Published March 1, 2022
| Version v1
Publication
Main glucose hepatic fluxes in healthy subjects predicted from a phenomenological-based model
- 1. Hospital Pablo Tobon Uribe
- 2. Universidad de Antioquia
- 3. Norwegian University of Science and Technology
- 4. University of Virginia
- 5. Universidad Nacional de Colombia
Description
The liver has a unique role in blood glucose regulation in postprandial, postabsorptive, and fasting states. In the context of diabetes technology, current maximal models of glucose homeostasis lack a proper dynamical description of main glucose-related fluxes acting over and from the liver, providing a rather simplistic estimation of key quantities as endogenous glucose production and insulin and glucagon clearance.Using a three-phase well-established phenomenological-based semi-physical modeling (PBSM) methodology, we built a detailed physiological model of hepatic glucose metabolism, including glucose utilization, endogenous glucose production through gluconeogenesis and glycogenolysis, and insulin and glucagon clearance. Mean absolute errors (MAE) were used to assess the goodness of fit of the proposed model against the data from three different in-vivo experiments -two oral glucose tolerance tests (OGTT) and a mixed meal challenge following overnight fasting-in healthy subjects.Needing little parameter calibration, the proposed model predicts experimental systemic glucose mean ± std 5.4 ± 5.2, 7.5 ± 6.8, and 7.5 ± 7.5 mg/dL, in all three experiments. Low MAEs were also obtained for insulin and glucagon at the hepatic vein.The quantitative concordance of our model to the experimental data exhibits a potential for its use in the physiological study of glucose liver metabolism. The model structure and parameter interpretability allow the union with other semi-physical models for a better understanding of whole-body glucose homeostasis and its use in developing diabetes technology tools.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
للكبد دور فريد في تنظيم نسبة الجلوكوز في الدم في حالات ما بعد الأكل وما بعد الامتصاص والصيام. في سياق تكنولوجيا مرض السكري، تفتقر النماذج القصوى الحالية لتوازن الجلوكوز إلى وصف ديناميكي مناسب للتدفقات الرئيسية المرتبطة بالجلوكوز التي تعمل فوق الكبد ومنه، مما يوفر تقديرًا مبسطًا إلى حد ما للكميات الرئيسية مثل إنتاج الجلوكوز الداخلي المنشأ وتخليص الأنسولين والجلوكاجون. باستخدام منهجية النمذجة شبه الفيزيائية القائمة على الظواهر ثلاثية المراحل (PBSM)، قمنا ببناء نموذج فسيولوجي مفصل لاستقلاب الجلوكوز الكبدي، بما في ذلك استخدام الجلوكوز، وإنتاج الجلوكوز الداخلي المنشأ من خلال تكوين الجلوكوز وتحلل الجلوكوجين، وتخليص الأنسولين والجلوكاجون. تم استخدام متوسط الأخطاء المطلقة (MAE) لتقييم مدى ملاءمة النموذج المقترح مقابل البيانات من ثلاث تجارب مختلفة في الجسم الحي - اختباران لتحمل الجلوكوز عن طريق الفم (OGTT) وتحدي الوجبة المختلطة بعد الصيام طوال الليل - في الموضوعات الصحية. يتنبأ النموذج المقترح، الذي يحتاج إلى القليل من معايرة المعلمات، بمتوسط الجلوكوز النظامي التجريبي ± std 5.4 ± 5.2 و 7.5 ± 6.8 و 7.5 ± 7.5 ملغ/ديسيلتر، في جميع التجارب الثلاث. كما تم الحصول على MAEs منخفضة للأنسولين والجلوكاجون في الوريد الكبدي. يُظهر التوافق الكمي لنموذجنا مع البيانات التجريبية إمكانية استخدامه في الدراسة الفسيولوجية لاستقلاب الكبد الجلوكوز. يسمح هيكل النموذج وقابلية تفسير المعلمات بالاتحاد مع النماذج شبه الفيزيائية الأخرى لفهم أفضل لتوازن الجلوكوز في الجسم بالكامل واستخدامه في تطوير أدوات تكنولوجيا مرض السكري.Translated Description (French)
Le foie a un rôle unique dans la régulation de la glycémie dans les états postprandiaux, postabsorptifs et à jeun. Dans le contexte de la technologie du diabète, les modèles maximaux actuels de l'homéostasie du glucose manquent d'une description dynamique appropriée des principaux flux liés au glucose agissant sur et à partir du foie, fournissant une estimation plutôt simpliste des quantités clés comme la production de glucose endogène et la clairance de l'insuline et du glucagon. En utilisant une méthodologie de modélisation semi-physique phénoménologique bien établie en trois phases (PBSM), nous avons construit un modèle physiologique détaillé du métabolisme hépatique du glucose, y compris l'utilisation du glucose, la production de glucose endogène par la gluconéogenèse et la glycogénolyse, et la clairance de l'insuline et du glucagon. Les erreurs absolues moyennes (MAE) ont été utilisées pour évaluer la qualité de l'ajustement du modèle proposé par rapport aux données de trois expériences in vivo différentes - deux tests de tolérance au glucose par voie orale (OGTT) et un défi de repas mixte après un jeûne nocturne - chez des sujets sains. Besoin de peu d'étalonnage des paramètres, le modèle proposé prédit la moyenne systémique expérimentale du glucose ± std 5,4 ± 5,2, 7,5 ± 6,8 et 7,5 ± 7,5 mg/dL, dans les trois expériences. De faibles EMA ont également été obtenues pour l'insuline et le glucagon au niveau de la veine hépatique. La concordance quantitative de notre modèle avec les données expérimentales présente un potentiel pour son utilisation dans l'étude physiologique du métabolisme hépatique du glucose. La structure du modèle et l'interprétabilité des paramètres permettent l'union avec d'autres modèles semi-physiques pour une meilleure compréhension de l'homéostasie du glucose dans l'ensemble du corps et son utilisation dans le développement d'outils technologiques pour le diabète.Translated Description (Spanish)
El hígado tiene un papel único en la regulación de la glucosa en sangre en estados posprandiales, postabsorción y ayuno. En el contexto de la tecnología de la diabetes, los modelos máximos actuales de homeostasis de la glucosa carecen de una descripción dinámica adecuada de los principales flujos relacionados con la glucosa que actúan sobre y desde el hígado, lo que proporciona una estimación bastante simplista de cantidades clave como la producción endógena de glucosa y la eliminación de insulina y glucagón. Utilizando una metodología de modelado semifísico de base fenomenológica (PBSM) de tres fases bien establecida, construimos un modelo fisiológico detallado del metabolismo hepático de la glucosa, que incluye la utilización de glucosa, la producción endógena de glucosa a través de la gluconeogénesis y la glucogenólisis, y la eliminación de insulina y glucagón. Se utilizaron errores absolutos medios (MAE) para evaluar la bondad de ajuste del modelo propuesto frente a los datos de tres experimentos in vivo diferentes: dos pruebas de tolerancia a la glucosa oral (OGTT) y una prueba de provocación con comidas mixtas después del ayuno nocturno en sujetos sanos. Al necesitar poca calibración de parámetros, el modelo propuesto predice la media experimental de glucosa sistémica ± std 5.4 ± 5.2, 7.5 ± 6.8 y 7.5 ± 7.5 mg/dL, en los tres experimentos. También se obtuvieron Mae bajos para la insulina y el glucagón en la vena hepática. La concordancia cuantitativa de nuestro modelo con los datos experimentales muestra un potencial para su uso en el estudio fisiológico del metabolismo hepático de la glucosa. La estructura del modelo y la interpretabilidad de los parámetros permiten la unión con otros modelos semifísicos para una mejor comprensión de la homeostasis de la glucosa en todo el cuerpo y su uso en el desarrollo de herramientas tecnológicas para la diabetes.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التدفقات الكبدية الرئيسية للجلوكوز في الأشخاص الأصحاء التي تم التنبؤ بها من نموذج قائم على الظواهر
- Translated title (French)
- Principaux flux hépatiques de glucose chez les sujets sains prédits à partir d'un modèle phénoménologique
- Translated title (Spanish)
- Principales flujos hepáticos de glucosa en sujetos sanos predichos a partir de un modelo de base fenomenológica
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4205462215
- DOI
- 10.1016/j.compbiomed.2022.105232
References
- https://openalex.org/W105529655
- https://openalex.org/W1490465614
- https://openalex.org/W1555818350
- https://openalex.org/W1569685525
- https://openalex.org/W1598767975
- https://openalex.org/W1964607604
- https://openalex.org/W1964693647
- https://openalex.org/W1975276941
- https://openalex.org/W1999475846
- https://openalex.org/W2003719947
- https://openalex.org/W2003784405
- https://openalex.org/W2013748473
- https://openalex.org/W2019692827
- https://openalex.org/W2027558032
- https://openalex.org/W2028209738
- https://openalex.org/W2039379587
- https://openalex.org/W2057075868
- https://openalex.org/W2057486586
- https://openalex.org/W2057996181
- https://openalex.org/W2063560080
- https://openalex.org/W2073960217
- https://openalex.org/W2091822932
- https://openalex.org/W2092901567
- https://openalex.org/W2096550268
- https://openalex.org/W2097232483
- https://openalex.org/W2099719924
- https://openalex.org/W2113594895
- https://openalex.org/W2119649378
- https://openalex.org/W2133591326
- https://openalex.org/W2135311233
- https://openalex.org/W2139991248
- https://openalex.org/W2152281174
- https://openalex.org/W2167160009
- https://openalex.org/W2169721390
- https://openalex.org/W2171613573
- https://openalex.org/W2216449121
- https://openalex.org/W2296585153
- https://openalex.org/W2300639120
- https://openalex.org/W2419645169
- https://openalex.org/W2515860273
- https://openalex.org/W2585015296
- https://openalex.org/W2790915589
- https://openalex.org/W2896997619
- https://openalex.org/W2897722015
- https://openalex.org/W2904809527
- https://openalex.org/W2911238692
- https://openalex.org/W2937552917
- https://openalex.org/W2946927708
- https://openalex.org/W2947163799
- https://openalex.org/W2955686199
- https://openalex.org/W2986236829
- https://openalex.org/W3049260097
- https://openalex.org/W3087204709
- https://openalex.org/W3097018393
- https://openalex.org/W3196603795
- https://openalex.org/W3202859163
- https://openalex.org/W4230444160