The role of immune cells in insulin resistance

Abstract

A inflamação crónica de baixo grau relacionada com a obesidade desempenha um papel importante no desenvolvimento de outras comorbilidades, incluindo a resistência à insulina (IR), um precursor da diabetes tipo 2 (T2D). A disfunção metabólica dos adipócitos pode induzir a infiltração de células imunes no microambiente do tecido adiposo (AT). Assim, a hipótese é que as células imunes estão envolvidas no estabelecimento e perpetuação da inflamação crónica quer local, quer sistémica, criando um ciclo de retroalimentação positiva que agrava ainda mais a disfunção do tecido adiposo.Para testar a nossa hipótese, estudámos o papel de células imunes, do sangue periférico (PB) e infiltradas no tecido subcutâneo (SAT) e visceral (VAT), na IR associada à obesidade. Foi realizada uma caracterização profunda do fenótipo das células T no PB, SAT e VAT de adultos submetidos a cirurgia bariátrica. Além disso, foi avaliado o efeito da obesidade na metilação do DNA em células mononucleares do sangue periférico (CMSP) em crianças pre-pubertais com obesidade.De um total de 42 participantes com obesidade (OB) submetidos a cirurgia bariátrica, foram recolhidos PB, SAT e VAT. O AT foi digerido para recolher a fração do estroma vascular. A caracterização do fenótipo das células T foi realizada por citometria de fluxo. Quatro grupos foram estudados de acordo com perfis metabólicos específicos: sensíveis à insulina (IS), resistentes à insulina normoglicémicos (IRn), pré-diabéticos (Pre-T2D) e aqueles com diabetes tipo 2 (T2D). Os participantes submetidos a uma segunda cirurgia bariátrica foram seguidos longitudinalmente. Além disso, de um grupo de crianças pré-pubertais (n=64), foram recolhidos PB e PBMCs. A metilação do DNA em PBMCs foi medida com um kit Infinium EPIC da Illumina. As crianças com obesidade foram agrupadas como metabolicamente saudáveis (MH) ou metabolicamente não saudáveis (MUH) de acordo com a sua resistência à insulina (HOMA-IR ≥2). Adultos saudáveis (nOB) e crianças saudáveis (HL) com idade e sexo semelhantes foram analisados.Os nossos resultados demonstraram que o fenótipo das células imunes sofre alterações com a obesidade e com a resistência à insulina associada à obesidade, especialmente em comparação com indivíduos com peso normal. Essas alterações conduzem a um estado pró-inflamatório em indivíduos com obesidade e resistência à insulina, destacado pelo aumento percentual de células com perfil inflamatório em circulação (células Th17 e Th1/17), acompanhado por uma redução nas células CD4+ Treg. Curiosamente, os indivíduos com pré-diabetes apresentaram os níveis mais elevados de células CD8+ Treg em circulação, que podem ser um mecanismo compensatório para o aumento dos níveis de CRP e insulina. Além disso, o tecido adiposo mostrou ser altamente infiltrado por células T com polarização T1-like. As alterações observadas podem ser o desencadeador subjacente para o agravamento das complicações relacionadas com a obesidade. Importante notar que os indivíduos submetidos a cirurgia bariátrica exibem mudanças metabólicas significativas após a cirurgia. No entanto, foram observadas apenas alterações ligeiras no fenótipo das células T. Os nossos estudos indicam também alterações importantes nos padrões de metilação do DNA em crianças pré-pubertais que podem anteceder o estabelecimento da inflamação crónica de baixo grau relacionada com a obesidade e com a resistência à insulina.Em conclusão, os nossos estudos demonstram que as células T desempenham um papel importante na inflamação de baixo grau em indivíduos com obesidade e resistência à insulina associada com a obesidade. Elas exibem um perfil inflamatório aumentado, tanto em circulação como no AT, o que pode contribuir para o agravamento da condição. Além disso, as alterações na metilação do DNA na infância podem ser uma das causas subjacentes para a obesidade na idade adulta.

The chronic low-grade inflammation associated with obesity plays an important role in the development of comorbidities, including insulin resistance (IR), a precursor to the onset of type 2 diabetes (T2D) onset. Metabolic dysfunction of adipocytes may be a possible trigger to infiltration of immune cells into the adipose tissue (AT) microenvironment. Thus, we hypothesized that immune cells are involved in the initiation and perpetuation of tissue and systemic low-grade inflammation, creating a positive feedback loop that further enhances adipose tissue dysfunction. To test our hypothesis, we studied the role of specific immune cells in obesity-related IR, examining peripheral blood (PB) and immune cells infiltrating subcutaneous (SAT) and visceral AT (VAT). Deep characterization of the T cell phenotype in PB, SAT and VAT was conducted on adults undergoing bariatric surgery. Furthermore, we explored the impact of obesity on DNA methylation in prepubertal obesity using peripheral blood mononuclear cells (PBMCs).From 42 participants with obesity (OB) undergoing bariatric surgery, PB, SAT and VAT were collected. AT was digested to collect the stromal vascular faction (SVF). Characterization of the immune phenotype of T cells, from the PB and SVF of SAT and VAT, was performed by flow cytometry. Participants were characterized into four metabolic profiles: insulin sensitive (IS), insulin resistant normoglycemic (IRn), pre-diabetic (Pre-T2D) and those with type 2 diabetic (T2D). Participants undergoing a second bariatric surgery were followed longitudinally. Moreover, from a group of prepubertal children (n=64), peripheral blood and PBMCs were collected. Children with obesity were grouped into metabolically healthy (HO) or metabolically unhealthy (UHO), according to their insulin resistance (HOMA-IR ≥2). PBMC DNA methylation was measured by an Illumina Infinium EPIC kit. Age- and sex-matched healthy adults (nOB) and children (HL) were included for comparison. Our results demonstrated that immune cells phenotype is altered in obesity and obesity-associated insulin resistance, especially in comparison to individuals with normal weight. These alterations drive proinflammatory status in individuals with obesity and insulin resistance, as highlighted by the increased percentage of cells with an inflammatory profile in circulation (Th17 and Th1/17 cells), accompanied by a reduction in the CD4+ Treg cells. Interestingly, individuals with pre-diabetes showed the highest levels of circulating CD8+ Treg cells, potentially acting as a compensatory mechanism in response to increased CRP and insulin levels. In addition, adipose tissue showed substantial infiltration by T cells with T1-like polarization, suggesting that these observed alterations can be the underlying trigger to the worsening of obesity-related complications. Notably, individuals undergoing bariatric surgery display important metabolic changes after surgery. However, only mild changes were observed in the T cells phenotype. Furthermore, our studies also indicate significant changes in DNA methylation patterns in prepubertal children that may precede the establishment of obesity-related low-grade inflammation and the insulin resistance.In conclusion, our studies point to the involvement of T cells in the low-grade inflammation detected in individuals with obesity and obesity-related insulin resistance. Both circulating, and AT-infiltrated T cells display an increased inflammatory profile that can contribute to the progression of the disease. Furthermore, childhood alterations in the DNA methylation may constitute one of the underlying causes to adulthood obesity.