IMPACT OF ETHANOL INTAKE ON FIBROBLAST GROWTH FACTOR 21 AND BILE ACID METABOLISM

Abstract

SUMMARY Introduction: Alcohol use disorder remains one of the major health problems worldwide, causing excess morbidity and mortality. Alcoholic liver disease constitutes one of the major components of alcohol-associated morbidity, and alcoholic cirrhosis is the leading cause of alcohol-related death. In the course of alcoholic liver disease, alterations in bile acid metabolism play a critical role, leading to impaired bile secretion and the formation of hepatotoxic mediators. Two members of the endocrine subfamily of fibroblast growth factors, FGF21 and FGF15/19, are reported to regulate bile acid biosynthesis, but only sparse data exist hitherto about their exact functions in the setting of alcohol intake and/or alcoholic liver disease. Patients and methods: Wild-type (C57BL/6J) and Abcb4 knockout mice (which develop a cholestatic liver disease mimicking primary sclerosing cholangitis) were fed with either ethanol containing or control diet (using the preestablished NIAAA - National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism - protocol). Tissue expression and circulating levels of FGF21 and FGF15 were measured in both groups and mouse types. Serum bile acids and mRNA expression of the major enzymes of bile acid metabolism were determined. Liver specimens were histologically examined for cholestatic damage. Furthermore, recombinant human FGF21 was added to primary murine hepatocytes in order to assess the direct effect of FGF21 on the expression of CYP7A1, which encodes the rate-limiting enzyme of hepatic bile acid synthesis. Subsequently, serum levels of FGF21 and FGF19 and oxysterols were determined in patients with alcoholic liver disease and ongoing ethanol consumption and compared to a cohort of healthy control subjects, in order to translate the experimental findings to humans. Results: Ethanol consumption consistently upregulated hepatic and circulating levels of FGF21 in both humans and rodents. The observed upregulation was preserved even in the context of preexisting cholestatic liver disease (in rodents) or alcoholic liver disease (in humans). The upregulation of FGF21 elicits in vivo and in vitro a suppression of CYP7A1. The suppression took place in a dose-dependent manner and appeared to be independent of FGF15/19 signaling. Conclusions: Ethanol intake induces increased hepatic expression and circulating levels of FGF21, which in turn represses direct bile acid biosynthesis in a dose-dependent manner. This action is retained even in the setting of preexisting liver disease and presents a potential hepatoprotective mechanism against alcohol-associated liver damage.

ZUSAMMENFASSUNG Einleitung: Alkoholabusus stellt unverändert ein erhebliches Gesundheitsproblem dar und führt zur exzessiven Morbidität und Mortalität. Die alkoholische Fettlebererkrankung und Steatohepatitis sind zentrale Komponenten der alkohol-assoziierten Morbidität, und die alkoholische Leberzirrhose ist die führende alkohol-assoziierte Letalitätsursache. Im Verlauf der alkoholischen Lebererkrankung spielen Veränderungen des Stoffwechsels der Gallensäuren, die zu gestörten Exkretion in die Galle und Überproduktion von hepatotoxischen Molekülen führt, eine wichtige Rolle. Zwei Mitglieder der Familie der endokrinen Fibroblast Growth Factors, FGF21 und FGF15/19, sind an der Regulation der Synthese der Gallensäuren in der Leber beteiligt. Aktuell sind nur wenige Daten über ihre Effekte im Rahmen der alkoholischen Lebererkrankung verfügbar. Patienten und Methodik: Die Mausinzuchtlinie C57BL/6J und Abcb4 Knockout-Mäuse (die, eine cholestatische Lebererkrankung, ähnlich zur primär sklerosierenden Cholangitis, entwickeln) wurden entweder mit Kontrolldiät oder einer alkoholischen Diät ernährt, gemäß dem vorher etablierten NIAAA Protokoll. Gewebeexpression und Serumkonzentrationen von FGF21 und FGF15 wurden in allen Gruppen bestimmt. Die mRNA Expression der wichtigsten Enyzme der biosynthetischen Kaskade der Gallensäuren wurden ebenso bestimmt. Die Lebergeweben wurden histologisch nach cholestatischer Schädigung untersucht. Primäre Hepatozyten wurden mit reombinantem humanen FGF21 inkubiert , um dessen Einfluss auf die hepatische Expression von CYP7A1, dem geschwindigkeitslimitierenden Enyzm der Gallensäurensynthese, zu untersuchen. Anschließend wurden die Serum-Spiegel von FGF21, FGF19 und Oxysterolen bei Patienten mit alkoholischer Lebererkrankung und fortgesetztem Alkoholabusus und einer Kontrollgruppe von gesunden Probanden bestimmt. Ergebnisse: Alkohoeinnahme führte zur Erhöhung der hepatischen Produktion und des Serumspiegels von FGF21, sowohl in den Tiermodellen als auch bei den Probanden. Diese Erhöhung blieb auch im Rahmen einer vorbestehenden cholestatischen Leberschädigung (in den Mäusen) oder der alkoholischen Lebererkrankung (bei Patienten) erhalten. Die erhöhte Produktion von FGF21 führte zu einer dosisabhängigen Suppression von CYP7A1, sowohl in vivo als auch in vitro. Diese Suppression erfolgte in einer nicht FGF15/19 vermittelten Weise. Schlussfolgerungen: Ethanol induziert die Synthese von und erhöhte die systemischen Spiegel von FGF21. Das hochregulierte FGF21 supprimiert die Biosynthese der Gallensäuren durch einen direkten Effekt auf CYP7A1. Diese Wirkung ist potenziell hepatoprotektiv gegenüber hepatotoxischen Einflüssen wie Alkohol in unserem experimentellen Modell.