title: Regulation of torpor and non-shivering thermogenesis: New insights and the use of magnetic resonance imaging
title: Regulationsmechanismen während des Torpors und der zitterfreien Thermogenese: Neue Einblicke und der Einsatz von Magnetresonanztomographie
Creators: name: Grimpo, Kirsten
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Braunes Fettgewebe
Kernspintomographie
thermoregulation
mitochondrial respiration
Energieverbrauch
Biowissenschaften, Biologie
Stoffwechselrate
Lipidmetabolismus
Acomys russatus
brown adipose tissue
Torpor
metabolism
Phodopus sungorus
Mitochondrium
Thermoregulation

description: Säugetiere bevölkern nahezu jede
      Nische der Erde, weil sie ihre Körpertemperatur unabhängig
      von der Umgebungstemperatur regulieren können. Diese
      endotherme Lebensweise ist, besonders für Kleinsäuger,
      energetisch sehr kostspielig und lässt sich nur durch eine
      präzise Regulation der Energieausgaben verwirklichen.
      Regulationsmechanismen, die einer Absenkung des
      Stoffwechsels, um Energie zu sparen oder einer
      Stoffwechselsteigerung, um die Körpertemperatur bei
      Kälteexposition zu verteidigen, zugrunde liegen, sind komplex
      und in weiten Teilen unverstanden. Messungen von
      Sauerstoffverbrauch und Körpertemperatur der arid lebenden
      Goldstachelmaus (Acomys russatus) ergaben, dass A. russatus
      eine 50%ige Futterreduktion bei hohen Umgebungstemperaturen
      (32°C und 35°C) energetisch kompensieren kann. Durch eine
      Reduktion ihres Ruhestoffwechsels um 30% im Vergleich zu ad
      libitum Bedingungen und täglich mehrstündige torpide Phasen,
      hielt sie ihr Körpergewicht trotz der verringerten
      Energiezufuhr nahezu konstant. Im Gegensatz zu Torpor bei
      Umgebungstemperaturen von 23°C und 27°C, blieb die
      Körpertemperatur dabei auf einem normothermen Level. Die
      rapide Absenkung des Metabolismus, ein Charakteristikum von
      Torpor, kann demnach entkoppelt von einer hypothermen
      Körpertemperatur stattfinden und ist somit entgegen der
      landläufigen Meinung nicht nur in kalten, sondern auch in
      anderen klimatischen Bedingungen eine effiziente Strategie
      der Energieeinsparung. Als Auslöser für die regulierte
      Stoffwechselabsenkung im Torpor stehen die Mitochondrien in
      der Diskussion. Ein aktives Abschalten der Zellatmung könnte
      zu einer Stoffwechseldepression führen, wie sie bei Eintritt
      in den Torpor auftritt. Untersuchungen verschiedener Gewebe
      (z.B. Leber) von torpiden Stachelmäusen ergaben jedoch keine
      Verringerung der mitochondrialen Succinat-Respiration im
      Vergleich zu normometabolen Tieren. Auch das Membranpotential
      der isolierten Mitochondrien und die Effizienz der
      ATP-Synthase unterschieden sich nicht. Dies galt für torpide
      Stachelmäuse mit normothermer als auch hypothermer
      Körpertemperatur. Es weist darauf hin, dass die Absenkung der
      Stoffwechselrate im Torpor bei A. russatus nicht durch eine
      Inhibition der Zellatmung induziert wird.
      Winterakklimatisierte Dsungarische Zwerghamster (Phodopus
      sungorus) dagegen zeigten im Torpor eine aktive Inhibition
      der Substratoxidation in den Lebermitochondrien. Die
      Atmungsraten der Mitochondrien korrelierten mit der
      Körpertemperatur der Hamster, die bei Umgebungstemperaturen
      von 15°C sehr tiefe Werte erreichte. Diese Daten lassen die
      Schlussfolgerung zu, dass eine aktive Inhibition der
      mitochondrialen Respiration artspezifisch ist und eher eine
      Anpassung an niedrige Körpertemperaturen im torpiden Zustand
      als die Ursache des Torporeintritts an sich. Die Mechanismen,
      die zum Eintritt in den Torpor führen, bleiben somit unklar.
      Um neue Wege für die Entschlüsselung der
      Regulationsmechanismen im Torpor zu eröffnen, wurde im
      nächsten Schritt ein kombinierter Messaufbau aus indirekter
      Kalorimetrie und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt,
      der erlaubte torpide Zwerghamster bildgebend zu untersuchen.
      Die notwendige Hardware und Software wurde soweit optimiert,
      dass P. sungorus in einem 7 Tesla-Tomographen torpid wurde
      und erstmalig morphologische, angiographische und
      spektroskopische Aufnahmen an einem nicht-narkotisierten Tier
      im Torpor akquiriert werden konnten. Solch funktionelle
      Messungen mittels MRT bieten das Potential, neue Einblicke in
      die Abläufe des Torpors zu gewinnen. Eine weitere Stärke der
      MRT ist ihr hervorragender Weichgewebekontrast, der es zuließ
      Gewebe von narkotisierten Tieren in vivo zu untersuchen.
      Selbst Unterschiede zwischen dem weißen Speicherfett und dem
      thermogenetisch aktiven braunem Fett ließen sich darstellen
      und mit gaschromatischen Messungen ex vivo validieren. Weißes
      Fettgewebe wies einen höheren Gehalt an ungesättigten
      Fettsäuren auf als braunes Fettgewebe. In der Winteranpassung
      nahm der Gehalt an ungesättigten Fettsäuren in beiden Geweben
      bei P. sungorus zu. Daraus lässt sich eine bedeutsame
      Funktion der Fettsäuren für die Vorbereitung auf Torpor und
      kalte Umgebungstemperaturen ableiten. Im letzten Teil der
      Arbeit wurde die thermogenetische Funktion des braunen
      Fettgewebes tiefergehend untersucht. Braunes Fettgewebe
      spielt eine wichtige Rolle um den Körper aus hypothermen
      Phasen des Torpors wieder aufzuheizen und um eine normotherme
      Körpertemperatur bei Kälteexposition zu verteidigen. Hierfür
      generiert braunes Fett nach noradrenerger Stimulation mittels
      eines spezifischen Entkopplerproteins (UCP1) zitterfreie
      Wärme, indem die oxidative Phosphorylierung in den
      Mitochondrien von der Atmungskette entkoppelt wird. Bei
      langanhaltender Kälteexposition steigt die Fähigkeit zur
      zitterfreien Thermogeneses durch Erhöhung der
      respiratorischen Kapazität des Gewebes, und diese wird
      hauptsächlich auf UCP1-vermittelte Thermogenese
      zurückgeführt. Knockout-Mäuse, die kein UCP1 besitzen,
      zeigten dennoch eine Steigerung der zitterfreien
      Wärmebildung, was auf eine Kompensation der UCP1-vermittelten
      Thermogenese hinweist. Spektroskopische und bildgebende
      MRT-Messungen konnten bei UCP1-KO Mäusen wie bei
      Wildtypmäusen eine Umstrukturierung des braunen Fettgewebes
      bei Kälteanpassung visualisieren. Nach noradrenerger
      Stimulation konnte eine Erhöhung des Lipidmetabolismus
      nachgewiesen werden. Der gesteigerte Lipidstoffwechsel führte
      bei beiden Genotypen zu einem immensen Export von Fettsäuren,
      dem wichtigsten Substrat der Thermogenese, aus dem braunen
      Fettgewebe. Die Daten sprechen für einen UCP1-unabhängigen
      Mechanismus zur adaptiven Thermogenese und eine wichtige
      Funktion des braunen Fettgewebes im Lipidstoffwechsel, die
      über die Oxidation von Fettsäuren für die UCP1-vermittelte
      Thermogenese hinausgeht. Die Ergebnisse der vorliegenden
      Arbeit tragen zu einem weiterführenden Verständnis der
      Regulationen des Energiehaushalts kleiner Säugetiere bei. Sie
      decken Zusammenhänge zwischen der aktiven
      Stoffwechselabsenkung, der Körpertemperatur, der
      Umgebungstemperatur und der mitochondrialen
      Respirationsleistung auf. Sie beleuchten den Einsatz der MRT
      als innovative Methode für die Untersuchung physiologischer
      Fragestellungen und werfen ein neues Licht auf die Funktion
      des braunen Fettgewebes bei der UCP1-unabhängigen
      zitterfreien Thermogenese.
description: Mammals are able to regulate their
      body temperature independent of the ambient temperature and
      thus inhabit almost every ecological niche all over the
      world. This endothermic way of life is especially for small
      mammals energetically expensive and requires a balanced
      energy management. The mechanisms for metabolic reduction in
      order to save energy, i.e. torpor, or the increase of energy
      metabolism in order to defend body temperature against
      ambient temperatures are complex and barely understood.
      Measuring oxygen consumption and body temperature of Golden
      spiny mice (Acomys russatus) revealed that these desert
      rodents were able to compensate a 50% food restriction when
      kept at ambient temperatures of 32°C or 35°C. The spiny mice
      defended their body weight against the reduced energy supply
      through a 30% reduction of resting metabolic rate compared to
      ad libitum conditions as well as by using daily torpor.
      During torpor at these ambient temperatures they maintained
      their body temperature at a normothermic level whereas they
      became hypothermic during torpor at ambient temperatures of
      23°C or 27°C. This implies that the metabolic reduction
      during torpor can occur autonomously from a hypothermic body
      temperature. It demonstrates that torpor is an efficient
      strategy for saving energy in a variety of habitats and not
      just in cold environments as previously assumed. Mitochondria
      are discussed to trigger the regulated metabolic depression
      in torpor, as it has been hypothesized that a shutdown of
      cell respiration could be responsible for the rapid reduction
      of metabolic rate during torpor entrance. For this reason
      mitochondrial succinate respiration of four tissues (e.g.
      liver) were investigated from torpid spiny mice but no
      differences were detected when compared to normometabolic
      individuals. There was no change in membrane potential or
      ATP-synthase efficiency of isolated mitochondria during
      torpor. These results were true for torpid A. russatus with
      normothermic and hypothermic body temperature and indicate
      that the decrease of metabolic rate during torpor in this
      species is not caused by a depression of mitochondrial
      respiration. In contrast, mitochondrial respiration of liver
      from winter-acclimated Djungarian hamsters (Phodopus
      sungorus) was significantly reduced during torpor due to an
      active inhibition of substrate oxidation. The respiration
      rates of liver mitochondria correlated with the body
      temperature of the hamsters, which reached very low values at
      an ambient temperature of 15°C. In conclusion the active
      inhibition of mitochondrial respiration seems to be
      species-specific and more an adaptation to a low body
      temperature in the torpid state rather than being the cause
      of torpid state per se. Thus, the intrinsic mechanisms of
      entrance into torpor still remain unclear. To further
      elucidate the mechanisms which underlie the regulation of
      torpor in the Djungarian hamster a combination of indirect
      calorimetry and magnetic resonance imaging (MRI) was
      developed. Hardware and software of the experimental setup
      were optimized so that P. sungorus became torpid inside the 7
      Tesla scanner allowing for the first time successful
      acquirements of imaging, angiography and spectroscopy data in
      a non-anaesthetized animal. Such functional measurements via
      MRI promise new insights into the processes of torpor.
      Another advantage of MRI, its excellent soft tissue contrast,
      was used for characterization of adipose tissue of
      anaesthetized animals in vivo. Differences between the white
      adipose tissue that serves mainly as lipid storage and the
      thermogenically important brown adipose tissue were detected
      with MRI and data were validated with ex vivo
      gas-chromatographic measurements. White adipose tissue had a
      higher content of unsaturated fatty acid than brown fat. In
      both tissues the amount of unsaturated fatty acids increased
      following acclimation to short photoperiod, indicating a
      contribution of fatty acids to the preparation of torpor
      behavior and adaptation to cold. The thermogenic function of
      brown adipose tissue was investigated more closely in the
      last part of the thesis. Brown adipose tissue is essential
      for small mammals to reheat from hypothermic states in torpor
      and to defend normothermic body temperature during cold
      exposure. For this purpose after noradrenergic stimulation
      brown adipose tissue generates heat by uncoupling the
      oxidative phosphorylation from the respiratory chain via
      uncoupling protein 1 (UCP1) activity. Long term cold exposure
      results in an increased respiratory capacity of brown adipose
      tissue and this adaptive non-shivering thermogenesis is
      mainly attributed to UCP1 induced thermogenesis. However,
      UCP1-depleted mice increased their capacity of non-shivering
      thermogenesis after adaptation to cold, indicating a
      compensatory mechanism of UCP1-dependent thermogenesis. MRI
      visualized a remodeling of brown adipose tissue in UCP1-KO
      and wildtype mice following cold acclimation. By using
      magnetic resonance spectroscopy an advanced lipid metabolism
      after noradrenergic stimulation was detected that led to an
      export of fatty acids, the main substrate of non-shivering
      thermogenesis, from brown adipose tissue. The data suggest an
      UCP1-independent adjustment of brown adipose tissue to cold
      exposure and a contribution to lipid metabolism that exceeds
      the oxidation of fatty acids for UCP1-dependent
      thermogenesis. The results of the present PhD-Thesis
      contribute to a better understanding of the energy metabolism
      in small mammals. They untangle the interactions between an
      active down-regulation of metabolism, body temperature,
      ambient temperature and mitochondrial respiration. They
      discuss the potential of MRI as an innovative method in order
      to answer physiological questions and stress the role of
      brown adipose tissue concerning UCP1-independent
      thermogenesis.