Lipocalin 2 in perpetuating hepatic lipid homeostasis challenged by high fructose diet

Lambertz, Jessica; Hollert, Henner; Weiskirchen, Ralf; van Dongen, Joost Thomas

doi:39178

Lipocalin 2 in perpetuating hepatic lipid homeostasis challenged by high fructose diet = Lipocalin 2 in der Erhaltung der hepatischen Lipidhomöostase bei fruktosereicher Ernährung

Lambertz, Jessica^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jessica Lambertz M. Sc. Ernährungs- und Lebensmittelwissenschaften

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (123 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Weiskirchen, Ralf (Thesis advisor)^RWTH* ; Hollert, Henner (Thesis advisor) ; van Dongen, Joost Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-12-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-01951
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/782556/files/782556.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
diet (frei) ; fat (frei) ; fructose (frei) ; liver (frei) ; steatosis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Der lipogene Zucker Fruktose ist Teil des Süßungsmittels High Fructose Corn Syrup (HFCS) und führt zum Anstieg des Nüchtern-Blutzuckerspiegels, freien Fettsäuren und Plasma-Triglyceriden, trägt dadurch zur Entstehung von Stoffwechselstörungen und Diabetes bei. Ca. 90% der aufgenommenen Fruktose werden in der Leber metabolisiert. Chronischer Fruktose-Konsum kann die Neusynthese von Lipiden in der Leber fördern, die so genannte De novo Lipogenese. Zudem konnte gezeigt werden, dass Fruktose an der Entstehung und Progression von Nierenschäden beteiligt ist, die mit systemischen Entzündungen, Schädigungen der Nierentubuli und Nierenfunktionsstörungen einhergehen. Ein übermäßiger Verzehr von Fruktose in der Ernährung führt zu einer nichtalkoholischen Fettlebererkrankung (NAFLD). Bei der Beschreibung des Krankheitsverlaufs der NAFLD wird von der „Two Hit Theory“ gesprochen. Sie beschreibt eine stufenweise Entwicklung mit der Steatose, der Ansammlung von Fett, als erste Stufe und der Steatohepatitis als zweite Stufe, die durch Faktoren wie oxidativem Stress und Entzündungen begleitet wird. Wie genau Fruktose an der Entstehung und Progression der NAFLD beteiligt ist, ist jedoch noch nicht vollständig geklärt, was die Therapiemöglichkeiten einschränkt. Lipocalin 2 (LCN2) ist ein Transportprotein, das lipophile Verbindungen wie Fettsäuren, Phospholipide, Steroide, Retinol und Pheromone bindet. LCN2 reguliert den Fett- und Energiestoffwechsel bei Fettleibigkeit und wird als Reaktion auf Insulin hochreguliert. Es ist bereits bekannt, dass LCN2 hepatoprotektive Wirkungen aufweist, daher ist eine Hochregulation des Proteins ein zuverlässiger Marker für Leberschäden. Um zu untersuchen, ob LCN2 den Stoffwechsel von Fruktose beeinflusst und dadurch Leber- und Nierenschäden verursacht, wurden Wildtyp- und Lcn2-defiziente Mäuse 4 und 8 Wochen lang mit Fruktose-angereicherten Diäten gefüttert. Die Mäuse bekamen den Zucker entweder gelöst im Trinkwasser (30% (w / v)) oder durch Gabe eines speziellen eines Futters mit 60% (w / w) Fructose. Es wurde angenommen, dass eine Fütterung mit hohem Gehalt an Fruktose zeitabhängige Leber- und Nierenschäden bei Mäusen und eine schwerere Steatose bei Mäusen ohne LCN2 nach längerer Fütterung verursacht. In dieser Studie wurden männliche und weibliche Mäuse getrennt analysiert, um geschlechtsspezifische Unterschiede im Krankheitsverlauf zu untersuchen. Das Körpergewicht und die tägliche Aufnahme von Futter und Wasser dieser Mäuse wurde während der Studie regelmäßig gemessen. Mittels einer Oil-Red-O-Färbung an Leber-Paraffinschnitten wurde der Fettgehalt der Lebern ermittelt, durch qRT-PCR und Western-Blot-Analyse wurde das Expressionsmuster von Genen, die am Fett- und Zuckerstoffwechsel beteiligt sind, sowie von Entzündungsmarkergenen gemessen. Fruktose-induzierte Steatose und Leberschäden traten bei weiblichen Mäusen häufiger auf als bei männlichen Tieren. Die schwersten Leberschäden wurden bei weiblichen Mäusen beobachtet, denen LCN2 fehlte. Unerwarteter Weise induzierte der Verzehr von erhöhter Fruktose keine De-novo-Lipogenese oder Entzündungsreaktion. Stattdessen scheint Fructose direkt in die die Leberhomöostase einzugreifen, wodurch der Fettstoffwechsel verändert wird.

Fructose is known as a lipogenic sugar, part of High Fructose Corn Syrup (HFCS) contributing to elevated fasting plasma free fatty acids and plasma triglycerides, redounding to the development of metabolic disturbances and diabetes. About 90% of ingested fructose is metabolized in the liver. Chronic fructose consumption can promote hepatic lipid synthesis and triosephosphate can provide further substrates for de novo lipogenesis. Furthermore, fructose was shown to be involved in the development and worsening of kidney damage going along with systemic inflammation, tubular injury and renal dysfunction. The intake of excess dietary fructose most often leads to non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). Regarding the development of NAFLD with the “two-hit theory”, steatosis is the first hit and steatohepatitis, which requires the presence of factors such as oxidative stress, characterizes the second hit. Chronic consumption of fructose results in lipogenic gene expression in this organ. Nevertheless, how fructose is involved in NAFLD progression is still not fully understood, limiting therapy. Lipocalin 2 (LCN2) is a small secreted transport protein that binds to fatty acids, phospholipids, steroids, retinol, and pheromones. LCN2 regulates lipid and energy metabolism in obesity and is upregulated in response to insulin. It was previously discovered that LCN2 has hepatoprotective effects and upregulation is a reliable marker of liver damage and inflammation. To investigate if LCN2 has impact on the metabolism of fructose and thereby arising liver and kidney damage, we fed wild type and Lcn2-deficient mice for 4 and 8 weeks on diets that were enriched in fructose either by adding this sugar to the drinking water (30% (w/v)), or by feeding a chow containing 60% (w/w) fructose. Feeding high fructose was hypothesized to cause time-depended liver- and kidney damage in mice and more severe steatosis in mice lacking LCN2 after prolonged feeding of fructose was expected. In this study, male and female mice were analysed separately in order to investigate gender-specific differences during progression of disease. Body weight and daily intake of food and water of these mice was measured regularly during the study. Fat content in liver sections was visualized using Oil Red O-stain, and expression levels of genes involved in fat and sugar metabolism, as well as inflammatory marker genes were measured by qRT-PCR and Western blot analysis. Fructose-induced steatosis and liver damage was more prominent in female than in male mice, but the most severe hepatic damage occurred in female mice lacking LCN2. Slight kidney damage was only observed in Lcn2-deficient mice. Unexpectedly, consumption of elevated fructose did not induce de novo lipogenesis or inflammation. Instead, fructose appears to directly affect liver homeostasis, thereby manipulating fat metabolism. In conclusion, this study shows that LCN2 acts in a lipid-independent manner to protect the liver against fructose-induced damage. Female mice showed higher steatosis and damage after fructose treatment than their male counterparts, confirming the potential influence of estrogen on lipid homeostasis reported in previous studies. Fructose might disturb liver homeostasis by promoting lipid uptake into the liver, while LCN2 counteracts this lipid uptake.

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