Disputassammendrag: Er det en sammenheng mellom immunceller og utviklingen av fedme-relaterte sykdommer?

Den 4 desember disputerte Kristina Strand for ph.d.-graden ved Universitetet i Bergen med avhandlingen: "Characterization of adipose tissue and liver innate immune cells in obesity-related insulin resistance". Strand har bakgrunn innen molekylærbiologi og vi synes temaet på prøveforelesningen og disputas var såpass interessant at vi spurte om hun ikke kunne sammenfatte begge forelesingene til to sammendrag til Norsk Tidsskrift for Ernæring.

Sammendrag prøveforelesning: Fedme og infeksjoner- hva har vi lært fra COVID-19 pandemien?

COVID-19 er sykdommen som er forårsaket av viruset severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus 2 (SARS-CoV-2) som først ble oppdaget i desember 2019. Mange som blir syk med COVID-19 har milde symptomer, mens en mindre andel kan utvikle alvorlig eller kritisk sykdom som kan inkludere lungebetennelse, respiratorisk svikt, multiorgansvikt og død. Alvorlig COVID-19 sykdom er assosiert med en overdreven immunrespons, karakterisert ved overaktivering og deretter utmattelse av deler av immunsystemet samt høy produksjon av cytokiner (cytokinstorm). Samtidig er interferon (IFN) type 1 immunresponsen, som er en viktig respons mot virus, dempet og forsinket.

Fedme er assosiert med en kronisk, lavgradig inflammasjon, både i sirkulasjonen og i fettvevet. Man skulle tro at en slik økt aktivering av immunsystemet er bra, men fedme er også assosiert med dysfunksjon av immunceller slik som T celler og NK celler. En studie av mer enn 300 000 personer i England våren 2020, viste at sjansen for å bli innlagt på sykehus med COVID-19 økte med økt BMI. En av pasientene innlagt på sykehus med COVID-19 i England våren 2020 var Storbritannias statsminister, Boris Johnson. Fedme er også assosiert med høyere sjanse for død som følge av COVID-19.

Det er flere mulig mekanismer som kan forklare den økte risikoen for alvorlig sykdom og død hos personer med fedme som blir smittet med koronaviruset. Vi vet at fedme fører til fysisk stress på lungene som dermed kan gjøre pusting vanskeligere. Hos personer med fedme er IFN utskillelsen hemmet, som kan føre til en forsinket respons mot viruset. Samtidig er nivåene av pro-inflammatoriske immunceller økt hos personer med fedme, og disse cellene kan produsere høye nivåer av cytokiner og dermed bidra til cytokinstormen assosiert med alvorlig COVID-19 og som kan føre til multiorgansvikt.

Personer med type 2 diabetes (T2D), har økt uttrykk av ACE2, reseptoren som gjør at koronaviruset kan komme seg inn i celler. Dette kan føre til økt infiltrering av viruset som igjen kan føre til mer spredning i kroppen. Uttrykket av ACE2 er også høyt i fettvevet, som har ført til at noen forskere mener at fettvevet kan være et reservoar for viruset som igjen kan øke aktiveringen av immunforsvaret. Renin-angiotensin systemet (RAS), et system som medierer inflammatorisk signalering, er overaktivt hos personer med fedme, noe som kan føre til økt inflammasjon og organskade ved COVID-19.

Dårlig kontrollert blodsukker hos personer med T2D er også assosiert med mer alvorlig sykdom og død sammenlignet med personer med bra kontrollert blodsukker. Videre kan dysbiose av mikrobiota samt vitamin D-mangel, begge deler assosiert med fedme, føre til en dårlig immunrespons mot koronavirus. Assosiasjonen mellom fedme og COVID-19-risiko kan tvinge myndigheter i flere land til å ta grep om det voksende fedmeproblemet ettersom fedme fører til at større deler av befolkningen er i risikogruppene for alvorlig sykdom. Boris Johnson sa at hans egen innleggelse på sykehus førte til at han forstod hvor viktig det var å ikke ha forhøyet kroppsvekt, i form av overvek eller fedme, og det førte til at han lanserte den første kampanjen i kampen mot fedme i Storbritannia.

Sammendrag av avhandlingen

Fedme er et stadig økende problem i mange land i verden og siden 1975 er forekomsten av fedme mer enn tredoblet i Norge. Fedme er også assosiert med en rekke følgesykdommer inkludert type 2 diabetes (T2D) og ikke-alkoholisk fettlever (NAFL) som kan utvikle seg til den mer alvorlige formen ikke-alkoholisk steatohepatitt (NASH). Fedme er assosiert med en kronisk, lavgradig systemisk inflammasjon som man tror er den mekanistiske koblingen mellom fedme og flere av følgesykdommene. Makrofager og naturlige drepeceller (NK celler [natural killer cells]) i fettvev har også vist seg å ha betydning for fedme-indusert fettvevsinflammasjon og utvikling av insulinresistens. NK celler har også blitt assosiert med leverinflammasjon i NASH-musemodeller.

I første artikkel utførte vi en fenotypisk karakterisering av sirkulerende immunceller hos pasienter med NAFL og NASH og hos slanke kontroller. Vi fant at det var få forskjeller i nivåer av de fleste immunceller, men pasienter med NASH hadde reduserte nivåer av plasmacytoide dendrittiske celler (pDCs) og nivåer av pDCs var invers korrelert med grad av leverskade.
Vi undersøkte deretter NK celler i sirkulasjonen hos pasienter med NAFL og NASH og fant at NK cellene fra pasienter med leversykdom hadde lignende uttrykk av en rekke aktiverende og inhiberende reseptorer sammenlignet med NK celler fra friske individer, med unntak av NK celler fra pasienter med NASH som hadde økt uttrykk av den aktiverende reseptoren NKG2D. Da vi undersøkte NK cellenes funksjoner fant vi at disse i stor grad var bevart hos pasienter sammenlignet med friske. Vi fant et høyere antall av NK celler i lever sammenlignet med blod og fettvev, men heller ikke i leveren eller fettvevet var NK cellenes fenotype endret ved NAFL eller NASH. Samlet tyder dette på at pasienter med fedme-relatert leversykdom har en NK-cellepopulasjon som ikke skiller seg vesentlig fra NK-cellepopulasjonen hos friske personer, verken fenotypisk eller funksjonelt. Oppreguleringen av NKG2D som vi så på NK celler fra pasienter med NASH kan være en respons på stress og inflammasjon i leveren.

I andre artikkel undersøkte vi fettvevsmakrofager og fant at mens det totale antallet makrofager var høyere i det subkutane fettvevet, innehold det viscerale fettvevet en høyere andel av pro-inflammatoriske (M1) makrofager. Ratioen mellom pro- og anti-inflammatoriske makrofager (M1/M2 ratioen) korrelerte med insulinresistens (målt ved HOMA-IR) og dyslipidemi. Pro-inflammatoriske makrofager i fettvev danner såkalte krone-lignende strukturer (crown-like structures, CLS) rundt fettceller og antallet CLS kan derfor brukes som et mål på fettvevsinflammasjon. Vi fant at hverken antallet CLS eller inflammatorisk genuttrykk i fettvevet var assosiert med insulinresistens. Vi undersøkte deretter sirkulerende inflammasjonsmarkører i to ulike kohorter. Den første kohorten besto av slanke personer samt personer med fedme, med og uten T2D. Nivåer av leptin, adiponektin, CD163, chemerin og IL-18 var høyere hos personer med fedme sammenlignet med slanke. Det var ingen forskjeller i sirkulerende markører mellom personer med og uten T2D. Den andre kohorten bestod av prøver tatt ved fedmeoperasjon samt 3 og 12 måneder etter. Her fant vi at nivåene av samtlige markører var lavere ett år etter operasjon, men denne nedgangen i inflammasjonsmarkører var ikke korrelert med den samtidige nedgangen i insulinresistens målt ved HOMA-IR.

Disse resultatene styrker antagelsen om at fettvevsinflammasjon er assosiert med insulinresistens. De hentyder også at det ikke bare er antallet pro-inflammatoriske makrofager som har betydning, men heller at forholdet mellom andelen pro- og anti-inflammatoriske makrofager i fettvevet muligens er viktigere. En manglende korrelasjon mellom samtidig nedgang i sirkulerende inflammasjonsmarkører og insulinresistens kan tyde på at bedring i metabolsk sykdom og inflammasjon er parallelle, men også for det meste uavhengige prosesser.

Ettersom det er usikkerhet rundt hvilke overflateproteiner som definerer ulike typer av makrofager og også fettcelle-stamceller i fettvev hos mennesker, utførte vi i den siste studien en screening av overflateproteiner på fettvevsmakrofager og fettcelle-stamceller. Her fant vi subpopulasjoner av makrofager og stamceller med distinkt uttrykk av overflateproteiner. Vi sammenlignet våre proteinuttrykksdata med et tilgjengelig single cell RNA-sekvenseringsdatasett (scRNA-seq) og fant at våre makrofag- og stamcellespesifikke proteiner var uttrykt på makrofag- og stamcelle-klynger i scRNA-seq-datasettet. Vi brukte også overflateproteindataene i kombinasjon med scRNA-seq-datasettet for å undersøke interaktomet til makrofagene og stamcellene ved hjelp av en database kalt CellPhoneDB. Dette ga oss et overblikk over mulig interaksjoner mellom makrofager, stamceller og andre type celler i fettvevet.

Disse resultatene kan bidra til å bedre definere fettvevsmakrofager og fettcellestamceller basert på overflateproteinene de uttrykker. Videre kan resultatene fra interaktom-analysen brukes til mer omfattende undersøkelser av interessante interaksjoner mellom ulike celletyper for å forstå hvordan ulike celler interagerer med hverandre i fettvev hos mennesker.

Ratioen mellom pro- og anti-inflammatoriske makrofager i fettvev var assosiert med insulinresistens og dyslipidemi, men vi fant ingen sammenheng mellom samtidig nedgang i insulinresistens og inflammatoriske markører i sirkulasjonen hos pasienter et år etter fedmeoperasjon. Til slutt definerte vi potensielt nye overflateproteiner på makrofager og stamceller fra fettvev og identifiserte mulige interaksjoner mellom disse cellene og andre celletyper i fettvev hos mennesker. Samlet bidrar avhandlingen til økt kunnskap om NK celler og makrofager, både sirkulerende og i fettvev og lever, hos personer med fedme.

Forfatteren har ingen interessekonflikter å melde.

Publikasjoner som inngikk i avhandlingen:

  1. Stiglund, N., Strand, K., Cornillet, M, et al. Retained NK Cell Phenotype and Functionality in Non-alcoholic Fatty Liver Disease. Front. Immunol 2019;10:1255. The article is available at: https://hdl.handle.net/1956/22307

  2. Strand, K., Stiglund, N., Haugstøyl, et al. Distinct patterns of local compared to systemic inflammation in patients with obesity-induced insulin resistance. The article is not available in BORA.

  3. Strand, K., Haugstøyl, M., Stiglund, N., et al. Identification of subtype-specific surface proteins on adipose tissue macrophages and adipocyte progenitor cells. The article is not available in BORA.