B. SEKCIA OBEZITY

1. Vedecké zameranie

Najjednoduchšie môžeme obezitu definovať ako nahromadenie tukového tkaniva v dôsledku nerovnováhy medzi príjmom a výdajom energie. O príjme potravy (množstve a kvalite) rozhodujú okrem špecifických neuro-behaviorálnych (naša vlastná preferencia) aj spoločenské mechanizmy, ovplyvňujúce kvalitu, dostupnosť a cenu potravín, čím do značnej miery limitujú možnosť výberu. Príjem potravy teda možno postaviť na jednu misku váh. Každý z nás v závislosti od pohlavia, množstva svalovej a tukovej hmoty potrebuje denne niečo medzi 1200 - 2500 kcal energie. Hovoríme o bazálnom výdaji energie. Tento vieme ovplyvniť napríklad trénovanosťou našich svalov, kvalitou potravy alebo teplotou prostredia, v ktorom sa nachádzame. Celkové množstvo energie, ktoré naše telo použije počas 24 hodín, samozrejme závisí od dynamiky nášho každodenného života, a teda od pravidelnej pohybovej aktivity, ktorú môžeme položiť na druhú misku váh. Ak zostanú v rovnováhe, určite nebudeme priberať. Aretácia týchto váh však v modernom svete akoby nebola celkom v poriadku. Expanzia obezity by mohla vyplývať z toho, že fyziologické mechanizmy, ktoré bránia strate hmotnosti, sú oveľa mohutnejšie ako tie, ktoré bránia priberaniu. Zameňme však tento zdanlivo fyzikálny pohľad na energetickú rovnováhu a pozrime sa na fyziológiu obezity a jej patofyziologické dôsledky na naše metabolické zdravie. Nedostatok fyzickej aktivity významne prispieva k patogenéze chronických civilizačných ochorení. Jedna zo základných podmienok zdravej obezity (absencia metabolického ochorenia) je, aby tuk zostal uskladnený v tukovom tkanive. Jedným z cieľov práce Sekcie obezity LPDM je skúmať mecha- nizmy, ktoré regulujú uskladnenie a mobilizáciou tuku (náš najlepší zdroj energie) v tukovom tkanive, a to v rôznych fyziologických a patofyziologických situáciách. Nemalý záujem venujeme tiež štúdiu molekulárne genetických dôsledkov nahromadenia lipidov vo svale či v pečeni, teda v tkanivách, ktoré nie sú na takúto záplavu lipidov vôbec pripravené, stávajú sa rezistentnými na účinok inzulínu, oslabuje sa ich normálne fungovanie a navodzuje sa stav chronického systémového zápalu. To, čo pomáha, je odstránenie lipidov zo systému (krvného obehu a tkanív, do ktorých nepatria). Uvažuje sa pritom o mechanizmoch, ktoré regulujú kapacitu tukových buniek uskladňovať lipidy, a súčasne o mechanizmoch metabolickej aktivácie kostrového svalu. Kapacita svalu odstraňovať lipidy teda nesúvisí len s jeho množstvom ale aj s jeho trénovanosťou. Vieme, že nedostatok pravidelnej pohybovej aktivity je samostatným rizikovým faktorom metabolických ochorení, a to nezávisle od obezity. Naopak pravidelné cvičenie významne prispieva k prevencii metabolických a kardiovaskulárnych ochorení a k „zdravému starnutiu“. V našej práci sa venujeme štúdiu molekulárnych mechanizmov, ktoré sa podieľajú na humorálnej komunikácii aktívneho (cvičiaceho) svalu s inými orgánovými systémami, ako aj štúdiu adaptačných mechanizmov, ktoré odlišujú trénovaný sval od netrénovaného, a to na morfologickej, enzymatickej, endokrinnej, funkčnej či epigenetickej úrovni. Prediabetickí jedinci sa pritom v našich štúdiách zúčastňujú tréningového programu, ktorého cieľom je komplexne upraviť ich životný štýl, teda spôsob stravovania a najmä mieru fyzickej aktivity, a ovplyvniť tak progresiu obezity, diabetu 2. typu či kardiovaskulárnych ochorení aretáciou váh s fyziologickejším nastavením a obnovou krehkej metabolickej rovnováhy.

2. Najvýznamnejšie výsledky

- Poodhalenie klinicko-fyziologických vzťahov a molekulárnych mechanizmov, ktoré sa podieľajú na progresii ochorenia u kachektických a obéznych pacientov s chronickou obštrukčnou chorobou pľúc, a to na úrovni (i) makronutričnej preferencie, (ii) prejavov osteoporózy, či (iii) chronického systémového zápalu a metabolického stavu tukového tkaniva. (i) Tkačová R,… Ukropcova B, Ukropec J. Nutrition. 2011;27(10):1093-4. (ii) Pobeha P, Ukropec J,…, Ukropcova B, Kurdiova T, Javorsky M, Klimes I, Tkac I, Gasperikova D, Tkacova R. Bone. 2011;48(5):1008-14. (iii) Tkacova R, Ukropec J, Skyba P, Ukropcova B, Pobeha P, Kurdiova T, Joppa P, Klimes I, Tkac I, Gasperikova D. Respiration. 2011;81(5):386-93.

- Účasť na odhalení vzťahu medzi prevalenciou prediabetu a diabetu a obsahom polychlórovaných bifenylov a iných perzistentných organických látok v krvi. Ukropec J, Radikova Z, Huckova M, Koska J, Kocan A, Sebokova E, Drobna B, Trnovec T, Susienkova K, Labudova V, Gasperikova D, Langer P, Klimes I. High prevalence of prediabetes and diabetes in a population exposed to high levels of an organochlorine cocktail. Diabetologia. 2010;53(5):899-906.

- Účasť na odhalení antiadipogénneho pôsobenia transkripčného faktora ROR (retinoid-related orphan receptor gamma). Tento účinok je pravdepodobne sprostredkovaný reguláciou expresie génu kódujúceho matrix metalloproteinázu 3. Naše zistenie významne rozširuje pohľad na reguláciu adipogenézy v tom zmysle, že procesy spojené s remodeláciou tukového tkaniva sa priamo zúčastňujú na inhibícii diferenciácie nových tukových buniek s následným negatívnym dopadom na uskladnenie lipidov v tukovom tkanive a na metabolické zdravie jedinca. Cielená a tkanivovo-špecifická inhibícia transkripčného faktora ROR by teda mohla zvrátiť negatívne procesy spájajúce obezitu a poruchu biologického účinku inzulínu. Meissburger B, Ukropec J,… Gasperikova D,… Wolfrum C. EMBO Mol Med. 2011 Aug 19. doi: 10.1002/emmm.201100172. [Epub ahead of print]

- Účasť na objavení endogénnej produkcie katecholamínov v tukovom tkanive. Vargovic P, Ukropec J,… Kvetnansky R. FEBS Lett. 2011;585(14):2279-84.

- Zistenie, že (i) porucha metabolického zdravia u dospelých jedincov s deficitom rastového hormónu sa spája s hypertrofiou adipocytov a s výrazným zápalovým fenotypom podkožného tukového tkaniva. (ii) Tieto fenotypy sú oveľa výraznejšie ako fenotypy typicky sa spájajúce s obezitou. Účinky dlhodobej liečby rastovým hormónom sú predmetom ďalšieho štúdia. (i)Ukropec J, et al., J Clin Endocrinol Metab. 2008;93(6):2255-62. a (ii) Škopková et al., Obesity(Silver Spring). 2007;15(10):2396-406.

- Objasnenie molekulárnych mechanizmov alternatívnej termogenézy v tukovom tkanive a v kostrovom svale myší s inaktivujúcou mutáciou v géne kódujúcom UCP1 (thermogenin). Jedným z mechanizmov je transport Ca²⁺ cez membránu endoplazmatického retikula (Ukropec J et al., J Biol Chem. 2006;281(42):31894-908), ďaľším jeinaktivácia mitochondriálneho transportéra SLC25A25 (Anunciado-Koza RP, …, Ukropec J, et al., J Biol Chem. 2011;286(13):11659-71.) ale študovali sme aj vzťah termogenézy k biologickému účinku leptínu (Ukropec J et al., Endocrinology. 2006;147(5):2468-80), či aktivite glycerolfosfátového cyklu (Anunciado-Koza R, Ukropec J, Koza RA, Kozak LP. J Biol Chem. 2008;283(41):27688-97).

- Zistenie, že molekulárny mechanizmus hypotriglyceridemického pôsobenia n-3 polynenasýtených mastných kyselín sa spája so zvýšením oxidácie mastných kyselín a znížením expresie leptínu - Ukropec J, et al., Lipids. 2003 Oct;38(10):1023-9.

Obrázok: (A) natívne bunky ľudského kostrového svalu (40x); (B) mitochondrie v bunkách ľudského kostrového svalu farbené fluorescenčným farbivom mitotracker (40x); (C) Tukové kvapôčky v tukovej bunke farbené oilRedO (40x).

- Zistenie, že metabolický fenotyp diferencovaných svalových buniek sa dá pozitívne modulovať in vitro, vplyvom cvičenie-imitujúcich („exercise-mimicking“) látok, ktoré aktivujú adrenergné a kalciové signálne dráhy. Sparks LM, Moro C, Ukropcova B et al., PLoS One. 2011;6(7):e21068.

- Zistenie, že charakteristiky tukového tkaniva ovplyvňujú metabolickú flexibilitu, parameter významný pre metabolické zdravie, ktorý je úzko asociovaný s inzulínovou senzitivitou. Sparks LM, Ukropcova B et al., Diabetes Res Clin Pract. 2009;83(1):32-43.

- Spoluúčasť na objave, že kalorická reštrikcia ako zatiaľ jediný overený fyziologický prostriedok pozitívne ovplyvňujúci biologický aj chronologický vek, a podporujúci „zdravé“ starnutie, vedie k aktivácii mitochondriálnej biogenézy v ľudskom kostrovom svale. Civitarese AE,..., Ukropcova B, et al., PLoS Med. 2007;4(3):e76.

- Zistenie, že genetická predispozícia pre diabetes 2. typu je spoločným menovateľom zhoršenej metabolickej flexibility, adaptácie na vysokotukovú diétu a zníženého obsahu mitochondrií v kostrovom svale u potomkov prediabetikov. Ukropcova B et al., Diabetes. 2007;56(3):720-7.

- Spoluúčasť na objave, že hormón tukového tkaniva adiponektín stimuluje mitochondriálnu biogenézu v kostrovom svale. Ide zároveň o ďalší potenciálny mechanizmus inzulín-senzitizujúceho účinku adiponektínu, ktorého nedostatok je prediktorom vzniku diabetu a považuje sa za jeden z možných spoločných menovateľov metabolického syndrómu. Civitarese AE, Ukropcova B et al., Cell Metab. 2006;4(1):75-87.

- Zistenie, že charakteristiky metabolizmu mastných kyselín a glukózy v primárnych diferencovaných myotubách ľudského kostrového svalu odrážajú metabolické a antropometrické charakteristiky svojich mladých, relatívne zdravých darcov so sedavým spôsobom života. Toto zistenie poukazuje na význam genetickej predispozície pre náš metabolický fenotyp, ale zároveň poskytuje široké pole pre ďalší výskum potenciálnej epigenetickej modifikácie genetickej informácie faktormi vonkajšieho prostredia, akými sú pravidelná fyzická aktivita či výživa. Ukropcova et al., J Clin Invest. 2005;115(7):1934-41.

3. Medzinárodná a domáca spolupráca

Prof . Steven R Smith

Florida Hospital - Burnham Clinical Research Institute, USA

Téma: Molekulárne mechanizmy regulácie energetického metabolizmu pri obezite a inzulínovej rezistencii.

Prof . Leslie P. Kozak

Institute of Animal Reproduction & Food Research, Polish Academy of Sciences.

Téma: Gentická a nutričná kontrola indukcie hnedého tukového tkaniva u myší a u človeka.

Prof. Christian Wolfrum

Institute of Food Nutrition and Health, Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH Zürich), Švajčiarsko

Téma: Molekulárne mechanizmy regulácie rastu a diferenciácie tukových buniek.

Prof. Gerd Schmitz

Institute for Clinical Chemistry and Laboratory Medicine, University Hospital Regensburg, Nemecko

Téma: Lipidové zloženie bunky a molekulárne mechanizmy regulácie jej rastu, diferenciácie a smrti.

4. Súčasné projekty

EFSD New Horizons Program 2010 – 80350 – Názov: Plasticita tukového tkaniva a kostrového svalu pri zachovaní metabolického zdravia a pri inzulínovej rezistencii. (Adipose tissue and skeletal muscle plasticity in metabolic health and in insulin resistance); obdobie riešenia projektu: 1.10.2010 / 30.09.2013; zodpovedný riešiteľ: Mgr. Jozef Ukropec, PhD, spoluriešiteľ: prof Dr Christian Wolfrum, Inst. of Molecular Systems Biology, ETH Zurich, Švajčiarsko

7RP EK LipidomicNET Názov: Lipidové čiastočky ako dynamické organely uskladňovania a uvoľňovania tuku: translačný výskum smerom k ľudským ochoreniam (Lipid droplets as dynamic organelles of fat deposition and release: translational research towards human disease) “LipidomicNet“ FP7-202272; obdobie riešenia projektu: 1.5.2008 / 30.4.2012, zodpovedný riešiteľ za UEE SAV: Mgr. Daniela Gašperíková, PhD

Investigator Initiated Research Grant - Pfizer. Názov: Účinok dlhodobej suplementácie rastovým hormónom na metabolizmus a na fenotyp tukového tkaniva u pacientov s deficitom rastového hormónu v dospelosti (The Effect of a Long-term growth Hormone Supplementation on the Whole-body Metabolic Characteristics and Adipose tissue Phenotype in Growth Hormone deficient Adults: The 5 yr folow-up); obdobie riešenia projektu: 1-2011 -1-2013, zodpovedný riešiteľ: Mgr. Jozef Ukropec, PhD a Mgr. Daniela Gašperíková, PhD

EFSD – Lilly fellowship programe 2010 – 70995 grant Európskej nadácie pre štúdium diabetu – Názov: Metabolické zdravie a sekrečný profil (endokrinná aktivita) kostrového svalu u aeróbne a silovo trénovaných obéznych prediabetikov. (Metabolic health and muscle sectretory profile in aerobic and resistance trained obese prediabetic individuals); obdobie riešenia projektu: 1.9.2010 / 31.08.2013; zodpovedný riešiteľ: MUDr. Barbara Ukropcová, PhD

VEGA (2/0198/11), Názov: Tkanivový zápal, metabolické a endokrinné špecifiká podkožného a viscerálneho tuku a oxidatívna kapacita kostrového svalu v molekulárnej patofyziológii inzulínovej rezistencie u pacientov s extrémnou obezitou. (Tissue inflammation, metabolic and endocrine character of subcutaneous and visceral adipose tissue and oxidative capacity of skeletal muscle in pathophysiology of insulin resistance in individuals with extreme obesity); obdobie riešenia projektu 1/2011-12/2013; zodpovedný riešiteľ projektu: mgr. Jozef Ukropec, PhD

VEGA (2/0174/12), Názov: Účinok vytrvalostného a silového tréningu na sekrečný profil a charakteristiky kostrového svalu a primárnych bunkových kultúr kostrového svalu u obéznych prediabetikov. (Effect of endurance and strength training on the secretory profile and molecular phenotype of skeletal muscle and cultured primary human muscle cells from obese prediabetic individuals); obdobie riešenia projektu 1/2012-12/2014; zodpovedný riešiteľ projektu: MUDr. Barbara Ukropcová, PhD

5. Prístrojové vybavenie a používané metodiky

V našej práci používame klinicko-fyziologické merania inzulínovej senzitivity (euglykemická hyperinzulinemická zámka) a glukózovej tolerancie (orálny glukózo-tolerančný test). Nepriamu kalorimetriu používame na hodnotenie (i) rýchlosti bazálneho metabolizmu a (ii) metabolickej substrátovej preferencie, (iii) metabolickej flexibility (nalačno a počas euglykemickej hyperinzulinémie), či (iv) maximálnej aeróbnej kapacity. Pohybovú aktivitu ľudí v ich každodennom živote meriame akcelerometrami a množstvo a distribúciu telesného tuku bioelektrickou impedanciou. Na tieto vyšetrenia nadväzuje práca s primárnymi kultúrami svalových a tukových buniek, stanovovanie expresie génov (Real-Time PCR), obsahu a fosforylácie proteínov (western blot, in-cell western, protein (antibody) arrays, ELISA).

6. Výber najvýznamnejších publikácií (IF ≥4) pracovníkov Laboratória diabetu a porúch metabolizmu - Sekcia Obezity.

1. Civitarese AE, Ukropcova B, Carling S, Hulver M, DeFronzo RA, Mandarino L, Ravussin E, Smith SR. Role of adiponectin in human skeletal muscle bioenergetics. Cell Metab. 2006 Jul;4(1):75-87. IF = 18,207

2. Civitarese AE, Carling S, Heilbronn LK, Hulver MH, Ukropcova B, Deutsch WA, Smith SR, Ravussin E; CALERIE Pennington Team. Calorie restriction increases muscle mitochondrial biogenesis in healthy humans. PLoS Med. 2007 Mar;4(3):e76. IF = 15,617

3. Ukropcova B, McNeil M, Sereda O, de Jonge L, Xie H, Bray GA, Smith SR. Dynamic changes in fat oxidation in human primary myocytes mirror metabolic characteristics of the donor. J Clin Invest. 2005 Jul;115(7):1934-41. IF = 14,152

4. Krishnan J, Danzer C, Simka T, Ukropec J, Walter KM, Kumpf S, Mirtschink P, Ukropcova B, Gasperikova D, Pedrazzini T, Krek W. Dietary obesity-associated Hif1α activation in adipocytes restricts fatty acid oxidation and energy expenditure via suppression of the Sirt2-NAD+ system. Genes Dev. 2012 Feb 1;26(3):259-70. IF = 13,892

5. Ukropcova B, Sereda O, de Jonge L, Bogacka I, Nguyen T, Xie H, Bray GA, Smith SR. Family history of diabetes links impaired substrate switching and reduced mitochondrial content in skeletal muscle. Diabetes. 2007 Mar;56(3):720-7. IF = 8,889

6. Meissburger B, Ukropec J, Roeder E, Beaton N, Geiger M, Teupser D, Civan B, Langhans W, Nawroth PP, Gasperikova D, Rudofsky G, Wolfrum C. .Adipogenesis and insulin sensitivity in obesity are regulated by retinoid-related orphan receptor gamma. EMBO Mol Med. 2011 Nov;3(11):637-51. IF = 8,833

7. Ukropec J, Radikova Z, Huckova M, Koska J, Kocan A, Sebokova E, Drobna B, Trnovec T, Susienkova K, Labudova V, Gasperikova D, Langer P, Klimes I. High prevalence of prediabetes and diabetes in a population exposed to high levels of an organochlorine cocktail. Diabetologia. 2010 May;53(5):899-906. IF = 6,973

8. Ukropec J, Penesová A, Skopková M, Pura M, Vlcek M, Rádiková Z, Imrich R, Ukropcová B, Tajtáková M, Koska J, Zórad S, Belan V, Vanuga P, Payer J, Eckel J, Klimes I, Gasperíková D. Adipokine protein expression pattern in growth hormone deficiency predisposes to the increased fat cell size and the whole body metabolic derangements. J Clin Endocrinol Metab. 2008 Jun;93(6):2255-62. IF = 6,495

9. Ukropec J, Anunciado RV, Ravussin Y, Hulver MW, Kozak LP. UCP1-independent thermogenesis in white adipose tissue of cold-acclimated Ucp1-/- mice. J Biol Chem. 2006 Oct 20;281(42):31894-908. IF = 5,328

10. Sparks LM, Moro C, Ukropcova B, Bajpeyi S, Civitarese AE, Hulver MW, Thoresen GH, Rustan AC, Smith SR. Remodeling lipid metabolism and improving insulin responsiveness in human primary myotubes. PLoS One. 2011;6(7):e21068. IF = 4,411