Effekter av elektrisk stimulering av humane skjelettmuskelceller fra ulike donorgrupper: normalvektige, ekstremt overvektige og ekstremt overvektige med type 2-diabetes

Abstract

Bakgrunn/formål: I løpet av de siste tiårene har det vært en rask økning av fedme og diabetes. Fysisk inaktivitet har bidratt til den globale økningen av fedme, og er også en prediktor for type 2-diabetes. Fysisk aktivitet har en viktig rolle i både forebygging og behandling av fedme og type 2-diabetes. Det er tidligere blitt utviklet en in vitro-modell for trening av humane myotuber i kultur ved å anvende kronisk, lavfrekvent elektrisk pulsstimulering (EPS). Vi ønsket å undersøke eventuelle forskjeller i effekter av EPS på humane skjelettmuskelceller fra ulike donorgrupper: normalvektige (NV), ekstremt overvektige med normal glukosetoleranse (EO-NGT) og ekstremt overvektige med type 2-diabetes (EO-T2D). Det var ønskelig å undersøke om donorkarakteristika ble reflektert i metabolske effekter av kronisk, lavfrekvent EPS.

Metode: Myotuber ble dyrket fra satellittceller isolert fra biopsier fra M. obliquus internus abdominis fra normalvektige og ekstremt overvektige pasienter med normal glukosetoleranse eller type 2-diabetes. Kronisk, lavfrekvent EPS (1 Hz, 30 V, 2 ms) ble påført differensierte myotuber i de siste 48 timene av differensieringsperioden. Effekter av EPS på fettsyre- og glukosemetabolismen ble undersøkt ved hjelp av radioaktivt-merkede substrater. Ekspresjon av relevante gener ble undersøkt ved hjelp av RT-real-time-PCR, fosforylert og total Akt ble undersøkt ved hjelp av Westernblotting og mitokondrie-innhold og lipiddråper ble målt ved hjelp av live imaging.

Resultater: Kronisk, lavfrekvent elektrisk pulsstimulering (EPS) ga tendenser til økt glukoseoksidasjon i myotuber fra alle tre donorgruppene. Ved basalsituasjonen var det tendenser til høyere insulinstimulert glukoseopptak i myotuber fra normalvektige og ekstremt overvektige med normal glukosetoleranse sammenlignet med myotuber fra ekstremt overvektige donorer med type 2-diabetes, men EPS så ikke ut til å påvirke insulineffekten. Videre så EPS ut til å indusere en økning i insulinstimulert fosforylering av Akt i myotuber fra alle tre donorgruppene. EPS ga en signifikant økning i oljesyreoksidasjon i myotuber fra normalvektige, men hadde ingen effekt i myotuber fra ekstremt overvektige. Vi fant en korrelasjon mellom kroppsmasseindeks (KMI) og redusert oljesyreoksidasjon når vi så på alle gruppene samlet. Videre fant vi en korrelasjon mellom økning i mitokondrie-innhold og KMI etter EPS når vi kun så på EO-gruppene samlet.

Konklusjon: Flere forsøk er nødvendig for å kunne trekke klare konklusjoner om eventuelle forskjeller i effekt av kronisk, lavfrekvent elektrisk pulsstimulering (EPS) på myotuber fra de tre ulike donorgruppene: normalvektige, ekstremt overvektige med normal glukosetoleranse og ekstremt overvektige med type 2-diabetes.

Background/Aim: Over the past few decades there has been an increase in the number of people with obesity and diabetes. Physical inactivity has contributed to the global rise of obesity, and is also a predictor of type 2-diabetes. Exercise has an important role in both prevention and treatment of obesity and type 2-diabetes. It has previously been developed an in vitro model of exercise of cultured human myotubes by applying chronic, low-frequent electrical pulse stimulation (EPS). In the present study, we applied this model to investigate any differences in effects of EPS in cultured myotubes originating from donors of different groups: normal weight donors (NV), extremely obese donors with normal glucose tolerance (EO-NGT) and extremely obese donors with T2D (EO-T2D). We wanted to study whether the characteristics of the donors were reflected in metabolic effects of chronic low-frequent EPS.

Method: Myotubes were grown from satellite cells, established from skeletal muscle biopsy samples of M. obliquus internus abdominis of normal weight donors and extreme obese individuals with normal glucose tolerance or type 2-diabetes. Low-frequency (1 Hz, 30 V, 2 ms) EPS was applied continuously to differentiated human myotubes for the last 48 h of the differentiation period. Effects on lipid and glucose metabolism were studied using radiolabeled substrates. Expression level of relevant genes was analysed using RT-real-time-PCR, phosphorylated and total Akt was analysed with Western blotting, and mitochondrial content and lipid droplets were measured by live imaging.

Results: Chronic, low-frequent electrical pulse stimulation (EPS) showed a trend toward an increased glucose oxidation in myotubes from all three donor groups. In cells not exposed to EPS, there was a trend toward a higher increased insulin-induced uptake of glucose in myotubes from both normal weight and extreme overweight donors with normal glucose tolerance compared to myotubes from extreme overweight donors with type 2-diabetes, while EPS did not seem to affect the insulin-induced uptake of glucose. Furthermore, myotubes from all three donor groups exposed to EPS tended to show an increased insulin-stimulated Akt phosphorylation. In the group with normal weight, EPS induced a significant increase in oleic acid oxidation, but this effect was not seen in myotubes from extreme obese donors. Body mass index (BMI) of all three donor groups correlated negatively with oleic acid oxidation after EPS, and BMI of the extreme donor groups correlated positively with the observed increase in mitochondrial content after EPS.

Conclusion: More experiments are necessary to draw clear conclusions about any differences in the effects of chronic, low-frequency electrical pulse stimulation (EPS) in myotubes from the three different donor groups: normal weight, extremely obese with normal glucose tolerance and extremely obese donors with type 2 diabetes.