• No results found

Mitochondrial adaptations in insulin resistant muscle

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Mitochondrial adaptations in insulin resistant muscle"

Copied!
177
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

Mitochondrial adaptations in insulin resistant muscle

Citation for published version (APA):

Broek, van den, N. M. A. (2010). Mitochondrial adaptations in insulin resistant muscle. Technische Universiteit Eindhoven. https://doi.org/10.6100/IR684831

DOI:

10.6100/IR684831

Document status and date: Published: 01/01/2010

Document Version:

Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers)

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

(2)

 

 

 

 

Mitochondrial adaptations 

in insulin resistant muscle 

 

 

(3)

                                                                          A catalogue record is available from the Eindhoven University of Technology Library     ISBN: 978‐90‐386‐2299‐6    Printed by: 

(4)

 

 

 

 

Mitochondrial adaptations 

in insulin resistant muscle 

 

 

 

 

 

 

 

PROEFSCHRIFT 

 

ter verkrijging van de graad van doctor aan de 

Technische Universiteit Eindhoven, op gezag van de 

rector magnificus, prof.dr.ir. C.J. van Duijn, voor een 

commissie aangewezen door het College voor 

Promoties in het openbaar te verdedigen 

op donderdag 16 september 2010 om 16.00 uur 

 

 

 

 

door 

 

 

Nicole Martina Adriana van den Broek 

 

geboren te Tilburg 

(5)

 

 

Copromotor: 

dr. J.J. Prompers 

 

 

 

 

(6)
(7)
(8)

 

 

 

Chapter 1  General introduction  1  Chapter 2  Comparison of in vivo post‐exercise phosphocreatine  recovery and resting ATP synthesis flux for the assessment  of skeletal muscle mitochondrial function  31  Chapter 3  Intersubject differences in the effect of acidosis on  phosphocreatine recovery kinetics in muscle after  exercise are due to differences in proton efflux rates  53  Chapter 4  Early or advanced stage type 2 diabetes is not  accompanied by in vivo skeletal muscle mitochondrial  dysfunction    77  Chapter 5  Increased mitochondrial content rescues in vivo muscle  oxidative capacity in long‐term high‐fat diet fed rats  99  Chapter 6  Carnitine insufficiency in high‐fat diet fed rats does not  contribute to lipid‐induced impairment of skeletal muscle  mitochondrial function in vivo  123  Chapter 7  Summary and future perspectives  147    Nederlandse samenvatting  Dankwoord  List of publications  Curriculum Vitae  157 

(9)
(10)

Chapter     

(11)

What was originally termed adult‐onset diabetes is now one of the most dominant diseases  in the world: type 2 diabetes (T2D). The prevalence of diabetes is increasing dramatically.  The total number of people with diabetes is projected to rise from 171 million in 2000 to  366  million  in  2030  [4].  The  majority  of  all  diabetes  patients  (90%)  suffers  from  T2D.  The  most  important  reason  for  the  dramatic  increase  in  prevalence  of  T2D  is  the  expanding  Western lifestyle, which encompasses the combination of an excessive calorie intake and a  decreased physical activity, leading to fat accumulation and increased body weight.   T2D is characterized by insulin resistance (IR), a disorder in which major metabolic tissues,  in  particular  skeletal  muscle,  are  less  sensitive  for  insulin.  A  first  attempt  of  the  body  to  compensate for the IR of the tissues is to increase insulin production by the pancreatic ‐ cells.  IR  is  progressive  and  therefore  during  the  years  the  need  for  insulin  will  keep  increasing. After some time the overproduction of insulin will lead to -cell failure, resulting  in a diminished insulin secretion and sustained elevated blood glucose levels, a state which  is called T2D. After several years, T2D can lead to severe life‐threatening complications like  cardiovascular disease, neuropathy, retinopathy and kidney failure.  

During  the  last  decade  excessive  ectopic  lipid  storage  and  muscle  mitochondrial  dysfunction have been associated with the pathogenesis of IR and T2D [5]. However, there  is still no consensus about the underlying mechanisms leading to IR and consequently T2D.  Therefore further investigation into the etiology of IR and T2D is important to conquer the  T2D epidemic.  The present chapter provides an overview of the background of this thesis. First the most  important cellular events leading to IR and T2D will be explained and the energy‐producing  organelles, i.e. the mitochondria, will be introduced. Subsequently, different theories about  the mechanism of fatty acid‐induced IR will be summarized and the methods applied in this  thesis  for  measuring  muscle  lipids  and  lipid  intermediates  and  muscle  mitochondrial  function are described. Finally, the outline of the thesis is presented. 

Glucose homeostasis, insulin resistance and type 2 diabetes 

In healthy subjects blood glucose levels are well controlled. After a meal, glucose is taken  up  in  the  blood  and  transported  to  tissues,  where  glucose  is  used  for  energy  production.  Glucose  is  the  most  important  substrate  for  the  brain.  However,  skeletal  muscle  is  responsible for as much as 70‐80% of postprandial glucose uptake [6]. When blood glucose  levels rise, e.g. after a meal, the ‐cells of the pancreas respond by producing more insulin.  Insulin  can  stimulate  the  ‘insulin  sensitive’  glucose  uptake,  by  binding  to  cell  membrane‐ bound insulin receptors, which activates the insulin signaling cascade. Binding of insulin to  its  receptor  leads  to  autophosphorylation  of  its  ‐subunits  and  the  phosphorylation  of 

(12)

tyrosine  residues  in  insulin  receptor  substrates  (IRS).  IRS  activates  phosphatidylinositol‐3‐ kinase (PI3K) through its SH2 domain, thus increasing the intracellular concentration of PIP2  and  PIP.  This,  in  turn,  activates  phosphatidylinositol  phosphate‐dependent  kinase‐1  (PDK‐ 1),  which  subsequently  activates  Akt/PKB.  This  activation  cascade  results  in  the  translocation  of  the  glucose  transporter  4  (GLUT4)  from  cytoplasmic  vesicles  to  the  cell  membrane,  where  GLUT4  facilitates  glucose  uptake  (reviewed  in  [3]).  Besides  stimulating  the uptake of glucose in muscle, insulin also inhibits glucose production in the liver [7]. As a  result  of  those  muscle  and  liver  responses,  blood  glucose  levels  will  return  back  to  basal  values  in  a  relatively  short  time  period.  In  the  muscle,  glucose  can  be  used  for  ATP  production.  However  during  rest,  when  little  energy  is  needed,  glucose  is  converted  to  glycogen, which is stored in the muscle, thus providing an energy reserve that can quickly  be mobilized to meet a sudden need for glucose. In the case of IR, postprandial glucose is  still  cleared  from  the  blood,  but  because  of  the  decreased  sensitivity  of  the  peripheral  tissues  for  insulin,  more  insulin  is  needed  for  a  similar  blood  glucose  lowering  effect.  Sustained insulin overproduction by pancreatic ‐cells leads to ‐cell failure and decreased  insulin production. This results in increased basal glucose levels and increased duration of  postprandial  blood  glucose  clearance,  which  is  a  condition  called  T2D.  The  high  blood  glucose levels can irreversibly damage tissues, finally leading to well known complications  of  T2D,  e.g.  cardiovascular  disease,  neuropathy,  retinopathy  and  kidney  failure.  The  dramatic  rise  in  T2D  is  associated  with  the  increased  occurrence  of  obesity  and  the  decrease of physical activity. However, the primary cause of IR and T2D is still not known.  During  the  last  decade,  skeletal  muscle  mitochondrial  dysfunction  has  been  proposed  to  play a key role in the development of IR and T2D [8‐13]. 

Mitochondrial energy production in muscle  

Mitochondria are called the ‘powerhouses’ of the cell. Without them, cells would be unable  to  extract  significant  amounts  of  energy  from  the  nutrients,  and  as  a  consequence,  essentially  all  cellular  functions  would  fail  under  high  energy  demand  conditions.  The  specific structure of the mitochondrion is essential for synthesizing adenosine triphosphate  (ATP),  the  energy  source  for  cells.  The  organelle  is  surrounded  by  two  lipid  bilayer  membranes: an outer and an inner membrane. Many foldings of the inner membrane form  cristae, in  which  oxidative  enzymes  (NADH  dehydrogenase  (complex  I),  cytochrome  c  reductase  (complex  III),  and  cytochrome  c  oxidase  (complex  IV)),  contributing  to  the  electron transport chain (ETC), and the F1F0‐ATP synthase complex (complex V), responsible 

for proton‐driven ATP synthesis, are located (Figure 1). In addition, the inner cavity of the  mitochondrion,  termed  the  matrix,  contains  large  quantities  of  enzymes,  which  are  involved  in  the  oxidation  of  carbohydrates  (CHO)  and  fatty  acids  (FAs),  i.e.  enzymes  from  the tricarboxylic acid (TCA) cycle and the ‐oxidation pathway, respectively [14]. 

(13)

ATP is used throughout the cell to drive almost all energy‐dependent cellular processes, like  active  transport  of  molecules  and  ions,  the  synthesis  of  macromolecules  and  the  performance of mechanical work during muscle contractions and other cellular movements  [14].  ATP  is  therefore  also  called  the  energy  currency  of  the  cell.  ATP  is  a  nucleotide  composed of an adenine ring and a ribose sugar (adenosine) and three phosphate groups  (triphosphate).  The  phosphate  groups,  starting  with  the  group  closest  to  the  ribose,  are  referred to as the alpha (), beta (), and gamma (γ) phosphates. Two phospho‐anhydride  bonds (those that connect adjacent phosphates) in ATP are responsible for the high energy  content  of  this  molecule.  In  the  context  of  biochemical  reactions,  these  anhydride  bonds  are  frequently  referred  to  as  high‐energy  bonds.  Energy  stored  in  ATP  is  released  upon  hydrolysis of the terminal anhydride bond, thereby forming adenosine diphosphate (ADP)  and inorganic phosphate (Pi).  

Muscle  contraction  depends  on  energy  supplied  by  ATP.  The  concentration  of  ATP  in  the  muscle is sufficient to maintain full contraction for only 1 or 2 seconds at most. Therefore,  the formed ADP has to be rephosphorylated back to ATP immediately, allowing the muscle  to continue its contraction. There are several sources of energy for the rephosphorylation  of ADP. The source of energy that is used to reconstitute ATP within the first few seconds of  muscle contraction is phosphocreatine (PCr), which carries a high‐energy phosphate bond, 

 

Figure 1. Schematic overview depicting the different components of oxidative phosphorylation, i.e. the 

electron  transport  chain  and  the  F1F0‐ATP  synthase  in  the  inner  mitochondrial  membrane.  NADH  and 

FADH2 donate their electrons to complex I and II, respectively. Electron transfer through complexes I, III 

and  IV  is  accompanied  by  the  pumping  of  protons  from  the  matrix  into  the  intermembrane  space,  leading  to  the  generation  of  an  electrochemical  proton  gradient.  This  gradient  is  used  to  drive  the  translocation  of  protons  through  the  F1F0‐ATP  synthase,  which  goes  along  with  the  formation  of  ATP. 

IMM,  inner  mitochondrial  membrane;  complex  I,  NADH  dehydrogenase;  complex  II,  succinate  dehydrogenase; complex III, cytochrome bc1 complex; complex IV, cytochrome c oxidase; F1F0 ATP‐ase, 

(14)

with a slightly higher free energy content than those in ATP. Therefore, phosphocreatine is  instantly  cleaved  and  the  released  energy  is  used  to  rephosphorylate  ADP  to  ATP  by  the  creatine kinase (CK) reaction: 

 

MgADP PCr H MgATP Cr Eq. 1    

After  about  five  seconds  of  maximal  muscle  contraction,  PCr  is  depleted  and  the  next  source  of  energy  to  reconstitute  ATP  is  addressed,  i.e.  glycogen.  Glycogen  has  previously  been stored in large amounts in muscle cells, thereby providing a rapid source of energy for  the muscle in situations of high‐energy demand, i.e. muscle contractions longer than a few  seconds. Cleavage of glycogen results in the formation of glucose‐1‐phosphate which, after  conversion  into  glucose‐6‐phosphate,  can  enter  the  glycolytic  pathway.  Via  glycolysis,  glucose‐6‐phosphate,  either  formed  from  glycogen  or  from  glucose  directly,  is  rapidly  broken down to pyruvate, thereby forming 2 molecules of  ATP. Besides the advantage  of  fast ATP production, glycolysis has the ability to produce ATP in the absence of oxygen by  producing  lactate.  Unfortunately,  however,  during  anaerobic  glycolysis  so  many  end  products  accumulate  that  the  muscle  will  lose  its  capability  to  sustain  maximum  contraction after about one minute.  

The third source of energy is oxidative metabolism. More than 95% of ATP is formed in the  mitochondria  via  oxidative  phosphorylation,  by  degrading  substrates  like  CHO  and  FA  aerobically.  Both  substrates  have  to  be  converted  to  the  general  degradation  product  acetyl  coenzyme  A  (acetyl‐CoA).  Pyruvate,  formed  via  glycolysis,  is  subsequently  transported  into  the  mitochondria  and  converted  to  acetyl‐CoA  by  the  pyruvate  dehydrogenase complex. Within the outer mitochondrial membrane, the enzyme fatty acyl‐ CoA synthetase (ACS) catalyses the first step  in intracellular  FA metabolism by converting  FAs  into  fatty  acyl‐CoA’s.  Upon  activation  by  ACS  the  resulting  fatty  acyl‐CoA’s  can  be  transported across the mitochondrial membrane via the carnitine shuttle, which consists of  three components: carnitine palmitoyltransferase (CPT) 1 and 2 and carnitine acylcarnitine  translocase (CACT). CPT1 executes the initial step in this process by catalyzing the reversible  transesterification  of  long‐chain  acyl‐CoA  with  carnitine.  The  long‐chain  acylcarnitine  products of CPT1 are then transported across the inner mitochondrial membrane by CACT.  Finally,  inside  the  mitochondrion,  CPT2  regenerates  acyl‐CoA  on  the  matrix  side  of  the  membrane where it can enter the ‐oxidation. Each cycle of the ‐oxidation consists of four  reactions,  shortening  the  acyl‐CoA  unit  by  two  carbon  atoms.  Thereby,  every  cycle  one  nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), one flavin adenine dinucleotide (FADH2) and an 

acetyl‐CoA  molecule  are  released.  This  process  continues  until  the  entire  acyl  chain  is  cleaved into acetyl‐CoA units. Acetyl‐CoA, derived from CHO via pyruvate or from FAs, then 

(15)

enters the next step in the oxidative process: the TCA cycle. Acetyl‐CoA transfers its two‐ carbon  acetyl  group  to  oxaloacetate  to  form  a  six‐carbon  compound,  i.e.  citrate.  Citrate  then undergoes a series of chemical transformations resulting in oxaloacetate, to which a  new acetyl‐CoA can be conjugated to enter the TCA cycle again. During each cycle one ATP,  two CO2, one FADH2 and three NADH molecules are released. The electron donors, NADH 

and  FADH2, transfer  their  electrons  to  oxygen,  which  is  reduced  to  water  in  the  ETC.  The 

enzymes  that  catalyze  these  reactions  have  the  ability  to  simultaneously  create  a  proton  gradient  across  the  inner  mitochondrial  membrane,  which  drives  the  F1F0‐ATP  synthase 

complex to form ATP from ADP and Pi: 

 

MgATP H O MgADP P H Eq. 2   

 

 

 

Figure  2.  Schematic  overview  of  FA  transport  across  the  mitochondrial  membranes  by  the  carnitine 

shuttle and the metabolic conversions of FAs and pyruvate to yield ATP. ACS exerts the first step in FA  transport  by  converting  FAs  into  fatty  acyl‐CoA’s.  CPT1  catalyzes  the  reversible  transesterification  of  long‐chain  acyl‐CoA  with  carnitine.  These  long‐chain  acylcarnitine  species  are  then  transported  across  the inner mitochondrial membrane  by CACT. Inside the mitochondrion,  CPT2 regenerates  acyl‐CoA on  the  matrix  side  of  the  membrane  where  it  can  enter  the  ‐oxidation,  which  generates  acetyl‐CoA.  Pyruvate  is  transported  into  the  mitochondrial  matrix,  where  it  is  converted  to  acetyl‐CoA  by  PDH.  Acetyl‐CoA can enter the TCA cycle. NADH and FADH2, produced in the TCA cycle, enable ATP production 

by  OXPHOS  as  explained  in  more  detail  in  Figure  1.  OMM,  outer  mitochondrial  membrane;  ACS,  acyl‐ CoA  synthetase;  CPT,  carnitine  palmitoyl  transferase;  CACT,  carnitine‐acylcarnitine  translocase;  PDH,  pyruvate dehydrogenase; TCA, tricarboxylic acid cycle; OXPHOS, oxidative phosphorylation.  

(16)

Mechanisms  of  fatty  acid‐induced  muscle  insulin  resistance  and 

the role of mitochondrial dysfunction 

T2D  and  IR  are  often  associated  with  hyperlipidemia  (excessively  high  plasma  triglyceride  and cholesterol levels) as well as elevated levels of plasma FFA (reviewed in [15‐16]). It has  been  shown  that  raising  plasma  FFA  levels  by  intravenously  administering  IntralipidTM  decreases  whole  body  glucose  uptake,  oxidation  and  storage  [17]  and  skeletal  muscle  glucose  uptake  [18‐19].  Furthermore,  lowering  of  plasma  FFA  has  been  shown  to  reduce  the  severity  of  insulin  resistance  [20].  Plasma  FFAs  can  easily  enter  cells  where  they  are  either  oxidized  to  generate  energy  in  the  form  of  ATP  or  re‐esterified  for  storage  as  triglycerides  (TG).  Not  surprisingly,  therefore,  raising  plasma  FFA  levels  results  in  intramyocellular  accumulation  of  triglycerides,  the  so‐called  intramyocellular  lipids  (IMCL)  [21], which are correlated to the severity of IR  [22]. It was shown that IMCL content is a  better  predictor  for  IR  than  plasma  FFA  levels  [23].  However  IMCL  is  probably  not  interfering  with  the  insulin  signaling  pathway  directly,  but  rather  represents  a  surrogate  marker of a systemic lipid oversupply, which is believed to cause IR. In this chapter several  hypotheses about the underlying mechanism of lipid‐induced IR are summarized. 

Inhibition of glucose oxidation  

Randle et al. introduced the ‘glucose‐fatty acid cycle’ or ‘Randle cycle’ [2]. In isolated heart  and  skeletal  muscle  preparations,  Randle  et  al.  demonstrated  that  the  utilization  of  one  nutrient  inhibited  the  use  of  the  other  directly  and  without  hormonal  mediation.  Most  emphasis  was  put  on  the  control  of  glucose  oxidation  by  FAs.  Due  to  an  elevated  FA  oxidation, the intra‐mitochondrial acetyl‐CoA/CoA ratio increases, resulting in the inhibition  of PDH, a regulatory enzyme in glucose metabolism. It has been shown that these changes  lead  to  elevated  citrate  levels  in  the  cytosol,  which  inhibit  PFK‐1  [24],  followed  by  an  increase  in  glucose‐6‐phosphate,  which  eventually  inhibits  hexokinase  and  therefore  diminishes  glucose  uptake,  resulting  in  elevated  plasma  glucose  levels  (Figure  3).  Overall,  Randle  concluded  that  an  increased  FA  availability  leads  to  increased  ‐oxidation  and  a  decrease in muscle glucose uptake and oxidation, and can therefore be seen as a possible  cause for elevated plasma glucose levels and skeletal muscle IR [2].  

Inhibition of glucose transport and mitochondrial dysfunction 

Several years later, the Randle cycle was challenged. A series of MRS studies performed by  the group of Shulman pointed out that glucose transport was impaired directly by elevated  FFA, without an increase in glucose‐6‐phosphate levels [25]. In addition, others have shown  that infusion of lipids induced IR only several hours after it had already decreased glucose  oxidation, suggesting that the glucose‐fatty acid cycle may not be responsible for IR [26]. As 

(17)

an  alternative  for  the  glucose‐fatty  acid  cycle,  Shulman  proposed  a  mechanism  in  which  intramyocellular lipids impair glucose uptake by inhibiting the insulin signaling cascade [3,  27].  The  proposed  mechanism  involves  the  increase  in  intramyocellular  lipid  metabolites  like diacylglycerol (DAG), long‐chain acyl‐CoA’s and ceramides, due to increased delivery of  lipids  to  muscle  and/or  a  decreased  intracellular  FA  oxidation.  These  metabolites  can  activate protein kinase C , leading to the phosphorylation of serine/threonine sites on the  insulin  receptor  substrate  1,  which  in  turn  interferes  with  the  activation  of  phosphatidylinositol 3‐kinase, eventually resulting in a diminished glucose transport activity  (Figure  4).  Since  then,  several  studies  in  humans,  animals  and  in  vitro  preparations  have  confirmed steps of this mechanism [25, 28‐29].       Figure 3. Mechanism of inhibition of glucose utilization by enhanced fatty acid oxidation as described  by Randle et al. [2]. An increase in fatty acid availability promotes fatty acid oxidation. This results in  elevated acetyl‐CoA levels, which causes inhibition of PDH activity and reduced pyruvate oxidation.  This leads to increased intramitochondrial and consequently intracellular citrate levels. Citrate in turn  inhibits PFK‐1, leading to accumulation of G‐6‐P,  which inhibits HK and thereby glucose uptake via  GLUT4.  LC‐FA,  long‐chain  fatty  acid;  FAT,  fatty  acid  translocase;  CD36,  cluster  of  differentiation  36;  LC‐acyl‐CoA,  long‐chain  acyl‐coenzyme  A;  ‐ox,  ‐oxidation;  TCA,  tricarboxylicacid  cycle;  PDH,  pyruvate  dehydrogenase;  PFK‐1,  phosphofructokinase‐1;  F‐6‐P,  fructose‐6‐phosphate;  G‐6‐P,  glucose‐6‐phosphate; HK, hexokinase; GLUT4, glucose transporter type 4. 

(18)

Furthermore, it was shown that IMCL, assessed by 1H MRS, is a better predictor for IR than  plasma  FFA,  triglyceride  and  cholesterol  levels,  both  in  adults  and  in  children  [23,  30‐33].  Further proof for the relation between IR and IMCL came from Pima Indians in whom IMCL  levels were inversely correlated with insulin action [22]. However, it has to be kept in mind  that IMCL is probaby not directly affecting insulin sensitivity, but more likely represents the  accumulation of lipid intermediates, e.g. DAG, ceramides and long‐chain acyl‐CoA’s, which  can on their turn interfere with the insulin signaling cascade [34]. 

Although  many  studies  strongly  suggest  that  lipid  accumulation  within  muscle  tissue  is  associated with IR, paradoxical results have been presented [35‐37]. Not only within muscle  of  obese,  diabetic  subjects,  but  also  within  muscle  of  endurance‐trained,  insulin‐sensitive  athletes  increased  IMCL  levels  have  been  found.  Therefore,  the  reported  correlations  between IMCL content and IR do not represent a direct, functional relationship. In addition  to this finding, it has been shown that insulin sensitivity and IMCL content are dependent  on  muscle  fiber  type.  IMCL  levels  are  higher  in  insulin  sensitive  oxidative  type  1  muscle  fibers,  compared  to  the  less  insulin  sensitive,  more  glycolytic  type  2  fibers  [37‐39].  These  findings  together  point  out  that  increased  lipid  content  within  muscle  does  not  always  denote  IR  and  that  muscle  lipid  content  should  be  evaluated  within  a  context  of  other  markers of metabolic capacity.  

One  such  marker  is  the  capacity  for  lipid  oxidation  [40],  or  the  capacity  for  substrate  oxidation in general [41]. Several human studies have provided evidence for dysfunctional  muscle  mitochondria  in  insulin‐resistant  subjects  by  showing  down‐regulation  of  genes  encoding  mitochondrial  enzymes  [42‐43],  decreased  mitochondrial  content  and  lower  mitochondrial respiratory chain activity [44]. Kelly et al. reported a 40% decrease in overall  ETC  activity  (estimated  using  the  activity  of  rotenone‐sensitive  NADH:oxygen  oxidoreductase) and smaller, deformed mitochondria in skeletal muscle from T2D patients  compared  to  muscle  of  healthy  volunteers  [45].  Moreover,  studies  in  which  oxygen  consumption  was  determined  in  freshly  prepared  isolated  mitochondria  or  permeabilized  muscle fibers showed decreased ADP‐stimulated respiration in diabetic patients compared  to  BMI‐matched  controls  [46‐47].  In  vivo 31P  MRS  measurements  were  also  applied  to  investigate the correlation between mitochondrial function and IR and/or T2D. Resting ATP  synthesis flux has been measured by saturation transfer (ST) experiments by the group of  Shulman [48‐50]. They showed decreased resting ATP synthesis fluxes in muscle of insulin‐ resistant elderly subjects as well as in insulin‐resistant offspring of type 2 diabetic parents  as  compared  to  healthy  controls  [48‐50].  Another 31P  MRS  technique  to  determine  mitochondrial function is the measurement of PCr recovery after muscle exercise. A slower  PCr recovery, indicating impaired mitochondrial function, was found in overweight diabetic  patients  as  compared  to  healthy  overweight  controls  [51].  It  was  hypothesized  that  inherited or acquired skeletal muscle mitochondrial dysfunction, associated with a reduced 

(19)

mitochondrial  capacity  to  oxidize  FAs,  leads  to  a  lipid  overload  in  muscle  cells  (Figure  4),  inducing IR as was explained before. 

However,  recently  more  and  more  studies  have  been  reported  in  which  impaired  mitochondrial  dysfunction  was  not  observed  in  insulin‐resistant  subjects  or  patients  with  type 2 diabetes. PCr recovery rates of early and advanced stage diabetic patients matched  for  the  level  of  physical  activity  were  not  significantly  different  [52].  Additionally,  results  from  respiration  measurements  of  permeabilized  fibers  of  T2D  patients  compared  to  controls  are  in  agreement  with  the  previous  results  when  normalized  for  mitochondrial  DNA content or citrate synthase activity [53]. In other words, the type 2 diabetes patients  showed  normal  intrinsic  mitochondrial  function,  but  an  impaired  oxidative  capacity  that  was  entirely  attributed  to  a  lower  mitochondrial  content.  Environmental  factors  play  an 

 

 

 

Figure  4.  Mechanism  of  inhibition  of  glucose  utilization  by  enhanced  fatty  acid  uptake  and/or 

decreased  FA  oxidation  as  proposed  by  Shulman  et  al.  [3].  Increased  LC‐FA  supply  in  combination  with decreased LC‐FA oxidation leads to an accumulation of lipids and lipid intermediates in muscle.  These lipid intermediates (e.g. DAG and ceramides) activate PKC, leading to the phosphorylation of  serine/threonine  sites  on  the  insulin  receptor  substrate  1,    which  in  turn  interferes  with  the  activation of phosphatidylinositol 3‐kinase, eventually resulting in a diminished GLUT4 translocation  to the cell membrane and consequently diminished glucose transport. IMCL, intramyocellular lipids;  DAG, diacylglycerol; PKC, protein kinase C; IRS, insulin receptor substrate; tyr, tyrosine; ser,  serine;  thr, threonine; PI3K, phosphatidylinositol 3‐kinase (for other abbreviation see legend Figure 3). 

(20)

important role in regulating skeletal muscle oxidative capacity, and the lower mitochondrial  content  in  type  2  diabetes  patients  might  simply  be  the  result  of  a  reduced  habitual  physical activity level [8, 53‐54]. Furthermore, mitochondrial dysfunction in type 2 diabetes  might  be  secondary  to  impaired  insulin  signaling  [55‐57]  and/or  abnormal  blood  glucose,  insulin  [58‐59]  and  FFA  [57]  levels.  Therefore,  the  debate  continues  as  to  whether  mitochondrial dysfunction represents either cause or consequence of IR and/or T2D. 

Incomplete ‐oxidation 

The hypothesis that mitochondrial dysfunction induces a decreased capacity to oxidize FAs,  which leads to lipid overload and consequently IR, is losing impact. A recent study links IR  to an increased capacity to oxidize FAs rather than the reverse [1] (Figure 5). However, the  high  rates  of  ‐oxidation  in  insulin‐resistant  states  are  associated  with  low  rates  of  complete fat oxidation [1, 60]. High rates of incomplete ‐oxidation occur when carbon flux  through  the  ‐oxidation  machinery  outpaces  the  entry  of  acetyl‐CoA  into  the  TCA  cycle.  Most of the evidence for the elevated incomplete ‐oxidation in insulin‐resistant states is  based  on  the  profiling  of  acylcarnitines  in  muscle,  blood  and  urine.  The  vast  majority  of  acylcarnitines  is  produced  in  the  mitochondria  and  can  therefore,  in  combination  with  measurements  of  substrate  oxidation  and  mitochondrial  function,  be  interpreted  as  a  measure  for  (incomplete)  ‐oxidation.  A  growing  number  of  studies  reported  a  negative  correlation  between  circulating  and/or  tissue‐associated  acylcarnitines  and  glucose  tolerance  in  both  animals  [1,61]  and  humans  [62‐65].  Several  even  chain,  FA‐derived  acylcarnitine  intermediates  were  elevated  in  muscle  of  high‐fat  diet‐fed  rodents,  but  decreased  after  a  2‐wk  exercise  intervention  that  restored  glucose  tolerance  [60].  Furthermore,  in  vitro  measurement  of  [14C]‐oleate  catabolism  revealed  disproportionally  high rates of incomplete relative to complete fat oxidation in isolated muscle mitochondria  from  high‐fat  diet‐fed  compared  to  lean  rodents  [61].  From  these  studies  it  can  be  concluded  that  an  excessive  lipid  load  can  lead  to  an  increase  in  incomplete  ‐oxidation,  followed by the accumulation of lipid intermediates (e.g. acylcarnitines). The accumulation  of  lipid  intermediates  reflects  a  failed  attempt  to  deal  with  the  excess  of  intra‐ mitochondrial acyl‐CoA’s, causing mitochondrial ‘stress’ (Figure 5). The ‘stress’ is suggested  to induce impairments in mitochondrial function and to activate stress kinases, interfering  with insulin action [66], both leading to IR. 

(21)

Current status  

Although  a  lot  of  research  has  been  performed  to  investigate  the  role  of  skeletal  muscle  mitochondrial  dysfunction  in  the  development  of  IR,  still  no  consensus  has  been  reached  about the exact interplay between mitochondrial function, lipotoxicity and IR and/or T2D.  

Aim of the thesis 

The  aim  of  this  thesis  was  to  study  the  timing  and  nature  of  muscle  mitochondrial  adaptations  during  the  development  of  IR,  by  combining  both  in  vivo  and  in  vitro  approaches, in order to gain more insight into the etiology of IR and T2D. 

 

   

Figure  5.  Mechanism  of  inhibition  of  glucose  utilization  by  incomplete  fatty  acid  oxidation  as 

described  by  Koves  et  al.  [1].  High  FA  availability  increases  ‐oxidation,  resulting  in  carbon  fluxes  through  the  ‐oxidation  machinery  which  outpace  the  entry  of  acetyl‐CoA  into  the  TCA  cycle.  This  results in the accumulation of incompletely oxidized lipid intermediates, which can interfere via PKC  with  insulin  signaling  and  glucose  uptake.  CAT,  carnitine  acyltransferase;  CACT,  carnitine‐ acylcarnitine  translocase;  the  flash  represents  the  generation  of  reactive  oxygen  species  (for  other  abbreviation see legend Figures 3 and 4).

(22)

Measurement of muscle lipids and lipid intermediates 

In  this  thesis,  the  relation  between  IR  and  muscle  lipid  overload  was  studied  by  the  measurement of IMCL by in vivo 1H MRS and muscle acylcarnitines by in vitro tandem mass  spectrometry (MS/MS). These measurement procedures are explained in this paragraph. 

IMCL 

As was explained in one of the previous paragraphs, the amount of lipids inside the muscle  cell,  i.e.  intramyocellular  lipids  (IMCL),  are  strongly  correlated  with  the  degree  of  IR  [22].  IMCL is mainly present as liquid droplets in the cytosol of muscle cells. The lipids which are  present  as  subcutaneous  or  interstitial  adipose  tissue  are  referred  to  as  extramyocellular  lipids,  or  EMCL.  While  EMCL  is  metabolically  relatively  inert,  there  is  substantial  evidence  that  IMCL  within  droplets  can  be  rapidly  mobilized  and  utilized  for  energy  metabolism,  particularly as they are primarily located immediately adjacent to mitochondria.  

IMCL  levels  have  been  determined  using  a  variety  of  techniques  including  biochemical  extraction  [22,  67],  Oil  red  O  histochemical  staining  [36,  68]  and  electron  microscopy  morphometry  [69]  of  needle  biopsy  samples  and  magnetic  resonance  imaging  (MRI)  and  computed  tomography  (CT)  [70].  Disadvantages  of  these  techniques  are  that  they  are  invasive or unable to differentiate between IMCL and EMCL or both. Localized 1H MRS has  proven to be a valuable tool for determining IMCL, because 1H MRS is uniquely capable of  separately  detecting  IMCL  and  EMCL  non‐invasively  and  without  the  use  of  any  harmful  radiation [71]. The IMCL/EMCL peak separation depends on the orientation of the muscle  with respect to the magnetic field and amounts to a maximum of circa 0.2 ppm when the  muscle  is  parallel  to  the  magnetic  field.  In  this  case  the  CH2  protons  of  IMCL  and  EMCL 

resonate around 1.28 and 1.47 ppm, respectively (Figure 6). This chemical shift difference  has been shown to originate from bulk magnetic susceptibility (BMS) effects, that are due  to the layered ordering of EMCL depots along the main muscle axis, while IMCL is organized  in spherical droplets in the cytosol of the muscle cell [71].  

Figure 6. Localized 1H MR spectrum  measured  in  tibialis  anterior  muscle  from  a  Wistar  rat  fed  with  a  high‐fat  diet  for  2.5  weeks,  showing  peaks  of  total  creatine  (tCr),  extramyocellular  lipids  (EMCL)  and  intramyocellular  lipids  (IMCL). 

(23)

Thus,  1H  MRS  based  IMCL  measurements  are  very  useful  for  the  determination  of  IMCL  levels in longitudinal studies in both humans and animal models during the development of  IR and T2D. 

Acylcarnitines 

The  first  step  for  the  use  of  FAs  as  a  substrate  for  ATP  production  in  the  mitochondria  is  their  transport  into  the  mitochondria.  A  step  required  for  transport  across  the  mitochondrial  membrane  is  the  formation  of  acylcarnitine  esters  from  long‐chain  acyl‐ CoA’s  by  CPT1.  Besides  fulfilling  an  important  role  in  mitochondrial  import  of  FAs,  the  binding  to  carnitine  is  also  essential  for  the  efflux  of  excess  intra‐mitochondrial  acyl‐CoA  into  the  cytosol,  and  from  the  cytosol  into  the  bloodstream.  Acylcarnitines  represent  byproducts  of  substrate  catabolism  and  are  formed  from  their  respective  acyl‐CoA  intermediates  by  a  family  of  carnitine  acyltransferases  that  reside  principally  in  the  mitochondria. Most even chain species reflect incomplete FA oxidation, odd chain species  stem primarily from amino acid catabolism, whereas acetylcarnitine is derived from acetyl‐ CoA, the universal degradation product of all metabolic substrates. 

Blood acylcarnitine profile analysis is the current standard for the diagnosis of ‐oxidation  disorders  at  the  metabolite  level  [72‐73].    Furthermore,  recently  muscle  acylcarnitine  accumulation was related to IR [1, 66, 74]. The acylcarnitine accumulation as was observed  in  insulin‐resistant  skeletal  muscle  was  suggested  to  reflect  a  failed  attempt  to  deal  with  the  excess  of  intra‐mitochondrial  acyl‐CoA’s,  causing  mitochondrial  stress.  The  accumulation  of  metabolic  by‐products  (e.g.  acylcarnitines)  would  then  activate  stress  kinases  or  other  signals,  interfering  with  insulin  action  [66].  However,  how  and  if  acylcarnitines  directly  affect  insulin‐mediated  glucose  uptake  is  currently  not  known.  The  finding  that  carnitine  supplementation  improved  glucose  tolerance  while  increasing  circulating  acylcarnitines  and  leaving  muscle  acylcarnitines  unaffected  favors  the  interpretation  that  production  and  efflux  of  these  metabolites  is  beneficial  rather  than  detrimental.  However,  the  exact  physiological  relevance  of  changes  in  muscle,  blood  and  urine  acylcarnitine  levels  in  IR  and  as  a  result  of  carnitine  supplementation  is  still  under  debate.  

By means of tandem MS/MS it is possible to analyze 36 independent acylcarnitine species  ranging  in  size  from  2  to  22  carbons  in  muscle,  blood  and  urine  [75].  Important  for  analyzing acylcarnitine levels is to consider that steady‐state acylcarnitine concentrations in  tissues and blood represent the net balance between production, consumption, import and  export, and therefore do not  directly provide information about  fluxes through individual  metabolic pathways. 

(24)

Measurement of muscle mitochondrial function 

Data  to  support  the  proposed  role  of  skeletal  muscle  mitochondrial  dysfunction  in  the  development  of  IR  and  T2D  have  been  obtained  with  various  in  vitro  methods,  including  measurements  of  oxidative  enzyme  activities  [39,  44,  76‐78],  mRNA  and/or  protein  expression  of  oxidative  phosphorylation  genes  [42‐43,  78‐80]  as  well  as  mitochondrial  content,  morphology  and  respiration  [44,  47,  77,  80].  Furthermore,  in  vivo  magnetic  resonance  spectroscopy  (MRS)  measurements  of  basal  mitochondrial  ATP  synthesis  flux  [48‐49, 81] and PCr [11] and ADP [82] recovery kinetics also point towards a potential role  for mitochondrial dysfunction in the etiology of insulin resistance and/or type 2 diabetes. In  this  thesis  in  vitro  high‐resolution  respirometry  and  in  vivo 31P  MRS  play  a  dominant  role  and therefore these techniques are explained in more detail below. 

High‐resolution respirometry 

Levels of dissolved oxygen in solution can be measured polarographically with a Clark‐type  oxygen electrode. Clark electrodes have gold or platinum cathodes and silver or silver/silver  chloride  anodes,  which  are  connected  by  a  salt  bridge  and  covered  by  an  oxygen‐ permeable  membrane.  As  oxygen  diffuses  across  the  membrane,  it  is  reduced  by  a  fixed  voltage  between  the  cathode  and  anode  which  generates  current  in  proportion  to  the  concentration  of  oxygen  in  solution.  By  calibrating  the  oxygen  electrode  with  known  oxygen  concentrations,  it  is  possible  to  measure  the  rate  of  oxygen  consumption  in  a 

 

Figure 7. Typical example of time‐dependent changes in oxygen concentration during a high‐resolution 

respiration  measurement  on  a  suspension  of  isolated  mitochondria,  isolated  from  tibialis  anterior  muscle of a Wistar rat. The dark line represents the oxygen concentration in the respiratory chamber,  the lighter line represents the slope of the dark line. First, isolated mitochondria were injected in the  hermetically closed respiratory chambers (mit). After some time, glucose (gl), hexokinase (hk) and ATP  were added, inducing maximal respiration or state 3 respiration. When the oxygen consumption rate  reached a steady state, state 4 was induced by adding carboxyatractyloside. Finally, after addition of  carbonylcyanide‐3‐chlorophenylhydrazone  (CCCP),  the  maximal  oxygen  consumption  rate  in  the  uncoupled state (state U) was determined.

(25)

medium  containing  actively  respiring  mitochondria.  Since  reduction  of  oxygen  is  a  critical  step in the process of mitochondrial electron transport and ATP synthesis, measurement of  mitochondrial  oxygen  consumption  provides  a  convenient  way  to  assess  mitochondrial  function  [83].  Oxygen  consumption  can  be  measured  in  permeabilized  muscle  fibers  and  isolated  mitochondria.  The latter approach has been used in  the studies described in this  thesis.   

Measuring  respiration  in  isolated  mitochondria  practically  means  that  together  with  a  respiration  medium,  an  aliquot  of  suspension  with  isolated  mitochondria  is  added  to  the  closed  metabolic  chamber.  The  mitochondria  are  brought  into  defined  “states”  by  the  sequential  addition  of  substrates  or  inhibitors.  Since  the  mitochondria  consume  oxygen,  the  oxygen  concentration  drops.  This  change  of  oxygen  concentration  is  recorded  by  the  oxygen sensor in the chamber. From the rate of decline in the oxygen concentration (taking  into account correction for oxygen diffusion) the respiration rate can be computed for the  mitochondria in different states (see Figure 7). State 3, state 4 and state uncoupled (state  U)  are  frequently  used  to  define  mitochondrial  respiration.  State  3  respiration  is  the  maximal respiration, reached when saturating levels of ADP are added to the mitochondria  supplemented  with  oxidizible  substrate  and  excess  Pi.  State  4  respiration  is  induced  by 

addition  of  carboxyatractyloside,  which  inhibits  the  exchange  of  mitochondrial  ATP  for  extra‐mitochondrial ADP by adenine nucleotide translocase and this way effectively blocks  ATP synthesis. The residual oxygen consumption in the absence of ADP phosphorylation is  attributable  to  proton  leak  across  the  inner  mitochondrial  membrane.  Thus,  carboxyatractyloside inhibited respiration serves as an indicator of the degree of uncoupled  respiration  or  proton  leak  under  these  conditions.  The  respiratory  control  ratio  (RCR),  which is calculated by dividing state 3 by state 4 respiration, indicates the tightness of the  coupling  between  respiration  and  ADP  phosphorylation.  Stepwise  titration  of  the  protonophore  carbonylcyanide‐3‐chlorophenylhydrazone  (CCCP)  induces  an  uncoupled  state  by  dissipating  the  proton  gradient  across  the  inner  mitochondrial  membrane  (state  U).  Under  these  conditions,  mitochondrial  oxidative  capacity  can  be  determined  in  the  absence of the potential control exerted by ATP synthase, adenine nucleotide translocase,  or phosphate transporters. 

By  using  different  combinations  of  oxidizible  substrates  it  is  possible  to  quantify  specific  substrate oxidation capacity in isolated mitochondria. Oxidation of TCA cycle intermediates  such as pyruvate plus malate leads to formation of NADH, which can donate electrons to  ETC  complex  I.  In  turn  oxidation  of  another  TCA  cycle  intermediate  succinate  leads  to  formation  of  FADH2,  which  bypasses  complex  I  and  donates  electrons  to  complex  II.  By 

using fatty acid substrates such as palmitoyl‐L‐carnitine or palmitoyl‐CoA plus L‐carnitine in  combination with malate one can assess the capacity of ‐oxidation. The measured oxygen  consumption  rate  is  expressed  per  milligram  mitochondrial  protein  and  is  used  as  a  measure for the intrinsic mitochondrial function. 

(26)

In vivo 

31

P MRS 

31

P  MRS  offers  a  non‐invasive  approach  of  recording  concentrations  of  phosphorylated  metabolites  and  intracellular  pH.    31P  MRS  has  widely  been  used  to  study  skeletal  muscle  metabolism  in  living  mammalian  tissues,  and  is  also  one  of  the  major  types  of  measurement methods used in this thesis. 31P MR spectra of skeletal muscle typically show  five major resonances: an inorganic phosphate (Pi) peak, a phosphocreatine (PCr) peak and 

three  ATP  peaks,  from  the  ,    and    phosphate  groups  of  ATP  (Figure  8).  In  some  cases  also  peaks  from  phosphomonoesters  (PME)  and  phosphodiesters  (PDE)  are  visible.  Additionally, metabolic information can be derived indirectly from the 31P MR spectra, i.e.  the intracellular pH and the free concentration of ADP. Tissue pH can be deduced from the  chemical  shift  of  the  Pi peak [84],  which  actually  originates  from  both  H2PO4

  and  HPO4 2‐

.  However, as these compounds are in rapid chemical exchange, a single peak is observed,  with  a  chemical  shift  dependent  on  the  ratio  of  the  H2PO4‐  and  HPO42‐  concentrations, 

which in this way serves as an indicator of intracellular pH. Free levels of ADP in the cell can  be calculated indirectly by use of the CK equilibrium (Eq. 1) [85]). The concentration of ADP  in healthy, resting or moderately active muscle is typically in the tens of micromolar range,  which  is  too  low  to  allow  direct  detection  with 31P  MRS.  The  knowledge  of  ADP  levels  is  relevant, because ADP is an important regulator of the mitochondrial ATP synthesis flux.    31P MR spectra of resting skeletal muscle are relatively constant, even in diseased states,  and to assess impairments in mitochondrial energy production one needs to perturb either  the chemical or the magnetic equilibrium. Most important 31P MR techniques in studies on  the  role  of  mitochondrial  function  in  IR  and  T2D,  including  those  in  this  thesis,  are  saturation transfer (ST) MRS, to measure (resting) creatine kinase and ATP synthesis fluxes,  and the dynamic measurement of post‐exercise recovery of PCr. 

Figure  8.  31P  MR  spectrum  measured  in  resting  tibialis  anterior  muscle  of  a  Wistar  rat,  showing  the  peaks  of  inorganic  phosphate  (Pi),  phosphocreatine 

(PCr)  and  the  three  (,    and  )  phosphate groups in ATP.   

(27)

Saturation transfer 

Magnetization  transfer  experiments  allow  to  determine  fluxes  between  compounds  that  are in chemical exchange, as long as the system is in a metabolic steady state. One variant  of  the  magnetization  transfer  technique  relies  on  the  selective  saturation  of  the  magnetization  of  one  of  the  reactants  with  a  long,  frequency‐selective  RF  pulse,  i.e.  a  saturation  transfer  (ST)  experiment.  Due  to  the  chemical  exchange  of  the  reactants,  this  results  in  a  decrease  of  magnetization  of  the  exchange  partner.  With  equation  3  the  exchange rate constant kAB between reactants A and can be determined.    1 , , Eq. 3    

M’A  and  M0A are  the  magnitudes  of  magnetization  of  compound  A,  when  compound  B  is 

selectively  saturated  and  when  compound  B  is  not  saturated,  respectively.  The  apparent  longitudinal  relaxation  time  of  compound  A  (T1A’)  can  be  determined  from  an  inversion 

recovery  experiment  with  saturation  of  B  prior  to  and  during  the  inversion  time.  To  calculate the flux from compound A to B, kAB has to be multiplied by the concentration of  compound A.  One of the chemical exchange processes most‐studied using ST, concerns the flux through  the creatine kinase (CK) reaction [86]. CK catalyzes a phosphate exchange reaction, in which  a phosphate moiety is exchanged between the  position of ATP to PCr and vice versa. As  was described earlier in this chapter, the CK reaction is of high metabolic relevance, since  PCr  is  an  important  energy  buffer  for  keeping  ATP  levels  constant.  The  CK  flux  can  be  determined  by  complete  saturation  of  the  ‐ATP  resonance  and  the  quantification  of  the  reduction  in  the  signal  intensity  of  PCr.  Measurements  of  CK  flux  in  skeletal  muscle  as  a  function of workload have shown that CK kinetics is rather insensitive to alterations in ATP  demand and that CK flux greatly exceeds maximal ATP turnover rates [87‐88]. 

31

P ST MRS has also been used to measure the mitochondrial ATP synthesis flux in rodent  and human muscle, under resting conditions [48‐50, 89‐92]. Instead of the signal intensity  of  PCr,  the  magnetization  of  Pi  has  to  be  quantified  to  calculate  the  ATP  synthesis  flux. 

Assuming that the muscle ATP synthesis flux, as measured by 31P ST MRS, is predominantly  reflecting oxidative ATP synthesis by the F1F0‐ATP synthase in the mitochondria, muscle ATP 

synthesis flux has been taken as a measure for mitochondrial function. Studies have shown 

decreased  resting  ATP  synthesis  fluxes  in  skeletal  muscle  of  insulin‐resistant  subjects  and  insulin‐resistant animal models. 

(28)

However, the interpretation of 31P ST MRS data, particularly at rest, is not straightforward.  The  lower  ATP  synthesis  flux  in  resting  muscle  of  insulin‐resistant  subjects  could  actually  reflect  a  normal  regulatory  response  to  a  lower  energy  demand,  e.g.  caused  by  impaired  insulin signaling, rather than an impairment of intrinsic mitochondrial function [55‐56, 93].  In order to interpret the ST data in terms of mitochondrial function it is necessary to take  the error signals, i.e. the concentrations of ADP and Pi, into account. Moreover, the Pi  

ATP fluxes obtained from 31P ST measurements are comprised of both mitochondrial F1F0‐

ATP  synthesis  flux  and  flux  through  other  Pi    ATP  pathways,  in  particular  the  reactions 

catalyzed  by  the  glycolytic  enzymes  glyceraldehyde‐3‐phosphate  dehydrogenase  (GAPDH)  and phosphoglycerate kinase (PGK) [88, 92, 94‐95]. Although the net glycolytic contribution  to the production of ATP (via GAPDH and PGK) versus that of oxidative phosphorylation is  small [96], these enzymes catalyze a coupled near‐equilibrium reaction, and consequently,  exchange  between  Pi  and  ATP  may  greatly  exceed  the  net  glycolytic  flux  [92].  The 

interpretation  of  resting  ATP  synthesis  flux  as  a  measure  for  mitochondrial  function  is  therefore relatively complicated. In order to create better conditions for detecting a defect  in  mitochondrial  oxidative  phosphorylation,  the  ST  experiment  would  need  to  be  done  in  exercising muscle [88]. 

Post‐exercise PCr recovery 

31P  MRS  provides  the  opportunity  of  acquiring  data  during  skeletal  muscle  exercise  and 

recovery in a non‐invasive manner and with a time resolution of seconds. Figure 9 shows  the concentrations of PCr, Pi and ATP derived from a time series of 31P MR spectra acquired 

during  rest,  exercise  and  subsequent  recovery  in  rat  tibialis  anterior  (TA)  muscle.  When  muscle  contraction  starts,  an  immediate  decrease  in  PCr  concentration  and  increase  in  Pi 

concentration can be observed (Figure 9), whereas ATP remains constant, although ATP is  used  for  the  muscle  contractions.  After  the  muscle  contractions  stop,  the  PCr  buffer  is  restored  and  Pi  levels  normalize.  The  ATP  used  for  resynthesis  of  PCr  is  originating 

predominantly from oxidative phosphorylation in the mitochondria [97‐98]. Because the CK  reaction  is  much  faster  than  the  ATP  synthase  reaction  [87‐88],  the  rate  of  PCr  recovery  mirrors  the  rate  of  oxidative  ATP  synthesis  and  therefore  the  oxidative  capacity  of  the  mitochondria. A short PCr recovery time constant, corresponding to a fast recovery, reflects  a  high  oxidative  capacity,  while  slow  recovery  kinetics  may  indicate  impaired  oxidative  capacity.  PCr  recovery  is  determined  by  mitochondrial  content,  intrinsic  mitochondrial  function and other factors like the supply of  oxygen and substrates [99‐100]. This  implies  that  additional  (in  vitro)  measurements  are  necessary  to  identify  the  origin  of  changes  in  oxidative capacity measured with PCr recovery. 

One of the first who proved that PCr recovery kinetics provides information about oxidative  ATP  synthesis  was  Mahler  et  al.,  who  reported  that  post‐exercise  PCr  resynthesis  is  inversely  proportional  to  the  rate  of  oxygen  consumption  [101].  This  finding  was 

(29)

strengthened  by  the  observation  that  the  PCr  concentration  does  not  restore  during  ischemic  recovery  [97‐98].  Furthermore,  the  correlations  of  post‐exercise  PCr  recovery  kinetics  with  citrate  synthase  activity  [102],  succinate  dehydrogenase  activity  and  peak  oxygen  consumption  (VO2peak)  [103]  are  additional  findings  demonstrating  that  post‐

exercise PCr resynthesis changes reflects aerobic metabolism. 

An important complication in interpreting post‐exercise PCr recovery data is that strenuous  exercise‐induced  acidosis  negatively  affects  PCr  resynthesis  [104‐114].  Therefore  it  has  been  recommended  to  avoid  low  end‐exercise  pH  values,  which  is  difficult  to  achieve  in  combination with a significant PCr depletion. Other strategies to deal with the acidification  problem  is  to  aim  at  similar  end‐exercise  pH  values  within  different  groups  or  applying  general correction factors for the influence of pH [106, 109, 111].  

Several  MR  compatible  exercise  set‐ups  have  been  built  for  humans,  most  often  for  voluntary  arm  or  leg  exercise.  In  anaesthetized  animals,  muscle  contractions  are  usually  induced by electrical stimulation. As an alternative to the invasive, direct nerve‐stimulation  method,  a  minimally  invasive  electrical  stimulation  method  was  developed  that  allows  longitudinal studies in rats [115]. By subcutaneously implanting electrodes along the nerve  trajectory  of  the  N.  Peroneus  Communis,  highly  specific  dorsal  flexor  muscle  contractions  can be induced. This procedure was also used in the present thesis.    Figure 9. Peak concentrations of phosphocreatine (black), inorganic phosphate (light gray) and ATP (dark  gray), as measured using 31P MRS during a 3‐min rest, 2‐min electrical stimulation and 10‐min recovery  protocol in rat tibialis anterior muscle. Time resolution was 20 seconds.   

(30)

Outline of this thesis 

Although  a  lot  of  research  has  been  performed  to  investigate  the  role  of  skeletal  muscle  mitochondrial function and lipid accumulation in the development of IR, still no consensus  is reached about the exact mechanism(s) leading to IR. The aim of this thesis was to study  the timing and nature of muscle mitochondrial adaptations during the development of IR,  by using both in vivo and in vitro measurement techniques. 31P MRS plays an important role  in  these  studies.  The  first  part  of  this  thesis  deals  with  methodological  aspects  of  the 31

MRS techniques, whereas the second part describes research on mitochondrial adaptations  in both patients with T2D and animal models of IR. 

Both 31P  MRS  PCr  recovery  after  muscle  contraction  and  resting  ATP  synthesis  flux  have  been  used  to  determine  mitochondrial  function  in  vivo.  However  these  methods  have  provided  ambiguous  results.  Therefore,  PCr  recovery  and  resting  ATP  synthesis  flux  were  compared  in  a  rat  model  of  known  mitochondrial  dysfunction  in  order  to  establish  which  method  is  most  appropriate  to  assess  in  vivo  skeletal  muscle  mitochondrial  function  in 

chapter 2. Mitochondrial dysfunction was induced in rats by daily subcutaneous injections 

with  diphenyleneiodonium  (DPI),  which  irreversibly  inhibits  complex  I  (NADH‐ubiquinone  reductase) of the respiratory chain. 31P MRS PCr recovery after exercise is applied in every  chapter of this thesis as a measure for in vivo muscle oxidative capacity. However, cytosolic  pH  has  a  strong  influence  on  the  kinetics  of  PCr  recovery  and  thereby  complicates  the  interpretation  of  PCr  recovery  data.  It  has  been  suggested  that  PCr  recovery  should  be  normalized for end‐exercise pH. However a general correction can only be applied if there  are  no  intersubject  differences  in  the  pH  dependence  of  PCr  recovery.  In  chapter  3  we  investigated  the  pH  dependence  of  PCr  recovery  on  a  subject‐by‐subject  basis  in  vastus  lateralis muscle of healthy humans. Furthermore, we determined the relation between the  pH dependence of PCr recovery and the kinetics of proton efflux at the start of recovery.   To get more insight in the role of muscle mitochondrial dysfunction and lipotoxicity in the  etiology  of  IR  and  T2D,  we  performed  three  studies  in  which  we  determined  muscle  lipid  content and mitochondrial function. In a cross‐sectional study, described in chapter 4, we  examined  in  vivo  skeletal  muscle  mitochondrial  function  in  early  and  advanced  stages  of  T2D  in  human  subjects.  Long‐standing,  insulin‐treated  type  2  diabetes  patients,  subjects  with impaired fasting glucose, impaired glucose tolerance and/or recently diagnosed type 2  diabetes,  and  healthy,  normoglycaemic  controls,  matched  for  age  and  body  composition  and with low habitual physical activity levels were studied. In vivo mitochondrial function of  the vastus lateralis muscle was evaluated from post‐exercise PCr recovery kinetics using 31P  MRS. IMCL content was assessed in the same muscle using single‐voxel 1H MRS. Chapter 5  describes a longitudinal study with the aim to gain more insight into the timing and nature  of mitochondrial adaptations during the development of high‐fat diet‐induced IR in a well  known rodent model of IR. Adult Wistar rats were fed a high‐fat diet or normal chow for 2.5  and 25 wk. IMCL was measured with in vivo 1H MRS and acylcarnitine levels were quantified 

(31)

in vitro using tandem MS/MS. Muscle oxidative capacity was assessed in TA muscle in vivo 

using 31P MRS PCr recovery and in vitro by measuring mitochondrial DNA copy number and  oxygen  consumption  in  isolated  mitochondria.  Currently,  it  is  not  clear  whether  mitochondrial dysfunction is (1) a cause of lipid accumulation due to a decreased capacity  to oxidize FAs or (2) a consequence of the accumulation of lipid intermediates as a result of  increased  incomplete  FA  oxidation.  Carnitine  is  known  to  stimulate  FA  oxidation  and  export.  The  aim  of  the  study  described  in  chapter  6  was  to  test  the  hypothesis  that  carnitine  supplementation  reduces  high‐fat  diet‐induced  lipotoxicity,  improves  in  vivo  muscle  mitochondrial  function  and  ameliorates  insulin  resistance.  Wistar  rats  were  fed  either normal chow or a high‐fat diet for 15 wk and one group of high‐fat diet fed rats was  supplemented  with  L‐carnitine  during  the  last  8  wk.  Muscle  mitochondrial  function  was  measured  in  vivo  by 31P  MRS  (PCr  recovery  and  resting  ATP  synthase  and  creatine  kinase  fluxes) and in vitro by high‐resolution respirometry. Muscle lipid levels were determined by 

1H MRS (IMCL) and tandem mass spectrometry (acylcarnitines). 

Chapter  7  provides  a  summary  with  the  main  outcomes  of  the  studies  described  in  this 

thesis.  The  results  are  compared  to  the  current  hypotheses  and  future  perspectives  for  research in the field of muscle mitochondrial function in relation to the development of IR  are discussed. 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Op basis van het voorgaande kan worden geconcludeerd dat het bij een juiste inrichting van het gebied goed mogelijk is om hier een diffuus afvoersysteem te ontwikkelen, met

In sum, thus far we have attempted to illustrate how critical pedagogy, through cultural and social consciousness, has had an impact on teaching, although further mining of the

Bij de modificatie van deze oxydevrije oppervlakken kan ook gebruik worden gemaakt van een brugmolecule; de R-groepen in figuur 6 zijn dan functionele groepen via welke het

Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers) Please check the document version of this publication:.. • A submitted manuscript is

In tegenstelling tot de rijke vondsten die TESTA deed ter hoogte van de historische hoeve, werd in deze proefsleuf ter hoogte van de inkom van de site met walgracht geen

Africa Open envisages vast new fields of academic and creative work in music, whether it be the jazz studies and the archive project with which we hope to address

Met behulp van de eerder besproken content analysis zijn de advertenties geanalyseerd en geteld aan de hand van vragen als ‘is het vlees in de advertentie rauw of