Toll-like Rezeptor 4-Defizienz erhöht die Insulinresistenz und die mitochondriale Aktivität im Tiermodell des Typ 1 Diabetes

Fragestellung: Neuere Studien weisen darauf hin, dass die Progression des Typ 1 Diabetes von metabolischen Störungen begünstigt wird, die mit der Entwicklung einer Adipositas einhergehen. Aktuelle Befunde aus Tiermodellen zeigen, dass der Toll-like Rezeptor 4 (TLR4) sowohl an der Entwicklung von organspezifischen Autoimmunerkrankungen als auch von Adipositas beteiligt ist. TLR4 ist eine Rezeptorstruktur, die ursprünglich für die Erkennung von bakteriellem Lipopolysaccharid durch Zellen des natürlichen Immunsystems beschrieben wurde. Wir prüften die Hypothese, dass der TLR4 die Entwicklung Adipositas-assoziierter metabolischer Störungen begünstigt, die zur Beschleunigung des Insulinmangeldiabetes in der non-obese diabetic (NOD) Maus beitragen könnten.

Methodik: In weiblichen TLR4-defizienten (TLR4^-/-) und TLR4-exprimierenden (TLR4^+/+) NOD Mäusen wurde bis zu einem Lebensalter von 36 Wochen die Diabetesmanifestation dokumentiert. Zur Bestimmung der Glukosetoleranz wurde nach 6h Fasten ein intraperitonealer Glukosetoleranztest durchgeführt (ipGTT). Im Serum wurden die Spiegel von freien Fettsäuren und Triglyzeriden bestimmt. Die oxidative Kapazität der mitochondrialen Komplexe I und II wurde mithilfe hochauflösender Respirometrie in permeabilisierten Proben von Leber und Skelettmuskel gemessen.

Ergebnisse: Im Vergleich zu TLR4^+/+ NOD Mäusen weisen TLR4^-/- NOD Mäuse ein früheres Diabetesmanifestationsalter (TLR4^+/+ 208±40 Tage; TLR4^-/- 152±25 Tage, p<0,001) und eine erhöhte Blutglukosekonzentration zum Zeitpunkt der Diabetesmanifestation auf (TLR4^+/+ 362±44mg/dl; TLR4^-/- 457±30mg/dl, p<0,001). TLR4^-/- NOD Mäuse zeigen eine verminderte Glukosetoleranz im Vergleich zu TLR4^+/+ Mäusen (Fläche unter der Kurve: TLR4^+/+ 233±102 mmol/L x h^-1; TLR4^-/- 587±152 mmol/L x h^-1, p<0,001). Die Insulinkonzentrationen nach dem ipGTT waren in TLR4-defizienten Tieren viermal höher als in TLR4-exprimierenden NOD Mäusen (TLR4^+/+ 1,3±0,7ng/ml; TLR4^-/- 6,0±2,9ng/ml). Die Serum-Konzentrationen freier Fettsäuren waren in gefasteten TLR4^-/- Mäusen um 40% höher als in TLR4^+/+ Tieren (TLR4^+/+ 0,4±0,1 mmol/lL TLR4^-/- 0,7±0,1 mmol/L; p<0,01). TLR4-defiziente NOD Mäuse weisen höhere O₂-Flussraten in den Mitochondrien der Leber in Komplex I und II (TLR4^-/- 54,6±14,8; TLR4^+/+ 29,6±7,4 (pmol x mg^-1 x s^-1)/mtDNA Kopienzahl, p<0,05) und eine höhere maximale Respiratorische Kapazität (TLR4^-/- 87,8±18,6; TLR4^+/+ 55,5±22,7 (pmol x mg^-1 x s^-1)/mtDNA Kopienzahl, p<0,01) auf als TLR4-exprimierende NOD Mäuse.

Schlussfolgerung: Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine selektive TLR4-Defizienz die Progression des autoimmunen Diabetes in NOD Mäusen begünstigt. Dies war mit einer erhöhten Insulinresistenz verbunden, die durch vermehrt zirkulierende Lipide bedingt sein könnte und über erhöhtes Substratangebot die mitochondriale Oxidation der Leber stimuliert.