Studie van androgeeneffecten op skeletale spier door inactivering van de androgeenreceptor in weefselspecifieke progenitorcellen.

Androgenen zijn steroïdhormonen die bij de man voornamelijk afgescheiden worden door de testes. Het voornaamste gonadale androgeen is testosteron (T). In perifere weefsels kan T door 5α-reductase enzymen worden omgezet naar het potentere androgeen 5α-dihydrotestosteron (DHT), dat net zoals T zal zorgen voor activatie van de androgeenreceptor (AR). Daarenboven kan T door inwerking van het aromatase enzymcomplex tevens omgezet worden naar 17β-estradiol (E2), dat de oestrogeenreceptors α en β activeert (ERα/β). AR en ERα/β zijn beide ligand-induceerbare transcriptiefactoren die specifieke DNA sequenties binden teneinde de transcriptie van hun respectievelijke doelgenen te vergemakkelijken. Androgenen zijn van belang voor de ontwikkeling en het onderhoud van de mannelijke geslachtskenmerken. Daarenboven hebben ze een anabole werking op verschillende extragenitale structuren waaronder de skeletspier. Tevens oefenen ze metabole effecten uit. In deze thesis werden de androgeeneffecten op skeletspier en metabolisme van naderbij bekenen.

Verlies van spiermassa en -functie is een belangrijke oorzaak van invaliditeit bij ouderen evenals bij geïmmobiliseerde patiënten. Spierzwakte is bovendien een veelvoorkomende eigenschap in het verloop van verschillende chronische ziektes. Androgenen zouden mogelijks aangewend kunnen worden in deze patiëntengroepen, aangezien T toediening geassocieerd is met een toename van spiermassa en -kracht. De mechanismen van androgeenactie in spier evenals de effecten op andere organen zijn echter onvoldoende gekend, hetgeen een beperkende factor vormt voor hun klinische gebruik. Het eerste deel van dit project had dan ook tot doel de androgeenrespons in skeletspier te verduidelijken en de signaalwegen te bestuderen die aan de basis liggen van hun anabole effecten. Daartoe werd een nieuw muismodel ontwikkeld waarbij de AR werd geïnactiveerd in de spierstamcellen, de zogenaamde satellietcellen (satARKO = satellietcel-specifieke knockout van de AR). Maximale grijpkracht was verlaagd in satARKO muizen. De soleusspier vertoonde een verschuiving van type IIa naar type I spiervezels. Bovendien was de massa van de perineale levator ani (LA) spier drastisch verminderd. Samengevat is de AR in spier van belang voor de regulatie van spiermassa, spierkracht en spiervezelverdeling. Castratie zorgde voor een bijkomende afname in LA massa in satARKO muizen. Dit suggereert dat androgeenactie in spier tevens onrechtstreeks tot stand komt via spier AR-onafhankelijke wegen. Teneinde de doelgenen te identificeren die de anabole effecten van androgenen mediëren, werd een transcriptoomanalyze uitgevoerd op LA spier van satARKO en controle muizen. Verbazingwekkend behoorde myostatin (Mstn), een krachtige endogene spiergroeiremmer, tot de meest androgeengeregelde genen (6-maal verlaagd in satARKO). Twee geconserveerde androgeenresponselementen weren vervolgens geïdentificeerd in de promotor en in exon 2 van het Mstn gen, wijzend op rechtstreekse transcriptie-activatie door de AR. Bijgevolg was de spierhypertrofie in respons op androgeenbehandeling meer uitgesproken in Mstn knockout muizen. Androgenen zouden dus Mstn signalisatie induceren als compensatiemechanisme om hun anabole effect in te tomen. De mogelijkheid dat Mstn inhibitoren de androgeenrespons zouden verhogen bij de behandeling van spierzwakte is dan ook de klinische implicatie van onze bevindingen.

Zorgen in verband met nevenwerkingen van T op het cardiovasculaire systeem en de prostaat hebben geleid tot de ontwikkeling van weefselselectieve AR-liganden, de zogenaamde selectieve AR modulatoren (SARMs). Deze stoffen zouden hun weefselselectiviteit te danken hebben aan hun niet-steroïdale structuur die omzetting tot DHT onmogelijk maakt. De wijze waarop SARMs spierhypertrofie induceren is echter niet volledig opgehelderd. Het tweede deel van dit project omvatte dan ook de studie van de werkingsmechanismen van SARMs. Hierbij werd gefocust op GTx-024, een component waarvan is aangetoond dat hij spiermassa verhoogt bij ouderen en bij kankerpatiënten met spierzwakte. In gecastreerde satARKO muizen was GTx-024 nog steeds in staat om LA massa te herstellen. Dit suggereert dat GTx-024 effecten op spier deels onrechtstreeks tot stand komen via spier AR-onafhankelijke wegen. Het mRNA niveau van Mstn en Amd1, twee genen waarvan de expressie sterk gedaald is in satARKO spier, werd genormaliseerd in gecastreerde controledieren behandeld met GTx-024. Dit wijst erop dat de spier AR een rol speelt in GTx-024 actie. Bijgevolg kan besloten worden dat de SARM GTx-024, net als androgenen, via een tweeledig mechanisme anabole effecten uitoefent in spier: enerzijds rechtstreeks via spier AR activatie en anderzijds onrechtstreeks via spier AR-onafhankelijke wegen.

Obesitas is een risicofactor voor de ontwikkeling van metabool syndroom en de verwikkelingen ervan, waaronder type 2 diabetes (T2D). Lage T serumspiegels zijn geassocieerd met obesitas, metabool syndroom en T2D, maar het oorzakelijke verband en de mechanismen van deze associatie zijn onduidelijk. In het derde deel van dit project werden de effecten in kaart gebracht van de combinatie van androgeendeficiëntie en vetrijk dieet (VRD) op lichaamssamenstelling en glucose homeostase in twee verschillende muismodellen: castratie en globale deletie van de AR. Androgeendeficiëntie leidde tot toegenomen vetlijvigheid en leptine serumspiegels in VRD-gevoede muizen. Vettoename was gecorreleerd met verhoogde lipogenese en verlaagde lipolyse. Een verminderde mitochondriale DNA gehalte en expressie van het mitochondriale gen mtNd1 werden vastgesteld in vetweefsel van gecastreerde VRD-gevoede muizen, erop wijzend dat mitochondriale verstoring in vetcellen eveneens zou kunnen bijdragen. Castratie vergrootte de VRD-geïnduceerde glucose-intolerantie door de insulinewerking ter hoogte van lever en spier te verzwakken. Dit bleek uit het toegenomen triglyceridengehalte en het afgenomen glycogeengehalte in deze organen. Pancreatische insulinsecretie was eveneens aangetast. De metabole veranderingen waargenomen in de androgeendeficiënte VRD-gevoede dieren waren vooral te wijten aan de daarmee gepaard gaande oestrogeendeficiëntie, aangezien T maar niet DHT behandeling de effecten van castratie op lichaamssamenstelling, leptine serumspiegels, glucosetolerantie en pancreatische insulinesecretie herstelde. Onze bevindingen hebben implicaties voor de preventie en behandeling van de metabole verwikkelingen van mannelijk hypogonadisme. Substitutie met aromatizeerbare androgenen zou namelijk te verkiezen zijn boven niet-aromatizeerbare androgenen, vermits DHT of een SARM de metabole complicaties te wijten aan oestrogeendeficiëntie niet zouden herstellen.