Klinische Wochenschrift

Klin, Wochenschr. 58, 853 857 (1980)

© Springer-Verlag 1980

~bersichten Priiadipozyten: Ein neues Modell in der Fettsuchtforschung H. Kather und B. Simon Klinisches Institut f~r Herzinfarktforschung an der Medizinischen Universitfitsklinik Heidelberg

Preadipocytes: A New Model in Obesity Research Summary. The present knowledge about the differentiation of preadipocytes into adipocytes is reviewed. The adipose conversion is initiated by an as yet unknown serum factor and is enhanced by various hormones including insulin, prostaglandin F2~, steroids, and prolactin; prostaglandin E1 and phorbol diesters are inhibitors of differentiation. Adipose conversion of fibroblasts (preadipocytes) is associated with the coordinate induction of key enzymes of the lipogenetic and lipolytic pathways and is accompanied by profound changes in hormone responsiveness. Pathophysiological studies with preadipocytes of genetically obese mice show differences between adipocyte precursors of obese animals and lean controls which may be causually related to obesity. Regional differences in the hormonal regulation of fibroblast conversion might be important for the sexdifferences of fat deposition in human beings. Key words: Preadipocytes - Differentiation - Adipose tissue - Obesity

Zusammenfassung. Fettzellen entstehen aus differenzierungsffihigen V0rlfiuferzelten (Prfiadipozyten). Prfiadipozyten entsprechen morphologisch und funktionell Fibroblasten. Der Differenzierungsvorgang ist gekennzeichnet durch die Ausbildung des typischen sphfirischen Erscheinungsbildes der reifen Fettzelle und durch die koordinierte Induktion yon Schlfisselenzymen der Lipolyse und der Lipogenese, sowie den Erwerb der charakteristischen Hormonempfindlichkeit der reifen Fettzelle. Der Differenzierungsvorgang wird durch einen bisher nicht charakterisierten Serumfaktor ausgel6st und durch Insulin, Steroide, Prolactin, Prostaglandin F2~ sowie Methylxanthine beschleunigt; er wird durch Cocarcinogene und Pro-

staglandin E 1 gehemmt. Erste pathophysiologische Untersuchungen mit Prfiadipozyten von genetisch fettsiichtigen Mfiusen lassen vermuten, dab sich eine genetische Prfidisposition zur Obesitas schon auf Prfiadipozytenebene manifestiert. Regionale Differenzen in der hormonalen Regulation des Differenzierungsprozesses k6nnten zu den typischen, geschlechtspezifischen Unterschieden in der Verteilung der K6rperfettmasse beitragen.

Sehliisselwiirter: Prfiadipozyten - Differenzierung Fettgewebe- Fettsucht

Die Ergebnisse der Arbeitsgruppe um Hirsch [20, 21] fiber ernfihrungsbedingte, bzw. -assoziierte Anderungen von Fettzellzahl und Fettzellgr6t3e mOndeten in das sog. ,,Fettzellkonzept" zur Erklfirung der Entstehung der Fettsucht [2, 37]. Auf Grund tierexperimenteller Ergebnisse wurde vermutet, dab f£berern/ihrung in bestimmten kritischen frtihen Lebensphasen zu einer fiberschiel3enden Fettzellvermehrung f/ihrt [1, 2]. Durch die Tendenz der einmal gebildeten Fettzellen, sich auch mit Fett zu ftillen, sollte fast zwangslfiufig U'bergewicht entstehen. Dieses besonders ffir den Laien attraktive Konzept hielt jedoch der experimentellen l~berprfifung nicht stand. Kritische Phasen fiir eine Fettzellhyperplasie liel3en sich beim Menschen nicht bestfitigen [1, 32]. Fettsucht im Erwachsenenalter lfiBt sich nicht mit gentigender Sicherheit aus einer Fettsucht im Kindesalter vorhersagen [19] und die seit Kindheit bestehende Fettsucht 1/iBt sich auf Grund der Fettgewebszellularitfit nicht yon der im Erwachsenenalter erworbenen Form der Erkrankung unterscheiden [24]. Das Fettzellkonzept ffihrte zu einer Uberschfitzung der Rolle yon Fettzellgr6Be und Fettzellzahl in

854 der Pathogenese der Obesitas. Dennoch zeigen auch neuere Untersuchungen, dab das Fettgewebsorgan nicht nut als passives Speicherorgan fungiert, sondern das Signale fiber den Ftillungszustand des Fettgewebes existieren, die auf die Nahrungsaufnahme zurfickwirken [1t, 12]. Die Diskussion um die Rolle des Fettgewebes in der Pathogenese der Fettsucht wurde j/.ingst erneut durch die Entdeckung von Vorlfiuferzellen, sog. Prfiadipozyten angeregt [13-16, 30, 42]. Diese Zellen entsprechen morphologisch und funktionell zunfichst Fibroblasten und sind in der Lage, sich in vitro in reife Fettzellen umzuwandeln [13-16]. Nach Abschlul3 des Differenzierungsvorganges fihneln diese Zellen in einer Reihe von Aspekten reifen Fettzellen, so daf3 dieses Modell vertiefte Einblicke in die Mechanismen verspricht, die auf Fettgewebsebene fiir die Entstehung der Fettsucht von urs/ichlicher Bedeutung sind. In dieser Ubersicht sollen bisher vorliegende experimentelle Daten zusammengefal3t und im Hinblick auf die Pathogenese der Fettsucht diskutiert werden.

Morphoiogie und Bioehemie des Differenzierungsprozesses Der Arbeitsgruppe unl Green [13, 14] gelang es 1974 erstmals zwei differenzierungsf~ihige Zellpopulationen aus einer etablierten Zellinie von Mfiusen, sogenannten 3T3-Fibroblasten zu kultivieren. Diese Sublinien akkumulierten nach Abschlul3 des Wachstums Fetttropfen. Das es sich bei diesem Vorgang nicht einfach um eine fettige Degeneration handelte, ergab sich daraus, dab die Verfettung sich durch Bromdeoxyuridin, einem Analogon von Uridin, spezifisch blockieren liel3. In Anwesenheit dieser Substanz verhielten sich die Zellen beider Sublinien morphologisch und funktionell weiter wie Fibroblasten [15]. Die Autoren schlossen deshalb, dab es sich um einen genetisch determinierten Differenzierungsprozeg handelte, zu dem diese Zellinien nach Wachstumsstillstand beffihigt sind. Diese Ausgangsbeobachtungen ftihrten rasch zu einem detaillierteren Studium des Differenzierungsprozesses. Zun~chst galt es morphologische und metabolische Gemeinsamkeiten zwischen den aus Fibroblasten entstandenen verfetteten Zellen und reifen Adipozyten nachzuweisen. Es folgte der Nachweis, dag solche Vorl/iuferzellen, wie sie in vitro kultiviert wurden auch tatsfichlich im Fettgewebe vorkommen.

Morphologische und metabotische Kennzeichen der Differenzierung Es ist tiberwiegend das Verdienst der Arbeitsgruppe um Green morphologische und metabolische Ent-

H. Kather und B. Simon: Prgadipozyten sprechungen zwischen ,,verfetteten" 3T3-Fibroblasten und reifen Fettzellen herausgearbeitet zu haben [13-16, 25-27]. Morphologisch geh6ren hierzu die Entwicklung der typischen Kugelform, der histologische Nachweis der Neutralfettakkumulation in Form eines zentraten Fetttropfens, ergfinzt durch das Aufzeigen struktureller Verwandtschaften im elektronenoptischen Erscheinungsbild. Die metabolische Charakterisierung umfaBte zunfichst den Nachweis der Triglyceridsynthese aus Acetat oder Glukose [14] und die F/ihigkeit zur Lipolyse [14]. Es wurden ParalMen in der hormonalen Regulation dieser Stoffwechselwege (Stimulierung der Fettsfiuresynthese durch Insulin; Verstfirkung der Lipolyse dutch Adrenalin) aufgezeigt [14]. In der Folge konnte dann gezeigt werden, dab es w/ihrend des Differenzierungsprozesses zu enormen Aktivitfitsanstiegen yon Schttisselenzymen der Fettzell-spezifischen Stoffwechselwege, Fetts/iuresynthese und Lipolyse, kommt. Unter den Schlfisselenzymen der Triglyceridsynthese stiegen die Aktivit/iten der ATP-CitrateLyase, der Acetyl-CoA Carboxylase und der Fettsfiuresynthetase um das 40 50fache an [7, 18, 26]; die Glycerophosphat Acyltransferase-Aktivitfit stieg um das 80fache [26]. Der Aktivitfitsanstieg von Schlfisselenzymen der Lipogenese ist begleitet yon Aktivitfitsanstiegen lipolytisch wirksamer Enzyme, darunter der Lipoproteinlipase [10, 38, 44].

Regulation des Differenzierungsprozesses Faszinierend ist das komplexe Zusammen- und Wechselspiel von hormonaler Steuerung des Differenzierungsprozesses und den damit verbundenen Anderungen der Hormonansprechbarkeit der Zellen. Die Einleitung des Differenzierungsprozesses scheint von elnero bisher nicht identifizierten Serumfaktor abhfingig zu sein [28]. Insulin [15 18, 38], Prostaglandin F2_ ~ [6, 36], Prolaktin [38] und Korticosteroide [17, 35], abet auch Pharmaka wie die Methylxanthine [6, 18, 36], die als Phosphodiesteraseinhibitoren wirksam sind, oder Indomethazin, ein Hemmstoff der Prostaglandinsynthese, [5] beschleunigen den Differenzierungsvorgang. Vermutlich ist eine Sequenz definierter humoraler Signale ffir den geordneten Ablauf des Differenzierungsvorganges essentiell. Die Ausl6sung charakteristischer Anderungen in der Zellfunktion, wie z.B. Anderung der Zellform oder Erh6hung der Aktivitfit yon Schttisselenzymen erfordert nur einen kurzzeitigen humoralen Anstol3 [36]; dagegen ist ffir die Funktionsf/ihigkeit Fettzell-spezifischer Stoffwechselwege, wie der Lipogenese, die dauernde Anwesenheit yon Cofaktoren, wie z.B. Biotin, erforderlich [27].

H. Kather und B. Simon: Prfiadipozyten Weniger ist bekannt fiber Substanzen, die den Dit= ferenzierungsprozel3 zu blockieren vermSgen. Im Gegensatz zu Prostaglandin F2-.~ scheint Prostaglandin E1 unter bestimmten Bedingungen als wirksamer Hemmer der Differenzierung zu wirken [43]. Dieser Antagonismus verschiedener Prostaglandine im Hinblick auf die Fettzetldifferenzierung ist interessant. Allerdings scheinen die Effekte verschiedener Prostaglandine komplexer zu sein, als bisher bekannt ist und darfiberhinaus vom Stadium des Differenzierungsprozesses abhfingig zu sein [6]. Aus Versuchen fiber die ttemmbarkeit des Differenzierungsvorganges ergeben sich erste Verbindungen zum Krebsproblem. Diamond et al. [8] berichten, dab Cocarcinogene der Phorbol-Diester Reihe den terminalen Differenzierungsprozel3 von differenzierungsffihigen 3T3-Fibroblasten reversibel zu blockieren verm6gen. Der Hemmeffekt wurde durch Dosen erzielt, die nicht nur nicht zytotoxisch wirken, sondern die Zellteilungsgeschwindigkeit der Zellen im Fibroblastenstadium erh6hen. Die Autoren diskutieren die MSglichkeit, dal3 die cocarcinogene Wirkung der Phorbol-Diester auf einer Hemmung der terminalen Differenzierungsschritte potentiell maligner Zellen beruhen k6nnte.

ftnderungen der Hormonansprechbarkeit W/ihrend des Differenzierungsvorganges kommt es zu tiefgreifenden Anderungen in der Hormonansprechbarkeit der Zellen und der ttormonrezeptorausstattung. Die Zahl der Katecholaminrezeptoren steigt um das 6-fache, die Zahl der Insulinrezeptoren nimmt etwa 3.5fach zu [5, 23, 25, 33, 35]. Gleichzeitig verbessert sich die Affinitfit der Rezeptoren ffir diese Hormone [25, 31]. Schliel31ich kommt es zur Bildung ganz neuer Rezeptorktassen, die im Fibroblastenstadium nicht nachweisbar sind. Beispielsweise erwerben 3T3L1 Prfiadipozyten eine ACTH-Ansprechbarkeit erst wfihrend des Differenzierungsvorganges [34]. Bemerkenswert ist, dab die Regulation der Hormonansprechbarkeit in der differenzierenden Zelle genau entgegengesetzt ablfiuft wie in der reifen Fettzelle. Chronische Insulinexposition w6hrend des Differenzierungsvorganges ist von einer Zunahme der Insulinrezeptoren und einer permanenten Erh6hung des Glukosetransportes begleitet [25, 31]. Dagegen antwortet die reife Zelle nach AbschluB der Differenzierung auf eine chronische ErhShung peripherer Hormonspiegel in der Regel mit einer Abnahme von Rezeptorzahl und/oder Affinit~t. Ahnlich diskrepante Effekte zeigte Prolaktin [38]. Dieses Hormon beschleunigt wie Insulin den Differenzierungsvorgang bei gleichzeitiger Stimulierung der Lipogenese und der Aktivit/it der Lipo-

855 proteinlipase. Dagegen hat das gleiche Hormon in ausdifferenzierten Zellen weder Einflul3 auf die Lipogenese noch auf die Lipoproteinlipase. Auch die Effekte von Prostaglandinen sind komplex und hfingen yon der Stufe des Differenzierungsvorganges ab. Diese Substanzklasse ffihrt in 3T3-Fibroblasten und einer Zellinie aus menschlichem Fettgewebe [9, 43] zu einer ErhShung der intrazellul/iren cAMP-Spiegel w/ihrend dieselbe Hormonklasse nach Abschlul3 des Differenzierungsprozesses hauptsfichlich zu einer Senkung der intrazellulfiren cAMP-Konzentration ffihrt. Einige Vertreter dieser Hormonklasse wie Prostaglandin Fz ~ beschleunigen den Differenzierungsprozel3 [5, 36, 38], andere wie Prostaglandin E1 ffihren zu einer Blockierung [43]. Chang et al. [6] verfolgten die Wirkungen yon PG F2-~ auf verschiedenen Stufen der Differenzierung. Dieses Prostaglandin stimuliert den Transport von Zuckern und Nukleosiden auf Fibroblastenstufe, ein Effekt, der w/ihrend des Differenzierungsprozesses verlorengeht. Diese ersten Ergebnisse lassen ahnen, dab unsere Kenntnis der Dynamik der hormonalen Regulation auf Zielgewebsebene noch v611ig lfickenhaft ist. W/ihrend des Differenzierungsvorganges scheinen die Rezeptoren ffir einige Hormone, wie die Prostaglandine, andere Signale auszul6sen, als in der ausdifferenzierten Zelle; bestimmte Rezeptoren, wie die Prolaktinrezeptoren gehen wfihrend des Differenzierungsvorganges verloren, neue Rezeptorproteine (wie die ACTHRezeptoren) werden gebildet.

Pathophysiologische lmplikationen Nachweis yon Priiadipozyten im Fettgewebe Die Existenz von Pr/iadipozyten wurde zun~chst auf Grund yon Markierungsexperimenten vermutet [22]. Inzwischen sind Pr/iadipozyten aus dem Fettgewebe von Ratten isoliert worden [3, 4, 42] und auch im menschlichen Fettgewebe nachgewiesen worden [41]. Die Tatsache, dab eine Kultivierung menschlicher Prfiadipozyten aus Fettgewebe von Personen zwischen dem 20. und 60. Lebensjahr gelang, weist darauf bin, dab eine Vermehrung der Fettgewebsmasse auf dem Wege der Differenzierung aus Prfiadipozyten vermutlich wfihrend des ganzen Lebens m6glich ist.

Untersuchungen rnit genetisch fettsiichtigen Miiusen Eine von Negr61 et al. [29] kultivierte Pr/iadipozytenlinie yon genetisch fettsfichtigen ob/ob-M~usen benStigte zur Differenzierung im Gegensatz zu anderen etablierten Zellinien - wie z.B. 3T3-Fibroblasten -

856 kein Insulin. Die Autoren diskutieren, dab die bei diesen genetisch fettsfichtigen Tieren bestehende Hyperplasie des Fettgewebes durch diesen Minderbedarf an hormonalen Faktoren ffir den Differenzierungsvorgang bedingt sein k6nnte. Aus Knochenmarksgewebe yon db/db-Mfiusen, einem gleichfalls genetisch fettsiichtigen Mgusestamm, wurden Pr/iadipozyten kultiviert, die zur Differenzierung Steroide ben6tigen; Insulin ist bei dieser Zellinie unwirksam [17]. Bei diesem Modell entstanden aus den Pr/iadipozyten homozygoter db/dbMfiuse signifikant mehr Fettzellen, als aus den Vorlfiuferzellen von schlanken Kontrollen. Diese ersten Ergebnisse zeigen, dab genetische Ver/inderungen, die zur Fettsucht prfidisponieren, mit Verfinderungen der Zellularitfit des Fettgewebes schon auf der Stufe der Prfiadipozyten vergesellschaftet sein k6nnen. Die Tatsache, dab die Prfiadipozyten aus K n o c h e n m a r k yon db/db-M/iusen im Gegensatz zu Pr/iadipozyten anderer K6rperpartien nicht auf Insulin ansprechen, k6nnte darauf hinweisen, dab die Massenzunahme des Fettgewebes auf dem Wege der Differenzierung, regional unterschiedlich gesteuert wird.

Menschliche Priiadipozyten Auch Untersuchungen an menschlichen Prfiadipozyten legen regional unterschiedliche Steuerungsmechanismen nahe. Roncari und Van [32] konnten zeigen, dab Ostradiol die Vermehrung von menschlichen Prfiadipozyten zu stimulieren vermag. Die Autoren diskutieren die M6glichkeit, dab dieser proliferative EinfluB von Sexualhormonen zu den geschlechtsspezifischen Verteilungsmustern der K6rperfettmasse beitr/igt, insbesondere deshalb, weil die geschlechtsspezifischen Differenzen erst wfihrend der Pubert/it manifest werden, also in einem Lebensabschnitt, in dem die qualitativen Unterschiede in der Produktion von Sexualhormonen bei M a n n und Frau beginnen. Von der franz6sischen Arbeitsgruppe um Vague [40] wurde die Fettsucht nach phfinomenologischen Gesichtspunkten in androide und gynoide Formen unterteilt. Die androide F o r m der Fettsucht betrifft vorwiegend die oberen K6rperpartien, w/ihrend bei der gynoiden F o r m neben der Brust vorwiegend die Htiften und Oberschenket betroffen sind. M6glicherweise spielt auch bei der Auspr/igung dieser Ph/inotypen eine regional unterschiedliche Antwort auf hormonale Differenzierungssignale eine Rolle.

Ausblick Ergebnisse der letzten 5 Jahre zeigen, dab die Fettzellvermehrung durch Differenzierung von Vorlfiuferzel-

H. Kather und B. Simon: Prfiadipozyten len erfolgt. Der Differenzierungsvorgang lfiBt sich in vitro verfolgen und manipulieren. Vermutlich ist die Fettsucht beim Menschen, in Analogie zu den zahlreichen Tiermodellen, ein fitiologisch heterogenes Krankheitsbild. Erste pathophysiologische Untersuchungen weisen darauf hin, dab Prfiadipozyten ein geeignetes Modell zur Aufkl/irung genetischer und geschlechtsspezifischer Faktoren auf Fettgewebsebene in der Pathogenese der Obesitas darstellen. Fiir die metabolische F o r m der Fettsucht wurde als m6gliche Therapie eine dauerhafte Erh6hung der Lipolyserate vorgeschlagen [39]. Weitere Untersuchungen werden zeigen mfissen, ob sich mit dem Modell des Pr/iadipozyten H o r m o n e oder P h a r m a k a entdecken lassen, die durch Beeinflussung des Differenzierungsvorganges zu einer Verminderung der K6rperfettmasse oder zu einer dauerhaften Umstellung des Fettgewebsstoffwechsels, z.B. in Richtung auf eine vermehrte Lipolyse fiihren.

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Eingegangen am 6. August 1979 Angenommen am 16. April 1980

PD Dr. It. Kather Klinisches Institut f. Herzinfarktforschung Med. Univ.-Klinik Bergheimer Str. 58 D-6900 Heidelberg Bundesrepubtik Deutschland