Role of the carotid body in metabolic disturbances

Abstract

RESUMO:A resistência à insulina (IR) é uma condição patológica característica de doenças de elevada prevalência na atualidade, tais como a Síndrome Metabólica (MS) e a Diabetes Tipo 2 (T2D). Em associação com a obesidade, é uma das principais causas que leva ao desenvolvimento de distúrbios metabólicos e suas co-morbilidades, tais como a hipertensão arterial (HT), a dislipidemia e as doenças cardiovasculares. Atualmente, é consensual que a ativação crónica do sistema nervoso simpático desempenha um papel crucial no desenvolvimento da IR, no entanto, ainda permanece por esclarecer qual o mecanismo responsável pela sobreactivação crónica simpática nos distúrbios metabólicos. Na apneia obstrutiva do sono (OSA), um dos mecanismos que induz o desenvolvimento de HT centra-se na ativação do corpo carotideo (CB) e subsequente ativação do sistema nervoso simpático. Os CBs são os principais quimiorreceptores periféricos, localizados na bifurcação da artéria carótida comum (CCA), sendo sensíveis a variações na PO2 (hipóxia), PCO2 (hipercapnia), pH (acidose) e temperatura. Quando ativados, as células quimiorrecetoras (tipo I) respondem às variações de gases arteriais libertando neurotransmissores que ativam as terminações sensitivas do nervo do seio carotídeo (CSN). A atividade do CSN é integrada ao nível do tronco encefálico traduzindo-se num aumento da frequência respiratória (hiperventilação), assim como na normalização da pressão arterial através da ativação do sistema nervoso simpático. Nos últimos anos o CB foi proposto como um sensor de glucose, como tendo um papel na regulação da homeostasia energética, sugerindo desta maneira uma importância adicional fora do seu contexto clássico. A presente dissertação assenta em duas hipóteses de trabalho: 1) que uma sobre ativação crónica do CB está na génese do desenvolvimento de IR e HT, através da ativação do sistema nervoso simpático; e 2) que a insulina é um estímulo para ativação do CB, desempenhando a sua ação através dos canais dependentes de voltagem do subtipo 1.3 (Kv1.3) presentes nas células tipo I. Assim, o objetivo geral do presente trabalho foi estudar qual o papel do CB no desenvolvimento da IR e distúrbios metabólicos associados. No capítulo I são introduzidos conceitos gerais sobre a homeostasia da glucose, focando as patologias que têm por base a desregulação desta homeostasia, como a MS e a T2D. Foi também abordado neste capítulo a associação patológica entre o sistema nervoso simpático e as alterações metabólicas. Para além disso, descreveu-se de uma maneira breve os conceitos chave da função do CB, assim como os seus novos potenciais papéis fisiológicos. Por fim, a oxigeno terapia hiperbárica (HBOT) e as suas aplicações foram abordadas. No capítulo II encontram-se sumariados os objectivos do trabalho. No capítulo III estudou-se o papel do CB no desenvolvimento de IR e HT, utilizandose ratos Wistar submetidos a dois tipos de dietas hipercalóricas, a dieta enriquecida em lípidos (HF) para obtenção de um modelo de obesidade com IR e HT, e a dieta enriquecida em sacarose (HSu),para obter um modelo não obeso com IR e HT. Ambos os modelos patológicos foram comparados com ratos submetidos a uma dieta normocalórica. Observou-se que atividade do CB está aumentada nos modelos animais patológicos o que se traduziu num aumento da ventilação basal e da ventilação em resposta à hipóxia isquémica. Observou-se que a libertação de dopamina (DA) e a expressão da enzima tirosina hidroxilase (TH) no CB se encontram aumentadas nos ratos HF e HSu. Demonstrou-se também, que o CB está envolvido na génese da IR e da HT, uma vez que a desnervação crónica bilateral do CSN preveniu o desenvolvimento de IR e HT, da hiperglicemia e insulinemia em jejum, do aumento dos ácidos gordos livres (FFAs) e dos níveis das catecolaminas (CAs) circulantes e presentes na medula adrenal. Adicionalmente, constatou-se que a insulina ativa o CB sendo capaz de iniciar uma reposta neurosecretora avaliada pelo aumento do cálcio intracelular ([Ca2+]i) e pelo aumento da libertação de ATP e dopamina (DA) que se traduziu num aumento da ventilação espontânea. Observou-se também que a ação da insulina no CB ocorre via recetores de Insulina (InsR), uma vez que os InsR presentes no CB são fosforilados na presença de insulina. No capítulo IV foi investigado o papel dos canais Kv1.3, como mediadores da ação da insulina no CB. Neste capítulo descreveu-se a presença de correntes de K+ dependentes de voltagem sensíveis à insulina, que possuem um perfil farmacológico característico de canais Kv1.3, uma vez que a Margatoxina (MgTx) e o ShK-Dap22 (bloqueadores específicos dos canais Kv1.3) mimetizam a ação da insulina nestas correntes. Observouse por imunocitoquímica a presença de canais Kv1.3 nas células tipo I, sendo estes fosforilados na presença de insulina, o que sugere que a fosforilação é um dos mecanismos através do qual a insulina modula a atividade destes canais. Para além disso, constatou-se que os canais Kv1.3 estão envolvidos na resposta neurosecretora induzida pela insulina, visto que a MgTx mimetizou o efeito da insulina na libertação de DA do CB. No capítulo V encontra-se descrito o estudo clínico, no qual foi avaliado o efeito da HBOT na tolerância à glucose. Para tal, foram recrutados voluntários não diabéticos e com T2D com indicação para terapêutica com HBOT, no centro português de Medicina Subaquática e Hiperbárica e submetidos a 20 sessões de HBOT. Observou-se que a HBOT melhora a glicemia em jejum e a tolerância à glucose em doentes diabéticos, sem quaisquer alterações nos voluntários não diabéticos. Por fim, no capítulo VI efetuou-se uma discussão geral e integrada de maneira a posicionar o presente trabalho no contexto científico atual. Em conclusão, os dados apresentados neste trabalho clarificam o papel do CB na patogénese da IR e HT e sugerem que o CB pode ser um alvo terapêutico promissor para intervenção na T2D, MS e OSA.

ABSTRACT: Insulin Resistance (IR) is a pathogenic feature present in highly prevalent diseases, like metabolic syndrome (MS) and Type 2 Diabetes (T2D). Together with obesity they are the major causes that predispose and/or trigger metabolic dysfunctions that contribute to the development metabolic disturbances and related comorbidities, such as, hypertension (HT), dyslipidemia and other cardiovascular diseases. It is now becoming consensual that chronic sympathetic nervous system activation plays a role in the development of IR, however the mechanisms leading to its sustained activation in metabolic disturbances are still unknown. In obstructive sleep apnea (OSA) several reports have linked HT and the increased sympathetic nervous system activity with the overactivation of carotid body (CB). The CB is a major peripheral chemoreceptor organ that sense changes in blood O2, (hypoxia) CO2, (hypercapnia) and pH levels (acidosis). Hypoxia and acidosis/hypercapnia activate CB type I cells, which respond by releasing neurotransmitters in order to increase the action potential frequency in their sensory nerve, the carotid sinus nerve (CSN). The CSN activity is integrated in brainstem to induce a fan of respiratory reflexes aimed, primarily to normalize the altered blood gases via hyperventilation and to regulate blood pressure and cardiac performance via activation of the sympathetic nervous system. Recently, the CB was proposed to be a glucose sensor and to be implicated in the regulation of energy homeostasis control, therefore demonstrating new roles for this organ outside its classical function. Herein the hypothesis that CB overactivation is involved in the genesis of metabolic dysfunction through sympathetic nervous system activation was investigated. Additionally, the hypothesis that insulin stimulates the CB via Kv1.3 channels present at type I cells was studied. The general aim of this work was to establish the role of CB in the development of IR and related metabolic dysfunctions. Chapter I introduces general concepts of glucose homeostasis and the diseases where glucose metabolism is deregulated, such as, MS and T2D. Additionally the link between sympathetic nervous system and dysmetabolism is focused herein. Moreover, key concepts of CB function as well as its potential new physiological roles are debated. Hyperbaric oxygen therapy (HBOT) and its applications are introduced. In chapter II are described the general and specific objectives of this work.In chapter III we have investigated the role of CB in the development of IR and HT. For that, we have used Wistar rats submitted to two hypercaloric diets: the high-fat (HF) diet, which is a combined model of IR, HT and obesity and the high-sucrose (HSu) diet, which is a lean model of IR and HT. Pathological animal models have been compared with aged-matched controls. In this chapter we have demonstrated that CB activity is increased in pathological animal models, since CB-mediated basal ventilation and ventilation in response to ischemic-hypoxia were increased, as well as the CB type I cell function-assessed both as hypoxia-evoked release of dopamine and tyrosine hidroxilase (TH) expression. It was also demonstrated that CSN bilateral resection prevented dietinduced IR and HT, as well as increased fasting glycemia, fasting insulinemia, free fatty acids (FFAs) and sympathoadrenal activity. Additionally, it was shown that insulin triggers CB activation through the presence of insulin receptors (InsR) that were phosporylated in the presence of insulin allowing the CB neurosecretory response, measured as the increase in [Ca2+]i and the release of ATP and dopamine that is transduced into an increase in ventilation. In chapter IV the role of Kv1.3 channels as effectors of insulin action on rat CB was studied. Carotid body type I cells and whole-CB from animals submitted to standarddiet were used. We demonstrated that CB type I cells exhibit insulin sensitive voltage activated K+ currents, that are mediated by Kv1.3 channels since Margatoxin (MgTx) and ShK-Dap22 (specific blockers to Kv1.3 channels) inhibit voltage K+ activated currents and the action of insulin. Additionally, we have observed that Kv1.3 channels were expressed in CB type I cells and showed that phosporylation could be one of the mechanisms by which insulin modulates the Kv1.3 activity in rat CB. Moreover, we have found that Kv1.3 channels are involved in the release of catecholamines (CAs from rat CB, since MgTx mimics the effect of insulin on the release of CAs. The chapter V presents a clinical study, where the effect of HBOT on glucose tolerance in T2D patients was evaluated. T2D and non-diabetic volunteers, both with indication for HBOT have been recruited at the Subaquatic and Hyperbaric Medicine Center of Portuguese Navy and submitted to 20 sessions of HBOT. We demonstrated that HBOT ameliorates fasting glycemia and glucose tolerance in T2D patients, without altering glucose homeostasis in non-diabetic patients.Finally, a general and integrated discussion is presented in chapter VI to positioning the work developed in the present work into the current scientific context. In conclusion the data presented herein clarify the role of the CB in the pathogenesis of diet-induced IR and HT and unveil a new promising target for intervention in T2D, MS, and OSA..