Abstract Bariatric surgery improves both insulin sensitivity and secretion in type 2 diabetes. However, these changes are difficult to monitor directly and independently. In particular, the degree and the time course over which surgery impacts β cell function, versus mass, have been difficult to establish. In this study, we investigated the effect of bariatric surgery on β cell function in vivo by imaging Ca 2+ dynamics prospectively and at the single cell level in islets engrafted into the anterior eye chamber. Islets expressing GCaMP6f selectively in the β cell were transplanted into obese male hyperglycaemic mice that were then subjected to either vertical sleeve gastrectomy (VSG) or sham surgery. Imaged in vivo in the eye, VSG improved coordinated Ca 2+ activity, with 90% of islets observed exhibiting enhanced Ca 2+ wave activity ten weeks post-surgery, while islet wave activity in sham animals fell to zero discernible coordinated islet Ca 2+ activity at the same time point. Correspondingly, VSG mice displayed significantly improved glucose tolerance and insulin secretion. Circulating fasting levels of GLP-1 were also increased after surgery, potentially contributing to improved β cell performance. We thus demonstrate that bariatric surgery leads to time-dependent increases in individual β cell function and intra-islet connectivity, together driving increased insulin secretion and diabetes remission, in a weight-loss independent fashion. Significance Statement Used widely to treat obesity, bariatric surgery also relieves the symptoms of type 2 diabetes. The mechanisms involved in diabetes remission are still contested, with increased insulin sensitivity and elevated insulin secretion from pancreatic β cells both implicated. Whilst the speed of remission – usually within a few days – argues for improvements in β cell function rather than increases in mass, a direct demonstration of changes at the level of individual β cells or islets has been elusive. Here, we combine vertical sleeve gastrectomy with intravital imaging of islets engrafted into the mouse anterior eye chamber to reveal that surgery causes a time-dependent improvement in glucose-induced Ca 2+ dynamics and β cell - β cell connectivity, both of which likely underlie increased insulin release.

Abstract Aims/hypothesis Mitochondrial glucose metabolism is essential for stimulated insulin release from pancreatic beta cells. Whether mitochondrial networks may be important for glucose or incretin sensing has yet to be determined. Methods Here, we generated mice with beta cell-selective, adult-restricted deletion of the mitofusin genes Mfn1 and Mfn2 (β Mfn1/2 dKO). Whole or dissociated pancreatic islets were used for live beta cell fluorescence imaging of cytosolic or mitochondrial Ca 2+ concentration and ATP production or GSIS in response to increasing glucose concentrations or GLP-1 receptor agonists. Serum and blood samples were collected to examine oral and i.p. glucose tolerance. Results β Mfn1/2 dKO mice displayed elevated fed and fasted glycaemia (p<0.01, p<0.001) and a >five-fold decrease (p<0.0001) in plasma insulin. Mitochondrial length, glucose-induced polarisation, ATP synthesis and cytosolic Ca 2+ increases were all reduced (p<0.05,p<0.01,p<0.0001) in dKO islets, and beta cell Ca 2+ dynamics were suppressed in vivo (p<0.001). In contrast, oral glucose tolerance was near normal in β Mfn1/2 dKO mice (p<0.05, p<0.01) and GLP-1 or GIP receptor agonists largely corrected defective GSIS from isolated islets through an EPAC-dependent signalling activation. Conclusions/interpretation Mitochondrial fusion and fission cycles are thus essential in the beta cell to maintain normal glucose, but not incretin, sensing. Defects in these cycles in some forms of diabetes might therefore provide opportunities for novel incretin-based or other therapies. Graphical abstract Impact of Mfn1/2 deletion on glucose and incretin stimulated-insulin secretion in beta cells. (A) In control animals, glucose is taken up by beta cells through GLUT2 and metabolised by mitochondria (elongated structure) through the citrate (TCA) cycle, leading to an increased mitochondrial proton motive force (hyperpolarised Δψm), accelerated ATP synthesis and O2 consumption rate (OCR). Consequently, the cytoplasmic ATP:ADP ratio rises, which causes closure of KATP channels, depolarisation of plasma membrane potential (ψm), opening of VDCCs and influx of cytosolic Ca 2+ . Elevated [Ca 2+ ]cyt triggers a number of ATP-dependent processes including insulin secretion and improved beta-beta cell communication through connexin 36 (Cx36). (B) Following Mfn1/2 deletion (β Mfn1/2 dKO), highly fragmented mitochondria were associated with reduced mitochondrial Ca 2+ ([Ca 2+ ]m) accumulation, leading to a less polarised Δψm, weaker OCR, lower mtDNA copy number and decreased ATP synthesis. This is expected to result in weaker ψm depolarisation, cytosolic Ca 2+ influx and beta-beta cell connectivity due to lower expression of Cx36. Despite observing a higher number of docked insulin granules on the plasma membrane, insulin secretion was highly suppressed in these animals. This was also associated with increased beta cell death and reduced beta cell mass. (C) In response to incretins, insulin secretion is potentiated through the activation of GLP1-R and cAMP signalling involving PKA- and EPAC2-dependent pathways. Elevated [Ca 2+ ]cyt triggers a number of ATP-dependent processes including insulin secretion and Ca2+ removal into the endoplasmic reticulum (ER).(D) In β Mfn1/2 dKO cells, activation of the GLP1-R was shown to be linked with a potentiation of the EPAC2 pathway that is PKA independent, along with an increased ER Ca 2+ uptake and improved beta-beta cell communication. How these ‘amplifying’ signals of glucose metabolism for insulin secretion are linked with fragmented mitochondria remains unknown. Red and bold arrows represent enhanced pathways; dashed arrows represent impaired pathways. This figure was produced using illustrations from Servier Medical Art, http://smart.servier.com/ Research in context What is already known about this subject? Mitochondrial ultrastructural variations and number are altered in beta cells of human T2D patients [1]. Mice lacking Opa1 , which controls mitochondrial fusion and inner membrane cristae structure, in beta cells, develop hyperglycaemia and defects in GSIS [2]. What is the key question? Is an interconnected mitochondrial network essential in primary mouse beta cells for normal insulin secretion and glucose homeostasis? What are the new findings? We generated mice with beta cell-selective, adult-restricted deletion of the mitofusin genes Mfn1 and Mfn2 and show that insulin secretion and glucose homeostasis are strongly reduced in vivo . Cytosolic and mitochondrial Ca 2+ increases, Δψ m , ATP production and beta cell connectivity are impaired in β Mfn1/2 dKO animals. Incretins bypass the above defects through an exchange protein directly activated by cAMP (EPAC)-dependent signalling mechanism. How might this impact on clinical practice in the foreseeable future? The ability of incretins to bypass defects in mitochondrial function might be exploited by the design of new agonists which target this pathway.

Abstract Background Glucocorticoids produced by the adrenal cortex are essential for the maintenance of metabolic homeostasis. Glucocorticoid activation is catalyzed by 11β-hydroxysteroid dehydrogenase 1 (11β-HSD1) and signalling is achieved through the glucocorticoid receptor (GR), a ligand-dependent transcription factor. Excess glucocorticoids are associated with insulin resistance and hyperglycaemia. A small number of studies have investigated the effects of bariatric surgery, a gastrointestinal procedure known to improve insulin sensitivity, on glucocorticoid metabolism, but the hypothesised mechanism is assumed to be via weight loss. Aim To investigate the effect of bariatric surgery on glucocorticoid metabolism in lean and obese mice. Methods Lean mice and HFD mice underwent Vertical Sleeve Gastrectomy (VSG) or sham surgery. Glucose and insulin tolerance tests were performed at four and ten weeks post operatively and circulating corticosterone was measured. Liver and adipose tissues were harvested from fed mice and 11β-HSD1 and GR levels were measured by quantitative RT-PCR or Western (immuno-) blotting, respectively. Results VSG did not cause excess weight loss in lean mice when compared to sham operated mice. However, both lean and HFD VSG mice displayed significantly improved glucose clearance and insulin sensitivity. Remarkably, VSG restores physiological corticosterone production in HFD mice and reduces11β-HSD1 levels at four and ten weeks post-surgery. Additionally, lean mice displayed significantly lowered mRNA levels of 11β-HSD1 in subcutaneous adipose tissue and GR in liver. Conclusions Bariatric surgery improves insulin sensitivity and reduces glucocorticoid activation at tissular level, under physiological and pathophysiological (obesity) conditions, irrespective of weight loss. The reduction of glucocorticoid exposure may represent an additional contribution to the health benefits of bariatric surgery. These findings point towards a physiologically relevant gut-adrenal axis.

Abstract Despite recent therapeutic advances, achieving optimal glycaemic control remains a challenge in managing Type 2 Diabetes (T2D). Sodium-glucose co-transporter type 2 (SGLT2) inhibitors have emerged as effective treatments by promoting urinary glucose excretion. However, the full scope of their mechanisms extends beyond glycaemic control. At present, their immunometabolic effects remain elusive. To investigate the effects of SGLT2 inhibition or deletion, we compared the metabolic and immune phenotype between high fat diet-fed control, chronically dapagliflozin-treated mice and total-body SGLT2/ Slc5a2 knockout mice. SGLT2 null mice exhibited superior glucose tolerance and insulin sensitivity compared to control or dapagliflozin-treated mice, independent of glycosuria and body weight. Moreover, SGLT2 null mice demonstrated physiological regulation of corticosterone secretion, with lowered morning levels compared to control mice. Systemic cytokine profiling also unveiled significant alterations in inflammatory mediators, particularly interleukin 6 (IL-6). Furthermore, unbiased proteomic analysis demonstrated downregulation of acute-phase proteins and upregulation of glutathione-related proteins, suggesting a role in the modulation of antioxidant responses. Conversely, IL-6 increased SGLT2 expression in kidney HK2 cells suggesting a role for cytokines in the effects of hyperglycemia. Collectively, our study elucidates a potential interplay between SGLT2 activity, immune modulation, and metabolic homeostasis. Graphical Abstract Article Highlights The role of Sodium-glucose co-transporter type 2 (SGLT2) in immunity regulation remains elusive, despite extensive research in SGLT2 inhibitors. We sought to discern the effects of SGLT2 inhibition or deletion on metabolic and immune profiles in high-fat-fed mice, focussing on corticosterone regulation and cytokine alterations. SGLT2 null mice exhibit enhanced insulin sensitivity, alongside physiologically regulated corticosterone levels and significant alterations in inflammatory cytokines, and we identified changes in protein expression suggestive of antioxidant modulation. Our findings emphasize the interplay between immune responses and metabolic regulation mediated by SGLT2 activity.

Background: Bariatric surgery has been established to improve insulin sensitivity and glucose clearance, but also increases insulin and glucagon secretion. Each of the above effects have also been observed following treatment with sodium glucose co-transporter 2 (SGLT2) inhibitors. Aim: To determine whether there is an effect of bariatric surgery (Vertical Sleeve Gastrectomy; VSG) on renal SGLT2 expression in mice. Methods: Eighteen lean mice underwent VSG (n=8) or sham (n=9) surgery. Glucose tolerance tests with or without treatment with the SGLT2 inhibitor dapagliflozin were performed four weeks post operatively, in order to assess if pharmacological SGLT2 inhibition has the same euglycemic effects after bariatric surgery. Kidneys were harvested from fed mice and SGLT2 expression was analysed using Quantitative reverse-transcription PCR and immunofluorescence. Results: VSG mice displayed significantly improved glucose tolerance (AUC=103+/-6.8; AUC=66.6+/-2.9 in control and VSG mice, respectively; p<0.001), despite an absence of significant weight loss when compared to sham operated mice (p=0.37, Mann-Whitney test). Treatment of sham-operated mice with dapagliflozin (10 mg/kg) improved glucose tolerance. In contrast, dapagliflozin did not further improve glucose tolerance in VSG-operated mice. Moreover, qRT-PCR and immunofluorescence analysis on mouse kidneys demonstrated a significant lowering of SGLT2 expression at both the mRNA (n=7, p<0.0001) and protein (n=5, p=0.0007) levels four weeks after VSG. Conclusions: Vertical sleeve gastrectomy in lean animals causes a significant inhibition of SGLT2 expression in the kidney cortex. These findings are in line with our previous results on the effects of Duodenal Jejunal Bypass in lean rats, and point towards a physiologically-relevant gut-kidney axis. SGLT2 inhibition may thus be an important mechanism through which bariatric surgery improves glucose tolerance in man.

Abstract Better understanding of feeding behaviour will be vital in reducing obesity and metabolic syndrome, but we lack a standard model that captures the complexity of feeding behaviour. We construct an accurate stochastic model of rodent feeding at the bout level in order to perform quantitative behavioural analysis. Analysing the different effects on feeding behaviour of PYY 3-36 , lithium chloride, GLP-1 and leptin shows the precise behavioural changes caused by each anorectic agent. Our analysis demonstrates that the changes in feeding behaviour evoked by the anorectic agents investigated not mimic satiety. In the ad libitum fed state during the light period, meal initiation is governed by complete stomach emptying, whereas in all other conditions there is a graduated response. We show how robust homeostatic control of feeding thwarts attempts to reduce food intake, and how this might be overcome. In silico experiments suggest that introducing a minimum intermeal interval or modulating gastric emptying can be as effective as anorectic drug administration.