Study of glucose regulatory effect of metformin in the brain
뇌내 메트포민의 혈당 조절 작용과 기전 연구
- 주제(키워드) metformin , glucose regulation
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김동훈
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위구분 박사
- 학과 대학원 의과학과
- 세부전공 의생명과학 전공
- 원문페이지 109 p
- UCI I804:11009-000000258039
- DOI 10.23186/korea.000000258039.11009.0001246
- 본문언어 영어
초록/요약
BACKGROUND: Metformin is one of the most widely prescribed anti-diabetic drugs for type 2 diabetes mellitus. Many studies have proposed its mechanisms underlying the mode of action in the periphery. However, direct effects of metformin via the brain, in glucose metabolism, remains unclear, given its ability to cross the blood-brain barrier. OBJECTIVE: The aim of this study is to identify brain regions involved in metabolic actions of metformin, to determine whether metformin regulates glucose metabolism via the brain, and to investigate the mechanisms underlying the central action of metformin on glucose regulation. METHODS: I investigated c-fos expression (FOS), a marker of neuronal activity, in the appetite-regulating brain regions after oral administration of metformin (PO, 300 mg/kg daily for 1 or 3 days) or vehicle. I investigated the role of metformin in peripheral glucose regulation by directly administering metformin into the third ventricle (central metformin) of mice. Glucose tolerance test, insulin tolerance test, and pyruvate tolerance were performed to evaluate central metformin-induced metabolic changes. To determine pathways underlying central action of metformin, hepatic or systemic sympathetic denervation was achieved by either 10% phenol painting on hepatic sympathetic plexus or intraperitoneal injection of 6-hydroxydopamine. RESULTS: The body weight and food intake were decreased in mice treated with metformin for 3 days (RM group) compared to the control group. The mice in pair-fed group had the same amount of food as the RM group (PF group). FOS expression levels increased in the paraventricular nucleus, area postrema, and central amygdala of mice administered an acute single dose of metformin (SM group) compared to the control mice. In the nucleus tractus solitarius, the FOS expression levels increased in both the SM and RM groups compared to the control group. The FOS expression levels also increased in the nucleus accumbens of the RM group compared to other groups. The FOS expression levels decreased in the ventromedial hypothalamic nucleus in the PF group, but not the RM group, compared to the control group. Central metformin improved the glycemic response to oral glucose load in mice compared to that in control, and worsened the response to intraperitoneal glucose load, indicating its dual role in peripheral glucose regulation. Central metformin lowered the ability of insulin to decrease serum glucose levels and worsened the glycemic response to pyruvate load relative to control. Furthermore, systemic denervation of sympathetic nerves inhibited central metformin to increase hepatic gluconeogenesis was mediated by sympathetic nerves. CONCLUSION: These results suggest that both the hypothalamic and extra-hypothalamic regions are associated with metformin-induced metabolic changes, which is dependent on metformin treatment duration. I demonstrated the dual role of central metformin in peripheral glucose regulation through the concurrent brain-liver and brain-gut axes.
more초록/요약
배경: 메트포민은 전세계적으로 당뇨병에 많이 쓰이는 혈당강하제이다. 메트포민의 혈당 강하 작용은 간, 근육, 위장관 등 말초 장기에서는 그 기작이 잘 연구되어 있다. 메트포민이 뇌-혈관장벽을 통과하는 것을 고려하였을 때, 경구 제재인 메트포민이 뇌에도 영향을 주었을 것이라 짐작할 수 있으나, 뇌를 통한 작용은 잘 알려져 있지 않다. 목표: 이 연구의 목적은 메트포민이 대사적인 작용을 할 동안 관여하는 뇌의 부위를 밝혀내고, 뇌를 통해 혈당 조절에 관여할 수 있는지 알아내는 것이다. 또한 뇌를 통한 당 조절에 관여하는 경로를 탐색하는 것이다. 방법: 메트포민이 관여하는 뇌의 부위를 알아내기 위해, 뉴런 활성의 표지자인 c-fos 면역염색법이 사용되었다. 경구 메트포민 (300 mg/kg) 단일 투여 혹은 3일 투여 후 대조군과 비교하여 뇌의 뉴런 활성이 달라진 곳을 탐색하였다. 메트포민이 뇌를 통해 혈당을 조절할 수 있는 지 알아보기 위해, 생쥐의 제3뇌실에 메트포민 용액을 투여한 후 당 대사를 측정하였다. 이 때 당부하 검사(glucose tolerance test), 인슐린 부하 검사(insulin tolerance test), 피루베이트 부하 검사(pyruvate tolerance test)가 시행되었다. 메트포민이 어떤 경로를 통해 혈당을 조절하는지 알아보기 위해 간 특이적 교감신경 신경차단술 및 전신적 교감신경 차단술이 시행되었다. 결과: 메트포민을 경구로 투여하였을 때, 3일 투여군에서 체중 및 식이 감소를 관찰하였다. c-fos 발현은 단일투여군, 3일 투여군에서 차이를 보였다. 단일 투여군에서는 paraventricular nucleus, area postrema, and central amygdala에서 발현이 증가하였으며, 3일 투여군에서는 ventromedial hypothalamic nucleus, nucleus tractus solitarius, dentate gyrus of hippocampus에서 발현이 증가하였다. 메트포민 중추신경계 투여는 당 경구부하 테스트에서는 당 대사를 개선시켰지만, 복강내 경구부하 테스트에서는 당 대사를 악화시켰다. 메트포민 중추신경계 투여는 인슐린 반응성을 저하시키고, 간의 당 신생을 증가시켰다. 반면 메트포민 중추신경계 투여는 위 배출시간을 늘렸다. 추가로, 중추신경계 투여 메트포민이 간에 미치는 영향은 교감신경계를 통해 매개된다는 것을 밝혔다. 결론: 이 결과는 시상하부 및 시상하부 외 지역이 메트포민에 의한 대사 변화를 유발한다는 것을 시사한다. 또한 메트포민은 당 대사에 있어 상반되는 역할을 하는데, 이는 간-뇌 연결축과 장-뇌 연결축에 의해 이루어진다.
more목차
ABSTRACT 1
LIST OF FIGURES 6
Introduction 8
1. CNS regulation of glucose metabolism 8
1.1 Melanocortin signaling 8
1.2 Insulin signaling 10
1.3 Leptin signaling 14
1.4 GLP-1 signaling 18
1.5 Serotonin signaling 19
1.6 Nutrient sensing signaling 21
2. Metformin’s effect on CNS 23
2.1 Appetite 23
2.2 Neurodegenerative disease 26
2.3 Ischemic/reperfusion injury in brain 28
Part I. The effect of metformin on neuronal activity in the appetite-regulating brain regions of mice fed a high-fat diet during an anorectic period 30
Abstract 30
Introduction 32
Experimental procedures 34
Results 38
Discussion 42
Figure legends 49
Part II. Metformin is a double-edged glucose regulator in mouse brain 60
Abstract 60
Introduction 62
Material and methods 65
Results 73
Discussion 78
Figure legends 84
Conclusion 97
References 98
