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Influence of sugar consumption on fat storage and intestinal barrier function

studies in Caenorhabditis elegans

Elisabeth Kaufmann

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Ernährungswissenschaften

Betreuer*in

Ina Bergheim

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DOI

10.25365/thesis.60322

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-25127.70077.516863-3

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Eine fruktosereiche Diät wird als Risikofaktor für die Entstehung und Progression metabolischer Erkrankungen wie der nicht-alkoholbedingten Fettlebererkrankung (non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD) diskutiert. Studien im Mausmodell deuten darauf hin, dass Fruktose-assoziierte Stoffwechselveränderungen mit einem Verlust von tight junction (TJ) Proteinen im oberen Dünndarm einhergehen. Der damit verbundene Anstieg der intestinalen Permeabilität wird als ursächlich für eine erhöhte Translokation bakterieller Endotoxine in die Pfortader und eine Induktion TLR-4- abhängiger Signalwege in der Leber vermutet. Dies könnte zur Aktivierung hepatischer Kupfferzellen und einer verstärkten Expression entzündlicher Zytokine wie dem Tumornekrosefaktor-a (tumor necrosis factor-a, TNF-a) führen, von denen angenommen wird, dass sie die Fettinfiltration in die Leber begünstigen und ihre Insulinsensitivität herabsetzen können. Ausgehend von diesem Hintergrund war das Ziel der vorliegenden Arbeit den Einfluss einer fruktose- bzw. glukosereichen Diät auf die Fetteinlagerung und intestinale Barrierefunktion im C. elegans Modell zu untersuchen. Dazu wurden die Nematoden während einer viertägigen Interventionsperiode auf Agar-Platten mit 25 bzw. 50 mM Fruktose oder Glukose kultiviert. Die Bestimmung des Fettgehalts erfolgte mittels Extraktion der Lipide und kolorimetrischer Bestimmung der Triglyzeridkonzentration in den Lipidextrakten. Zusätzlich wurden die Fettdepots der Nematoden durch Abfärbung mit Oil Red O (ORO) visualisiert, um Informationen über die Fettverteilung, sowie Fetttröpfchengröße und -anzahl zu erhalten. Sowohl Fruktose als auch Glukose führten in hohen Konzentrationen zu einem signifikanten Anstieg der Triglyzeridkonzentration in C. elegans. Die Ergebnisse der Triglyzeridbestimmung korrelierten mit jenen der ORO Färbung. Fettablagerungen fandens sich vor allem im Darm der Nematoden, jedoch auch in der Hypodermis und der Gonade. Darüber hinaus waren die Fetttröpfchen der Fruktose- bzw. Glukose- gefütterten Nematoden im Mittel signifikant größer als jene der Kontrollen, während die mittlere Anzahl der Fetttröpfchen nicht signifikant zwischen den Gruppen differierte. 80 Um abzuklären, ob die mit Fruktose- bzw. Glukoseaufnahme verbundene Zunahme der Fettakkumulation mit einer Störung der intestinalen Barrierefunktion einhergeht, wurde ein nicht-invasiver Permeabilitätstest durchgeführt und durch Messung der mRNA Expression des C. elegans Zonula occludens Orthologs ZOO-1 sowie des Claudin Homologes CLC-1 mittels quantitativer real time PCR validiert. Es zeigte sich keine signifikante Zunahme der intestinalen Permeabilität. In Übereinstimmung differierte die mRNA Expression von ZOO-1 und CLC-1 nicht signifikant zwischen den Gruppen. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit darauf hin, dass sowohl Fruktose als auch Glukose in hohen Konzentrationen die Fettakkumulation in C. elegans erhöhen können, wobei dies nicht mit einer Störung der intestinalen Barrierefunktion einhergeht. Es sind jedoch weitere Studien im C. elegans Modell erforderlich um die vorliegenden Ergebnisse zu validieren sowie abzuklären, ob es gewebespezifische Unterschiede in Fettablagerung und Barrierefunktion zwischen Fruktose- und Glukose-gefütterten Nematoden gibt bzw. andere Faktoren die Wirkung von Fruktose und Glukose auf Fettablagerung sowie Barrierefunktion im C. elegans Model beeinflussen könnten.

Abstract

(Englisch)

Chronic, high-fructose intake has been implicated in the onset and progression of metabolic disease, especially non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). Evidence from studies in the rodent models further suggests that fructose-induced metabolic alternations are associated with a loss of tight junction (TJ) proteins in the upper parts of the small intestine, resulting in an elevated translocation of gut-derived pro- inflammatory molecules, notably endotoxin, into the portal vein and an induction of the Toll-like receptor 4 (TLR-4) signaling cascade in the liver. Endotoxin-dependent activation of hepatic Kupffer cells is assumed to increase the synthesis and secretion of pro-inflammatory cytokines such as tumor necrosis factor-a (TNF-a), which, in turn, may dysregulate hepatic glucose and lipid metabolism, resulting in ectopic lipid deposition and insulin resistance. Starting from this background the aim of the present master thesis was to assess the effects of a fructose or glucose rich diet on fat accumulation and TJ integrity in the Caenorhabditis elegans (C. elegans) model. Therefore, wildtype nematodes were exposed to 25 mM and 50 mM of fructose and glucose, respectively, in growth media for a total of 4 days. C. elegans fat mass was quantified by lipid extraction from worm homogenates and colorimetric assessment of triglyceride (TG) concentration in lipid extracts. In addition, C. elegans lipid deposits were visualized by Oil Red O (ORO) staining to gain insights into lipid localization as well as lipid droplet (LD) size and count. Higher doses of fructose and glucose, respectively, induced a comparable increase in TG accumulation in C. elegans. Elevated TG stores correlated with a higher percentage of ORO stained areas within worms. Lipid deposits were observed in the intestine but also in the hypodermis and the proximal gonad of nematodes treated with monosaccharides. Exposure to monosaccharides further resulted in a significantly higher average LD size when compared with controls, while LD count was similar between treatment groups. To clarify whether elevated lipid deposition in nematodes exposed to monosaccharides was associated with a disruption of TJ integrity, C. elegans intestinal barrier function was assessed with a non-invasive dye-leakage assay. In addition, mRNA expression 72 of zonula occludens (ZO) orthologue zoo-1 as well as claudin homologue clc-1 was quantified by real-time quantitative PCR (RT-qPCR). Neither 25 mM and 50 mM of fructose nor 25 mM and 50 mM of glucose resulted in any marked dye-leakage from the intestinal lumen into the body cavity of C. elegans. In consistence, mRNA expression of zoo-1 as well as clc-1 was unaffected by dietary monosaccharides. Taken together the results of the present master thesis suggest that, both fructose and glucose at higher doses can increase fat accumulation in C. elegans without a concomitant loss of proteins related to TJs in vertebrates. However, further studies are necessary to verify the present findings and to clarify whether fructose and glucose induce tissue-specific changes in C. elegans fat mass and distribution as well as intestinal barrier function or impact on other physiological variables, which may confound the effects of monosaccharides on fat storage and intestinal barrier.

Autor*innen

Elisabeth Kaufmann

Haupttitel (Englisch)

Influence of sugar consumption on fat storage and intestinal barrier function

Hauptuntertitel (Englisch)

studies in Caenorhabditis elegans

Paralleltitel (Deutsch)

Einfluss von Zuckerkonsum auf die Fettspeicherung und intestinale Barrierefunktion : Studien zu Caenorhabditis elegans

Publikationsjahr

2019

Umfangsangabe

89 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Ina Bergheim

Klassifikationen

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines ,

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

44 Medizin > 44.21 Ernährung

AC Nummer

AC15574685

Utheses ID

53308

Studienkennzahl

UA | 066 | 838 | |

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Schlagwörter