Nicotinamide effects on adiposity, energy metabolism, inflammation and atherosclerosis in mice

Abstract

Antecedentes e hipótesis La disfunción del tejido adiposo se encuentra frecuentemente asociada con alteraciones en la homeostasis metabólica, cardiovascular e inflamatoria crónica leve de la obesidad. El tejido adiposo es considerado como diana terapéutica para prevenir la obesidad. Precursores de la nicotinamida adenina dinucleotido (NAD)+, tales como el ribósido de nicotinamida y mononucleótido de nicotinamida promueven el metabolismo energético y previenen la ganancia de peso corporal en modelos animales. Sin embargo, en estos trabajos no se abordó directamente su posible efecto sobre las alteraciones fisiológicas y plásticas del tejido adiposo blanco (TAB). Su posible potencial contra la inflamación crónica, cuyo desarrollo se encuentra frecuentemente ligado al de obesidad, tampoco ha sido evaluado. La nicotinamida (NAM) es otro precursor fisiológico de NAD+. No obstante, su posible contribución sobre este fenotipo está aun pendiente. Por otro lado, aunque su acción anti-oxidante y anti-inflamatoria ya ha sido descrita, su posible contribución en la prevención de arteriosclerosis tampoco ha sido demostrada. Objetivos El objetivo principal de este estudio fue doble: investigar el efecto de la administración de una dosis bien tolerada de NAM sobre [1] la prevención de la ganancia de peso corporal y adiposidad, y [2] la mejora de inflamación crónica en modelos murinos de obesidad inducida por una dieta rica en grasas (DIO, del inglés ‘diet-induced obesity’) y arteriosclerosis (i.e., ratones deficientes en ApoE). Resultados La administración de NAM a animales se realizó a través del agua de bebida ad libitum. El agua suplementada con NAM fue bien tolerada y segura a una dosis inferior a 1%. La suplementación con NAM, a la dosis más alta empleada (1%), previno la ganancia de peso corporal, siendo esto último principalmente atribuido a una disminución en la acumulación de grasa y esteatosis hepática. Ello fue principalmente debido a un [i] aumento en el gasto energético global, [ii] desarrollo de ‘browning’ en TAB subcutáneo (TABsc) a juzgar por un aumento en los niveles tisulares de proteína desacopladora Ucp1, e [iii] inducción de la síntesis de novo de NAD+ y aumento de la relación NAD+/NADH en TABsc. El contenido de AMP en TABsc se encontró significativamente elevado en ratones obesos tratados. Además, la relación NAD+/NADH se encontró directamente relacionada con la relación AMP/ATP, posiblemente sugiriendo una situación de demanda energética aumentada en dicho tejido. Consistentemente, se observó un aumento en la abundancia relativa de la forma activa (fosforilada) de la quinasa activada por AMP (AMPK) en dicho tejido. La suplementación con NAM también mejoró el estado inflamatorio global y previno contra el desarrollo de arteriosclerosis en ratones. Ello se acompañó por elevaciones [i] en las concentraciones circulantes de interleuquina (IL-)10 y [ii] niveles relativos de mRNA de Il10 en tejido adiposo epididimal (TABe) y aórtico, sugiriendo un cambio favorable del fenotipo de macrófagos a uno anti-inflamatorio (macrófagos M2). Esto último se observó asociado con una disminución en el desarrollo de arteriosclerosis en ratones deficientes en ApoE. También se investigó su posible efecto anti-oxidante sistémico y en tejidos diana. Las lipoproteínas circulantes no-HDL de ratones deficientes de ApoE tratados con NAM presentaron menor susceptibilidad a la oxidación que las de los no tratados, siendo este efecto debido al menos en parte a la acción antioxidante intrínseca por parte de NAM. Conclusiones La suplementación dietética de NAM previno la ganancia de peso corporal y adiposidad a través de la estimulación del gasto energético en ratones. Ello se acompañó de una inducción de ‘browning’ y aumento de demanda energética en TAB. NAM también promovió acciones anti-inflamatoria y anti-oxidante. Su administración aumentó la expression génica de Il10 en tejidos diana, incluyendo la aorta, y protegió contra el desarrollo de arteriosclerosis.

Background and hypothesis Adipose tissue dysfunction is a hallmark of obesity and is frequently associated with distorted metabolic homeostasis, cardiovascular and chronic, low-grade inflammatory diseases. Several recent studies point to pharmacological and/or nutritional health initiatives targeting adipose tissue being a promising approach to obesity prevention. In this regard, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)+ precursors, such as nicotinamide riboside and mononucleotide nicotinamide has been proven beneficial in increasing energy metabolism and preventing body weight gain in vivo. However, neither their favorable anti-obesity impact on disturbed white adipose tissue (WAT) physiology and plasticity nor in alleviating chronic inflammation, which frequently accompanies obesity, was not eventually pursued in any of these studies. In addition to the above-mentioned NAD precursors, nicotinamide (NAM) is also a physiological precursor of NAD+. However, its contribution in boosting energy metabolism and body weight gain still remains elusive. Although a growing body of evidences also supports a role for NAM as an anti-oxidant and anti-inflammatory agent both in vitro and in vivo, its potential contribution in preventing atherosclerosis, which is one of the main mechanisms involved in cardiovascular disease in vivo, has not previously been proven yet. Aims The aim of this study was twofold: to investigate the effect of NAM supplementation in (1) preventing weight gain and adiposity; (2) improving features of chronic inflammation in appropriate mouse models of obesity (diet-induced obesity -DIO- mice) and atherosclerosis (i.e., ApoE-deficient mice).

Results NAM administration to mice was provided orally via tap water at libitum. Its administration was shown palatable, safe and well tolerated at doses below 1%. NAM supplementation, at the highest dose used (1%) (NAM HD-treated mice), prevented body weight gain, with the latter being mainly and repeatedly accompanied by reduction in fat accumulation in different regional depots, and hepatic steatosis. Mechanistically, such anti-adiposity effect by NAM was mainly accompanied by an [i] increased global energy expenditure, [ii] enhanced promotion of browning in subcutaneous (sc)WAT, as revealed by elevations in the relative mRNA and protein abundance of the uncoupling protein (Ucp)-1, and [iii] elevation of the de novo synthesis of NAD+ and NAD/NADH ratio in scWAT of NAM HD-treated, DIO mice. Notably, the AMP content was significantly elevated in scWAT of NAM HD-treated, DIO mice. Also, the NAD+/NADH ratio was directly related to the AMP/ATP ratio. Overall these data suggested a situation of energy demand in scWAT from NAM HD-treated mice. Concomitantly, the protein abundance of the active (phosphorylated) form of AMP-activated kinase was also elevated in this tissue of NAM HD-treated mice. NAM supplementation also improved the global inflammatory condition and prevented atherosclerosis development in mice. This was revealed by [i] elevations in the circulating concentrations of interleukin (IL-)10 and [ii] up-regulation of relative mRNA of Il10 in both adipose and aortic tissues, which potentially suggested a switch to anti-inflammatory M2 macrophages. This phenotype was accompanied by a commensurate reduction in atherosclerosis development in NAM-treated, ApoE-deficient mice. In addition to improved inflammation, non-HDL of NAM-treated, ApoE-deficient mice were less prone to oxidation than those from untreated mice, being this effect at least partly provided by the intrinsic anti-oxidant action of NAM.

Conclusions Dietary supplementation with NAM to mice prevented body weight gain and adiposity by boosting energy expenditure, with this being mainly attributed to induction of browning and energy demand in scWAT. NAM also promoted anti-inflammatory and anti-oxidant actions. Its administration increased gene expression Il10 in target tissues, including aorta, and protected against development of atherosclerosis.