The effect of acute hyperglycemia on microvascular reactivity

Kralj, Lana (avtor), Lenasi, Helena (mentor), Battelino, Tadej (komentor)

Background & Aims: While the long-term harmful effects of chronic hyperglycemia are well understood, the microvascular impact of short-term, acutely elevated glucose levels remains less well defined. Available studies suggest that acute hyperglycemia may transiently impair microvascular endothelial function and affect the autonomic nervous system (ANS), but the findings are discrepant. Clarifying these effects is clinically relevant, as even transient impairments in endothelial or ANS function may represent early events in the development of cardiovascular complications. We aimed to investigate the effects of acute hyperglycemia induced by an oral glucose tolerance test (OGTT) on skin microvascular and ANS reactivity in young, healthy volunteers, and to elucidate underlying mechanisms. Hypotheses: (H1) Acute hyperglycemia significantly alters the skin microcirculation reactivity, most likely by: • decreasing the endothelium-dependent vasodilation and • altering the ANS reactivity (H2) The effect of acute hyperglycemia on skin microcirculation depends on the time after exposure to a glucose load. Methods: Skin microvascular reactivity was assessed in 28 young, healthy participants (16 females and 12 males) before and 45 and 120 minutes after OGTT or water loading. Glucose levels were assessed by sensor for noninvasive continuous glucose monitoring (FreeStyle Libre 2, Abbott Laboratories, Illinois, USA). Laser Doppler flowmetry (LDF) monitored basal perfusion and microvascular response to post-occlusive reactive hyperemia (PORH) and iontophoresis of acetylcholine (ACh) and sodium nitroprusside (SNP). Wavelet analysis (WA) with implemented cone of influence correction was applied to assess endothelium nitric oxide-independent (endo NOi), nitric oxide-dependent (endo NOd), and myogenic spectral components. ANS reactivity was evaluated by time- (root mean square of successive RR interval differences (RMSSD), standard deviation of normal-to-normal RR intervals (SDNN)), and frequency-domain (low-frequency (LF), high-frequency (HF) power and their ratio (LF/HF)) heart rate variability (HRV) metrics. Results: OGTT induced time-dependent changes in specific microvascular and HRV parameters. Significant interactions between time and intervention (OGTT / water loading) were observed in the endo NOi (p = 0.014) and myogenic (p = 0.029; two-way repeated measures ANOVA) wavelet bands evaluated from the SNP response, indicating that glucose and water loading differently affected these components over time. On the other hand, no statistically significant differences between glucose and water loading were observed in the spectral components derived from basal perfusion or from the responses to ACh and PORH. Additionally, significant interactions in time-domain HRV parameters (RMSSD: p = 0.009, SDNN: p = 0.008; two-way repeated measures ANOVA) suggested that glucose loading alters the overall ANS balance. Conclusions: Our work provides novel insights into potential mechanisms underlying physiological responses to acute glucose loading. We confirmed both our hypotheses and demonstrated that OGTT-induced acute hyperglycemia triggers subtle microvascular changes in young healthy individuals. These changes are mainly reflected in a transient decrease of endothelium-dependent vasodilation, most likely involving NO-independent signaling pathways. Additionally, we observed effects on vascular smooth muscle responsiveness and ANS reactivity. The effects of acute hyperglycemia on skin microcirculation depended on the time after exposure to a glucose load, indicating dynamic adaptation to acute physiological stress. Our integrated approach, employing WA with implemented COI correction as a central analytical method, may offer a potentially applicable noninvasive tool for an early detection of microvascular and ANS dysfunction associated with acute hyperglycemia.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: acute hyperglycemia, microcirculation, skin microvascular reactivity, endothelial function, nitric oxide, autonomic nervous system reactivity, heart rate variability, laser Doppler flowmetry, wavelet analysis
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: MF - Medicinska fakulteta
• Leto izida: 2025
• PID: 20.500.12556/RUL-176257
• Datum objave v RUL: 26.11.2025

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Vpliv akutne hiperglikemije na reaktivnost mikrocirkulacije

Izvleček

Ozadje in cilji: Medtem ko so škodljivi učinki kronične hiperglikemije dobro znani, vpliv akutne hiperglikemije na mikrocirkulacijo ostaja slabo raziskan. Obstoječe raziskave nakazujejo, da akutna hiperglikemija prehodno okvari mikrovaskularno endotelijsko funkcijo ter vpliva na aktivnost avtonomnega živčevja, vendar si ugotovitve nasprotujejo. Razjasnitev teh učinkov je klinično pomembna, saj lahko že prehodne motnje v endotelijski ali funkciji avtonomnega živčevja predstavljajo zgodnje dogodke v razvoju srčno-žilnih zapletov. Cilj doktorskega dela je bil ovrednotiti vpliv akutne hiperglikemije, ki smo jo povzročili z oralnim glukoznim tolerančnim testom (OGTT), na mikrocirkulacijo kože ter na reaktivnost avtonomnega živčevja pri mladih, zdravih preiskovancih in osvetliti možne mehanizme. Hipoteze: (H1) Izpostavitev akutni hiperglikemiji spremeni reaktivnost mikrocirkulacije kože, najverjetneje tako, da: • zmanjša od endotelija odvisno vazodilatacijo in • spremeni odzivnost avtonomnega živčevja (H2) Vpliv akutne hiperglikemije na mikrocirkulacijo kože je odvisen od časa po obremenitvi z glukozo. Metode: Reaktivnost mikrocirkulacije kože smo ovrednotili pri 28 mladih, zdravih preiskovancih (16 moških in 12 žensk) pred in 45 in 120 min po obremenitvi z OGTT ali vodo. Raven glukoze smo določali s senzorjem za neinvazivno kontinuirano spremljanje glukoze (FreeStyle Libre 2, Abbott Laboratories, Illinois, ZDA). Za vrednotenje mikrocirkulacije kože smo uporabili lasersko doplersko (LD) metodo. Spremljali smo bazalne pretoke ter odzive na pookluzivno reaktivno hiperemijo (PORH) ter iontoforezo acetilholina (ACh) in natrijevega nitroprusida (NaNP). Od dušikovega oksida (NO) odvisno in neodvisno endotelijsko ter miogeno spektralno komponento smo ovrednotili z valčno analizo z ustrezno korekcijo robnih učinkov. Reaktivnost avtonomnega živčevja smo ocenili z analizo variabilnosti srčne frekvence (angl. heart rate variability, HRV), in sicer v časovnih (odstopanje korenskega povprečnega kvadrata zaporednih NN intervalov (angl. root mean square of successive RR interval difference, RMSSD) in standardni odklon NN intervalov (angl. standard deviation of normal-to-normal RR intervals, SDNN) in frekvenčnih (nizkofrekvenčna (angl. low-frequency, LF), visokofrekvečna (angl. high-frequency, HF) komponenta ter razmerje med njima (LF/HF)) domenah. Rezultati: Statistično značilne interakcije med časom in intervencijo (OGTT / vodna obremenitev) pri od NO-neodvisni endotelijski (p = 0.014) in miogeni komponenti (p = 0.029), ki smo jih ovrednotili iz odziva LD signalov na NaNP (dvosmerna ANOVA), kažejo, da imata glukoza in voda različen učinek na ti dve komponenti v času. Po drugi strani v spektralnih komponentah, pridobljenih iz bazalnega LD signala perfuzije ter iz LD odzivov na ACh in PORH, nismo zaznali statistično značilnih razlik med obremenitvijo z glukozo in vodo. Značilna interakcija med časom in intervencijo pri časovnih kazalcih HRV (RMSSD: p = 0.009; SDNN: p = 0.008) nakazuje na spremenjeno reaktivnost avtonomnega živčevja po OGTT. Zaključki: V doktorskemu delu smo potrdili hipoteze ter pokazali, da akutna hiperglikemija vpliva na reaktivnost mikrocirkulacije kože. Spremembe se predvsem odražajo v prehodno zmanjšani od endotelija odvisni vazodilataciji, pri čemer je verjetno prizadeta predvsem od NO neodvisna signalizacija. Hkrati smo zaznali vpliv na gladke mišice žil in spremenjeno odzivnost avtonomnega živčevja, kar dodatno prispeva k prehodnim spremembam žilne reaktivnosti. Učinki so odvisni od časa po obremenitvi z glukozo, kar kaže na dinamično prilagajanje mikrocirkulacije akutnemu fiziološkemu stresu. Naš integrirani pristop, ki kot glavno analitično orodje uporablja valčno analizo z implementirano korekcijo robnih učinkov, bi lahko predstavljal potencialno uporabno orodje za zgodnje odkrivanje sprememb, povezanih z akutno hiperglikemijo.

• Ključne besede: akutna hiperglikemija, mikrocirkulacija, reaktivnost mikrocirkulacije kože, endotelijska funkcija, dušikov oksid, reaktivnost avtonomnega živčevja, variabilnost srčne frekvence, laserska Dopplerska metoda, valčna analiza