Equine Metabolic Syndrome: (Patho-)physiological variations in insulinsensitivity, glucose homeostasis and lipid metabolism in lean and obese horses

Das Equine Metabolische Syndrom (EMS) ist eine bedeutende Endokrinopathie der Equiden. Erkrankte Pferde zeigen neben einer generalisierten Obesitas oder regionalen Adipositas mit Ausbildung krankheitstypischer Fettdepots im Bereich der Kruppe, der Schultern, der seitlichen Thoraxwand und des Halses, eine erhohte Pradisposition fur Hufrehe sowie Veranderungen in der Insulinregulation (Frank et al. 2010, Frank and Tadros 2014). Heutzutage ist die Obesitaspravalenz in der Pferdepopulation hoch (Wyse et al. 2008, Giles et al. 2014) und die Inzidenz der endokrinopathischen Hufrehe nimmt zu (Karikoski et al. 2011). Sowohl bei Tierarzten als auch bei Tierbesitzern steigt das Bewusstsein fur einen Zusammenhang zwischen Hyperinsulinamie (HI) und Hufrehe. Daher steigen Besitzeranfragen zur Abklarungen einer EMS Erkrankung ihrer Pferde in der letzten Zeit an. In der Praxis kann eine gestorte Insulinregulation auf verschiedene Weise erfasst werden. Neben der Bestimmung einer basalen HI konnen auch dynamische Diagnostiktest angewendet werden um eine Insulinresistenz (IR) oder eine Insulindysregulation (ID) zu diagnostizieren (Bertin and De Laat 2017). Ziel des PhD Projektes war es die physiologischen und pathophysiologischen Variationen der Insulinsensitivitat, der Glukosehomoostase und des Fettstoffwechsels in schlanken und obesen Pferden auf Grundlage von klinischen Parametern sowie auf molekularer Ebene zu untersuchen. Im ersten Teil dieses Forschungsprojektes wurden aufeinanderfolgend ein oraler Glukose Test (OGT) und ein kombinierter Glukose-Insulin Test (CGIT) in schlanken und obesen Pferden durchgefuhrt, um die endokrinologischen und metabolischen Reaktionen zu vergleichen. Im OGT zeigten die Pferde deutliche individuelle Unterschiede in der Insulinkonzentration nach enteraler Absorption der mittels Nasenschlundsonde verabreichten Glukose. Im Gegensatz zu den Insulinkonzentrationen zeigten die Pferde vergleichbare Glukosekonzentrationen. Im CGIT konnten initiale Peak Insulinkonzentrationen von 493,98 ± 86,84 µIU/ml gemessen werden; gefolgt von einem kontinuierlichen Abfall. Interessanterweise zeigten die basalen Konzentrationen an nicht-veresterten freien Fettsauren (NEFA) eine hohe individuelle Schwankung zwischen den einzelnen Pferden. Im weiteren Verlauf der beiden Stimulationstests zeigte sich jedoch ein vergleichbarer Abfall der NEFA Konzentrationen bis hin zu vergleichbaren Minimalkonzentrationen im OGT von 93,82 ± 53,22 µmol/l und 91,97 ± 56,89 µmol/l im CGIT. Wahrend im CGIT kein stressinduzierter Kortisolanstieg zu beobachten war, zeigten die Pferde im OGT einen signifikanten, initialen Anstieg im Serumkortisolgehalt. Zusammenfassend lasst sich feststellen, dass OGT und CGIT unterschiedliche Facetten einer metabolischen Antwort auf einen glykamischen Stimulus reflektieren. Die beiden Tests erfassen unterschiedliche Aspekte der Glukosehomoostase und der Insulinregulation und erlauben aufgrund Ihrer zugrundeliegenden Stimulationsmechanismen differenzierte Aussagen in Bezug auf IR und ID und eigenen sich fur unterschiedliche klinische Fragestellungen. Es zeigte sich eine verzogerte Insulinkinetik bei der Durchfuhrung des CGIT mit porzinem Zink Insulin im Vergleich zu den bisher eingesetzten sofortwirksamen Insulinanaloga. Diese Unterschiede konnen zum einen einen klinischen Vorteil darstellen und das Risiko einer testinduzierten Hypoglykamie reduzieren, erlauben jedoch zum anderen bisher keinen routinemasigen Einsatz in der Pferdepraxis, da fur das verzogert wirksame Zink Insulin noch keine verlasslichen Referenzwerte etabliert sind. Im zweiten Teil der Studie wurde die Expression und Phosphorylierung mehrerer in der Insulinsignalkaskade relevanter Proteine unter basalen und stimulierten, hyperinsulinamischen und hyperglykamischen Bedingungen in unterschiedlichen Geweben dunner und adiposer Pferde untersucht. Alle Pferde zeigten eine deutliche Zunahme der Phosphorylierung des Insulinrezeptors-β (InsR- β) im Lebergewebe unter der Stimulation mit Insulin. Im Muskelgewebe zeigte sich jedoch keine Zunahme der Phosphorylierung des InsR-β. Protein Kinase B (PKB/AKT) und mechanistic Target of Rapamycin (mTOR) zeigten in allen untersuchten Geweben eine Zunahme der Phosphorylierung unter der Stimulation. Im Gegensatz dazu zeigte die AMP-aktivierte Proteinkinase α (AMPK-α), ein Protein, das mit der Insulinsignalkaskade in Verbindung steht, eine gesteigerte Phosphorylierung im Muskel- und Fettgewebe. Im Lebergewebe jedoch fand sich keine Veranderung im Phyosphorylierungsgrad dieses Proteins zwischen basalen und stimulierten Bedingungen. Zusammenfassend konnten nach intravenoser Stimulation mittels Insulin gewebeabhangige Unterschiede in der Phosphorylierung verschiedener Proteine der Insulinsignalkaskade festgestellt werden. Insulinsensitivitat in gesunden Pferden ist das Ergebnis einer komplexen Signaltransduktion in verschiedenen Geweben. Im Rahmen dieser Studie zeigten sich zudem im Pferdegewebe Hinweise auf partielle Unterschiede in der Insulin- und Glukosehomoostase im Vergleich zu Menschen und Nagern. Im dritten Teil dieser Forschungsarbeit wurden die OGT induzierten metabolischen Reaktionen verschiedener Pferde und Ponies mit unbekanntem Insulinsensitivitatsstatus untersucht. Die Ergebnisse dieses Studienteils zeigten wie erwartet signifikant hohere Seruminsulinkonzentrationen in ID Pferden und Ponies im Vergleich zu den IS Tieren. Die Untersuchungen der Blutproben mittels zielgerichteter Metabolomanalyse ergab, dass 22 Metabolite durch die orale Glukosestimulation im OGT beeinflusst werden, wohingegen die restlichen analysierten Metabolite (n=163) keine signifikanten Veranderungen unter der OGT Stimulation zeigten. Der Insulinstatus der Tiere hatte dabei keinen direkten Einfluss auf das metabolische Profil der Tiere wahrend des OGTs. Es zeigte sich jedoch, dass die kurzzeitige Stimulation mit einer oralen Glukosestimulation, wie sie im OGT vorgenommen wird, bereits ausreicht, um im Organismus einen proinflammatorischen Zustand hervorzurufen, unabhangig von IS oder ID. Interessanterweise gelang es, Pferde und Ponies, die unter einer erheblichen ID litten bereits aufgrund des basalen Metabolom-Profils zu identifizieren. Insulindysregulierte Pferde und Ponies wiesen im Vergleich zu IS Pferden und Ponies niedrigere Trans-4-hydroxyprolin- und Methioninsulfoxidkonzentrationen auf. Stoffwechselwege, die mit Trans-4-hydroxyprolin und Methioninsulfoxid assoziiert sind, lassen vermuten, dass oxidativer Stress und ein Ungleichgewicht zwischen oxidativen und antioxidativen Stoffwechselvorgangen relevante Faktoren im Zusammenhang mit equiner ID sein konnen. Die zugrundeliegenden Ergebnisse liefern neue Hypothesen fur folgende Forschungsarbeiten und tragen dazu bei, die Pathomechanismen der equinen ID zu entschlusseln.