Effekte einer kurzfristigen kohlenhydratreichen Ernährung auf die Insulinsensitivität und den intramyozellulären Lipidgehalt bei gesunden Nachkommen von Typ 2 Diabetikern

Abstract

Bei der Pathogenese des Diabetes mellitus Typ 2 stehen sowohl Störungen im Kohlenhydrat- als auch im Lipidstoffwechsel im Vordergrund. Dies macht sich u.a. in einer gestörten Insulinsekretion der ß-Zellen sowie in einer Insulinresistenz der peripheren Zielgewebe bemerkbar. Es gibt zunehmend Hinweise für eine Beteiligung von ektopen Lipiden an der Insulinresistenz. Insbesondere die Speicherung und Akkumulation von Lipiden in der Skelettmuskelzelle, welche neben dem viszeralen und subkutanen Kompartiment als das neue dritte Lipidkompartiment angesehen wird, wird aktuell als ein Surrogat für biochemische Prozesse diskutiert, welche die Insulinsensitivität herabsetzen. Vorhergehende Studien konnten zeigen, dass eine langanhaltende Glukose-Infusion an Ratten, neben der Anhäufung von Triglyzeriden im Rattenskelettmuskel, zur Insulinresistenz führt. Die Auswirkungen eines Übermasses an Kohlenhydraten in der Ernährung beim Menschen werden bislang kontrovers dikutiert. Ziel: In der vorliegenden Studie sollte deshalb die Auswirkung einer kurzfristigen Kohlenhydrat-Überversorgung auf die Insulinresistenz und den intramyozellulären Lipidgehalt bei gesunden Normalpersonen untersucht werden. Es stellte sich auch die Frage, ob eine direkte Beziehung zwischen dem IMCL und der Insulinsensitivität bestand. Außerdem sollte überprüft werden, ob es eine bedeutsame Differenz zwischen dem Einfluß der kohlenhydratreichen Kost bei insulinsensiblen und insulinresistenten Probanden gibt. Methodik: 30 Probanden aus dem Tübinger-Familien-Früherkennungs-Programm ernährten sich über 3 Tage hochgradig kohlenhydratreich gemäß eines einheitlichen Diätplans. Zur Quantifizierung der Insulinsensitivität als Maß der Glukose-Utilisation im Gesamtorganismus wurde im Rahmen dieser Dissertation die euglykämisch-hyperinsulinämische Clamp-Technik angewandt. Die Bestimmung des intramyozellulären Lipidgehalts erfolgte mittels der nicht-invasiven 1HMR-Spektroskopie. Diese Untersuchungen wurden jeweils vor Beginn und nach abgeschlossener dreitägiger Diätphase durchgeführt. Weiterhin wurden die Probanden an diesen Tagen anthropometrisch, metabolisch und laborchemisch charakterisiert. Ergebnisse: Die Parameter der Insulinsensitivität (GIR, MCR, ISI) zeigten in beiden Gruppen nach Intervention keinerlei signifikante Veränderungen. Der Nüchternblutzucker war in der insulinsensiblen Gruppe nach Intervention signifikant erniedrigt. Der Nüchterninsulinwert veränderte sich nicht relevant. In der insulinresistenten Gruppe nahm nach Diät der Insulinwert zum Zeitpunkt 120 min trendmäßig ab. Im Lipidmetabolismus konnte ein relevanter Abfall des HDL und des Cholesterin in der insulinsensiblen Gruppe nachgewiesen werden, während der LDL-Wert in allen Gruppen ohne Signifikanz abfiel. Entsprechend dieser Verläufe zeigte sich der LDL/HDL-Quotient nach Diät in der sensiblen Gruppe signifikant erhöht. Die beiden weiteren Werte des Lipidmetabolismus (Triglyzeride, freie Fettsäuren) stiegen nach kohlenhydratreicher Ernährung an, jedoch ohne Relevanz. Durch die Intervention nahmen die IMCL im M. Tib. Ant. der sensiblen Gruppe um 26% signifikant ab. In der gleichen Gruppe verzeichnete sich im M. Sol. auch eine Abnahme der IMCL, ohne Signifikanz. Diskussion: In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine kurzfristige, extrem kohlenhydratreiche Ernährung den Gehalt an IMCL abfallen lässt ohne jeglichen Einfluss auf die Insulinsensitivität bei gesunden, nicht dicken und nicht insulinresistenten Personen zu haben. Insgesamt ist jedoch die Datenlage bezüglich Einfluß einer kohlenhydratreichen Ernährung auf die Insulinsensitivität sehr uneinheitlich. Es ist auch nicht eindeutig geklärt, welcher Mechanismus der intramyozellulären Lipideinlagerung zugrunde liegt. Die akute Beeinflussung der IMCL-Pools mag von einer vorbestehenden Insulinresistenz abhängig sein. Zum Einfluß kohlenhydratreicher Ernährung auf dieses intramuskulär gelegene Lipidkompartiment gibt es bislang nur sehr wenige Studien. Um mehr Transparenz in die Komplexität der Kohlenhdrate und deren langfristigen metabolischen Einflüsse zu erlangen, sind in Zukunft weitere Studien von Nöten, welche multiple Faktoren in die Analysen mit einbeziehen werden.

Malfunctions in the metabolism of carbohydrates and lipids play a leading role in the pathogenesis of type 2 diabetes. This is shown in an impaired insulin secretion of the ß-cells and an insulin resistance of the peripheral target tissues. There is an indication, that so called ectopic lipids take part in insulin resistance. In particular we talk about the storage and accumulation of lipids in the cells of skeletal muscles. This is seen as the third, new lipid compartment after the visceral and subcutaneous compartment and currently discussed as a surrogate for biochemical processes, which reduce the insulin sensitivity. Previous studies have shown that in rats, an extended infusion of glucose leads to an insulin resistance. Further there is an accumulation of triglycerides in the rat’s muscular cells. On humans, the effect of high-carbohydrate intake is still subject of controversial dispute. Aims: The present study has examined the effect of short-term high-carbohydrate diet on insulin resistance and intramyocellular lipids in healthy subjects. In addition the question about a possible direct relation between IMCL and insulin sensitivity should be answered. Another evaluation point was whether there is a different influence of a high-carbohydrate diet on insulin-sensitive versus insulin-resistant subjects. Method: 30 subjects of the “Tübinger-Familien-Früherkennungsprogramm” lived for three days on a special diet, extremely high on carbohydrates. The diet followed a firm protocol. The euglycemic-hyperinsulinemic glucose-clamp-technique was applied to quantify insulin sensitivity. This is a mean to measure glucose-utility in the human organism. The amount of intramyocellular lipids was measured by the non-invasive method of HMR-spectroscopy. These measurements were taken at the beginning and after completion of the 3 day diet. In addition the subjects got anthropometric, metabolic and chemical checks. Results: The parameter of insulin sensitivity (GIR, MCR, ISI) showed no significant changes in both of the groups, before and after the intervention. The fasting blood-glucose level was significantly decreased after intervention in the insulin-sensitive group. There were no relevant changes in fasting insulin levels. After the intervention, insulin levels showed a tendency to decrease after 120 minutes in the insulin-resistant group. Concerning the lipid metabolism there was a relevant decrease of HDL and cholesterol in the insulin-sensitive group, whereas the LDL decreased in all groups without significance. According to these changes, the LDL/HDL ratio was significantly higher after diet in the insulin-sensitive group. The other two values of lipid metabolism (triglycerides, free fatty acids) increased after high-carbohydrate intake, but showed no relevant difference. In the insulin-sensitive group decreased the IMCL by 26% in the anterior peroneus muscle and was therefore significant whereas the decrease in the soleus muscle of the same group showed no significance. Conclusions: This study could show, that a short-term extreme high-carbohydrate nutrition leads in healthy, not overweight and not insulin-resistant subjects to a decrease of IMCL without any influence on insulin sensitivity. The data of several other studies regarding the effect of a high-carbohydrate diet on insulin sensitivity are very different. So far there is no explanation of the mechanism of intramyocellular lipid storage. The actual influence on the IMCL-pools may depend on a pre-existing insulin resistance.There are only a few studies of the effect of high-carbohydrate nutrition on the intramuscular lipid compartment. To get more transparency in the complexity of carbohydrates and their long-term metabolic effects, further studies, which will include multiple factors in the analyses, will be necessary.