Alcoholic steatohepatitis (ASH) and nonalcoholic steatohepatitis (NASH) are the most frequent conditions leading to elevated liver enzymes and liver cirrhosis, respectively, in the Western world. However, despite strong epidemiological evidence for combined effects of alcohol consumption and hepatic lipid accumulation on the progression of liver injury, the mutual interaction of the ...
Abstract (English)
Alcoholic steatohepatitis (ASH) and nonalcoholic steatohepatitis (NASH) are the most frequent conditions leading to elevated liver enzymes and liver cirrhosis, respectively, in the Western world. However, despite strong epidemiological evidence for combined effects of alcohol consumption and hepatic lipid accumulation on the progression of liver injury, the mutual interaction of the pathophysiological mechanisms is incompletely understood. The aim of this study was to establish an in vitro model for joint effects of alcohol and lipids on hepatic steatosis and inflammation. Herein, we particularly wanted to assess the role of CYP2E1, which activates several hepatotoxins and contributes to alcoholic liver damage and the role of autophagy, which has been emerged as new mechanism for alcohol-induced liver injury. Initially, we established the dose range in which neither alcohol nor incubation with the free fatty acid (FFA) oleate affected viability or mitochondrial activity in primary human hepatocytes (PHH) and HepG2 hepatoma cells. Subsequently, we assessed the combined effect of alcohol (50 mM) and oleate (0.2 mM) on hepatocellular lipid accumulation and inflammation in PHH. Under these conditions, alcohol significantly enhanced oleate induced cellular triglyceride content, while alcohol alone had only a minimal effect on hepatocellular lipid content. Analysis of heme oxygenase-1 (HMOX-1) expression and malondialdehyde levels (MDA) revealed that the combination of alcohol and oleate caused significantly higher oxidative stress and lipid peroxidation than either of the two substances alone. The CYP2E1 inhibitor chlormethiazole and the antioxidant N-acetylcysteine blunted these combined effects of alcohol and oleate on hepatocellular lipid accumulation and inflammation in PHH. In contrast to HepG2 C34 cells which do not express CYP2E1, HepG2 E47 cells which express CYP2E1 exhibited similar joint effects of alcohol and oleate as observed in PHH. The combination of alcohol and FFA induced also significantly autophagy markers more than the each stimulus alone. Inhibition or induction of autophagy led to exacerbate or abrogate the combined effects of alcohol and FFA on lipid accumulation, lipid peroxidation and inflammation, respectively.
In summary, our new model allows the investigation of isolated or joint effects of alcohol and FFA on hepatocellular lipid metabolisms and inflammatory signaling. Our present findings indicate that CYP2E1, CYP2E1-derived reactive oxygen species (ROS) and autophagy play a crucial role in mediating the synergistic effects of alcohol and lipids on hepatic steatosis, oxidative stress and inflammation.
Translation of the abstract (German)
Die Alkoholische Steatohepatitis (ASH) und Nicht-Alkoholische Steatohepatitis (NASH) sind in der westlichen Welt die häufigsten Erkrankungen, die zu erhöhten Leberenzymen und zur Leberzirrhose führen. Doch trotz starker epidemiologischer Evidenz für kombinierte Effekte von Alkoholkonsum und hepatischerLipidakkumulation auf die Progression der Leberschädigung, ist die gegenseitige Wechselwirkung ...
Translation of the abstract (German)
Die Alkoholische Steatohepatitis (ASH) und Nicht-Alkoholische Steatohepatitis (NASH) sind in der westlichen Welt die häufigsten Erkrankungen, die zu erhöhten Leberenzymen und zur Leberzirrhose führen. Doch trotz starker epidemiologischer Evidenz für kombinierte Effekte von Alkoholkonsum und hepatischerLipidakkumulation auf die Progression der Leberschädigung, ist die gegenseitige Wechselwirkung der pathophysiologischen Mechanismen nicht vollständig verstanden. Ziel dieser Arbeit war es, ein in vitro-Modell für die gemeinsame Wirkung von Alkohol und Lipiden auf hepatische Steatose und Inflammation zu etablieren. Dabei sollten vor allem die Rolle des Enzyms CYP2E1, das diverse Hepatotoxine aktiviert und zur alkoholischen Leberschädigung beiträgt, und die Rolle der Autophagie, die als neuer Mechanismus für Alkohol-induzierte Leberschäden beschrieben wurde, beurteilt werden. Zunächst wurde der Dosisbereichermittelt, in dem weder Alkohol noch die Inkubation mit der freien Fettsäure (FFA) Oleat die Viabilität oder mitochondriale Aktivität von primären humanen Hepatozyten (PHH) und HepG2 Hepatomzellen beeinträchtigte. Anschließend wurde die die kombinierte Wirkung von Alkohol (50 mM) und Oleat (0,2 mM) auf die hepatischeLipidakkumulation und Inflammation in PHH untersucht. Unter diesen Bedingungenfördert Alkohol deutlich den durch Oleat induzierten zellulären Triglycerid-Gehalt, während Alkohol allein nur eine minimale Wirkung auf den hepatischen Fettgehalt hatte. Die Analyse der Hämoxygenase-1 (Hmox-1) Expression und von Malondialdehyd (MDA) zeigte, dass Alkohol und Oleat in Kombination deutlich höheren oxidativen Stress und Lipidperoxidation verursachten als jeweils die beiden Substanzen alleine. Der CYP2E1-Inhibitor Chlormethiazol und das Antioxidans N-Acetylcystein reduzierten diese kombinierte Wirkung von Alkohol und Oleat auf die hepatozelluläre Lipidakkumulation und Inflammation in PHH. Im Gegensatz zu C34 HepG2 Zellen, die kein CYP2E1 exprimieren, zeigten E47 HepG2 -Zellen, die CYP2E1 exprimieren, eine gleichartige gemeinsame Wirkung von Alkohol und Oleat wie zuvor in PHH beobachtet. Außerdem induzierte die Kombination aus Alkohol und FFA Autophagie-spezifische Marker deutlich mehr als die beiden Stimuli allein. Hemmung bzw. Induktion von Autophagie führte zu einer weiteren Intensivierung bzw. Aufhebung der kombinierten Effekte von Alkohol und FFA auf Lipidakkumulation, Lipidperoxidation und Inflammation.
Zusammenfassend ermöglicht dieses neue Modell die Untersuchung von isolierten oder gemeinsamen Effekten von Alkohol und FFA auf den hepatozellulären Lipidstoffwechsel und inflammatorische Signalwege. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass CYP2E1, durch CYP2E1bedingte reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und Autophagie eine entscheidende Rolle bei der Vermittlung der synergistischen Wirkung von Alkohol und Lipiden auf hepatische Steatose, oxidativen Stress und Inflammation spielen.
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