Integration von Metabolomik und Transkriptomik enthüllt wichtige Stoffwechselwege und potenzielle Biomarker bei alternden Mäusen mit Typ-2-Diabetes mellitus
Altern ist ein natürlicher biologischer Prozess, der zu signifikanten Veränderungen der metabolischen Kapazität des Menschen führt. Unter den verschiedenen mit dem Altern assoziierten Stoffwechselstörungen stellt das metabolische Syndrom einen kritischen Faktor für die Entstehung von Typ-2-Diabetes mellitus (T2DM) dar. In den letzten Jahren hat sich T2DM zu einer der zehn häufigsten Todesursachen weltweit entwickelt. Bemerkenswert ist, dass über 25 % der Personen ab 65 Jahren von T2DM betroffen sind. Die Leber als zentrales Stoffwechselorgan spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der metabolischen Homöostase. Stoffwechselstörungen in der Leber sind eng mit der Pathogenese von T2DM verknüpft. Dennoch gibt es nur begrenzte Forschung zu hepatischen Stoffwechselstörungen bei älteren T2DM-Patienten. Daher ist die Untersuchung des Leberstoffwechsels bei alternden Individuen mit T2DM mithilfe moderner Omics-Technologien von großer Bedeutung. Diese Studie kombiniert Metabolomik und Transkriptomik, um spezifische Metaboliten und Gene zu identifizieren, die in der Leber alternder Mäuse mit T2DM verändert sind, und liefert damit eine theoretische Grundlage für die Behandlung älterer T2DM-Patienten.
Für die Studie wurden zehn 8 Wochen alte und zwanzig 20 Wochen alte männliche Kunming (KM)-Mäuse aus dem spezifiziert pathogenfreien (SPF) Labor der Gansu University of Chinese Medicine bezogen. Die 8 Wochen alten Mäuse wurden der Junggruppe zugeordnet, während die 20 Wochen alten Tiere randomisiert in eine nicht-diabetische Alterungsgruppe und eine Alterungsgruppe mit T2DM (jeweils n = 10) eingeteilt wurden. Die Junggruppe und die nicht-diabetische Alterungsgruppe erhielten Standardfutter, während die T2DM-Gruppe 28 Tage lang eine kohlenhydrat- und fettreiche Diät erhielt. Ab dem 29. Tag wurden der T2DM-Gruppe drei Tage lang täglich 70 mg/kg Streptozotocin (STZ) injiziert, um Diabetes zu induzieren; die Kontrollgruppen erhielten physiologische Kochsalzlösung. Sieben Tage nach der letzten STZ-Injektion wurden Blutproben entnommen und die Mäuse durch Zervikaldislokation euthanasiert. Alle Experimente erfolgten gemäß den Richtlinien der Ethikkommission der Gansu University of Chinese Medicine.
Körpergewicht, Futteraufnahme und Wasserkonsum wurden alle zwei Tage gemessen. Eine Woche nach der letzten STZ-Injektion zeigten die T2DM-Mäuse Symptome von Polydipsie, Polyphagie und reduzierter Gewichtszunahme bzw. Gewichtsverlust. Der Nüchternblutzucker lag bei über 20 mmol/L und überschritt damit den klinischen Diagnoseschwellenwert für Diabetes, was die erfolgreiche Etablierung des T2DM-Modells bestätigte.
Lebergewebe wurde fixiert, in Paraffin eingebettet und mittels Hämatoxylin-Eosin (H&E)- sowie Periodsäure-Schiff (PAS)-Färbung analysiert. H&E-Färbung zeigte intakte Hepatozyten in der Junggruppe, leichte Schwellungen in der nicht-diabetischen Alterungsgruppe und stark geschwollene, disorganisierte Zellen mit kollabierter Zentralvene in der T2DM-Gruppe. PAS-Färbung wies auf eine massive Glykogenanreicherung in der T2DM-Gruppe hin, während die anderen Gruppen normale Glykogenspeicherung aufwiesen.
Zur Analyse der metabolischen Profile wurde Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-Quadrupol-Time-of-Flight-Massenspektrometrie (HPLC-Q-TOF-MS) eingesetzt. Die Datenauswertung mittels PLS-DA und OPLS-Ansätzen (SIMCA-P 14.1) ergab signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen. Hierarchische Clusteranalyse identifizierte 64 signifikant veränderte Metaboliten. Pathway-Analysen (MetPA) deckten 39 veränderte Stoffwechselwege auf, darunter Störungen im Glukose-, Lipid- und Aminosäurestoffwechsel.
Transkriptomanalysen (GeneSpring V13.0) zeigten 2486 herunter- und 3131 hochregulierte mRNAs in der T2DM-Gruppe. KEGG-Enrichment-Analyse (KOBAS) identifizierte 57 signifikant angereicherte Signalwege. Die Integration von Metabolomik- und Transkriptomikdaten (IMPaLA-Tool) ergab 31 gemeinsame Pathways, darunter 13 stoffwechselrelevante und 6 krankheitsassoziierte Wege. Besonders hervorzuheben sind Veränderungen in Kohlenhydrat-, Lipid- und Aminosäurestoffwechsel sowie Insulinresistenz-Signalwegen.
Zusammenfassend liefert diese Studie eine umfassende Analyse der metabolischen und molekularen Veränderungen in der Leber alternder Mäuse mit T2DM. Die Integration multiomischer Daten unterstreicht die zentrale Rolle von Stoffwechselstörungen und Insulinresistenz in der T2DM-Pathogenese bei Alterung. Diese Erkenntnisse bieten potenzielle therapeutische Angriffspunkte für die Behandlung älterer T2DM-Patienten, bedürfen jedoch weiterer klinischer Validierung.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000001554