afhankelijkheid  van  PCr  correleert  met  de  snelheid  van  de  protonenflux  uit  de  spier. 

In de hoofdstukken 4‐6 is 31P MRS toegepast om de rol van mitochondriële disfunctie in de  spier in de ontwikkeling van IR en T2D nader te onderzoeken. Hoofdstuk 4 beschrijft een  cross‐sectionele  studie  waarin  patiënten,  die  reeds  lange  tijd  T2D  hebben,  vergeleken  worden  met  personen  in  een  vroeg  stadium  van  T2D  en  met  personen  met  een  normale  bloedglucose homeostase. Elke groep bestond uit mannen met gemiddeld dezelfde leeftijd,  lichaamssamenstelling en een laag niveau van dagelijkse lichaamsbeweging. De resultaten  laten  zien  dat  mitochondriële  disfunctie  niet  noodzakelijk  een  oorzaak  of  gevolg  van  IR  en/of  T2D  is.  De  verstoring  in  mitochondriële  functie  in  T2D  patiënten  zoals  in  eerdere  studies  is  aangetoond  lijkt  eerder  een  gevolg  te  zijn  van  een  verlaagde  fysieke  activiteit  en/of een verstoorde insuline signalering. 

Met  een  diermodel  van  IR,  zoals  Wistar  ratten  op  een  hoog‐vet  dieet,  is  het  mogelijk  om  longitudinale studies uit te voeren en daarmee een inzicht te krijgen in het tijdsverloop van  veranderingen in mitochondriële functie tijdens de ontwikkeling van IR. In hoofdstuk 5 is de  mitochondriële  functie  en  vetophoping  in  de  spier  in  vivo  en  in  vitro  bepaald  in  Wistar  ratten na 2,5 en 25 weken hoog‐vet dieet. Op de korte termijn (2,5 week) leidde het hoog‐ vet dieet tot een stijging van IMCL en acylcarnitines in het spierweefsel en een verhoogde  oxidatieve  capaciteit  van  de  spier  in  vivo,  welke  volledig  verklaard  kon  worden  door  een  toename in het aantal mitochondriën. Na 25 weken hoog‐vet dieet was de vetophoping in  de  spier  verder  toegenomen,  net  zoals  het  aantal  mitochondriën  en  de  capaciteit  van  de  mitochondriën  om in  vitro vet te oxideren. Echter, de in vivo oxidatieve capaciteit van de  spier  was  niet  verhoogd,  wat  wijst  op  een  verlaagde  mitochondriële  functie  in  vivo  die  gecompenseerd  wordt  door  een  verhoogd  aantal  mitochondriën.  De  ogenschijnlijke 

tegenstelling  tussen  de  in  vitro  en  in  vivo  bepalingen  van  mitochondriële  functie  wordt  mogelijk veroorzaakt door factoren die geen rol spelen bij de in vitro metingen. 

In hoofdstuk 6 wordt, net zoals in hoofdstuk 5, aangetoond dat in ratten op hoog‐vet dieet  vrij  carnitine  in  de  spier  significant  is  verlaagd,  terwijl  de  middellange‐  en  lange‐keten  acylcarnitines zijn toegenomen. De verhoogde acylcarnitine niveaus in de spier duiden erop  dat de mitochondriële disfunctie geobserveerd in vivo veroorzaakt kan zijn door een hoge  concentratie  vetmetabolieten,  wat  lijkt  te  worden  bevestigd  door  de  bevinding  dat  mitochondriën van ratten op een hoog‐vet dieet vatbaarder zijn voor vetzuur‐geïnduceerde  ontkoppeling  in  vitro.  Bovendien  wordt  in  dit  hoofdstuk  aangetoond  dat  carnitine  supplementatie  wel  het  carnitine  tekort  in  de  spier  normaliseert,  maar  niet  bijdraagt  aan  een  verbetering  van  de  lipide  huishouding  en  de  in  vivo  mitochondriële  functie  van  de  spier.  

De bevindingen die beschreven zijn in dit proefschrift zijn in overeenstemming met eerdere  studies  die  aan  hebben  getoond  dat  IR  correleert  met  een  verhoogde  in  plaats  van  verlaagde  vetzuuroxidatie,  met  een  ophoping  van  incompleet  gemetaboliseerde  vetzuren  en  mitochondriële  disfunctie  als  gevolg.  Daarnaast  is  onomstreden  vastgesteld  dat  het  gebruik van een combinatie van verschillende technieken, bij voorkeur zowel in vivo als in 

vitro,  essentieel  is  voor  een  grondig  onderzoek  naar  de  mitochondriële  functie  in 

skeletspier. 

Dankwoord 

Het is gelukt! Vier jaar werk is nu gebundeld in dit proefschrift. Maar dat was me zeker niet  gelukt zonder de samenwerking met en begeleiding van verschillende personen. Het is dan  ook niet overbodig om hen op deze plaats daarvoor te bedanken. 

Allereerst  natuurlijk  Klaas,  als  professor  van  de  Biomedical  NMR  groep  en  promotor  van  mijn promotieonderzoek heeft u in een paar jaar tijd van een klein hecht clubje een groep  gemaakt die  goed op de kaart staat. Dit heeft er ook voor  gezorgd dat u het alleen maar  drukker kreeg, maar toch wist u eigenlijk altijd tijd te maken wanneer het nodig was: van  het  bespreken  en  interpreteren  van  nieuwe  resultaten  tot  het  corrigeren  van  papers  en  hoofdstukken. Uw positieve manier van becommentariëren heb ik altijd erg gewaardeerd.   Jeanine,  wat  ben  jij  belangrijk  geweest  voor  de  totstandkoming  van  dit  boekje!  Je  wilde  overal betrokken bij zijn en ik kon altijd bij je binnenlopen. Je persoonlijke benadering om  duidelijk te maken wat wel en wat niet in overeenstemming was met jouw ideeën vond ik  erg prettig, net zoals alle gesprekken over privesituaties. Bedankt voor alles wat je voor me  hebt gedaan, ik heb vooral ook door jou de afgelopen 4 jaar met veel plezier gewerkt!  Jolita, without you the in vitro experiments would not be of such a high quality as they are  now.  The  dedication  with  which  you  work  in  the  lab  is  really  unbelievable  and  this  is  directly  resulting  in  the  nicest  results.  Besides  a  very  good  researcher,  I  learned  to  know  you as a very pleasant person. I enjoyed our trip to Rome really a lot!   

Sander, vooral de laatste tijd hebben onze wegen elkaar gekruist. Met jullie lab technieken  heb  je  een  enorme  toegevoegde  waarde  gehad  in  onze  studies.  Zeker  ook  omdat  de  samenwerking altijd zo prettig verliep, vind ik het erg jammer dat je uiteindelijk toch niet in  mijn  commissie  kunt  zitten.  De  samenwerking  tussen  jullie  lab  van  het  AMC  en  de  Biomedical NMR groep gaat zeker nog veel mooie studies opleveren! 

Voor de humane type 2 diabetes studie heb ik met veel plezier samen gewerkt met Luc van  Loon en Stephan Praet. Luc, eigenlijk ben ik door jou hier op de TU/e terecht gekomen toen  ik  bij  je  aanklopte  voor  een  afstudeerstage.  Naast  je  wetenschappelijke  adviezen  zal  ik  vooral  je  wijze  raad  die  je  gaf  na  een  afsluitingsetentje  in  Veldhoven  over  samenwonen  nooit  meer  vergeten!  Stephan,  jouw  enthousiasme  heeft  me  in  het  begin  weleens  overdonderd, maar ik weet zeker dat dit een belangrijke bijdrage heeft gehad aan de berg  aan data die we hebben geproduceerd en wat geleid heeft tot een mooi resultaat.  

Wie ik zeker niet wil vergeten zijn alle vrijwilligers voor de humane studies: zowel voor de  pilot studies; Ad, Ben, Sjaak en Jan, als voor de studie beschreven in hoofdstuk 3; Ewelina,  Jeanine,  Gustav,  Koen,  Ben  en  Toon  (ook  bedankt  natuurlijk  voor  alle  andere  klusjes  waarmee  je  me  geholpen  hebt,  zoals  het  plakken  van  mijn  fietsband:  ideaal  zo’n 

conciërge!),  en  de  vrijwilligers  die  mee  hebben  gewerkt  aan  de  studie  beschreven  in  hoofdstuk 4. 

Joep van Lier, bedankt voor het delen van jouw ‘fit’ ervaring. Ook al was wat je deed voor  mij  soms  een  grote  puzzel,  door  jouw  hulp  zijn  onze  saturatie  transfer  data  zeker  betrouwbaar gefit. Marije, de uurtjes bij de scanner voor onze ‘pH studie’ samen waren een  stuk  gezelliger  dan  wanneer  ik  er  alleen  zat.  Helaas  zijn  de  data  nog  niet  in  dit  boekje  verschenen,  maar  het  wordt  zeker  nog  een  mooie  publicatie.  Iedereen  in  het  Scheikunde  lab bedankt voor de hulp bij het uitvoeren van de ELISA’s. 

Naast goede wetenschappelijke contacten, zijn niet of minder wetenschappelijke contacten  belangrijk om zo goed mogelijk te presteren. De sfeer in de vakgroep heb ik als erg prettig  ervaren,  zeker  toen  bleek  dat  er  20  collega’s  enthousiast  te  krijgen  waren  voor  een  korfbaltoernooi. In de afgelopen 4 jaar heb ik een aantal kamergenootjes gehad, waarmee  ik  tegenslagen  maar  zeker  ook  mooie  momenten  heb  meegemaakt.  Ewelina,  I  am  very  happy that you will be very close to me during my defense as my usher, just as you were  during my whole PhD project. Hopefully next year we can arrange our plan to visit Poland  together! Bram, Tessa en Leonie, B2.03 was echt een top kamer. Ik ga de leuke gesprekken  en gezelligheid zeker missen. Geralda, ondertussen zit je alweer een jaar in Utrecht, maar  gelukkig hebben we nog steeds leuk contact. De tenniscarrière, ooit zo mooi begonnen in  Geldrop, kunnen we voorlopig maar beter even in de koelkast zetten. Houden we het toch  gewoon bij een etentje op zijn tijd? Ward, jij blijft toch ook meedoen met de etentjes? Erg  fijn dat de mooie resultaten waar je zo hard voor hebt gewerkt er nu zijn en je boekje er  dan toch echt lijkt te komen! 

Dan  zijn  er  nog  een  aantal  collega’s  van  de  Biomedical  NMR  groep  die  ik  hier  wil  vernoemen.  Bart,  ik  zal  je  spannende  weekend  verhalen  tijdens  de  pauze  gaan  missen!  Succes  met  het  voortzetten  van  ons  werk  en  als  opperorganisator  van  de  groepsuitjes.  Richard,  soms  zit  het  tegen,  maar  als  het  dan  eenmaal  lukt  gaat  het  echt  meezitten  en  resulteert alle moeite in erg mooie studies! Hou vol, positief blijven en dan weet ik zeker  dat  je  een  prachtig  boekje  krijgt.  Het  blijft  natuurlijk  wel  erg  jammer  dat  onze  spiervezelkleuringen van cross‐secties van de hele TA mijn boekje niet op fleuren. Larry, je  was vaak een rots in de branding als er weer eens brokken waren aan de 1.5T scanner of  wanneer  ik  als  niet‐technicus  technische  hulp  nodig  had,  bedankt  daarvoor.  Voor  mij  als  nuchtere  Brabantse  meid  was  je  af  en  toe  een  vreemde  vogel,  maar  wel  een  aardige.  Jo,  David  en  in  het  bijzonder  Leonie  bedankt  voor  al  jullie  biotechnische  hulp  bij  de  OGTT’s,  DEC  protocollen  enz.  Hedwig  en  Ria,  ik  ben  jullie  dankbaar  voor  de  hulp  met  alle  administratieve  rompslomp  die  bij  (de  afronding  van)  een  promotie  project  komt  kijken.  Jef, ook al luisterden we niet altijd naar je koffie oproep, toch waren de pauzes en BBQ’s na  het  Nlaag  voetbal  toernooi  erg  gezellig!  Henk,  door  al  het  werk  wat  jij  hier  hebt  gedaan,  heb ik een vliegende start kunnen maken en jouw werk door kunnen zetten. Verder wil ik 

natuurlijk  Gustav,  Jeroen,  Holger,  alle  andere  collega’s,  (ex‐)  aio’s  en  studenten  van  de  Biomedical NMR groep heel erg bedanken voor de leuke pauzes en groepsuitjes.  

Zoals iedereen die mij een beetje kent wel weet, is korfbal een belangrijke bezigheid voor  mij.  Ook  al  lijkt  het  soms  misschien  niet  zo,  toch  is  het  een  heerlijke  ontspanning  en  uitlaatklep. Dat komt voor een groot deel natuurlijk ook door ons gezellige, no‐nonsense,  maar  vooral  ‘hechte’  team!  Naast  het  zelf  spelen  mag  ik  natuurlijk  de  meiden  van  de  A1  niet  vergeten,  jullie  zijn  toppers.  Als  ik  chagrijnig  was  kwam  het  waarschijnlijk  door  de  stress  om  dit  boekje,  mijn  verontschuldigingen  daarvoor.  Dimphy,  ik  vind  het  fijn  dat  ik  altijd bij je terecht kan, voor advies, opbeurende woorden, je realistische blik, maar zeker  ook  voor  gezelligheid!  Doreen,  there  is  something,  something  I  want  to  tell  you…  je  bent  een geweldig vriendinnetje! Ik hoefde dan ook niet lang na te denken wie ik als paranimf  achter me wil hebben staan.  Ons Maastricht/sinterklaas clubje: Anne, Janneke, Marije, Marijn en Nicole, ik hoop dat we  nog lang de vriendinnen blijven die we nu zijn, op naar ons 10‐jarig jubileum!  Frans en Nicolien, vanaf de eerste dag heb ik me welkom gevoeld bij jullie. Jullie interesse  en betrokkenheid in de stappen die Koen en ik namen zijn erg belangrijk voor ons. Luc, ik  ben er nu ook van overtuigd dat de uren die Koen en jij achter de computer doorbrachten  meestal niet door jou kwamen. Succes, maar vooral ook veel plezier nog met je Utrechtse  studentenleventje! We komen binnenkort echt een keer naar je kamer kijken, dus zet die  wereldgerecht pakken maar klaar. 

Pap  en  mam,  hierbij  wil  ik  jullie  ook  ontzettend  bedanken  voor  alle  vrijheid  en  mogelijkheden  die  jullie  me  altijd  gegeven  hebben.  Ook  al  hebben  jullie  weinig  kaas  gegeten  van  mitochondriën,  jullie  zijn  geïnteresseerd  in  alles  wat  ik  doe  en  meemaak,  waardoor ik altijd graag thuis kom. Zo zijn de voetbalavonden samen met Kees nog steeds  gezellig. Suus, ik ben blij dat je mijn zusje bent en ik heb altijd al geweten dat je zo’n goede  juf zou worden als je nu bent, ik ben trots op je!  Ook al vond je het niet nodig, toch wil en kan ik jou hier niet onvermeld laten Koen. Je bent  belangrijk voor me, om teveel redenen om hier op te noemen. Ik ben benieuwd waar onze  ‘(trein) reis’ ons nog allemaal gaat brengen!