Effect of SGLT-2 inhibitors on the serum and urine metabolome in patients with type 2 diabetes mellitus

Abstract

Background and aims: Type 2 Diabetes Mellitus is increasing worldwide and is regarded as the next pandemic. Patients with type 2 diabetes are at an increased risk of microvascular and macrovascular complications including coronary heart disease, stroke, peripheral arteriopathy, chronic kidney disease and others. Inhibitors of Sodium-Glucose co-transporter 2 (SGLT-2), including empagliflozin, dapagliflozin and canagliflozin have shown promising results in reducing overall mortality, cardiovascular disease as well as progression of kidney disease in patients with type 2 diabetes mellitus. Furthermore, these agents have been recently approved for patients with heart failure and chronic kidney disease irrespective of the presence of diabetes. The underlying mechanisms include improvement in energy homeostasis and reduced insulin resistance, although the exact mechanisms have yet to be elucidated. We aimed to examine the underlying mechanisms of cardiac and renal protection of SGLT-2 inhibitors in patients with type 2 diabetes using 1H-NMR based metabolomics. Materials and methods: Eighty patients with type 2 diabetes mellitus on metformin monotherapy and HbA1c > 7% were included in the study. Fifty patients received dapagliflozin 10 mg daily and thirty patients received insulin degludec which was uptitrated every 3 days to a target fasting glucose of 100-120 mg/dl. Serum and urine samples were acquired prior to and after 3 months of treatment initiation. 1H-NMR based metabolomics was performed for serum and urine samples before and after treatment initiation. Results: Eighty patients were included in the study, 50 on the dapagliflozin arm and 30 on the insulin arm. All patients completed successfully the treatment period. Demographics, diabetes duration, weight, body mass index and blood pressure were similar between groups. Dapagliflozin administration decreased body weight and BMI, systolic and diastolic blood pressure. Glucose and HbA1c levels decreased in both groups without between group difference. Dapagliflozin increased serum phosphate, serum magnesium and hemoglobin levels, while uric acid levels decreased. Urine uric acid was increased following dapagliflozin administration. Untargeted metabolomics showed good separation in the dapagliflozin arm before and after 3 months in both serum and urine, while in the insulin arm no separation was evident. Targeted metabolomics revealed that dapagliflozin induced a minor but significant change in serum metabolomics compared with insulin, while a more profound change was noted in urine metabolomics. Increased ketone levels and better energy homeostasis may account for the aforementioned clinical effects of dapagliflozin administration. Conclusion: Dapagliflozin administration led to changes in the serum and urine metabolome that indicate improvement in energy homeostasis at a whole body level. Furthermore, changes that indicate decreased inflammatory activity and reduced insulin resistance after dapagliflozin administration were found.

Ιστορικό και Στόχοι: Η επίπτωση του Σακχαρώδους Διαβήτης Τύπου 2 αυξάνεται παγκοσμίως και θεωρείται η επόμενη πανδημία. Οι ασθενείς με διαβήτη τύπου 2 διατρέχουν αυξημένο κίνδυνο μικροαγγειακών και μακροαγγειακών επιπλοκών, όπως στεφανιαία νόσο, εγκεφαλικό επεισόδιο, περιφερική αρτηριοπάθεια, χρόνια νεφρική νόσο και άλλες. Οι αναστολείς του συμμεταφορέα νατρίου-γλυκόζης 2 (SGLT-2), συμπεριλαμβανομένων της εμπαγλιφλοζίνης, της δαπαγλιφλοζίνης και της καναγλιφλοζίνης έχουν δείξει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα στη μείωση της συνολικής θνησιμότητας, των καρδιαγγειακών εκβάσεων καθώς και στην εξέλιξη της νεφρικής νόσου σε ασθενείς με σακχαρώδη διαβήτη τύπου 2. Επιπλέον, αυτοί οι παράγοντες έχουν πρόσφατα εγκριθεί για ασθενείς με καρδιακή ανεπάρκεια και χρόνια νεφρική νόσο, ανεξάρτητα από την παρουσία διαβήτη. Οι υποκείμενοι μηχανισμοί περιλαμβάνουν τη βελτίωση της ενεργειακής ομοιόστασης και τη μειωμένη αντίσταση στην ινσουλίνη, αν και οι ακριβείς μηχανισμοί δεν έχουν ακόμη διευκρινιστεί. Στόχος μας ήταν να εξετάσουμε τους υποκείμενους μηχανισμούς καρδιακής και νεφρικής προστασίας των αναστολέων SGLT-2 σε ασθενείς με διαβήτη τύπου 2 χρησιμοποιώντας μεταβολομική βασισμένη στο 1H-NMR. Υλικά και μέθοδοι: Ογδόντα ασθενείς με σακχαρώδη διαβήτη τύπου 2 σε μονοθεραπεία με μετφορμίνη και HbA1c > 7% συμπεριλήφθηκαν στη μελέτη. Πενήντα ασθενείς έλαβαν δαπαγλιφλοζίνη 10 mg ημερησίως και τριάντα ασθενείς έλαβαν ινσουλίνη degludec, η οποία τιτλοποιήθηκε κάθε 3 ημέρες σε ένα στόχο γλυκόζης νηστείας 100-120 mg/dl. Δείγματα ορού και ούρων ελήφθησαν πριν και μετά από 3 μήνες έναρξης της θεραπείας. Πραγματοποιήθηκε μεταβολομική με βάση το 1H-NMR για δείγματα ορού και ούρων πριν και μετά την έναρξη της θεραπείας. Αποτελέσματα: Ογδόντα ασθενείς συμπεριλήφθησαν στη μελέτη, 50 στο σκέλος της δαπαγλιφλοζίνης και 30 στο σκέλος της ινσουλίνης. Όλοι οι ασθενείς ολοκλήρωσαν με επιτυχία την περίοδο θεραπείας. Τα δημογραφικά στοιχεία, η διάρκεια του διαβήτη, το βάρος, ο δείκτης μάζας σώματος και η αρτηριακή πίεση ήταν παρόμοια μεταξύ των ομάδων. Η χορήγηση δαπαγλιφλοζίνης μείωσε το σωματικό βάρος και το δείκτη μάζας σώματος, τη συστολική και τη διαστολική αρτηριακή πίεση. Τα επίπεδα γλυκόζης και HbA1c μειώθηκαν και στις δύο ομάδες χωρίς διαφορά μεταξύ των ομάδων. Η δαπαγλιφλοζίνη αύξησε τα επίπεδα του φωσφόρου ορού, του μαγνησίου και της αιμοσφαιρίνης στον ορό, ενώ τα επίπεδα του ουρικού οξέος μειώθηκαν. Το ουρικό οξύ στα ούρα αυξήθηκε μετά τη χορήγηση δαπαγλιφλοζίνης. Η μη στοχευμένη μεταβολομική παρουσίασε καλό διαχωρισμό στο σκέλος της δαπαγλιφλοζίνης πριν και μετά από 3 μήνες τόσο στον ορό όσο και στα ούρα, ενώ στο σκέλος της ινσουλίνης δεν παρουσιάστηκε διαφορά. Η στοχευμένη μεταβολομική αποκάλυψε ότι η δαπαγλιφλοζίνη προκάλεσε μια μικρή αλλά σημαντική αλλαγή στους μεταβολίτες του ορού σε σύγκριση με την ινσουλίνη, ενώ πιο εμφανής αλλαγή σημειώθηκε στη μεταβολομική των ούρων. Τα αυξημένα επίπεδα κετονών και η καλύτερη ενεργειακή ομοιόσταση μπορεί να ευθύνονται για τις προαναφερθείσες κλινικές επιδράσεις της χορήγησης δαπαγλιφλοζίνης. Συμπέρασμα: Η χορήγηση δαπαγλιφλοζίνης οδήγησε σε αλλαγές στο μεταβολικό προφίλ του ορού και των ούρων που υποδεικνύουν βελτίωση της ενεργειακής ομοιόστασης σε ολόκληρο τον οργανισμό. Επιπλέον, βρέθηκαν αλλαγές που υποδεικνύουν μειωμένη φλεγμονώδη δραστηριότητα και μειωμένη αντίσταση στην ινσουλίνη μετά τη χορήγηση δαπαγλιφλοζίνης.