IL TESSUTO ADIPOSO COME ORGANO ENDOCRINO Corso di Aggiornamento Medico “Franco Ferratini” 14 aprile 2011 IL TESSUTO ADIPOSO COME ORGANO ENDOCRINO Renato Pasquali U.O. Endocrinologia Policlinico S. Orsola-Malpighi Università Alma Mater Studiorum Bologna

Biologia del tessuto adiposo BAT vs WAT Distribuzione e specificità morfo-funzionale del TA Il concetto di low-grade inflammation Il tessuto adiposo come organo endocrino Funzione fisiologica delle adipochine e aspetti fisiopatologici correlati L’obiettivo finale: capire i complessi meccanismi nel determinismo delle malattie croniche degenerative (aterosclerosi, diabete, CVDs, ecc.)

Attuale visione del tessuto adiposo Il concetto di organo La trasdifferenziazione Il Brown Adipose Tissue (BAT) ed il White Adipose Tissue (WAT)

Morfologia del WAT/BAT nel ratto

Morfologia del WAT nel ratto obeso (ob/ob)

Transdifferenziazione del WAT in BAT in condizioni ambientali (T°C) diverse

Functional BAT in healthy adults Cold-induced glucose uptake in BAT increased by a factor of 15 in paracervical and supraclavicular AT In biopsy specimens a messanger RNA of the BAT marker UCP1 Virtanen KA et al, NEJM, 2009

Cold-activated BAT in healthy men The % of BAT of young men is high, but its activity is < in obese men Van Marken Lichtenbelt WD et al, NEJM 2009

Identification an importance of BAT in adult humans Immunohistochemical analysis and the prevalence, mass, and activity of BAT Correlation between the prevalence of maximal Activity of BAT and T°C, BMI and glucose Defined regions of functionally active BAT are present in adult humans, are more frequent in women than in men, and may by quantified non-invasively with the use of 18F-FDG PET-TC. Importantly, the amount of BAT is inversely correlated with BMI (particularly in older people), which suggests a role of BAT in human metabolism. Cypress AM, et al. NEJM, 2009

Attuale visione del tessuto adiposo Il concetto di organo Differenti funzioni in differenti sedi Il tessuto adiposo come organo endocrino Il colloquio fra organo adiposo e centri neuroendocrini nel controllo del metabolismo energetico e dell’assunzione del cibo

Tessuto adiposo viscerale e sottocutaneo Grasso viscerale Grasso sottocutaneo Montague CT & O’Rahilly S (2000) Diabetes 49(6):883–888

Tessuto adiposo totale e tessuto adiposo viscerale Massa grassa: 19.8 kg VAT: 155 cm2 VAT: 96 cm2 Le 4 scansioni TAC mostrano (in bianco) l’area di tessuto adiposo viscerale. Come si può notare dalle cifre, questi due soggetti hanno la stessa quantità di grasso corporeo, ma il primo soggetto ha una maggiore quantità di tessuto adiposo viscerale. E’ proprio la differenza di quantità di tessuto adiposo viscerale a giocare un ruolo ben distinto sul rischio cardiovascolare e metabolico.

Obesità e rischio cardiovascolare Ipertensione Ipertrofia ventricolare sinistra Insufficienza cardiaca congestizia Dislipidemia  C-Totale  C-LDL  Trigliceridi  Apo-B  C-HDL Insulino-resistenza Intolleranza al glucosio Iperglicemia Diabete di tipo 2 Obesità viscerale Disfunzione endoteliale L’obesità e, in particolare, l’obesità addominale espongono a un aumentato rischio MCV: l’obesità addominale si associa alla dislipidemia aterogenica, alla comparsa di ipertensione arteriosa, alla ridotta tolleranza al glucosio e al diabete di tipo 2, alla presenza di microalbuminuria (espressione di danno endoteliale), a una condizione protrombotica e proinfiammatoria. Il tessuto adiposo sintetizza numerose adipochine biologicamente attive che possono condizionare la comparsa di fattori di rischio cardiovascolari. In particolare i ridotti livelli di adiponectina si associano all’adiposità viscerale, all’insulino-resistenza, alla ridotta tolleranza al glucosio e al diabete, alla presenza di ipertensione, alla dislipidemia e alla sindrome metabolica. Recentemente si è dimostrato che una correlazione inversa fra adiponectina e rischio di infarto miocardico. L’obesità addominale individuata attraverso la circonferenza addominale (= giro vita) rappresenta un indice predittivo di sindrome metabolica che a sua volta è predittore di diabete di tipo 2. Sharma A M Int J Obesity 2002; 26 (suppl 4): S5-S7. Matsuzawa Y et al ATVB 2004; 24: 29-33. Pischon T et al JAMA 2004; 291: 1730-37. Palaniappan L et al Diabetes Care 2004; 27: 788-93. Lorenzo C et al 2004; 26: 3153-59 Protrombosi  Fibrinogeno  PAI-1 Iperfiltrazione renale Albuminuria  Risposta infiammatoria Sharma A M Int J Obesity 2002; 26 (suppl 4): S5-S7

Criteria for Clinical Diagnosis of the MetS Harmonizing the Metabolic Syndrome Unadjusted prevalence (95% confidence interval) of the metabolic syndrome among US adults >=20 years of age, National Health and Nutrition Examination Survey 1999 to 2004 Alberti, K.G.M.M. et al. Circulation 2009;120:1640-1645 Copyright ©2009 American Heart Association

Criteria for Clinical Diagnosis of the MetS Harmonizing the Metabolic Syndrome Measure Categorical cut points Elevated waist circ. Population- and country-specific definition Elevated triglycerides (drug treatment for elevated triglycerdes is an alternate indicator) ≥ 150 mg/dl Reduced HDL-C (drug treatment for reduced HDL-C is an alternate indicator) < 40 mg/dL for males < 50 mg/dL for females Elevated blood pressure (antihypertensive drug treatment in a pt with a history of hypertension is an alternate indicator) Systolic ≥ 130 mmHg and/or diastolic ≥ 85 mmHg Elevated blood glucose (drug treatment for eklevated glucose is an alternate indicator) ≥ 100 mg/dL Alberti KGMM et al, Joint interim statement of IDF, AHA, WHAF, IAG, IASO, AHA/NHLBI, Circulation, 2011

Recommended waist threshold (cm) MEN Recommended waist threshold Criteria for Clinical Diagnosis of the MetS Harmonizing the Metabolic Syndrome Population Organization Recommended waist threshold (cm) MEN Recommended waist threshold (cm) WOMEN Europid IDF ≥ 94 ≥ 80 Caucasian WHO ≥ 94 increased risk ≥ 102 still higher risk ≥ 80 increased risk ≥ 88 still higher risk USA AHA/NHLBI (ATPIII) ≥ 102 ≥ 88 Canada Health Canada European European CV Soc. Asian (including Japan) ≥ 90 Asian Japan Japan Obesity Soc. ≥ 85 China Coop. Task Force Liddle East, Mediterranean Sub-Saharan African Ethnic Central & South Am Alberti KGMM et al, Joint interim statement of IDF, AHA, WHAF, IAG, IASO, AHA/NHLBI, Circulation, 2011

L’eccesso di grasso viscerale aumenta la produzione di glucosio a livello epatico  grassi acidi liberi Eccesso di grasso viscerale Vena Porta Lam TK, Carpentier A, Lewis GF et al. Mechanisms of the free fatty acid-induced increase in hepatic glucose production. Am J Physiol Endocrinol Metab 2003;284:E863-73.  Rilascio di glucosio Lam TK et al. Am J Physiol Endocrinol Metab 2003;284:E863-73.

L’eccesso di acidi grassi liberi favorisce lo sviluppo di dislipidemia apoB100 sintesi e secrezione Grasso viscerale Vena Porta Chan DC, Barrett HP, Watts GF. Dyslipidemia in visceral obesity: mechanisms, implications, and therapy. Am J Cardiovasc Drugs 2004;4:227-46.  VLDL-TG  HDL-colesterolo Chan DC et al. Am J Cardiovasc Drugs 2004;4:227-46.

Liposuction has no Effect on Glucose or Lipid Metabolism Absence of an effect of liposuction on insulin action and risk factors for CHD Liposuction has no Effect on Glucose or Lipid Metabolism Weight loss: 9 kg Klein, S. et al. NEJM 2004

Effects of Surgical Omentectomy Changes from baseline over time in BMI and fasting plasma glucose and insulin RCT of gastric banding alone or with removal of omentum 50 pts with BMI>35; 2 year follow up Omentum = 0.8±0.4 % of body fat No difference in weight loss and BMI 2-3 fold greater improvement in glucose tolerance and insulin sens. in omentectomized patients 280 160 140 240 Gastric bending 120 Omentectomy 100 180 Glucose infusion rate (mg/kg per min) 80 Blood glucose (mg/dl) 60 140 40 20 120 25 50 75 100 125 150 80 Omentectomy 60 120 min (Thome A. Int J Obes. 2002) Gastric banding

Visceral fat: higher responsiveness of fat mass and gene expression to calorie restriction than subcutaneous fat Visceral Subcutaneous  Hyperlipidemic obese patients received a LCD for 14 days. VAT (measured by US) decreased significantly in the early phase of diet therapy, as did VAT related secreted proteins, whereas SAT did not decrease (plasticity of VAT).  LETO obese rats submitted to 48h fasting or non-fasting The responsiveness of lipid metabolism-related genes to fasting more sensitive in VAT than in SAT, suggesting a difference during fasting in induction of metabolism-related gene expression. ß3-AR, (B) HSL, (C) PPAR- , (D) UCP-2, and (E) FAS gene expression in visceral (a) and subcutaneous (b) fats of LETO rats under non-fasting or fasting condition. (n = 5). Li Y, Exp Biol & Med 2003

Attuale visione del tessuto adiposo Il tessuto adiposo come sede di infiammazione di basso grado L’obesità come malattia infiammatoria

Obesity as an inflammatory disease  Obesity is a potential lethal inflammatory disorder whose pathogenesis we are at loss to explain. Inflammation is life-promoting when it fights infection and helps heal wounds, but life-threatening when it kills pancreatic islet cells in diabetes, thickens blood vessels in atherosclerosis, mutates DNA and spurs blood supply in cancers, or constricts airways in asthma. We still lack a conceptual framework to help us to understand he pathogenesis of inflammation in obesity

Obesity as an inflammatory disease Recognition of the link between inflammation and obesity dates to 1993, when the inflammatory cytokine tumor necrosis factor-TNF was shown to arise from adipose tissue in obese rodents and contribute to their insulin resistance state (Hotamisligil GS, Science, 1993) Ten years later, it emerged that adipose tissue is infiltrated by macrophages in obese children and adults (Weisberg SP, JCI, 2003) and mice (Xu H, JCI, 2003), in proportion to excess body weight. These macrophages express TNFinducible nitric oxide synthase (iNOS) and other inflammatory substances.

Obesity as an inflammatory disease  Very recently, changes diagnostic of inflammation - increased leakiness of vessels and adhesion of leukocites and platelets - were documented in the microcirculation of visceral, but not subcutaneous, adipose tissue in obese but not lean mice (Nishimura S, JCI, 2008). The products arising from inflamed adipose tissue (adipositis) contribute to an inflammatory state in distant cells, such as endothelium, arterial and bronchial smooth cells, and pancreatic islets.  This systemic inflammation helps drives insulin resistance, endothelial dysfunction, and high BP, conditions that often progress to T2D, atherosclerosis, and certain cancers (Calle EE, Nat Rev Cancer, 2004)

How to interpret INFLAMMATION in obesity Nutrition Inflammation Environmental agents(infectious theory) O b e s i t y IR T2D CVDs Cancer?

Metabolic syndrome as a multiplex cardiovascular risk factor Proposed scheme for pathogenesis of MetS The MS as a CV risk factor in relation to other established risk factors. Depending on the presence or absence of other risk factors, the 10-yr risk for either ASCVD (athero- sclerotic CV disease) can be high. Copyright ©2007 The Endocrine Society Grundy, S. M. J Clin Endocrinol Metab 2007;92:399-404

Obesity, tissue inflammation and IR Fig 2 Schenk Events linking obesity to inflammation, and subsequent to IR: Pushing the botton: initiation of inflammation [adipocyte hypertrophy, and death and Mϕ (M1) recruitment] Promoting the inflammatory signal: the role of machrophages

The consequence of energy imbalance Excess dietary carbohydrates Excess dietary fat/ chilomicrons Excess dietary carbohydrates B-cell ER & oxidative stress Insulin resistance Apoptosis Adipocyte Hypertophy & hyperplasia Cell dysfunction Hepatocyte Lipogenesis NAFDL/NASH Insulin resistance Adipokines FFA Inflammatory mediators Skeletal muscles Cardiac muscle Endothelium Exposure in excess to lipds and CHO leads to cellular dysfuntion (adipokines, FFA, proinflammation). These in turn affect muscles (lipid deposition, IR), b-cell (IR), and liver (lipid deposition, IR)

Adipose tissue macrophages (F4/80) in mice with varying degrees of adiposity. female lean Ay/+ Lepob/ob male DIO Lepob/ob lean Weisberg SP, et al J Clin Invest. 112: 1796–1808, 2003

La visione attuale del tessuto adiposo: un organo endocrino Vecchia visione: deposito inerte Visione attuale: organo endocrino Acidi grassi Glucosio Nutrito Digiuno Tg Prodotti secretori multipli Tg Tg Muscolo The evolving view of adipose tissue: an endocrine organ Previously, adipocytes were considered to be little more than inert storage depots, storing fat as triglyceride in the fed state, and releasing fuel as fatty acids and glycerol in times of fasting. It is now clear that adipocytes are highly active endocrine glands that secrete important hormones, cytokines, vasoactive substances, and other peptides. These exert marked influences on metabolic function and cardiovascular risk in a number of organ systems throughout the body. The following slides describe some of the principal adipocyte-derived agents, and summarise their metabolic and cardiovascular effects. Lyon CJ, Law RE, Hsueh WA. Minireview: adiposity, inflammation, and atherogenesis. Endocrinology 2003;144:2195-200. Acidi grassi Glicerolo Vasi Fegato Pancreas Lyon CJ et al 2003

ADIPOSE ORGAN Trayhurn P, Wood IS. Br J Nutr. 92:347-55, 2004.

Fisiologia del TA: regolazione ormonale insulina GH Ormoni tiroidei Estrogeni progesterone androgeni glucocorticoidi grelina catecolamine Il tessuto adiposo, oltre a produrre una serie di adipokine che possono a loro volta controllarne i processi metabolici, è bersaglio della maggior parte degli ormoni circolanti nel nostro organismo.

VISIONE DINAMICA DELL’ ADIPOCITA Leptina Fattori del complemento MIF Adipsina IL-6 + sR TNF + sR PAI-1 Resistina Steroidi Adiponectina TGF Apelina altri Angiotensinogeno PG Apo E IGF-I ASP Agouti Visfatina L’adipocita produce peptidi che hanno azioni: su altri tessuti/organi (azione endocrina) su tessuti/organi vicini (azione paracrina) sull’adipocita stesso (azione autocrina)

Factors produced by WAT Leptin

Leptina, TNFa, IL-6 Leptina, TNFa e IL-6 sono rilasciati dal TA Svolgono un ruolo importante nel controllo della massa grassa, interagendo tra loro ed essendo regolati da altri ormoni e dal sistema nervoso simpatico. Sono coinvolti nella fisiologia/fisiopatologia del tessuto adiposo, in quanto influenzano il segnale dell’insulina riducono la lipogenesi aumentano la lipolisi controllano il flusso ematico regolano la sintesi dei trigliceridi TNF = Tumour Necrosis Factor IL = Interleuchina E’ ormai nota l’importanza di queste proteine, che appartengono alla classe delle citochine e che condividono molte similitudini strutturali. Tutte queste citochine controllano le tappe principali della lipogenesi e della lipolisi, modulando in tal modo anche la sensibilità all’insulina.

Leptina proteina, prodotto del gene ob, con struttura simile alle citochine; sintetizzata soprattutto dal TA e rilasciata in circolo; scoperta in topi geneticamente obesi (ob/ob), ai quali la somministrazione di leptina induceva una riduzione dell’introito alimentare e dell’obesità.

LA LEPTINA È IL PRINCIPALE SEGNALE DI REGOLAZIONE DEL BILANCIO ENERGETICO

EFFETTI DELLA LEPTINA

Il controllo neuroendocrino del metabolismo energetico: una integrazione di segnali centrali e periferici Lactate Il-6 Skeletal Muscle FFA Glucose Liver Bagnol 2004 CODD

TREATMENT FOR MONOGENIC OBESITY (LEPTIN DEFIVCIENCY) : RECOMBINANT LEPTIN Farooqi SI et al. J Clin Invest 2002

TNF (Tumor Necrosis Factor) + insulino-resistenza + catabolismo lipidico nel TA + lipolisi nel TA + acidi grassi nel fegato - leptina TNF E’ ormai chiaro che questa citochina è tra i più potenti induttori di insulino-resistenza attraverso una modificazione della trasmissione del segnale dell’insulina.

IL-6 (Interleuchina-6) 1/3 dei livelli circolanti proviene dal TA, soprattutto dal TA viscerale; prodotta anche dai fibroblasti, dalle cellule del sistema immunitario e vascolare le sue concentrazioni correlano positivamente con indice di massa corporea (BMI) il fegato, che drena il sangue venoso dall’omento, rappresenta il target primario per le alterazioni fisiopatologiche della sintesi e metabolismo dei lipidi Oltre cha a ruoli di “tipo metabolico”, IL-6 è coinvolta nella regolazione dell’attività dell’asse ipotalamo-ipofisi-surreni che, nell’obesità, sembra essere disregolata.

IL-6 (Interleuchina-6) - IL-6 + + sintesi trigliceridi (in animali) + lipolisi + insulino-resistenza IL-6 - 1/3 dei livelli circolanti proviene dal TA, soprattutto dal TA viscerale; prodotta anche dai fibroblasti, dalle cellule del sistema immunitario e vascolare Le sue concentrazioni correlano positivamente con indice di massa corporea (BMI) Il fegato, che drena il sangue venoso dall’omento, rappresenta il target primario per le alterazioni fisiopatologiche della sintesi e metabolismo dei lipidi + Glucocorticoidi TNF Catecolamine

Resistina - Resistina + - tolleranza al glucosio - sensibilità all’insulina La resistina è parte di un gene della famiglia delle “Resistin-like molecules” E’ aumentata insieme al PPARg durante la differenziazione degli adipociti Regola la produzione epatica di glucosio E’ espressa dai macrofagi E’ associata alla RI - + Insulina Glucosio Desametasone GH TZD Adrenalina TNF Insulina

Retinol binding protein 4 (RBP4) Adipochina ad elecata espressione nel TA, coinvolta nel trasporto del GLUT4 (modello GLUT4-KO mice) (“fuel sensing in the adipocyte”) Associata alle sindromi da resistenza insulinica Presumiblmente associata all’attività macrofagica nel TA

Role of TSP1, TGF-b, and PAI-1 in adipose tissue Role of TSP1, TGF-β, and PAI-1 in adipose tissue. TSP1 is expressed by adipose tissue, and activates TGF-β, which in turn activates PAI-1, which is a procoagulant. TGF-β is also activated by high glucose and angiotensin II. TSP1 expression is inhibited by PPAR agonists, which may explain some of the beneficial effects of these drugs. TSP1: transpontin-1 Rasouli, N. et al. J Clin Endocrinol Metab 2008;93:s64-s73

August 2001 Volume 7 Number 8 pp 941 - 946 The fat-derived hormone adiponectin reverses insulin resistance associated with both lipoatrophy and obesity T. Yamauchi et al.

Adiponectin: a specific adipose tissue-derived protein Antiatherogenic properties:  expression of adhesion molecules  monocyte adhesion to endothelial cells  uptake of oxidized LDL  foam cell formation  proliferation and migration of SMCs Adipose tissue Antidiabetic properties:  insulin sensitivity  SM glucose uptake and FFA oxidation  hepatic glucose production  intracellular triglycerides

Adiponectin is Reduced in Obese Humans Weyer et al JCEM 86:1930;2001

Adipose tissue: from lipid compartment to endocrine organ Summary of established effects influencing circulating adiponectin Sherer PE, Lilly Lecture 2005, Diabetes 2006

GWAs, adiponectin, and the Metabolic Syndrome Peak evidence for linkage occurred at chromosome 8p23 in NWE subjects (lod=3.10) and at chromosome 3q28 near ADIPOQ, the adiponectin structural gene, in TSE subjects (lod=1.70). In the GWA analysis, the single-nucleotide polymorphisms (SNPs) most strongly associated with adiponectin were rs3774261 and rs6773957 (P < 10(-7)). These two SNPs were in high linkage disequilibrium (r(2) = 0.98) and located within ADIPOQ. Ling H et al Obesity (Silver Spring). 2009

Changes in adipose tissue, liver, and muscle with obesity and insulin resistance Copyright ©2008 The Endocrine Society Rasouli, N. et al. J Clin Endocrinol Metab 2008;93:s64-s73

S. Orsola-Malpighi-Hosp. Acknowledgments Div. of Endocrinology, S. Orsola-Malpighi-Hosp. Alessandra Gambineri Valentina Vicennati Uberto Pagotto Paola Altieri Carla Pelusi Carla Cavazza etc.

Vi ringrazio, TUTTI, per la benevolenza e, in molti casi, l’amicizia che mi avete accordato in questi 20 anni !!