Link tussen obesitas en cardiovasculaire ziekten
Leptine: friend or foe?
Obesitas is een aandoening die onder andere gepaard gaat met een verhoogde bloeddruk, verhoogd vetgehalte in het bloed en een pro-inflammatoire status. Dit leidt tot een verstoring van de normale werking van het endotheel (endotheeldisfunctie) wat resulteert in endotheelschade. Het endotheel is een cellaag die de binnenzijde van een slagader aflijnt en is belangrijk voor de regeling van de spierspanning van bloedvaten. Endotheeldisfunctie treedt al op jonge leeftijd op en is een eerste stap in de ontwikkeling van slagaderverkalking.
De vasculaire homeostase is zowel afhankelijk van de grootte van de schade als van de capaciteit tot herstel van het endotheel. Vroeger dacht men dat enkel mature endotheelcellen de plaats innamen van verloren gegane endotheelcellen. Recent is gebleken dat ook andere cellen hiertoe bijdragen. Enerzijds zijn er de endothelial outgrowth cells (EOC); deze progenitorcellen kunnen differentiëren tot endotheelcellen om zo in het beschadigd endotheel te integreren. Anderzijds heb je de circulerende angiogene cellen (CAC); deze zijn witte bloedcellen en oefenen eerder een paracriene werking (effect op naaste cellen) uit door een waaier aan pro-angiogene stoffen vrij te stellen die EOC’s aantrekken en stimuleren in hun werking.
Leptine is een hormoon gesecreteerd door vetcellen. Leptine zorgt voor een verminderde voedingsinname door in te werken op de hypothalamus. Obesen hebben - enigszins contradictorisch - hoge leptine-waarden: ze hebben een leptineresistentie zowel ter hoogte van de hypothalamus als ter hoogte van CAC’s. De negatieve (pro-atherogeen) effecten van leptine komen tot uiting doordat leptine inwerkt op endotheelcellen, vasculaire gladde spiercellen en bloedplaatjes. De positieve (pro-angiogeen) effecten worden deels gemedieerd door CAC’s, waarbij migratie van deze cellen naar beschadigd endotheel bevorderd wordt. Obesen zijn echter resistent tegen de leptine effecten, waardoor ze geen verminderd hongergevoel hebben en hun CAC’s ook niet reageren op de pro-angiogene effecten van leptine.
De leptine effecten op CAC’s gebeuren via de leptine-pathway waarbij leptine bindt met de leptinereceptor. Hierbij spelen een aantal proteïnen een belangrijke rol. Janus kinase 2 of JAK2 bindt met deze receptor en wordt geactiveerd om zelf de leptinereceptor te fosforyleren. Hierdoor dient deze receptor als bindingsplaats voor STAT-proteïnen die ook gefosforyleerd worden. Hierna ondergaan deze proteïnen een verplaatsing naar de celkern waar ze de expressie van genen verantwoordelijk voor de pro-angiogene effecten van leptine stimuleren. Deze proteïnen zijn signaal transducers en activators van de transcriptie. De leptine-pathway wordt met andere woorden door JAK/STAT gemedieerd. SH2B1 heeft een positieve invloed op deze pathway door de activiteit van JAK2 te bevorderen. PTP-1B, SOCS3 en SH2B2 zijn inhibitoren van deze pathway door JAK2 te defosforyleren waardoor JAK2 geblokkeerd wordt. Er werd reeds vastgesteld dat obese volwassenen verhoogde concentraties van deze eiwitten hebben, welke verlagen na gewichtsverlies.
De doelstelling van deze thesis was 1) om een hyperleptinemie bij obese adolescenten te kunnen bevestigen en 2) de expressie van genen betrokken in de JAK-STAT-pathway bij obese adolescenten te onderzoeken. Dit is namelijk tot nu toe nog niet onderzocht geweest op m-RNA-niveau in CAC’s en bovendien niet bij obese adolescenten, wat dit project net zo interessant maakt.
Hiervoor werden 16 obese en 20 gezonde, niet obese adolescenten geïncludeerd. De leeftijd varieert tussen de 12 en de 18 jaar. Van elk kind werd er bloed genomen. Het serum diende voor het meten van het leptinegehalte. Perifere bloed mononucleaire cellen werden geïsoleerd uit het bloed en werden 7 dagen in cultuur gehouden. Op dag 7 werden de CAC’s geoogst en verder bewaard in een product dat het RNA stabiliseert bij -80°C. Nadien werd het RNA geïsoleerd. De RNA-concentratie werd gemeten en ook de kwaliteit werd nagegaan. Het RNA werd dan omgezet in cDNA zodat een PCR-array uitgevoerd kon worden. De PCR-array was specifiek voor de JAK/STAT-pathway, waarbij de expressie van 84 genen werd onderzocht.
We hebben de expressie van 84 genen van de JAK/STAT-pathway onderzocht. Een aantal genen hebben een relevante upregulatie die belangrijk zijn voor de functie van CAC’s. Een aantal andere genen vertonen geen relevant verschil in expressie tussen de 2 groepen, maar waarvan in de literatuur wel is geweten dat deze (PTP-1B, SOCS3) duidelijk upgereguleerd zijn in obese volwassenen.
SH2B2 is upgereguleerd in CAC’s van de obese adolescenten, maar de 2 andere inhibitoren (PTP-1B, SOCS3) tonen geen opvallend verschil in expressie tussen de 2 groepen. Opmerlijkelijk was cycline D1, want deze blijkt de JAK/STAT-pathway ook te inhiberen door te binden met STAT3. Trombine is zelf upgereguleerd en verhoogt de expressie van deze cycline D1. NOS2 of iNOS wordt geïnduceerd door inflammatie en is dus niet continu aanwezig. NOS2 katalyseert de vorming van NO dat in een oxidatief milieu resulteert in de productie van peroxynitriet dat de expressie van iNOS zelf verhoogt. NOS2 is in CAC’s van de obese adolescenten upgereguleerd en dit wordt geassocieerd met een verhoogde oxidatieve stress waardoor deze CAC’s hun functie niet meer optimaal kunnen uitvoeren.
Wat kunnen we nu besluiten? Hyperleptinemie bij obese adolescenten hebben we kunnen bevestigen. Wat betreft de leptineresistentie kan men deze toeschrijven aan een verhoogde expressie van SH2B2 en cycline D1. Ook kan men spreken over een verhoogde oxidatieve stress in CAC’s van obese adolescenten.
Deze bevindingen suggereren dat er verschillen zijn tussen obese volwassenen en obese adolescenten. Aanvullend dienen deze resultaten aan de hand van een Western blot op proteïne-niveau bevestigd worden, bovendien kunnen dan zowel de niet geactiveerde als de gefosforyleerde vormen van JAK en STAT onderzocht worden. Ook kunnen de effecten van deze factoren op CAC’s in vitro uitgestest worden. Verder onderzoek is dus zeker noodzakelijk om uitsluitsel te kunnen geven over de bijdrage van deze factoren aan de verstoorde functie van CAC’s vastgesteld bij obesen.
Ahn, G.O., Brown, J.M. (2008) Matrix metalloproteinase-9 is required for tumor vasculogenesis but not for angiogenesis: role of bone marrow-derived myelomonocytic cells. Cancer Cell. 13, 193-205Aoki, N., Yokoyama, R., Asai, N., Ohki, M., Ohki, Y., Kusubata, K., Heissig, B., Hattori, K., Nakagawa, Y., Matsuda, T. (2010) Adipocyte-derived microvesicles are associated with multiple angiogenic factors and induce angiogenesis in vivo and in vitro. Endocrinology 151, 2567-2576Alderton, W.K., Cooper, C.E., Knowles, R.G. (2001) Nitric oxide synthases: structure, function and inhibition. Biochem J. 357, 593-615Asahara, T., Masuda, H., Takahashi, T., Kalka, C., Pastore, C., Silver, M., Kearne, M., Magner, M., Isner, JM. (1999) Bone marrow origin of endothelial progenitor cells responsible for postnatal vasculogenesis in physiological and pathological neovascularization. Circ Res. 85, 221-228Asahara T., Murohara T., Sullivan A., Silver M., van der Zee R., Li T., Witzenbichler B., Schatteman G., Isner J.M. (1997) Isolation of putative progenitor endothelial cells for angiogenesis. Science 275, 964-967Bienvenu, F., Gascan, H., Coqueret, O. (2001) J. Biol. Chem. 276, 16840-16847Bays, H.E. (2011) Adiposopathy. J. Am. Coll. Cardiol. 57, 2461-2473Bence, K.K., Delibegovic, M., Xue, B., Gorgun, C.Z., Hotamisligil, G.S., Neel, B.G., Kahn, B.B. (2006) Neuronal PTP1B regulates body weight, adiposity and leptin action. Nat Med. 12, 917-924Berg, A.H., Scherer, P.E. (2005) Adipose tissue, inflammation, and cardiovascular disease. Circ Res. 96, 939-949Biro, F.M., Wien, M. (2010) Childhood obesity and adult morbidities. Am. J. Clin. Nutr. 91, 1499S-1505SBrug, J., van Stralen, M.M., Te Velde, S.J., Chinapaw, M.J., De Bourdeaudhuij, I., Lien, N., Bere, E., Maskini, V., Singh, A.S., Maes, L., Moreno, L., Jan, N., Kovacs, E., Lobstein, T., Manios, Y. (2012) Differences in Weight Status and Energy-Balance Related Behaviors among Schoolchildren across Europe: The ENERGY-Project. PLoS One 7, e34742Buxton, J.L., Walters, R.G., Visvikis-Siest, S., Meyre, D., Froguel, P., Blakemore, A.I. (2011) Childhood obesity is associated with shorter leukocyte telomere length. J. Clin. Endocrinol. Metab. 96, 1500-1505Cassidy, A.E., Bielak, L.F., Zhou, Y., Sheedy, P.F., Turner, S.T., Breen, J.F., Araoz, P.A., Kullo, I.J., Lin, X., Peyser, P.A. (2005) Progression of subclinical coronary atherosclerosis: does obesity make a difference? Circulation 111, 1877-1882Celermajer, D.S., Ayer, J.G. (2006) Childhood risk factors for adult cardiovascular disease and primary prevention in childhood. Heart 92, 1701-170634Cheng, A., Uetani, N., Simoncic, P.D., Chaubey, V.P., Lee-Loy, A., McGlade, C.J., Kennedy, B.P., Tremblay, M.L. (2002) Attenuation of leptin action and regulation of obesity by protein tyrosine phosphatase 1B. Dev Cell. 2, 497-503Cooke, C.L., Davidge, S.T. (2002) Peroxynitrite increases iNOS through NF-kappaB and decreases prostacyclin synthase in endothelial cells. Am J Physiol Cell Physiol. 282, C395-402Cooney, R.N. (2002) Suppressors of cytokine signaling (SOCS): inhibitors of the JAK/STAT pathway. Shock 17, 83-90Deanfield, J.E., Halcox, J.P., Rabelink, T.J. (2007) Endothelial function and dysfunction: testing and clinical relevance. Circulation 115, 1285-1295Dentelli, P., Trombetta, A., Togliatto, G., Zeoli, A., Rosso, A., Uberti, B., Orso, F., Taverna, D., Pegoraro, L., Brizzi, M.F. (2009) Formation of STAT5/PPARgamma transcriptional complex modulates angiogenic cell bioavailability in diabetes. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 29, 114-120Enriori, P.J., Evans, A.E., Sinnayah, P., Jobst, E.E., Tonelli-Lemos, L., Billes, S.K., Glavas, M.M., Grayson, B.E., Perello, M., Nillni, E.A., Grove, K.L., Cowley, M.A. (2007) Diet-induced obesity causes severe but reversible leptin resistance in arcuate melanocortin neurons. Cell. Metab. 5, 181-194Fisher, E.A. (2010) Focus on Obesity. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 30, 135Fleissner, F., Thum, T. (2011) Critical role of the nitric oxide/reactive oxygen species balance in endothelial progenitor dysfunction. Antioxid Redox Signal. 15, 933-948Giannotti G., Doerries, C., Mocharla, P.S., Mueller, M.F., Bahlmann, F.H., Horvàth T., Jiang, H., Sorrentino, S.A., Steenken, N., Manes, C., Marzilli, M., Rudolph, K.L., Lüscher, T.F., Drexler, H., Landmesser, U. (2010) Impaired Endothelial Repair Capacity of Early Endothelial Progenitor Cells in Prehypertension - Relation to Endothelial Dysfunction. Hypertension 55, 1389-1379Glavas, M.M., Kirigiti, M.A., Xiao, X.Q., Enriori, P.J., Fisher, S.K., Evans, A.E., Grayson, B.E., Cowley, M.A., Smith, M.S., Grove, K.L. (2010) Early overnutrition results in early-onset arcuate leptin resistance and increased sensitivity to high-fat diet. Endocrinology 151, 1598-1610Heida, N-M., Müller, J.-P., Cheng, I.-F., Leifheit-Nestler, M., Faustin, V., Riggert, J., Hasenfuss, G., Konstantinides, S., Schäfer, K. (2010) Effects of Obesity and Weight Loss on the Functional Properties of Early Outgrowth Endothelial Progenitor Cells. J. Am. Coll. Cardiol. 55, 357-367Heida, N.M., Leifheit-Nestler, M., Schroeter, M.R., Müller, J.P., Cheng, I.F., Henkel, S., Limbourg, A., Limbourg, F.P., Alves, F., Quigley, J.P., Ruggeri, Z.M., Hasenfuss, G., Konstantinides, S., Schäfer, K. (2010) Leptin enhances the potency of circulating angiogenic cells via src kinase and integrin (alpha)vbeta5: implications for angiogenesis in human obesity. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 30, 200-206Heiss, C., Lauer, T., Dejam, A., Kleinbongard, P., Hamada, S., Rassaf, T., Matern, S., Feelisch, M., Kelm, M. (2006) Plasma nitroso compounds are decreased in patients with endothelial dysfunction. J Am Coll Cardiol. 47, 573-57935Heiss, C., Schanz, A., Amabile, N., Jahn, S., Chen, Q., Wong, M.L., Rassaf, T., Heinen, Y., Cortese-Krott, M., Grossman, W., Yeghiazarians, Y., Springer, M.L. (2010) Nitric oxide synthase expression and functional response to nitric oxide are both important modulators of circulating angiogenic cell response to angiogenic stimuli. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 30, 2212-2218Herrington, J., Carter-Su, C. (2001) Signaling pathways activated by the growth hormone receptor. Trends Endocrinol Metab. 12, 252-257Hirschi, K.K., Ingram, D.A., Yoder, M.C. (2008) Assessing identity, phenotype, and fate of endothelial progenitor cells. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 28, 1584-1595Iwasaki, H., Kovacic, J.C., Olive, M., Beers, J.K., Yoshimoto, T., Crook, M.F., Tonelli, L.H., Nabel, E.G. (2010) Disruption of protein arginine N-methyltransferase 2 regulates leptin signaling and produces leanness in vivo through loss of STAT3 methylation. Circ. Res. 107, 992-1001Jenkins, N.T., Landers, R.Q., Prior, S.J., Soni, N., Spangenburg, E.E., Hagberg, J.M. (2011) Effects of acute and chronic endurance exercise on intracellular nitric oxide and superoxide in circulating CD34⁺ and CD34⁻ cells. J Appl Physiol. 111, 929-937Juonala, M., Juhola, J., Magnussen, C.G., Würtz, P., Viikari, J.S., Thomson, R., Seppälä, I., Hernesniemi, J., Kähönen, M., Lehtimäki, T., Hurme, M., Telama, R., Mikkilä, V., Eklund, C., Räsänen, L., Hintsanen, M., Keltikangas-Järvinen, L., Kivimäki, M., Raitakari, O.T. (2011) Childhood environmental and genetic predictors of adulthood obesity: the cardiovascular risk in young Finns study. J. Clin. Endocrinol. Metab. 96, E1542-E1549Khan, S.S., Solomon, M.A., McCoy, J.P. Jr. (2005) Detection of circulating endothelial cells and endothelial progenitor cells by flow cytometry. Cytometry B. Clin. Cytom. 64, 1-8Landmesser, U., Dikalov, S., Price, S.R., McCann, L., Fukai, T., Holland, S.M., Mitch, W.E., Harrison, D.G. (2003) Oxidation of tetrahydrobiopterin leads to uncoupling of endothelial cell nitric oxide synthase in hypertension. J Clin Invest. 111, 1201-1209Laufs, U., Werner, N., Link, A., Endres, M., Wassmann, S., Jürgens, K., Miche, E., Böhm, M., Nickenig, G. (2004) Physical training increases endothelial progenitor cells, inhibits neointima formation, and enhances angiogenesis. Circulation, 109, 220-226Lavie, C.J., Milani, R.V., Ventura, H.O. (2011) Impact of Obesity on Outcomes in Myocardial Infarction. J. Am. Coll. Cardiol. 58, 2651-2653Li, M., Li, Z., Morris, D.L., Rui, L. (2007) Identification of SH2B2beta as an inhibitor for SH2B1- and SH2B2alpha-promoted Janus kinase-2 activation and insulin signaling. Endocrinology 148, 1615-1621Livak, K.J., Schmittgen, T.D. (2001) Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) Method. Methods. 25, 402-408Lobstein, T., Baur, L., Uauy, R.; IASO International Obesity TaskForce. (2004) Obesity in children and young people: a crisis in public health. 5, 4-10436Lockard, M.M., Witkowski, S., Jenkins, N.T., Spangenburg, E.E., Obisesan, T.O., Hagberg, J.M. (2010) Thrombin and exercise similarly influence expression of cell cycle genes in cultured putative endothelial progenitor cells. J Appl Physiol. 108, 1682-1690Moon, HS., Matarese, G., Brennan, A.M., Chamberland, J.P., Liu, X., Fiorenza, C.G., Mylvaganam, G.H., Abanni, L., Carbone, F., Williams, C.J., De Paoli, A.M., Schneider, B.E., Mantzoros, C.S. (2011) Efficacy of metreleptin in obese patients with type 2 diabetes: cellular and molecular pathways underlying leptin tolerance. Diabetes 60, 1647-1656Morris, D.L. en Rui, L. (2009) Recent advances in understanding leptin signaling and leptin resistance. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 297, E1247-E1259Must, A., Jacques, P.F., Dallal, G.E., Bajema, C.J., Dietz, W.H. (1992) Long-term morbidity and mortality of overweight adolescents. A follow-up of the Harvard Growth Study of 1922 to 1935. N Engl J Med 327, 1350-1355Naseem, K.M. (2005) The role of nitric oxide in cardiovascular diseases. Mol Aspects Med. 26, 33-65Ozcan, L., Ergin, A.S., Lu, A., Chung, J., Sarkar, S., Nie, D., Myers, M.G. Jr., Ozcan, U. (2009) Endoplasmic reticulum stress plays a central role in development of leptin resistance. Cell. Metab. 9, 35-51Raghuveer, G. (2010) Lifetime cardiovascular risk of childhood obesity. Am. J. Clin. Nutr. 91, 1514S-1519SReed, A.S., Unger, E.K., Olofsson, L.E., Piper, M.L., Myers, M.G. Jr., Xu, A.W. (2010) Functional role of suppressor of cytokine signaling 3 upregulation in hypothalamic leptin resistance and long-term energy homeostasis. Diabetes 59, 894-906Rehman, J., Li, J., Orschell, C.M., March, K.L. (2003) Peripheral blood "endothelial progenitor cells" are derived from monocyte/macrophages and secrete angiogenic growth factors. Circulation 107, 1164-1169Sánchez, J., Priego, T., Picó, C., Ahrens, W., De Henauw, S., Fraterman, A., Mårild, S., Molnár, D., Moreno, L.A., Peplies, J., Russo, P., Siani, A., Tornaritis, M., Veidebaum, T., Palou, A. (2012) Blood Cells as a Source of Transcriptional Biomarkers of Childhood Obesity and Its Related Metabolic Alterations: Results of the IDEFICS Study. J. Clin. Endocrinol. Metab. 97, 0-0Sarigianni, M., Bekiari, E., Tsapas, A., Kaloyianni, M., Koliakos, G., Paletas, K. (2010) Effect of leptin and insulin resistance on properties of human monocytes in lean and obese healthy participants. Angiology 61, 768-774Takahashi, T., Kalka, C., Masuda, H., Chen, D., Silver, M., Kearney, M., Magner, M., Isner, J.M., Asahara, T. (1999) Ischemia- and cytokine-induced mobilization of bone marrow-derived endothelial progenitor cells for neovascularization. Nat Med. 5, 434-438Tarzami, S.T., Wang, G., Li, W., Green, L., Singh, J.P. (2006) Thrombin and PAR-1 stimulate differentiation of bone marrow-derived endothelial progenitor cells. J Thromb Haemost. 4, 656-66337Thomas, D.D., Ridnour, L.A., Isenberg, J.S., Flores-Santana, W., Switzer, C.H., Donzelli, S., Hussain, P., Vecoli, C., Paolocci, N., Ambs, S., Colton, C.A., Harris, C.C., Roberts, D.D., Wink, D.A. (2008) The chemical biology of nitric oxide: implications in cellular signaling. Free Radic Biol Med. 45, 18-31Thum, T., Tsikas, D., Frölich, J.C., Borlak, J. (2003) Growth hormone induces eNOS expression and nitric oxide release in a cultured human endothelial cell line. FEBS Lett. 555, 567-571Thum, T., Hoeber, S., Froese, S., Klink, I., Stichtenoth, D.O., Galuppo, P., Jakob, M., Tsikas, D., Anker, S.D., Poole-Wilson, P.A., Borlak, J., Ertl, G., Bauersachs, J. (2007) Age-dependent impairment of endothelial progenitor cells is corrected by growth-hormone-mediated increase of insulin-like growth-factor-1. Circ Res. 100, 434-443Tups, A. (2009) Physiological Models of Leptin Resistance. J. Neuroendocrinol. 21, 961-971Umar, S., van der Laarse, A. (2010) Nitric oxide and nitric oxide synthase isoforms in the normal, hypertrophic, and failing heart. Mol Cell Biochem. 333, 191-201Van Craenenbroeck, E.M., Hoymans, V.Y., Beckers, P.J., Possemiers, N.M., Wuyts, K., Paelinck, B.P., Vrints, C.J., Conraads, V.M. (2010) Exercise training improves function of circulating angiogenic cells in patients with chronic heart failure. Basic Res. Cardiol. 105, 665-676Vasa, M., Fichtlscherer, S., Aicher, A., Adler, K., Urbich, C., Martin, H., Zeiher, A.M., Dimmeler, S. (2001) Number and migratory activity of circulating endothelial progenitor cells inversely correlate with risk factors for coronary artery disease. Circ Res. 89, E1-7Wannamethee, S.G., Sharper, A.G., Whincup, P.H., Lennon, L., Sattar, N. (2011) Obesity and Risk of Incident Heart Failure in Older Men With and Without Pre-Existing Coronary Heart Disease. J. Am. Coll. Cardiol. 58, 1870-1877Witkowski, S., Jenkins, N.T., Hagberg, J.M. (2011) Enhancing treatment for cardiovascular disease: exercise and circulating angiogenic cells. Exerc Sport Sci Rev. 39, 93-101Wolk, R., Berger, P., Lennon, R.J., Brilakis, E.S., Somers, V.K. (2003) Body mass index: a risk factor for unstable angina and myocardial infarction in patients with angiographically confirmed coronary artery disease. Circulation 108, 2206-2211Yoon, C.H., Hur, J., Park, K.W., Kim, J.H., Lee, C.S., Oh, I.Y., Kim, T.Y., Cho, H.J., Kang, H.J., Chae, I.H., Yang, H.K., Oh, B.H., Park, Y.B., Kim, H.S. (2005) Synergistic neovascularization by mixed transplantation of early endothelial progenitor cells and late outgrowth endothelial cells: the role of angiogenic cytokines and matrix metalloproteinases. Circulation 112, 1618-1627
Yusuf, S., Hawken, S., Ounpuu, S., Bautista, L., Franzosi, M.G., Commerford, P., Lang, C.C., Rumboldt, Z., Onen, C.L., Lisheng, L., Tanomsup, S., Wangai, P. Jr., Razak, F., Sharma, A.M., Anand, S.S.; INTERHEART Study Investigators. (2005) Obesity and the risk of myocardial infarction in 27,000 participants from 52 countries: a case-control study. Lancet 366, 1640-1649