Danish Medical Bulletin    |    Contact Front page  

 
Clinical aspects of ghrelin: Pharmacokinetics and metabolic effects

Esben Thyssen Vestergaard  


  Download file   ( KB)

Accepted by: Faculty of Health Sciences University of Aarhus
Defended on: April 16, 2008
Official opponents: Prof., overlæge, Dr.Med. Ulla Feldt-Rasmussen , Overlæge, Dr.Med. Lars Østergaard Kristensen , Prof., overlæge, Dr.Med. Jørgen Rungby
Tutors: Læge PhD Troels Krarup Hansen , Prof., overlæge, Dr.Med. Jens Sandahl Christiansen , Prof., overlæge, Dr.Med. Jens Otto Lunde Jørgensen

Published in the PhD Database: December 23, 2009


English abstract
Ghrelin is a gastrointestinal peptide hormone originally discovered as the endogenous ligand for the GHS-R. The GHS-R is widely distributed and ongoing research suggests pleio-tropic effects of ghrelin. In view of the potential therapeutic applications of ghrelin the overall aim of this PhD study was to investigate clinical pharmacokinetics and acute meta-bolic effects of ghrelin in detail.
The PhD dissertation consists of three original papers based on three randomized, placebo-controlled cross-over clinical protocols comprising both healthy subjects and hypopituitary patients: 1) Pharmacokinetic study, 2) Somatostatin study, and 3) Hypopituitary study. Two articles have been published in international peer-reviewed journals and a third manuscript has been submitted for review.
In the first protocol, acylated ghrelin was infused into 17 healthy subjects. By measurements of ghrelin levels and pharmacokinetic modeling an extensive list of pharmacokinetic parameters was calculated and correlated with central parameters of individual characteristics. In addition, muscle biopsies were sampled to study pertinent ghrelin signaling pathways.
In the second protocol comprising eight healthy subjects receiving ghrelin and placebo infusion on two different occasions, the aim was to suppress the ghrelin-induced GH- and cortisol-secretion by concomitant somatostatin infusion in order to measure the direct effects of ghrelin on glucose and lipid metabolism. Insulin sensitivity was measured by a hyperinsulinemic euglycemic clamp and substrate metabolism was measured by tracer and microdialysis technique. The Somatostatin study revealed a moderate but detectable GH and cortisol breakthrough.
To circumvent the effects of endogenous GH and cortisol on glucose and lipid metabolism, a third study comprising eight hypopituitary adults on stable replacement therapy with GH and hydrocortisone was performed. In this protocol, we also used the pharmacokinetic parameters to calculate a ghrelin bolus dose to rapidly achieve steady state concentrations.
The pharmacokinetic results showed that ghrelin infusion followed a two-compartment model. The MRT of exogenous ghrelin correlated positively with both HDL cholesterol levels and BMI. The pharmacokinetic parameters are useful for designing future clinical ghrelin infusion studies. Concomitant somatostatin infusion attenuated ghrelin induced GH secretion, but GH levels were significantly increased as compared to GH levels during placebo administration. In the Hypopituitary study, it was demonstrated that ghrelin infusion per se caused insulin resistance and increments in levels of systemic glucose and FFA levels. These effects were not attributed to direct detectable effects on AMPK, insulin or JAK/STAT signaling. No aberrations in putative ghrelin signaling pathways were detected. In addition, our studies demonstrated that ghrelin-induced endogenous GH release translated into GH receptor signaling in skeletal muscle.



Danish abstract
Ghrelin er et gastrointestinalt peptid-hormon bestående af 28 aminosyrer med en unik acyl-sidekæde. Ghrelin blev opdaget i 1999 af en forskergruppe, som ledte efter en endogen ligand for den såkaldte GHS receptor. GHS receptoren forefindes i størstedelen af kroppens væv. Man kunne derfor forvente, at dette relativt nyopdagede peptid-hormon ville frembyde en række forskelligartede effekter. Talrige kliniske, dyreeksperimentelle og laboratoriebaserede forsøg indenfor dette område har efterfølgende vist, at ghrelin i overensstemmelse med receptorens lokalisation, har adskillige effekter. Heriblandt er det muligt, at ghrelin kan have et terapeutisk potentiale og dette PhD-studium havde til formål at undersøge og tilvejebringe ny viden om ghrelins kliniske farmakokinetiske og akutte metaboliske effekter.
PhD-afhandlingen består af tre originalartikler, som er baseret på tre kliniske, randomiserede, placebo-kontrollerede overkrydsningsstudier, hvor både raske og hypofyseinsufficiente patienter blev undersøgt. Studierne er 1) Farmakokinetikstudiet, 2) Somatostatinstudiet og 3) Hypofyseinsufficiensstudiet. Artiklerne fra det første og andet studium er allerede publiceret i internationale peer-reviewed tidsskrifter.
I det første studium deltog 17 raske, unge mænd. Vi infunderede henholdsvis ghrelin og saltvand på to forskellige undersøgelsesdage og målte efterfølgende ghrelinniveauerne i serum. Ved hjælp af farmakokinetisk modellering og beregninger estimerede vi en række væsentlige farmakokinetiske variabler og udførte korrelationsstudier, hvor centrale individafhængige karakteristika indgik. Målinger af GH, kortisol, glukose og frie fedtsyrer viste, at ghrelin medførte sekretion af begge hormoner og øgede de systemiske niveauer af begge substrater.
I det andet studium deltog 8 raske, unge mænd. Vi infunderede henholdsvis ghrelin og saltvand på to forskellige undersøgelsesdage samtidig med somatostatin for at undertrykke GH og kortisol sekretionen og for dermed at undersøge ghrelins direkte effekter på glukose- og lipidmetabolisme. Insulinfølsomhed blev målt med hyperinsulinæmisk euglykæmisk clampteknik og substratmetabolisme blev målt med både tracerteknik og mikrodialyse. I dette studium var der på trods af somatostatininfusionen en moderat GH og kortisol sekretion.
For at undgå den endogene GH og kortisolsekretion og disses effekter på glukose- og lipidmetabolisme, udførte vi et tredje studium med hypofyseinsufficiente voksne patienter behandlet med GH- og hydrokortisonsubstitution. I dette forsøg anvendte vi også den farmakokinetiske viden fra det første forsøg til at beregne en ghrelin bolus-dosis, således at ghrelin ligevægtsniveauet blev opnået hurtigere end ved en konstant ghrelininfusion.
Det farmakokinetiske studium viste, at infunderet ghrelin følger to-kompartment-karakteristik. Det farmakokinetiske begreb mean residence time (et udtryk for den gennemsnitlige tid et givent molekyle opholder sig i kroppen) udviste positiv korrelation med både højdensitet kolesterol niveauer og body mass index. De beregnede farmakokinetiske parametre kan med fordel benyttes i designet af fremtidige ghrelininfusionsstudier og har allerede fundet anvendelse i Hypofyse-insufficiensstudiet. Somatostatinstudiet viste, at somatostatin nedsatte den endogene GH sekretion betydeligt, men GH niveauerne var signifikant højere end de tilsvarende niveauer under placebo- og somatostatinindgift. Hypofyseinsufficiensstudiet viste, at ghrelininfusion uafhængigt af GH og kortisol medførte insulinresistens og øgede plasmaniveauerne af glukose og serumniveauerne af frie fedtsyrer. Effekterne kunne ikke tilskrives målbare ændringer af AMPK, insulin eller JAK/STAT signalvejs-molekyler og vi fandt ingen ændring af formodede ghrelinsignalvejs enzymer. Derudover viste vores studier, at ghrelininduceret GH sekretion medførte aktivering af GH signalvejen i skeletmuskulatur.