Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin--Madison, 1937. / Typescript. Includes abstract and vita. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references (leaves 113-116).

Introduction: Exposure to hypoxia may alter substrate utilization through diverse mechanisms. Acute hypoxia is known to increase circulating nonesterified fatty acid (NEFA) levels and reduce systemic sensitivity to insulin. The hepatic fate of NEFA is dictated by major pathways such as esterification to triglycerides and complete/partial oxidation, the latter leading to ketogenesis. To our knowledge, the effect of hypoxia on ketogenesis, more specifically ß-hydroxybutyrate (ßOHB), remains unknown in humans. Moreover, adipose tissue is a significant site of NEFA liberation into circulation, and insulin inhibits this process. Under acute hypoxia, systemic insulin resistance develops, and the suppression of lipolysis is impeded. Therefore, the objective of this study was to determine the effect of acute hypoxia on plasma circulating ßOHB levels. Furthermore, to better understand how hypoxic and prandial conditions may modulate plasma NEFA and ketonemia, we calculated the βOHB:NEFA ratio and the adipose tissue insulin resistance index (Adipo-IR), which respectively gives indications of the partial hepatic oxidation of NEFA and the adipose tissue insulin sensitivity. Methods: Plasma samples from 3 different randomized crossover studies were retrospectively assessed for ßOHB concentrations. In the first study, 14 healthy men (23 ± 3.5 years) were exposed to 6 hours of normoxia or intermittent hypoxia (IH) (15 hypoxic events per hour) following an isocaloric meal (IH-Fed). In the second study, 10 healthy men (26 ± 5.6 years) were exposed to 6 hours of continuous normobaric hypoxia (CH) (FiO2= 0.12) or normoxic conditions in the fasting state (CH-Fasted). In the third study, 9 healthy men (24 ± 4.5 years) were exposed to 6 hours of CH in a constant prandial state. ßOHB, NEFA and insulin levels were measured during all sessions (CH-Fed). The adipose tissue insulin resistance index (Adipo-IR) was also calculated from NEFA and insulin levels. Results: In study 1 (IH-Fed), ßOHB and NEFA levels tended to be greater over 6 hours of IH (condition x time interaction, p = 0.108 and p = 0.062, respectively) compared to normoxia. In study 2 (CH-Fasted), ßOHB and NEFA levels increased over time in both experimental conditions, and this effect tended to be greater under CH (condition x time interaction, p = 0.070 and p = 0.046, respectively). In study 3 (CH-Fed), ßOHB levels slightly increased up to 180 min before falling back to initial concentrations by the end of the protocol in both normoxia and CH (p = 0.062), while NEFA slightly increased under CH (p = 0.006). Adipo-IR tended to increase after 6 hours of hypoxia compared to normoxia in the first two studies (main effect of condition, p = 0.024; p = 0.097, respectively), and significantly increased over time under hypoxia in CH-Fed (condition x time interaction, p = 0.004). Conclusion: Acute normobaric hypoxia exposure significantly increases plasma ßOHB concentrations over time in healthy men. The stimulating effect of hypoxia on plasma ßOHB levels is however attenuated during postprandial and postprandial states. Contribution to advancement of knowledge: To our knowledge, this research provides some of the first evidence that an acute exposure to hypoxia increases plasma ßOHB levels in humans. It also reveals potential underlying mechanism that modulate ketogenesis upon hypoxia exposure. Overall, this thesis provides further insights into the homeostatic response of healthy men to oxygen deprivation.

Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin, 1942. / Typescript (carbon copy). eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographies.

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Thesis (M.A.)--Mahidol University, 1982.

Compte tenu de l'absence de traitement pharmacologique efficace contre la maladie d'Alzheimer (MA), le développement d'approches thérapeutiques alternatives telles que le régime cétogène (« ketogenic diet » : KD) pourrait être envisagé. Le KD est un régime riche en graisses, basé sur la production de corps cétoniques (« ketone nodies » : KB) dans le sang. En raison des effets bénéfiques du KD sur le système nerveux central et de l'absence de données publiées sur la barrière hémato-encéphalique (BHE), nous avons utilisé une approche in vivo / in vitro pour étudier l'effet du KD et des KB sur la BHE. Pour l'étude in vivo, le sang de souris 129Sv a été récolté afin d’effectuer le dosage du beta-hydroxybutyrate et du glucose. Les capillaires cérébraux ont été isolés de cortex des souris, et des RT-qPCR ont été effectuées pour évaluer l'expression de l'ARNm des transporteurs / récepteurs impliqués dans la synthèse et le transport de KB, de glucose et du peptide bêta amyloïde. Les analyses transcriptionnelles ont été réalisées également dans un modèle in vitro de BHE, composé de cellules endothéliales dérivées de cellules souches hématopoïétiques (BLECs) en état de cétose. Après confirmation de l'intégrité des jonctions cellulaires des BLECs, Enfin, des expériences de transport de peptides beta amyloïde fluorescents après traitement avec les KBs ont été réalisées in vitro. Nos résultats montrent que les KBs modulent la physiologie de la BBB et l'expression de certains transporteurs et récepteurs du peptide bêta amyloïde, renforcent ainsi notre motivation à décrypter les mécanismes moléculaires et cellulaires au niveau vasculaire et plus précisément au niveau de la BHE. / Given the current absence of an effective pharmacologic treatment for Alzheimer’s disease (AD), the development of alternative therapeutic approaches (such as the ketogenic diet, KD) might be considered. The KD is a low-carbohydrate, high-fat diet based on the production of ketone bodies (KBs) in the blood. In view of the KD’s beneficial effects on the central nervous system and the lack of published data on the blood brain barrier (BBB), we used an in vivo/in vitro approach to investigate the effect of the KD and KBs on the BBB. For the in vivo study, blood from 129Sv mice was assayed for beta-hydroxybutyrate and glucose dosage. Brain capillaries were isolated from mouse cortices, and RT-qPCR assays were used to evaluate the mRNA expression of transporters/receptors involved in the synthesis and transport of KBs, glucose and beta-amyloid peptide. The mRNA assays were also performed in an in vitro BBB model, based on brain-like endothelial cells (BLECs). After a ketotic state had been established and the BLECs’ integrity had been confirmed, we evaluated the mRNA expression of KB-, glucose- and amyloid-beta-related genes. Lastly, the transport of fluorescently labelled beta-amyloid peptide across the BBB was studied after treatment with KBs. Our results showed that KBs modulate the physiology of the BBB by regulating the expression of certain beta-amyloid peptide transporters/receptors and amyloid peptide-synthesizing enzymes. These data suggest that it is possible to modulate key molecular players in beta-amyloid peptide transport and synthesis at the BBB, and thus open up new perspectives for studying KB-related therapeutic approaches.

Les propriétés fonctionnelles de la protéine membranaire SLC5A8 et son rôle physiologique ont été étudiées in vitro et in vivo en utilisant des souris slc5a8-/-. In vitro, des mesures d’accumulation de métabolites par LC-MS sur des cellules HEK transfectées par SLC5A8 ont permis d’étudier ses capacités de transport de monocarboxylates sodium-dépendant (pyruvate mais aussi corps cétoniques). L’étude par analyse métabolomique a permis de montrer que l’uptake de pyruvate médié par SLC5A8 avait pour conséquences, outre l’alimentation énergétique du cycle de Krebs, un effet inhibiteur d’une enzyme glycolytique (GAPDH). Son dérivé halogéné (bromopyruvate), agent anti-tumoral ciblant la GAPDH, génère la même accumulation du substrat de la GAPDH. Nos résultats indiquent que le rôle proposé dans la littérature de suppresseur tumeur de SLC5A8 soit associé à un effet anti-Warburg. In vivo, les souris slc5a8-/- âgées présentaient un œdème intramyélinique diffus sans démyélinisation témoignant de désordres hydro-ioniques dans l’espace périaxonal par carence énergétique. Si l’expression tubulaire rénale de SLC5A8 a été confirmée, l’expression neuronale ne l’a pas été faisant envisager une origine rénale à la leucoencéphalopathie décrite. Les souris slc5a8-/- présentaient une fuite urinaire massive de corps cétoniques à l’origine d’une insuffisance cérébrale en β-hydroxybutyrate. Ce carburant est essentiel pour le cerveau, notamment en cas de dysfonction du métabolisme glucidique, comme l’insulinorésistance démontrée en deuxième partie de vie des souris slc5a8-/-. Cette étude illustre le rôle majeur des corps cétoniques en neuroénergétique. / The functional properties of the SLC5A8 membrane protein and its physiological role have been studied in vitro and in vivo using slc5a8-/- mice. In vitro, analysis of metabolite uptake by LC-MS with slc5a8 transfected HEK cells to study sodium-dependent transport of monocarboxylates, in particular pyruvate but also ketone bodies. Using a metabolomic approach, we showed that SLC5A8-mediated pyruvate uptake fuels the Krebs cycle and has an inhibitory effect on the glycolytic enzyme, GAPDH. Bromopyruvate, the halogen derivative of pyruvate, is a known antitumour agent targeting GAPDH and has a similar effect. We propose that the tumour suppressor function reported for SLC5A8 in the literature is associated with an "anti-Warburg" effect. In vivo, aged slc5a8-/- mice showed diffuse intramyelinic oedema without demyelination. This indicated a hydro-ionic disorder in the periaxonal space due to chronic energy deficiency. While expression of SLC5A8 was confirmed in renal tubular cells, the expression of the protein was not detected in brain suggesting a renal origin of the described leukoencephalopathy. Slc5a8-/- mice showed strong urinary loss of ketone bodies leading to cerebral insufficiency of β-hydroxybutyrate. This ketone is an essential energy source for the brain, in particular when carbohydrate metabolism is dysfunctionning, like in the case of insulin resistance that was found in aged slc5a8-/- mice. This study highlights the major role of ketone bodies in neuroenergetics.

The extension of life span by caloric restriction has been studied across species from yeast and Caenorhabditis elegans to primates. No generally accepted theory has been proposed to explain these observations. Here, we propose that the life span extension produced by caloric restriction can be duplicated by the metabolic changes induced by ketosis. From nematodes to mice, extension of life span results from decreased signaling through the insulin/insulin-like growth factor receptor signaling (IIS) pathway. Decreased IIS diminishes phosphatidylinositol (3,4,5) triphosphate (PIP3) production, leading to reduced PI3K and AKT kinase activity and decreased forkhead box O transcription factor (FOXO) phosphorylation, allowing FOXO proteins to remain in the nucleus. In the nucleus, FOXO proteins increase the transcription of genes encoding antioxidant enzymes, including superoxide dismutase 2, catalase, glutathione peroxidase, and hundreds of other genes. An effective method for combating free radical damage occurs through the metabolism of ketone bodies, ketosis being the characteristic physiological change brought about by caloric restriction from fruit flies to primates. A dietary ketone ester also decreases circulating glucose and insulin leading to decreased IIS. The ketone body, d-β-hydroxybutyrate (d-βHB), is a natural inhibitor of class I and IIa histone deacetylases that repress transcription of the FOXO3a gene. Therefore, ketosis results in transcription of the enzymes of the antioxidant pathways. In addition, the metabolism of ketone bodies results in a more negative redox potential of the NADP antioxidant system, which is a terminal destructor of oxygen free radicals. Addition of d-βHB to cultures of C. elegans extends life span. We hypothesize that increasing the levels of ketone bodies will also extend the life span of humans and that calorie restriction extends life span at least in part through increasing the levels of ketone bodies. An exogenous ketone ester provides a new tool for mimicking the effects of caloric restriction that can be used in future research. The ability to power mitochondria in aged individuals that have limited ability to oxidize glucose metabolites due to pyruvate dehydrogenase inhibition suggests new lines of research for preventative measures and treatments for aging and aging-related disorders.

La progression maligne de l’adénocarcinome canalaire pancréatique (ADKP) s'accompagne d'une profonde réaction desmoplasique, limitant la vascularisation de la tumeur et de fait privant les cellules tumorales en nutriments, forçant les cellules tumorales à adapter leur métabolisme. L’objectif de thèse était de définir les changements métaboliques relatifs à l’ADKP. Par une analyse transcriptomique des tumeurs pancréatiques développées de manière spontanée chez les souris, nous avons établi le profil métabolique des ADKPs lié aux acides aminés au cours de leur progression. Ainsi, nous avons montré que les voies métaboliques de la proline et des acides aminés à chaînes branchées, en particulier le catabolisme de la leucine, sont celles étant les plus dérégulées dans l’ADKP. Concernant le métabolisme de la proline, nous avons montré que les cellules tumorales privées en nutriments capturent et utilisent le collagène, produit par les fibroblastes du stroma tumoral grâce à la macropinocytose, de façon le dégrader en proline. Aussi, l’inhibition de la dégradation de la proline entraine une diminution de la prolifération tumorale in vitro et in vivo. Concernant la leucine, nous montrons que l’élément clé de ce métabolisme est un de ces produits de dégradation finaux à savoir le β-hydroxybutyrate (βOHB) dont la production repose sur une enzyme cruciale : HMGCL. Dans nos travaux, nous démontrons que la suppression d’HMGCL dans les cellules d’ADKP humains entrave leurs capacités oncogéniques et métastatiques in vitro et in vivo. De plus, nous montrons in vivo que le βOHB augmente la croissance tumorale ainsi que la formation de métastases. / The malignant progression of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is accompanied by a profound desmoplasia, depriving tumor cells from oxygen and nutrients, which forces tumor cells to adapt their metabolism to proliferate. The thesis purpose is to define the metabolic changes related to ADKP. Using a transcriptomic analysis of PDAC from mice model, we established the PDAC metabolic profile. Focusing on amino acid metabolic pathways, we identified the metabolic pathways of proline and the branched-chain amino acid, especially the leucine catabolism, as the most deregulated in ADKP compared to the normal pancreas. We demonstrated that tumor cells take up collagen-derived fibroblasts, thanks macropinocytosis, when they are nutrient deprived. Once collagen is internalized, its subsequent digestion supplies TCA with proline. Also, inhibition of proline degradation leads to a decrease in tumor proliferation in vitro and in vivo. We have shown leucine catabolism is specific to tumor cells and the final degradation products: the β-hydroxybutyrate (βOHB) appears as a key element of this metabolism. To produce βOHB, tumor cells use HMGCL, a crucial enzyme involved in leucine degradation. In our work we demonstrated that HMGCL suppression in PDAC cells decreases their oncogenic and metastatic capacities in vitro and in vivo. In addition, we have demonstrated in vivo that βOHB increases tumor growth and metastasis formation. Thus, our works show 1/ the metabolic plasticity of cells, 2/the influence of microenvironment on tumor cell metabolism, 3/ the importance to study tumor metabolism for the finding of new therapeutic targets.

La restriction de croissance intra-utérine (RCIU) est une conséquence immédiate d’un environnement utérin défavorable qui prédispose les individus atteints à de plus grands risques de développer des maladies cardiométaboliques une fois adulte. L’environnement fœtal s’ajoute ainsi à l’hérédité, au sexe et au mode de vie comme facteur déterminant de la santé cardiométabolique. Afin de mieux comprendre les différents aspects de cette prédisposition, notre laboratoire a développé un modèle animal de RCIU asymétrique recréant une diminution de la perfusion placentaire. La caractérisation des animaux a mis en évidence des différences dans la physiologie cardiovasculaire des individus adultes avec des dissemblances selon le sexe, ainsi qu’une différence dans l’expression de plusieurs gènes impliqués dans le métabolisme lipidique chez le fœtus. A partir de ces données, nous émettons l’hypothèse que le cœur fœtal RCIU subit une reprogrammation métabolique, conséquence du stress causé par l’environnement fœtal défavorable. Nous nous attendons aussi à une régulation différente du métabolisme entre les mâles et les femelles. Pour répondre à cette hypothèse, nous avons tout d’abord déterminé la contribution du métabolisme lipidique dans les cœurs fœtaux RCIU ainsi que sa régulation. Ensuite, nous avons approfondi les conséquences d’un métabolisme lipidique élevé dans les cœurs fœtaux RCIU. Le sexe des animaux a été pris en compte dans nos travaux. L’ensemble de ces travaux démontrent une plus grande utilisation du métabolisme lipidique chez les fœtus RCIU, impliquant une activation du récepteur nucléaire PPARα et du coactivateur PGC1a par une abondance d’acides gras (AG) à longue chaîne dans les cœurs fœtaux RCIU. L’activation de PPARα entraine une augmentation de l’expression de nombreux gènes impliqués dans l’oxydation des AG et de la biogenèse mitochondriale. Les mitochondries des cœurs fœtaux RCIU femelles montrent de plus grandes capacités de production d’ATP, comparées aux femelles témoins, mais aucune différence n’a été montrée chez les mâles. Un tel dysmorphisme a également été observé dans l’augmentation des capacités d’oxydation des AG à très longues chaînes chez les femelles RCIU, mais pas chez les mâles. L’augmentation de l’expression de Pdk4 dans les cœurs fœtaux RCIU confirme le fort métabolisme lipidique et suggère une abondance d’acétyl-CoA, molécule intermédiaire à plusieurs voies métaboliques, dont la production de corps cétoniques. Nous avons montré une synthèse intracardiaque de corps cétoniques chez les fœtus RCIU, sans élévation de la cétolyse, causant une accumulation d’acétoacétate et de β-hydroxybutyrate (bHB). Enfin, l’exploration des rôles signalétiques du bHB nous a permis d’observer une régulation positive de ce corps cétonique sur le métabolisme lipidique, par une activation de PPARα. En conclusion, ce projet de thèse a contribué à mieux comprendre les mécanismes d’adaptation métabolique des cœurs fœtaux à une RCIU causée par une diminution de la perfusion placentaire en fonction du sexe. Notre travail ouvre également la voie à de nouvelles avenues de recherche sur le rôle signalétique des corps cétoniques et des AG à longue chaîne dans la programmation des maladies cardiométaboliques. / An unfavorable womb environment often leads to intrauterine growth restriction (IUGR), which is known to increase the likelihood of developing cardiometabolic diseases later in life. The fetal environment is thus added to other factors such as heredity, sex and lifestyle that have an impact on cardiometabolic health. To investigate IUGR predisposed condition, our laboratory has developed an animal model of asymmetric IUGR by decreasing placental perfusion. Our findings using this animal model have highlighted sex-dependent differences in the cardiovascular physiology of IUGR adults, and specific changes in the expression of key genes involved in lipid metabolism in IUGR fetuses. Therefore, we hypothesize that the IUGR fetal heart undergoes a metabolic remodeling in response to the stress caused by the unfavorable uterine environment. We also expect selective metabolic changes in males and females. To verify this hypothesis, we addressed the contribution and regulation of lipid metabolism in IUGR fetal hearts. We also thoroughly investigated the consequences of a high lipid metabolism in IUGR fetal hearts. Changes between males and females were also considered. This study shows an increased use of lipid metabolism in IUGR fetuses, which involves the transcriptional activation of the nuclear receptor PPARα and the coactivator PGC1 in response to accumulated levels of specific long-chain fatty acids (FA) in IUGR fetal hearts. Activation of PPARα lead to an increase in the expression of critical genes involved in the oxidation of FAs and mitochondrial biogenesis. Mitochondrial respiration analysis demonstrated a greater ATP production capability in female IUGR fetal hearts compared to control females, a finding not observed in males. The increased expression of Pdk4 in IUGR fetal hearts attests such a strong lipid metabolism and suggests an abundance of acetyl-CoA, an intermediate molecule to several metabolic pathways, including the production of ketone bodies. Indeed, our results indicate an increased intracardiac synthesis of ketone bodies in IUGR fetuses without inducing ketolytic genes, resulting in significant accumulation of acetoacetate and β-hydroxybutyrate (bHB). Moreover, we provide evidence of a signaling role of bHB with a positive regulation of lipid metabolism through the transcriptional activation of PPARα. In conclusion, this thesis contributes to a better understanding of the mechanisms involved in the metabolic adaptation of fetal hearts to IUGR and highlights selective changes according to sex. Our study also paves the way for new research avenues on the signaling role of ketone bodies and long-chain FAs on the programming of cardiometabolic diseases.