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We recently demonstrated that the sympathetic nervous system can be voluntarily activated following a training program consisting of cold exposure, breathing exercises, and meditation. This resulted in profound attenuation of the systemic inflammatory response elicited by lipopolysaccharide (LPS) administration. Herein, we assessed whether this training program affects the plasma metabolome and if these changes are linked to the immunomodulatory effects observed. A total of 224 metabolites were identified in plasma obtained from 24 healthy male volunteers at six timepoints, of which 98 were significantly altered following LPS administration. Effects of the training program were most prominent shortly after initiation of the acquired breathing exercises but prior to LPS administration, and point towards increased activation of the Cori cycle. Elevated concentrations of lactate and pyruvate in trained individuals correlated with enhanced levels of anti-inflammatory interleukin (IL)-10. In vitro validation experiments revealed that co-incubation with lactate and pyruvate enhances IL-10 production and attenuates the release of pro-inflammatory IL-1 beta and IL-6 by LPS-stimulated leukocytes. Our results demonstrate that practicing the breathing exercises acquired during the training program results in increased activity of the Cori cycle. Furthermore, this work uncovers an important role of lactate and pyruvate in the anti-inflammatory phenotype observed in trained subjects.
We recently demonstrated that the sympathetic nervous system can be voluntarily activated following a training program consisting of cold exposure, breathing exercises, and meditation. This resulted in profound attenuation of the systemic inflammatory response elicited by lipopolysaccharide (LPS) administration. Herein, we assessed whether this training program affects the plasma metabolome and if these changes are linked to the immunomodulatory effects observed. A total of 224 metabolites were identified in plasma obtained from 24 healthy male volunteers at six timepoints, of which 98 were significantly altered following LPS administration. Effects of the training program were most prominent shortly after initiation of the acquired breathing exercises but prior to LPS administration, and point towards increased activation of the Cori cycle. Elevated concentrations of lactate and pyruvate in trained individuals correlated with enhanced levels of anti-inflammatory interleukin (IL)-10. In vitro validation experiments revealed that co-incubation with lactate and pyruvate enhances IL-10 production and attenuates the release of pro-inflammatory IL-1 beta and IL-6 by LPS-stimulated leukocytes. Our results demonstrate that practicing the breathing exercises acquired during the training program results in increased activity of the Cori cycle. Furthermore, this work uncovers an important role of lactate and pyruvate in the anti-inflammatory phenotype observed in trained subjects.
Interplay of Dietary Fatty Acids and Cholesterol Impacts Brain Mitochondria and Insulin Action
(2020)
Overconsumption of high-fat and cholesterol-containing diets is detrimental for metabolism and mitochondrial function, causes inflammatory responses and impairs insulin action in peripheral tissues. Dietary fatty acids can enter the brain to mediate the nutritional status, but also to influence neuronal homeostasis. Yet, it is unclear whether cholesterol-containing high-fat diets (HFDs) with different combinations of fatty acids exert metabolic stress and impact mitochondrial function in the brain. To investigate whether cholesterol in combination with different fatty acids impacts neuronal metabolism and mitochondrial function, C57BL/6J mice received different cholesterol-containing diets with either high concentrations of long-chain saturated fatty acids or soybean oil-derived poly-unsaturated fatty acids. In addition, CLU183 neurons were stimulated with combinations of palmitate, linoleic acid and cholesterol to assess their effects on metabolic stress, mitochondrial function and insulin action. The dietary interventions resulted in a molecular signature of metabolic stress in the hypothalamus with decreased expression of occludin and subunits of mitochondrial electron chain complexes, elevated protein carbonylation, as well as c-Jun N-terminal kinase (JNK) activation. Palmitate caused mitochondrial dysfunction, oxidative stress, insulin and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) resistance, while cholesterol and linoleic acid did not cause functional alterations. Finally, we defined insulin receptor as a novel negative regulator of metabolically stress-induced JNK activation.
Interplay of Dietary Fatty Acids and Cholesterol Impacts Brain Mitochondria and Insulin Action
(2020)
Overconsumption of high-fat and cholesterol-containing diets is detrimental for metabolism and mitochondrial function, causes inflammatory responses and impairs insulin action in peripheral tissues. Dietary fatty acids can enter the brain to mediate the nutritional status, but also to influence neuronal homeostasis. Yet, it is unclear whether cholesterol-containing high-fat diets (HFDs) with different combinations of fatty acids exert metabolic stress and impact mitochondrial function in the brain. To investigate whether cholesterol in combination with different fatty acids impacts neuronal metabolism and mitochondrial function, C57BL/6J mice received different cholesterol-containing diets with either high concentrations of long-chain saturated fatty acids or soybean oil-derived poly-unsaturated fatty acids. In addition, CLU183 neurons were stimulated with combinations of palmitate, linoleic acid and cholesterol to assess their effects on metabolic stress, mitochondrial function and insulin action. The dietary interventions resulted in a molecular signature of metabolic stress in the hypothalamus with decreased expression of occludin and subunits of mitochondrial electron chain complexes, elevated protein carbonylation, as well as c-Jun N-terminal kinase (JNK) activation. Palmitate caused mitochondrial dysfunction, oxidative stress, insulin and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) resistance, while cholesterol and linoleic acid did not cause functional alterations. Finally, we defined insulin receptor as a novel negative regulator of metabolically stress-induced JNK activation.
Weltweit sind fast 40 % der Bevölkerung übergewichtig und die Prävalenz von Adipositas, Insulinresistenz und den resultierenden Folgeerkrankungen wie dem Metabolischen Syndrom und Typ-2-Diabetes steigt rapide an. Als häufigste Ursachen werden diätetisches Fehlverhalten und mangelnde Bewegung angesehen. Die nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD), deren Hauptcharakteristikum die exzessive Akkumulation von Lipiden in der Leber ist, korreliert mit dem Body Mass Index (BMI). NAFLD wird als hepatische Manifestation des Metabolischen Syndroms angesehen und ist inzwischen die häufigste Ursache für Leberfunktionsstörungen. Die Erkrankung umfasst sowohl die benigne hepatische Steatose (Fettleber) als auch die progressive Form der nicht-alkoholischen Steatohepatitis (NASH), bei der die Steatose von Entzündung und Fibrose begleitet ist. Die Ausbildung einer NASH erhöht das Risiko, ein hepatozelluläres Karzinom (HCC) zu entwickeln und kann zu irreversibler Leberzirrhose und terminalem Organversagen führen. Nahrungsbestandteile wie Cholesterol und Fett-reiche Diäten werden als mögliche Faktoren diskutiert, die den Übergang einer einfachen Fettleber zur schweren Verlaufsform der Steatohepatitis / NASH begünstigen. Eine Ausdehnung des Fettgewebes wird von Insulinresistenz und einer niedrig-gradigen chronischen Entzündung des Fettgewebes begleitet. Neben Endotoxinen aus dem Darm gelangen Entzündungsmediatoren aus dem Fettgewebe zur Leber. Als Folge werden residente Makrophagen der Leber, die Kupfferzellen, aktiviert, die eine Entzündungsantwort initiieren und weitere pro-inflammatorische Mediatoren freisetzen, zu denen Chemokine, Cytokine und Prostanoide wie Prostaglandin E2 (PGE2) gehören. In dieser Arbeit soll aufgeklärt werden, welchen Beitrag PGE2 an der Ausbildung von Insulinresistenz, hepatischer Steatose und Entzündung im Rahmen von Diät-induzierter NASH im komplexen Zusammenspiel mit der Regulation der Cytokin-Produktion und anderen Co-Faktoren wie Hyperinsulinämie und Hyperlipidämie hat. In murinen und humanen Makrophagen-Populationen wurde untersucht, welche Faktoren die Bildung von PGE2 fördern und wie PGE2 die Entzündungsantwort aktivierter Makrophagen reguliert. In primären Hepatozyten der Ratte sowie in isolierten humanen Hepatozyten und Zelllinien wurde der Einfluss von PGE2 allein und in Kombination mit Cytokinen, deren Bildung durch PGE2 beeinflusst werden kann, auf die Insulin-abhängige Regulation des Glucose- und Lipid-stoffwechsels untersucht. Um den Einfluss von PGE2 im komplexen Zusammenspiel der Zelltypen in der Leber und im Gesamtorganismus zu erfassen, wurden Mäuse, in denen die PGE2-Synthese durch die Deletion der mikrosomalen PGE-Synthase 1 (mPGES1) vermindert war, mit einer NASH-induzierenden Diät gefüttert. In Lebern von Patienten mit NASH oder in Mäusen mit Diät-induzierter NASH war die Expression der PGE2-synthetisierenden Enzyme Cyclooxygenase 2 (COX2) und mPGES1 sowie die Bildung von PGE2 im Vergleich zu gesunden Kontrollen gesteigert und korrelierte mit dem Schweregrad der Lebererkrankung. In primären Makrophagen aus den Spezies Mensch, Maus und Ratte sowie in humanen Makrophagen-Zelllinien war die Bildung pro-inflammatorischer Mediatoren wie Chemokinen, Cytokinen und Prostaglandinen wie PGE2 verstärkt, wenn die Zellen mit Endotoxinen wie Lipopolysaccharid (LPS), Fettsäuren wie Palmitinsäure, Cholesterol und Cholesterol-Kristallen oder Insulin, das als Folge der kompensatorischen Hyperinsulinämie bei Insulinresistenz verstärkt freigesetzt wird, inkubiert wurden. Insulin steigerte dabei synergistisch mit LPS oder Palmitinsäure die Synthese von PGE2 sowie der anderen Entzündungsmediatoren wie Interleukin (IL) 8 und IL-1β. PGE2 reguliert die Entzündungsantwort: Neben der Induktion der eigenen Synthese-Enzyme verstärkte PGE2 die Expression der Immunzell-rekrutierenden Chemokine IL-8 und (C-C-Motiv)-Ligand 2 (CCL2) sowie die der pro-inflammatorischen Cytokine IL-1β und IL-6 in Makrophagen und kann so zur Verstärkung der Entzündungsreaktion beitragen. Außerdem förderte PGE2 die Bildung von Oncostatin M (OSM) und OSM induzierte in einer positiven Rückkopplungsschleife die Expression der PGE2-synthetisierenden Enzyme. Andererseits hemmte PGE2 die basale und LPS-vermittelte Bildung des potenten pro-inflammatorischen Cytokins Tumornekrosefaktor α (TNFα) und kann so die Entzündungsreaktion abschwächen. In primären Hepatozyten der Ratte und humanen Hepatozyten beeinträchtigte PGE2 direkt die Insulin-abhängige Aktivierung der Insulinrezeptor-Signalkette zur Steigerung der Glucose-Verwertung, in dem es durch Signalketten, die den verschiedenen PGE2-Rezeptoren nachgeschaltet sind, Kinasen wie ERK1/2 und IKKβ aktivierte und eine inhibierende Serin-Phosphorylierung der Insulinrezeptorsubstrate bewirkte. PGE2 verstärkte außerdem die IL-6- oder OSM-vermittelte Insulinresistenz und Steatose in primären Hepatozyten der Ratte. Die Wirkung von PGE2 im Gesamtorganismus sollte in Mäusen mit Diät-induzierter NASH untersucht werden. Die Fütterung einer Hochfett-Diät mit Schmalz als Fettquelle, das vor allem gesättigte Fettsäuren enthält, verursachte Fettleibigkeit, Insulinresistenz und eine hepatische Steatose in Wildtyp-Mäusen. In Tieren, die eine Hochfett-Diät mit Sojaöl als Fettquelle, das vor allem (ω-6)-mehrfach-ungesättigte Fettsäuren (PUFAs) enthält, oder eine Niedrigfett-Diät mit Cholesterol erhielten, war lediglich eine hepatische Steatose nachweisbar, jedoch keine verstärkte Gewichtszunahme im Vergleich zu Geschwistertieren, die eine Standard-Diät bekamen. Im Gegensatz dazu verursachte die Fütterung einer Hochfett-Diät mit PUFA-reichem Sojaöl als Fettquelle in Kombination mit Cholesterol sowohl Fettleibigkeit und Insulinresistenz als auch hepatische Steatose mit Hepatozyten-Hypertrophie, lobulärer Entzündung und beginnender Fibrose in Wildtyp-Mäusen. Diese Tiere spiegelten alle klinischen und histologischen Parameter der humanen NASH im Metabolischen Syndrom wider. Nur die Kombination von hohen Mengen ungesättigter Fettsäuren aus Sojaöl und Cholesterol in der Nahrung führte zu einer exzessiven Akkumulation des Cholesterols und der Bildung von Cholesterol-Kristallen in den Hepatozyten, die zur Schädigung der Mitochondrien, schwerem oxidativem Stress und schließlich zum Absterben der Zellen führten. Als Konsequenz phagozytieren Kupfferzellen die Zelltrümmer der Cholesterol-überladenen Hepatozyten, werden dadurch aktiviert, setzen Chemokine, Cytokine und PGE2 frei, die die Entzündungsreaktion verstärken und die Infiltration von weiteren Immunzellen initiieren können und verursachen so eine Progression zur Steatohepatitis (NASH). Die Deletion der mikrosomalen PGE-Synthase 1 (mPGES1), dem induzierbaren Enzym der PGE2-Synthese aus Cyclooxygenase-abhängigen Vorstufen, reduzierte die Diät-abhängige Bildung von PGE2 in der Leber. Die Fütterung der NASH-induzierenden Diät verursachte in Wildtyp- und mPGES1-defizienten Mäusen eine ähnliche Fettleibigkeit und Zunahme der Fettmasse sowie die Ausbildung von hepatischer Steatose mit Entzündung und Fibrose (NASH) im histologischen Bild. In mPGES1-defizienten Mäusen waren jedoch Parameter für die Infiltration von Entzündungszellen und die Diät-abhängige Schädigung der Leber im Vergleich zu Wildtyp-Tieren erhöht, was sich auch in einer stärkeren Diät-induzierten systemischen Insulinresistenz widerspiegelte. Die Bildung des pro-inflammatorischen und pro-apoptotischen Cytokins TNFα war in mPGES1-defizienten Mäusen durch die Aufhebung der negativen Rückkopplungshemmung verstärkt, was einen gesteigerten Diät-induzierten Zelluntergang gestresster Lipid-überladener Hepatozyten und eine nach-geschaltete Entzündungsantwort zur Folge hatte. Zusammenfassend wurde unter den gewählten Versuchsbedingungen in vivo eine anti-inflammatorische Rolle von PGE2 verifiziert, da das Prostanoid vor allem indirekt durch die Hemmung der TNFα-vermittelten Entzündungsreaktion die Schädigung der Leber, die Verstärkung der Entzündung und die Ausbildung von Insulinresistenz im Rahmen der Diät-abhängigen Fettlebererkrankung abschwächte.
Experimental studies have reported on the anti-inflammatory properties of polyphenols. However, results from epidemiological investigations have been inconsistent and especially studies using biomarkers for assessment of polyphenol intake have been scant. We aimed to characterise the association between plasma concentrations of thirty-five polyphenol compounds and low-grade systemic inflammation state as measured by high-sensitivity C-reactive protein (hsCRP). A cross-sectional data analysis was performed based on 315 participants in the European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition cohort with available measurements of plasma polyphenols and hsCRP. In logistic regression analysis, the OR and 95 % CI of elevated serum hsCRP (>3 mg/l) were calculated within quartiles and per standard deviation higher level of plasma polyphenol concentrations. In a multivariable-adjusted model, the sum of plasma concentrations of all polyphenols measured (per standard deviation) was associated with 29 (95 % CI 50, 1) % lower odds of elevated hsCRP. In the class of flavonoids, daidzein was inversely associated with elevated hsCRP (OR 0 center dot 66, 95 % CI 0 center dot 46, 0 center dot 96). Among phenolic acids, statistically significant associations were observed for 3,5-dihydroxyphenylpropionic acid (OR 0 center dot 58, 95 % CI 0 center dot 39, 0 center dot 86), 3,4-dihydroxyphenylpropionic acid (OR 0 center dot 63, 95 % CI 0 center dot 46, 0 center dot 87), ferulic acid (OR 0 center dot 65, 95 % CI 0 center dot 44, 0 center dot 96) and caffeic acid (OR 0 center dot 69, 95 % CI 0 center dot 51, 0 center dot 93). The odds of elevated hsCRP were significantly reduced for hydroxytyrosol (OR 0 center dot 67, 95 % CI 0 center dot 48, 0 center dot 93). The present study showed that polyphenol biomarkers are associated with lower odds of elevated hsCRP. Whether diet rich in bioactive polyphenol compounds could be an effective strategy to prevent or modulate deleterious health effects of inflammation should be addressed by further well-powered longitudinal studies.