Supplementazioni di vitamina D in un modello di insulino-resistenza indotta dalla dieta: effetto sul signaling dell'insulina e sulla risposta infiammatoria nel muscolo scheletrico

Vitamin D is a secosteroid derived both endogenously from its precursor 7-dehydrocholesterol under the influence of UV light and exogenously, supplemented by diet intake. To be biologically active vitamin D requires two hydroxylations, in the liver and kidneys respectively, giving rise to 1,25-dihydroxyvitamin D. Increasing evidence support the hypothesis that vitamin D could exert pleiotropic effects far beyond the serum calcium homeostasis. In particular, some observational clinical studies have shown a correlation between vitamin D deficiency and the onset of type 2 diabetes, a chronic disease characterized by defects in insulin secretion and tissue insulin resistance development. However, the role of vitamin D supplementation on the incidence of this disease is still under debate. The aim of this thesis was to evaluate the effect of vitamin D supplementation (7 µg/kg i.p. 3 times/week) in a mouse model of obesity and insulin resistance induced by a high fat and high sugar diet (HFHS). The dietary manipulation lasted 16 weeks. This study was focused on skeletal muscle, a potential target tissue of vitamin D that accounts for about 85% of the insulin-stimulated glucose uptake, thus exerting a key role in regulating whole body glucose homeostasis. The expression and activation of targets of insulin signaling and inflammation were evaluated by Western Blot and ELISA assays. HFHS diet induced a significant increase in body weight (p<0.001), HOMA-IR index, a well known parameter of insulin resistance, and impaired the glucose tolerance, evaluated by OGTT. Treatment with vitamin D significantly reverted all these effects. Accordingly, in the skeletal muscle, Ser307 phosphorylation of IRS-1, linked to a reduced insulin sensitivity, is significantly increased with the diet and reduced with the treatment (p<0.05 vs diet). Consistently, analysis of Akt, a key target in insulin signaling, shown a reduced phosphorylation of Ser473 induced by the diet. Vitamin D decreased this effect and, in addition, increased the phosphorylation in Ser9 of GSK-3β (p<0.01), a down-stream target of insulin signaling, thus confirming the increase in muscle insulin sensitivity. To evaluate the vitamin effect on the diet-induced inflammatory response, the activation of NF-B has been analyzed. In comparison to controls, a three-fold increase of nucleus/cytosol NF-B translocation was observed in HFHS animals (p<0.05). Accordingly, the diet induced a significant increase of TNF-α level, the main pro-inflammatory cytokine linked to insulin resistance, in comparison to control (p<0.05). TNF-α levels have been reduced by vitamin D treatment, whereas not significant effects have been found on IL-6 and IL-10 production. These results indicate a protective effect of vitamin D supplementation against the deleterious effects evoked by the HFHS diet and the ability of this vitamin to counteract the onset of diet-induced insulin resistance and inflammation in the skeletal muscle of mice.

La vitamina D è un secosteroide generato per l'80% a livello dell'epidermide a partire dal 7-deidrocolesterolo in seguito all'esposizione alla luce, mentre il restante 20% è assunto tramite l'alimentazione. Affinché la vitamina D risulti essere biologicamente attiva necessita di due idrossilazioni, rispettivamente a livello epatico e a livello renale dando origine alla 1,25-diidrossivitamina D. Oltre al noto ruolo che la vitamina D svolge nella regolazione dell'omeostasi sierica del calcio, negli ultimi anni sono stati ipotizzati altri effetti pleiotropici della vitamina. In particolare, alcuni studi osservazionali hanno evidenziato una correlazione tra la deficienza di vitamina D e l'insorgenza del diabete mellito di tipo 2, una patologia cronica caratterizzata da difetti nella secrezione e nella sensibilità tessutale all'insulina. Tuttavia, ad oggi non è ancora chiaro l'effetto di supplementazioni di vitamina D sull'incidenza di tale patologia. Obiettivo di questa tesi è stato quello di valutare l'effetto di supplementazioni di vitamina D (7 µg/kg i.p. 3 volte/settimana) in un modello murino di obesità ed insulino-resistenza indotte da una dieta ad alto contenuto di grassi e zuccheri (16 settimane), focalizzando l'attenzione sul muscolo scheletrico. Il muscolo è responsabile dell' uptake di circa l'85% di glucosio tramite meccanismi insulino-dipendenti ed è inoltre un possibile tessuto bersaglio della vitamina D. L'espressione e l'attivazione di target specifici della cascata insulinica e del processo infiammatorio sono state valutate tramite Western Blot e saggi ELISA. La manipolazione dietetica ha indotto un marcato incremento di peso (p<0.001 vs Controllo), un significativo aumento dell'indice HOMA-IR, noto parametro di insulino-resistenza, e una notevole alterazione della tolleranza al glucosio, valutata tramite OGTT. Il trattamento con la vitamina D ha significativamente ridotto queste alterazioni. Coerentemente, a livello muscolare, la fosforilazione Ser307 di IRS-1, correlata ad una riduzione della sensibilità all'insulina, risulta essere significativamente aumentata dalla dieta mentre si riduce con il trattamento (p<0.05 vs dieta). Questo effetto è associato ad una ridotta fosforilazione della Ser473 di Akt, necessaria per l'attivazione della proteina, negli animali sottoposti alla dieta rispetto ai controlli (p<0.01). Il trattamento farmacologico riduce questo effetto ed induce un significativo aumento della fosforilazione di GSK-3β, un target a valle del signaling dell'insulina, in Ser9, confermando così l'aumento di insulino-sensibilità indotto dalla vitamina D (p<0.01 vs dieta). Per quanto riguarda il processo infiammatorio è stato possibile osservare una triplicazione della traslocazione nucleo/citosol di NF-kB indotta dalla dieta, effetto che si riduce significativamente (p<0.05) con il trattamento. Coerentemente, è stata osservata una duplicazione dei livelli di TNF-α, principale citochina pro-infiammatoria legata all'insulino-resistenza, nella dieta rispetto ai controlli (p<0.05); livelli che risultano diminuiti dal trattamento. Non sono invece state riscontrate significative variazioni tra i gruppi per quanto riguarda l'IL-6 e l'IL-10. Questi risultati pertanto indicano che la somministrazione di vitamina D ha avuto un effetto protettivo nel contrastare gli effetti deleteri indotti dalla dieta ed in particolare, a livello muscolare, nel ridurre lo sviluppo di insulino-resistenza e l'infiammazione ad essa correlata.