Het waarnemen van prebiotische koolhydraten in de darm via smaakreceptoren: rol in de voedselopname.

De prevalentie van obesitas blijft toenemen en is geassocieerd met comorbiditeiten zoals type 2 diabetes. Gewichtstoename is vaak te wijten aan een te hoge calorische inname en/of te lage fysieke activiteit. Hiernaast is ons voedselconsumptiepatroon over de laatste decennia sterk veranderd waarbij het toegenomen verbruik van frisdranken en andere met suiker gezoete dranken een belangrijke bijdrage levert aan de obesitas epidemie. Bijgevolg worden niet calorische zoetstoffen meer en meer gebruikt als een middel om gewichtsverlies te bekomen door de hoeveelheid suiker in de maaltijden te vervangen zonder aan smaak in te boeten. Naast deze niet calorische zoetstoffen worden laag calorische prebiotische zoetstoffen (oligofructose; OFS) voorgesteld als functionele voedingsstoffen die het vetmetabolisme en de energiehuishouding kunnen beïnvloeden via hun fermentatieproducten, de korteketenvetzuren. Wanneer veranderingen in voedingsgewoonten niet voldoende zijn in de strijd tegen obesitas, kan een farmacologische behandeling toegevoegd worden. De nevenwerkingen en beperkte efficiëntie van deze geneesmiddelen benadrukken echter de nood aan nieuwe therapeutische strategieën. Het gastro-intestinaal stelsel is een voor de hand liggend doelwit voor nieuwe anti-obesitas strategieën aangezien het de vrijstelling coördineert van maag-darmhormonen, zoals het ‘hongerhormoon’ ghreline en de verzadigingshormonen GLP-1 en PYY, die onze energieopname- en verbruik regelen. Het herstellen van postprandiale plasmawaarden van maag-darmhormonen (ghreline, GLP-1 en PYY), die ontregeld zijn in de obese populatie, kan een belangrijke rol spelen in de metabole veranderingen na bariatrische chirurgie zoals Roux-en-Y maagbypass (RYGB). RYGB is een invasieve chirurgische techniek die gepaard gaat met een sterk verhoogde vrijstelling van GLP-1 en PYY. Het farmacologisch nabootsen van deze gewijzigde plasmawaarden van maag-darmhormonen kan een waardevol niet invasief alternatief zijn voor RYGB. De grootte van de postprandiale vrijstelling van maag-darmhormonen hangt af van de samenstelling van de maaltijd. Verschillende smaakreceptoren (zoet, umami, bitter en vetzuren) en het smaak G-proteïne, α-gustducine, zijn niet enkel aanwezig op de smaakpapillen op de tong, maar ook op entero-endocrine cellen (EEC) in het maag-darmstelsel en kunnen daar mogelijks de vrijstelling van maag-darmhormonen afstellen op de samenstelling van de maaltijd. De fysiologische rol van deze smaakreceptoren op EEC is echter nog niet volledig achterhaald.

In dit doctoraatsproject werd nagegaan of zoetsmaakreceptoren (TAS1R2-TAS1R3) gekoppeld aan gustducine een rol spelen in het waarnemen van koolhydraten en zoetstoffen door de ghrelinecel. Vervolgens werd nagegaan of intragastrische supplementatie van artificiële (sucralose) of prebiotische (oligofructose) zoetstoffen de nadelige effecten van een hoogvetdieet kunnen voorkomen door maag-darmhormonen vrij te stellen na activatie van gustducine-gekoppelde smaakreceptoren. Ten slotte onderzochten we of het omleiden van nutriënten na RYGB een effect heeft op gustducine-gemedieerde signaalwegen en of deze bijdragen tot de metabole veranderingen en fysiologische aanpassingen van de darm na RYGB.

In het eerste deel van dit doctoraatsproject werd, in drie verschillende experimentele modellen (een ghrelinoma cellijn, intestinale segmenten van muizen en in vivo experimenten) nagegaan, of gustducine-gekoppelde zoetsmaakreceptoren een rol spelen in het waarnemen van zoetstoffen door de ghrelinecel.

De suiker D-glucose en het prebiotische koolhydraat OFS doen de ghrelinevrijstelling in een gastrische ghrelinoma cellijn dalen bij concentraties die fysiologisch zijn aan de postprandiale luminale inhoud, terwijl een suprafysiologische concentratie (200mM) van de artificiële zoetstof sucralose de ghrelinevrijstelling in dit model doet stijgen. Door farmacologische inhibitoren te gebruiken toonden we aan dat noch activatie van de zoetsmaakreceptor, noch glucose transport (via SGLT-1, de GLUT familie) een rol spelen in het effect van D-glucose, OFS of sucralose op de ghrelinevrijstelling in de ghrelinoma cellijn. Het effect van glucose en zoetstoffen op de ghrelinevrijstelling van segmenten van de maag (bevat enkel de TAS1R3 subeenheid) en jejunum (bevat zowel de TAS1R2 als de TAS1R3 subeenheid) van zowel WT als α-gust-/-muizen was gelijkaardig aan deze bekomen in de ghrelinoma cellijn. Deze bevinding duidt erop dat het effect van D-glucose, OFS en sucralose op ghrelinevrijstelling niet afhankelijk is van α-gustducine, noch regiospecifiek is en bijgevolg niet gemedieerd is via het aan α-gustducine-gekoppelde TAS1R2-TAS1R3 heterodimeer. Intragastrische, maar niet intraveneuze, toediening van D-glucose veroorzaakte een daling van de plasma ghrelinewaarden van WT en α-gust-/- muizen. Hieruit kunnen we concluderen dat het waarnemen van D-glucose door de ghrelinecel gepolariseerd is en aan de luminale zijde van de X/A cel gebeurt. Aan concentraties met een gelijk zoetgehalte veroorzaakte noch OFS noch sucralose na intragastrische toediening een wijziging in de ghrelinewaarden van WT of α-gust-/- muizen. Deze studie toont aan dat activatie van gustducine-gekoppelde zoetreceptoren geen functionele rol speelt in het effect van zoetstoffen op ghrelinevrijstelling. In tegenstelling tot de in vitro resultaten kan enkel D-glucose, maar niet OFS of sucralose, de ghrelinevrijstelling in vivo beïnvloeden.

In een tweede deel van deze thesis bestudeerden we of dagelijkse intragastrische toediening van equizoete concentraties van een artificiële (sucralose) of prebiotische (oligofructose) zoetstof gedurende 8 weken, het nadelige effect van een hoogvetdieet op lichaamsgewicht, type 2 diabetes en darmpermeabiliteit kan voorkomen via activatie van smaakreceptoren gekoppeld aan α-gustducine. Hiervoor werden WT en α-gust-/- muizen gebruikt. De artificiële zoetstof sucralose had geen effect op de vrijstelling van de maag-darmhormonen, noch voorkwam het de toename in lichaamsgewicht of de ontwikkeling van type 2 diabetes geïnduceerd door het hoogvetdieet. Desalniettemin deed een éénmaal dagelijkse toediening van OFS (300mg/dag) gedurende 8 weken de toename van lichaamsgewicht, geïnduceerd door een hoogvetdieet, met 20% afnemen, zonder de glucose homeostase te verbeteren. Dit effect ging niet gepaard met een gedaalde voedselinname. Verder induceerde OFS een gelijkaardig maar vertraagd effect op de toename in lichaamsgewicht in α-gust-/- muizen. Dit wijst erop dat de gustducine-gemedieerde signaalweg geen belangrijke rol speelt in dit effect. OFS toediening beïnvloedde de plasmawaarden van het ‘hongerhormoon’ ghreline en het ‘verzadigingshormoon’ PYY niet, maar deed de plasmawaarden van het ‘verzadigingshormoon’ GLP-1 dalen in WT muizen. Een daling in verzadigingshormoon kan echter het lager lichaamsgewicht na OFS supplementatie niet verklaren.

Daarboven hadden noch OFS noch sucralose een effect op de mRNA expressie van de TAS1R2 of TAS1R3 subeenheid van de zoetsmaakreceptor doorheen het maag-darmstelsel. OFS supplementatie veroorzaakte een daling in het acetaat en butyraat gehalte in het caecum en in de mRNA expressie van de korteketenvetzuurreceptoren, FFAR2/3, in het colon. Daarentegen werd de mRNA expressie van de FFAR2 in het vetweefsel verhoogd. Deze resultaten suggereren dat niet zoetreceptoractivatie, maar wel de toegenomen opname van korteketenvetzuren en hun interactie met FFAR2/3 in perifeer vetweefsel adipogenese kan reduceren om alzo een daling (60%) in vetmassa te induceren. Daarboven verbeterde OFS de gestegen permeabiliteit in het colon, onafhankelijk van smaakreceptoren gekoppeld aan α-gustducine.

Deze studie toont aan dat, ondanks de tegenstrijdige resultaten in het onderzoeksveld, artificiële zoetstoffen toch metabool inert zijn. Daarnaast beïnvloedde noch OFS noch sucralose de mRNA expressieniveaus van TAS1R2 of TAS1R3. Daarentegen beïnvloedde OFS supplementatie wel de FFAR2/3 mRNA expressieniveaus in het maag-darmstelsel en in het vetweefsel. Hieruit kunnen we concluderen dat niet sucralose, maar OFS en voornamelijk de geproduceerde korteketenvetzuren interessante metabolieten zijn die mogelijks een voordelig effect op lichaamsgewicht kunnen hebben.

In het derde deel van dit doctoraatsproject onderzochten we de rol van de gustducine-gemedieerde signaalweg in de metabole veranderingen en intestinale wijzigingen na RYGB in obese WT en α-gust-/- muizen. RYGB deed het lichaamsgewicht van WT en α-gust-/- muizen dalen. Daarnaast induceerde pair-feeding dezelfde verbetering in bloed glucose en plasma insuline profielen als RYGB, na een orale glucosetolerantietest. Dit duidt erop dat de gedaalde voedselinname na RYGB verantwoordelijk is voor de verbeterde glucose homeostase. Daarboven waren α-gust-/- muizen gedeeltelijk beschermd tegen het diabetogeen effect van een hoogvet-hoogsuikerdieet, wat het belang van de gustatorische signaaltransductieweg in de glucosehomeostase onderlijnt. RYGB verhoogde de plasmawaarden van GLP-1 in beide genotypes en van PYY enkel in de α-gust-/- muizen. De plasmawaarden van ghreline waren niet beïnvloed. Het mechanisme achter de postoperatieve veranderingen in de plasma waarden van deze maag-darmhormonen leek echter te verschillen tussen de WT en α-gust-/- muizen.

In WT muizen verhoogden nutriënten via gustducine-gemedieerde signaalwegen de L-cel differentiatie (in de Roux limb, het deel van de darm dat in contact komt met meer onverteerd voedsel) en het aantal L-cellen (in de Roux limb en distale deel van de darm) na RYGB in een regio-afhankelijke manier. Deze veranderingen waren niet gecorreleerd met veranderingen in mRNA niveaus van de nutriënt sensoren in de Roux limb, noch met wijzigingen in de bacteriële fermentatie in het caecum van WT muizen. In tegenstelling tot de WT muizen, vertoonden α-gust-/- muizen geen veranderingen in het aantal of de differentiatie van de L-cellen in de Roux limb van het colon. Desalniettemin verhoogde RYGB de mRNA niveaus van de glucosetranssporters (SGLT1 en GLUT2) en de proteïnesensor (LPAR5) in de proximale darm van α-gust-/- muizen. Verder veranderde RYGB de bacteriële fermentatie in het caecum van α-gust-/- muizen, die verhoogde butyraat en propionaat niveaus vertoonden in vergelijking met WT muizen. Dit resulteerde in gedaalde FFAR2/3 mRNA niveaus in het colon van α-gust-/- muizen. Deze resultaten suggereren dat de verandering in het aantal en de differentiatie van L-cellen verantwoordelijk kunnen zijn voor de gestegen plasmawaarden van GLP-1 in WT muizen. In α-gust-/- muizen zal eerder de gewijzigde waarneming in de signaalweg van nutriënten in de proximale darm en de veranderde bacteriële fermentatie en korteketenvetzuur signaalweg in de distale darm de gestegen plasma GLP-1 en PYY waarden in dit genotype verklaren.

Tenslotte speelt de gustducine-gemedieerde signaalweg een rol spelen in het toegenomen ionentransport in de proximale darm, maar niet in de verbeterde darmpermeabiliteit in het colon na RYGB.

Samenvattend suggereren onze resultaten dat de gustducine-gemedieerde signaalweg geen belangrijke rol speelt in de metabole veranderingen na RYGB. Desalniettemin activeert RYGB wel verschillende regulatorische systemen waarin de gustatorische signaalweg een rol speelt. Verder toont deze studie aan dat nutriënten niet enkel kunnen dienen als brandstof, maar na RYGB ook een aantal fysiologische processen kunnen regelen zoals het afstemmen van de secretie van maag-darmhormonen, welke het resultaat is van multifactoriële intestinale veranderingen in de darm. Het is belangrijk op te merken dat deze maag-darmhormonen kunnen bijdragen tot de metabole veranderingen na een RYGB operatie.

In conclusie suggereren onze studies dat de zoetsmaakreceptor signaalweg geen belangrijke rol speelt in het waarnemen van koolhydraten of zoetstoffen door de ghreline cel. Verder gaat het in vivo beïnvloeden van zoetsmaakreceptoren op EEC, door gastrische toediening van zoetstoffen gedurende verschillende weken, niet bijdragen tot de preventie van obesitas en type 2 diabetes. Prebiotische zoetstoffen lijken echter veelbelovend te zijn aangezien hun fermentatieprodukten de korteketenvetzuurreceptoren kunnen activeren. Op lange termijn lijkt het effect van deze korteketenvetzuren op de vrijstelling van maag-darmhormonen geen belangrijke rol te spelen in de ontwikkeling van obesitas, maar hun capaciteit om vetzuurreceptoren op het vetweefsel te activeren kan relevant zijn. Tenslotte speelt de gustducine-gemedieerde signaalweg geen rol in het effect van RYGB op de energie-en glucose homeostase, alhoewel maag-darmhormonen hier mogelijks wel een rol in kunnen spelen.