Research on the mechanisms of diabetic sarcopenia and search for therapeutic drugs

Abstract

The prevalence of Type 2 diabetes has been rapidly increasing at an alarming rate, which correlates with life-style changes in modern society. Disruption of energy balance due to excessive food intake and/or insufficient physical activity plays a key role in development of Type 2 diabetes. Type 2 diabetes substantially increases risks for diabetic complication such as cardiovascular disease, myocardial infarction, and sarcopenia. Many patients with Type 2 diabetes are characterized by peripheral insulin resistance and muscle atrophy. Diabetic muscle atrophy, which has recently emerged, is caused by muscle loss. Muscle tissue plays an important role in the absorption of blood sugar. Muscle atrophy in Type 2 diabetes patients leads to worsening of diabetes due to increased insulin resistance. Therefore, inhibition of muscle atrophy may alleviate insulin resistance and Type 2 diabetes. In this study, we found deferoxamine (DFO), an iron chelator, inhibits muscle atrophy by palmitate and we investigated the effects of DFO on C2C12 myotubes atrophy and muscle atrophy of db/db diabetic animal models. To investigate the effects of DFO on muscle atrophy, mice were randomly divided into three groups: db/db group, DFO injected db/db group, and db/+ group as a control. To investigate the molecular mechanisms of DFO, we tested muscle atrophy and several signal pathways using immunoblotting and qRT-PCR. IPGTT (intraperitoneal glucose tolerance test) and ITT (Insulin tolerance test) were also performed. As a result, administration of DFO to db/db mice improved weight gain, insulin resistance, impaired glucose tolerance, and suppressed muscle atrophy. MRI measurement of muscle mass and fat accumulation in the hindlimbs showed DFO reduced fat accumulation in the hindlimbs and improved muscle loss. Histological analysis suggested the mean cross-sectional areas of muscle fibers in gastrocnemius (GA) and tibialis anterior (TA) of db/db mice were reduced when compared to control mice, but DFO treated areas of muscle fibers was increased. To investigate the molecular mechanisms of DFO, we tested several signal pathways. DFO increased gene expressions of antioxidant enzymes, such as catalase and SOD1. The phosphorylation of FoxO1, known as a muscle loss-inducing factor, was increased in GA muscles, and the expression of MuRF1, procaspase, and LC3βI and II proteins were decreased. In addition, the expression of P62 and glutathione reductase was restored. These results suggest DFO inhibits palmitate-induced C2C12 myotubes atrophy and improves diabetic sarcopenia and diabetes in db/db diabetic animal models. Therefore, DFO may be expected to be used as a drug that improves diabetic sarcopenia, insulin resistance, and diabetes.

현대에 이르러 과도한 영양 섭취와 불규칙적인 생활로 인한 대사 불균형이 많아지고 비만이 증가하고 이로 인하여 당뇨병 발병이 증가하는 추세이다. 많은 당뇨병 환자들에게는 심근경색, 심혈관 질환, 근육 감소증 등의 합병증이 발생한다. 최근 당뇨합병증에 중요한 병증으로 대두되고 있는 당뇨병성 근육 감소증은 대사인자에 의한 근육감소가 그 원인이고 근육 조직은 혈중 혈당의 흡수에 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 당뇨병 환자에게 있어서 근육 감소증은 인슐린 저항성 증가로 인한 당뇨병의 악화로 이어진다. 그러므로 근육 감소증의 억제는 대사 질환을 완화하고 삶의 질을 높일 수 있다. 본 연구에서는 분화된 C2C12 세포를 이용하여 PA에 의한 세포사멸과 근간 소실을 확인하였으며 세포 사멸 억제 효과를 가진 약물을 모색한 결과 DFO 약물을 선별하였다. 또한 DFO 약물을 이용하여 당뇨병성 동물 모델인 db/db mice에 15주간 복강 주사한 후 근 소실 회복을 조사하였다. 그 결과 db/db mice에 DFO 약물 투여 시 체중 증가, 인슐린 저항성 개선, 포도당 내성 장애를 개선하였고 근육 소실을 억제하였다. MRI로 hindlimb의 근육 mass와 지방 축적을 조사한 결과 DFO가 지방 축적을 줄이고 근육 소실을 개선하는 것을 확인하였고, 조직학적인 분석을 통하여 Gastrocnemius(GA), Tibialis anterior(TA) muscle의 근 위축이 개선됨을 확인하였다. DFO는 TA muscle에서 antioxidant enzyme 유전자인 Catalase, SOD1의 증가시켰다. 또한 GA muscle에서 근육 소실 유도 인자로 알려진 FoxO1의 인산화가 증가되었고 MuRF1, procaspase, LC3βⅠ,Ⅱ 단백질 발현의 감소시켰다. 그리고 P62, Glutathione reductase의 발현을 회복시켰다. 따라서 DFO는 당뇨병성 근육 감소증을 개선하며 이외에도 여러 대사적 질환을 개선하는 약물로서 사용될 수 있을 것으로 기대된다.