NMR derived changes of lipoprotein particle concentrations related to impaired fasting glucose, impaired glucose tolerance, or manifest type 2 diabetes mellitus

Background Type 2 diabetes mellitus (T2D) and corresponding borderline states, impaired fasting glucose (IFG) and/or glucose tolerance (IGT), are associated with dyslipoproteinemia. It is important to distinguish between factors that cause T2D and that are the direct result of T2D. Methods The lipoprotein subclass patterns of blood donors with IFG, IGT, with IFG combined with IGT, and T2D are analyzed by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. The development of lipoprotein patterns with time is investigated by using samples retained for an average period of 6 years. In total 595 blood donors are classified by oral glucose tolerance test (oGTT) and their glycosylated hemoglobin (HbA1c) concentrations. Concentrations of lipoprotein particles of 15 different subclasses are analyzed in the 10,921 NMR spectra recorded under fasting and non-fasting conditions. The subjects are assumed healthy according to the strict regulations for blood donors before performing the oGTT. Results Under fasting conditions manifest T2D exhibits a significant concentration increase of the smallest HDL particles (HDL A) combined with a decrease in all other HDL subclasses. In contrast to other studies reviewed in this paper, a general concentration decrease of all LDL particles is observed that is most prominent for the smallest LDL particles (LDL A). Under normal nutritional conditions a large, significant increase of the concentrations of VLDL and chylomicrons is observed for all groups with IFG and/or IGT and most prominently for manifest T2D. As we show it is possible to obtain an estimate of the concentrations of the apolipoproteins Apo-A1, Apo-B100, and Apo-B48 from the NMR data. In the actual study cohort, under fasting conditions the concentrations of the lipoproteins are not increased significantly in T2D, under non-fasting conditions only Apo-B48 increases significantly. Conclusion In contrast to other studies, in our cohort of “healthy” blood donors the T2D associated dyslipoproteinemia does not change the total concentrations of the lipoprotein particles produced in the liver under fasting and non-fasting conditions significantly but only their subclass distributions. Compared to the control group, under non-fasting conditions participants with IGT and IFG or T2D show a substantial increase of plasma concentrations of those lipoproteins that are produced in the intestinal tract. The intestinal insulin resistance becomes strongly observable

NMR-basierte Metabolomik in der Diabetes-Früherkennung und Hochdruck-NMR-Spektroskopie an Lipoproteinen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Hilfe der NMR-Spektroskopie das aus Humanblut gewonnene Plasma bzw. Serum in Hinblick auf dessen charakteristischen Eigenschaften untersucht. Hierbei wurde im ersten Teil der Arbeit eine Studie zur Diabetesfrüherkennung analysiert. Das Ziel der Studie liegt darin, Biomarker für Prädiabetes und Typ-2-Diabetes zu finden Das Kollektiv besteht aus 618 Studienteilnehmern mit verschiedenen Schweregraden der Typ-2-Diabetes-Erkrankung wie gesund, IFG, IGT, IFG und IGT und Diabetes. Hierzu wurden die Daten nach Korrelationen zwischen den Lipoproteinsubklassen und somit dem Lipoproteinprofil und der Erkrankung statistisch analysiert. Zusätzlich stehen sog. Rückstellproben dieser Studienteilnehmer zur Verfügung. Dabei handelt es sich um retrospektive Proben, die innerhalb von durchschnittlich 6 Jahren während des Blutspendens entnommen wurden. Das Plasma wurde mit Hilfe eines 600 MHz BRUKER NMR-Spektrometers bei einer Temperatur von T=310 K gemessen. Die NMR-Spektren wurden zu Beginn qualitativ untersucht. Hierbei wurden die Spektren der Nüchternplasmaproben der Studienteilnehmer verglichen und zudem die Nüchterplasmaproben mit den Proben, die zwei Stunden nach der Glucoseeinahme entnommen wurden. Anschließend wurde der Verlauf der Rückstellproben der Studienteilnehmer qualitativ analysiert. Des Weiteren wurden die Daten mit Hilfe der logistischen Regressionsanalyse in Hinblick auf Korrelationen zwischen dem Diabetes bzw. Prädiabetes und den Lipoproteinsubklassen untersucht. Dabei konnte bei den Proben, die zwei Stunden nach Glucoseeinnahme entnommen wurden, ein signifikanter Unterschied der verschiedenen Diabetes-Gruppen bei einzelnen Lipoproteinsubklassen festgestellt werden. Als Basic Modell wurden jeweils das Alter, der BMI und das Geschlecht des Studienteilnehmers mitgefittet. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich den Ergebnissen der Hochdruck-NMR-Messungen an Serum und den Lipoproteinen. Dabei wurden die Lipoprotein-Proben aus dem Serum mit Hilfe der sequentiellen Ultrazentrifugation extrahiert. Dadurch konnten VLDL, IDL, LDL, HDL2 und HDL3-Proben aus der Serum-Probe gewonnen werden. Diese Proben wurden bei den Temperaturen von T=283 K und T=313 K an einem 800 MHz BRUKER NMR-Spektrometer vermessen. Hierbei wurde in 20 MPa-Schritten der Druck von Normaldruck bis p=200 MPa erhöht. Anschließend wurde die Reversibilität der Druck- und Temperatur-Effekte überprüft. Die NMR-Spektren wurden zunächst qualitativ analysiert und anschließend die Druckabhängigkeit der Integrale und chemischen Verschiebungen der CH2-, CH3-, Cholin-Kopfgruppen- und Cholesterol-Signale mit Hilfe eines Drei-Kompartiment-Modells thermodynamisch ausgewertet, wodurch die Änderungen der Gibbs-Energie ∆G_0 und die Volumenänderung ∆V_0bei Standardbedingungen bestimmt werden konnten