Verbetering van het glucosemetabolisme als gevolg van hogere aminozuurverbranding

Wat was de aanleiding van deze studie?

Onlangs publiceerden wij een klinische studie waarin we de metabole effecten bestudeerden na modulatie van het vertakte-ketenaminozuurmetabolisme in mensen met type 2-diabetes.¹ In het afgelopen decennium hebben verschillende observationele onderzoeken laten zien dat de concentratie van een specifieke groep aminozuren − de vertakte-ketenaminozuren leucine, isoleucine en valine − verhoogd is in het bloed van mensen met obesitas en in mensen met type 2-diabetes.^2-6 De verhoogde waardes van deze aminozuren associëren met een verminderde insulinegevoeligheid en een verhoging zou zelfs de ontwikkeling van type 2-diabetes kunnen voorspellen.^6,7 Het is onbekend waarom deze groep aminozuren accumuleert in bloed. Met name dierstudies geven aanwijzingen dat een suppressie van het katabolisme van deze aminozuren hieraan mogelijk ten grondslag ligt.^8-11 In lijn met deze hypothese hebben wij onlangs gerapporteerd dat mensen met type 2-diabetes − op heel lichaamsniveau − een verlaagde leucineverbranding laten zien ten opzichte van een gezonde groep mensen met een vergelijkbare leeftijd en gewicht.⁵ Verschillende dierstudies hebben laten zien dat het stimuleren van het vertakte-ketenaminozuurkatabolisme leidt tot een verbetering van het glucosemetabolisme en insulineresistentie.^12-17 Hiervoor werd de compound BT2 (3,6-dichlorobenzothiophene-2-carboxylic acid) gebruikt. BT2 stimuleert de werking van de branched-chain amino acid dehydrogenase complex (BCKD), via de remming van het regulerende kinase, waardoor het katabolisme van leucine, isoleucine en valine verhoogt.¹⁸ BT2 is niet geschikt voor humaan gebruik, maar sodiumfenylbutyraat (fenylboterzuur; een geregistreerde medicatie voor de behandeling van patiënten met een verstoringen in de ureumcyclus) kenmerkt zich door een vergelijkbaar werkingsmechanisme. Sodiumfenylbutyraat stimuleert de verbranding van de vertakte-ketenaminozuren, welke resulteert in verlaagde vertakte-ketenaminozuurconcentraties in het bloed.¹⁹

Wat is er onderzocht?

In deze studie hebben wij sodiumfenylbutyraat off-label gedurende twee weken voorgeschreven aan mensen met type 2-diabetes, met als doel te onderzoeken of het stimuleren van de aminozuurverbranding leidt tot een verbetering in het glucosemetabolisme. Hierin was insulinegevoeligheid de primaire uitkomstmaat. Verschillende metabole parameters zijn geëvalueerd, zoals de mitochondriële oxidatieve capaciteit in de spier, substraatverbranding op heel lichaamsniveau en de vetstapeling in de spier en lever.

Hoe zag de studie eruit?

De studie was gerandomiseerd, dubbel geblindeerd en placebogecontroleerd met een cross-over design. Deelnemers kregen twee weken sodiumfenylbutyraat (Pheburane, dagelijkse dosering van 4.8 g/m²) en twee weken een placebo voorgeschreven, gescheiden door een wash-out-periode van zes tot acht weken (figuur 1). In totaal ondergingen 16 mensen met type 2-diabetes (mannen en postmenopauzale vrouwen) de gehele studie. De inclusiecriteria waren sedentaire mannen en vrouwen tussen de 45-70 jaar, met een BMI tussen de 27-35 kg/m², relatief goed gecontroleerd met een HbA1c < 8.5% en onder behandeling met orale glucoseverlagende medicatie (metformine met of zonder gecombineerd met sulphonylureas en/of DPPIV-remmers). Alle deelnemers hadden geen tekenen van actieve cardiovasculaire, lever- or nieraandoeningen. De karakteristieken van de deelnemers staan vermeld in tabel 1. Voor een uitgebreide beschrijving van de methodologie.¹ In het kort: na een overnachting in de onderzoeksfaciliteit werd insulinegevoeligheid op heel lichaamsniveau gemeten middels een twee-staps hyperinsulinemische-euglykemische clamp, gecombineerd met een glucose-isotoop voor de berekening van de insulinegestimuleerde perifere glucoseopnamesnelheid en de hepatische glucoseproductie. Voor aanvang van de clamp werd onder lokale verdoving een spierbiopt afgenomen, waarvan een gedeelte meteen werd gebruikt voor mitochondriële respiratiemetingen middels een oxygraaf. Voor en tijdens de clamp werd het substraatmetabolisme op heel lichaamsniveau gemeten middels indirecte calorimetrie, met een 'ventilated hood'-systeem. Ook ondergingen de deelnemers magnetische resonantiespectroscopie om de hoeveelheid vet te meten in de spier en de lever. De compliance werd bepaald o.a. door fenylbutyraat en fenylacetylglutamine te meten in het bloed; deze was significant verhoogd in de sodiumfenylbutyraatinterventiearm vergeleken met de placeboarm (p < 0.0001).

Figuur 1.

studieontwerp zoals eerder gepubliceerd.¹ Een cross-overstudie waarin de deelnemers door randomisatie startten met de sodiumfenylbutyraat (NaPB) of de placebointerventie. Elke deelnemer was zijn eigen controle. Na twee weken behandeling werden verschillende metingen uitgevoerd, zoals de magnetische resonantiespectroscopiescans, het energiemetabolisme en substraatverbranding op heel lichaamsniveau, de twee-staps hyperinsulinemische-euglykemische clamp en de spierbiopten.

Tabel 1. screeningswaardes van n = 16 deelnemers zoals eerder gepubliceerd.¹ Data gepresenteerd als gemiddelde ± SD. BMI, body mass index; ASAT, aspartaat-aminotransferase; ALAT, alanine-aminotransferase; GGT, gamma-glutamyltransferase

Wat zijn de belangrijkste resultaten?

De behandeling met sodiumfenylbutyraat liet een 8% verlaging zien van isoleucine, leucine en valine samen in het bloed vergeleken met de placebointerventiearm (p = 0.03). De verandering in insulinegemedieerde glucoseopnamesnelheid (∆Rd) liet een robuuste verbetering zien van 27% na de behandeling met sodiumfenylbutyraat vergeleken met placebo (p = 0.02, figuur 2a). De hepatische insulinegevoeligheid uitgedrukt als de insulineremming van de hepatische glucose-output, verbeterde met 6% na sodiumfenylbutyraat vergeleken met placebo (p = 0.02,figuur 2b). Deze resultaten laten zien dat sodiumfenylbutyraatbehandeling specifiek de insulinegevoeligheid van de spier verbetert, met een milde − maar significante − verbetering van de leverinsulinegevoeligheid. Tijdens de hoge insulinefase van de clamp was na sodiumfenylbutyraatbehandeling de koolhydraatverbranding 10% hoger vergeleken met placebo (p = 0.03, figuur 2c). De verbranding van vet en proteïnen bleven onveranderd (p = 0.16 en p = 0.45, respectievelijk) (data hier niet getoond). Een tendens tot een verbeterde metabole flexibiliteit werd gezien, welke de mogelijkheid tot verschuiving van vetverbranding onder nuchtere condities naar insulinegemedieerde glucoseverbranding reflecteert (p = 0.07, figuur 2d). Verder verbeterde de mitochondriële oxidatieve capaciteit in de spier met 10% in aanwezigheid van puryvaat, een glycolytisch substraat (p = 0.04, figuur 2e). Deze verbetering werd niet waargenomen wanneer octanoyl-carnitine werd gebruikt, een vetzuurachtig substraat (p = 0.25, figuur 2f). Er werden geen verschillen gevonden in de vethoeveelheid in de spier en lever na behandeling met sodiumfenylbutyraat vergeleken met placebo (data hier niet getoond).

Figuur 2.

resultaten zoals eerder gepubliceerd.¹ a: de perifere insulinegevoeligheid uitgedrukt als de verandering in de insulinegestimuleerde glucoseopname (∆Rd μmol kg^-1 min^-1), berekend als het verschil tussen de Rd gemeten onder insulinegestimuleerde conditie minus de Rd tijdens de basale fase zonder insuline, b: hepatische insulinegevoeligheid uitgedrukt als de verandering in insulinegeremde hepatische glucoseproductie (EGP%), c: koolhydraatverbranding (μmol kg^-1 min^-1) onder basale en hoge insuline-infusie, d: metabole flexibiliteit, uitgedrukt als de verandering in de respiratoire exchange ratio (RER) van basale conditie naar hoge insuline-infusie, ex vivo mitochondriële oxidatieve capaciteit in de spier, e: in de aanwezigheid van pyruvaat (pmol mg^-1 s^-1) en f: na toevoeging van octanoyl-carnitine, een vetzuurachtig substraat (pmol mg^-1 s^-1).

Wat zijn de belangrijkste conclusies van het onderzoek?

De resultaten laten een verbetering zien na de behandeling met sodiumfenylbutyraat in het glucosemetabolisme op verschillende niveaus: verbeterde perifere inulinegestimuleerde glucoseopnamesnelheid, verhoogde insulinegestimuleerde koolhydraatverbranding op heel

lichaamsniveau, een tendens tot verbeterde metabole flexibiliteit met een hogere RER − en indirect − door een hogere mitochondriële oxidatieve capaciteit in de spier voor pyruvaat. In toekomstig onderzoek zal de mechanistische link tussen de verhoogde vertakte-ketenaminozuren en insulineresistentie moeten worden onderzocht. In eerder onderzoek rapporteerden we een 60% verbeterde insulinegevoeligheid en een 33% verbeterde mitochondriële oxidatieve capaciteit in de spier na een drie maanden progressieve-trainingsstudie in mensen met type 2-diabetes.^20,21 Sporten is bij uitstek de effectiefste strategie om de diabetesgerelateerde metabole verstoringen terug te dringen en de ontwikkeling van diabetes uit te stellen, of zelfs te voorkomen. De 27% verbeterde insulinegevoeligheid geobserveerd in de hier gepresenteerde studie (met een relatief korte behandelduur van twee weken), is veelbelovend, daar dit bijna de helft bedraagt van het effect geïnduceerd met sporten. De resultaten benadrukken de relevantie van het vertakte-ketenaminozuurmetabolisme in insulinegevoeligheid in mensen, alsook de potentiële impact van deze behandelingsstrategie op de gezondheid in metabool gecompromiteerde mensen. We hopen dat de resultaten van dit onderzoek aanzetten om meer onderzoek te verrichten naar de modulatie van het vertakte-ketenaminozuurmetabolisme. De kracht van deze studie is onder andere het studieontwerp, waarin mensen hun eigen controle zijn. Een limitatie van de studie is de scheve man-vrouwverdeling, als mogelijk ook de 'add-on' behandelingsstrategie, waarin sodiumfenylbutyraat werd gegeven in combinatie met de huidige medicatie van de deelnemers.

Referenties

• 1 Vanweert F, Neinast M, Tapia EE, van de Weijer T, Hoeks J, Schrauwen-Hinderling VB, et al. A randomized placebo-controlled clinical trial for pharmacological activation of BCAA catabolism in patients with type 2 diabetes. Nat Commun. 2022;13(1):3508.

• 2 Newgard CB, An J, Bain JR, Muehlbauer MJ, Stevens RD, Lien LF, et al. A branched-chain amino acid-related metabolic signature that differentiates obese and lean humans and contributes to insulin resistance. Cell Metab. 2009;9(4):311-26.

• 3 Wurtz P, Soininen P, Kangas AJ, Ronnemaa T, Lehtimaki T, Kahonen M, et al. Branched-chain and aromatic amino acids are predictors of insulin resistance in young adults. Diabetes Care. 2013;36(3):648-55.

• 4 Vanweert F, Boone SC, Brouwers B, Mook-Kanamori DO, de Mutsert R, Rosendaal FR, et al. The effect of physical activity level and exercise training on the association between plasma branched-chain amino acids and intrahepatic lipid content in participants with obesity. Int J Obes (Lond). 2021;45(7):1510-20.

• 5 Vanweert F, de Ligt M, Hoeks J, Hesselink MKC, Schrauwen P, Phielix E. Elevated plasma branched-chain amino acid levels correlate with type 2 diabetes-related metabolic disturbances. J Clin Endocrinol Metab. 2020.

• 6 Wang TJ, Larson MG, Vasan RS, Cheng S, Rhee EP, McCabe E, et al. Metabolite profiles and the risk of developing diabetes. Nat Med. 2011;17(4):448-53.

• 7 Floegel A, Stefan N, Yu Z, Muhlenbruch K, Drogan D, Joost HG, et al. Identification of serum metabolites associated with risk of type 2 diabetes using a targeted metabolomic approach. Diabetes. 2013;62(2):639-48.

• 8 She P, Van Horn C, Reid T, Hutson SM, Cooney RN, Lynch CJ. Obesity-related elevations in plasma leucine are associated with alterations in enzymes involved in branched-chain amino acid metabolism. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2007;293(6):E1552-63.

• 9 Doisaki M, Katano Y, Nakano I, Hirooka Y, Itoh A, Ishigami M, et al. Regulation of hepatic branched-chain alpha-keto acid dehydrogenase kinase in a rat model for type 2 diabetes mellitus at different stages of the disease. Biochem Biophys Res Commun. 2010;393(2):303-7.

• 10 Adams SH. Emerging perspectives on essential amino acid metabolism in obesity and the insulin-resistant state. Adv Nutr. 2011;2(6):445-56.

• 11 Lynch CJ, Adams SH. Branched-chain amino acids in metabolic signalling and insulin resistance. Nature reviews Endocrinology. 2014;10(12):723-36.

• 12 Uddin GM, Zhang L, Shah S, Fukushima A, Wagg CS, Gopal K, et al. Impaired branched chain amino acid oxidation contributes to cardiac insulin resistance in heart failure. Cardiovasc Diabetol. 2019;18(1):86.

• 13 Lian K, Guo X, Wang Q, Liu Y, Wang RT, Gao C, et al. PP2Cm overexpression alleviates MI/R injury mediated by a BCAA catabolism defect and oxidative stress in diabetic mice. Eur J Pharmacol. 2020;866:172796.

• 14 White PJ, McGarrah RW, Grimsrud PA, Tso SC, Yang WH, Haldeman JM, et al. The BCKDH Kinase and Phosphatase Integrate BCAA and Lipid Metabolism via Regulation of ATP-Citrate Lyase. Cell Metab. 2018;27(6):1281-93 e7.

• 15 Jang C, Oh SF, Wada S, Rowe GC, Liu L, Chan MC, et al. A branched-chain amino acid metabolite drives vascular fatty acid transport and causes insulin resistance. Nat Med. 2016;22(4):421-6.

• 16 Chen M, Gao C, Yu J, Ren S, Wang M, Wynn RM, et al. Therapeutic Effect of Targeting Branched-Chain Amino Acid Catabolic Flux in Pressure-Overload Induced Heart Failure. J Am Heart Assoc. 2019;8(11):e011625.

• 17 Neinast MD, Jang C, Hui S, Murashige DS, Chu Q, Morscher RJ, et al. Quantitative Analysis of the Whole-Body Metabolic Fate of Branched-Chain Amino Acids. Cell Metab. 2019;29(2):417-29 e4.

• 18 Tso SC, Gui WJ, Wu CY, Chuang JL, Qi X, Skvora KJ, et al. Benzothiophene carboxylate derivatives as novel allosteric inhibitors of branched-chain alpha-ketoacid dehydrogenase kinase. J Biol Chem. 2014;289(30):20583-93.

• 19 Burrage LC, Jain M, Gandolfo L, Lee BH, Members of the Urea Cycle Disorders C, Nagamani SC. Sodium phenylbutyrate decreases plasma branched-chain amino acids in patients with urea cycle disorders. Mol Genet Metab. 2014;113(1-2):131-5.

• 20 Meex RC, Schrauwen-Hinderling VB, Moonen-Kornips E, Schaart G, Mensink M, Phielix E, et al. Restoration of muscle mitochondrial function and metabolic flexibility in type 2 diabetes by exercise training is paralleled by increased myocellular fat storage and improved insulin sensitivity. Diabetes. 2010;59(3):572-9.

• 21 Phielix E, Meex R, Moonen-Kornips E, Hesselink M, Schrauwen P. Exercise training increases mitochondrial content and ex vivo mitochondrial function similarly in patients with type 2 diabetes and in control individuals. Diabetologia. 2010;53(8):1714-21.