Impact of Steatosis on Drug Metabolism of the Liver: Functional and Translational Implications

Abstract

Background: It was recently reported that periportal fibrosis in mice did affect the expression of CYP proteins, a set of pericentrally located drug-metabolizing enzymes. This observation suggests an interplay between zonated morphological disorders and metabolic zonation, a potentially clinically relevant finding. Therefore, we raised the hypothesis that periportal steatosis in mice may affect zonated drug metabolism parameters. Cross-species variation has not yet been systematically explored with respect to hepatic lobular geometry and CYP expression as needed for clinical translation. We hypothesized that lobular geometry as an anatomical feature is species-independent, whereas CYP zonal expression as a functional parameter is species-dependent. Method: We performed a detailed drug metabolism study in mice with periportal steatosis induced by feeding a high-fat methionine-choline reduced diet applied over two, respectively, four weeks. Drug metabolism was assessed in terms of the spatial distribution of drug-metabolizing CYP enzymes, CYP activity, and a pharmacokinetic study. For the cross-species analysis, we involved four species: mouse, rat, pig, and human. We developed an automated pipeline based on whole slide images (WSI) of hematoxylin-eosin-stained liver sections and immunohistochemistry to quantify lobular geometry and zonated expression of key cytochrome P450 (CYP) enzymes. Results: Periportal steatosis did not alter the pericentral expression pattern of the CYP enzymes. However, the activity of selected CYPs was related to the type and severity of steatosis. Caffeine elimination was accelerated by microvesicular steatosis, whereas midazolam elimination was delayed in macrovesicular steatosis. Using the newly developed automated image analysis pipeline, we observed that hepatic lobular geometry is rather robust, whereas zonated expression shows species-specific features, with mice being most similar to humans. Conclusion: In this thesis, we demonstrated that periportal pathology such as steatosis could affect certain features of hepatic drug metabolism, a metabolic process taking place in the pericentral region. We demonstrated the robustness of lobular geometry in four different species and described the impact of the given species on the spatial distribution of CYP proteins in normal livers. Perspective: Our planned future studies include assessing species-specific features of steatosis, including heterogeneity, and their implications for the spatial distribution of CYP expression. Based on this data, we want to perform a translational study using human samples to confirm the impact of periportal and pericentral steatosis on distinct parameters of drug metabolism.

Hintergrund: Vor kurzem wurde berichtet, dass die periportale Fibrose bei Mäusen die perizentrale Expression von Proteinen des Arzneimittelstoffwechsel (CYP-Enzymen), beeinträchtigt. Diese Beobachtung impliziert eine Wechselwirkung zwischen zonierten morphologischen Störungen und metabolischer Zonierung, einem potenziell klinisch relevanten Phänomen. Daher stellten wir die Hypothese auf, dass die periportale Steatose bei Mäusen die Parameter des zonierten Arzneimittelstoffwechsels beeinflussen könnte. Speziesübergreifende Unterschiede in Bezug auf die hepatische Läppchengeometrie und CYP-Expression wurden noch nicht systematisch untersucht, was für weitere translationale Stedien jedoch wichtg ist. Daher postulierten wir, dass die lobuläre Geometrie als anatomisches Merkmal spezies-unabhängig ist, während die Zonale CYP Expression als funktioneller Parameter spezies-abhängig ist. Methode: Wir untersuchten den Arzneimittelstoffwechsels bei Mäusen mit periportaler Steatose, die durch eine fettreiche, methionin-cholinreduzierte Diät über 2 bzw. 4 Wochen induziert wurde. Der Arzneimittelstoffwechsel wurde anhand der räumlichen Verteilung der CYP-Enzyme, der CYP-Aktivität und einer pharmakokinetischen Studie untersucht. Für die speziesübergreifende Analyse haben wir vier Spezies herangezogen: Maus, Ratte, Schwein und Mensch. Wir haben eine automatisierte Bildanalyse-Pipeline entwickelt, die Ganzbildaufnahmen (WSI) von Hämatoxylin-Eosin- und immunhistochemisch gefärbten Leberschnitten nutzt, um die lobuläre Geometrie und die zonierte Expression von Cytochrom P450 Enzymen zu quantifizieren. Ergebnisse: Die periportale Steatose veränderte das perizentrale Expressionsmuster der CYP-Enzyme nicht. Die Aktivität ausgewählter CYPs war jedoch mit Schweregrad und Typ der Steatose assoziiert. Die Eliminiation von Koffein wurde durch mikrovesikuläre Steatose beschleunigt, während die von Midazolam bei makrovesikulärer Steatose verzögert war. Mit der automatisierten Bildanalyse-Pipeline konnten wir feststellen, dass die lobuläre Geometrie der Leber recht robust ist, während die zonierte Expression artspezifische Merkmale aufweist. Zusammenfassung: Wir haben gezeigt, dass die periportale Steatose bestimmte Merkmale des hepatischen Arzneimittelstoffwechsels beeinflussen kann. Wir haben die Robustheit der lobulären Geometrie bei vier verschiedenen Spezies nachgewiesen und die Spezies-abhängige räumliche Verteilung der CYP-Proteine in normalen Lebern beschrieben. Ausblick: Künftig wollen wir die speziesabhängigen Auswirkungen der Steatose und ihrer heterogenen Verteilung auf die zonierte Expression von CYP-Enzymen untersuchen. Auf der Grundlage dieser Daten planen wir eine translationale klinische Studie, um die Auswirkungen der periportalen und perizentralen Steatose auf verschiedene Parameter des Arzneimittelstoffwechsels zu bestätigen.