Свързана лаборатория по биологично моделиране, Национален институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания, Национални здравни институти, Бетедса, Мериленд, Съединени американски щати

мастната

Основна лаборатория за метаболизъм на мишки, Национален институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания, Национални здравни институти, Бетедса, Мериленд, Съединени американски щати

Основна лаборатория за метаболизъм на мишки, Национален институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания, Национални здравни институти, Бетедса, Мериленд, Съединени американски щати

Основна лаборатория по метаболизъм на мишки, Национален институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания, Национални здравни институти, Бетедса, Мериленд, Съединени американски щати

Партньорство GPP/OITE/OIR/OD, Национални здравни институти, Bethesda, Мериленд, Съединени американски щати

Филиал по клинична ендокринология, Национален институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания, Национални здравни институти, Бетедса, Мериленд, Съединени американски щати

Клон за диабет, Национален институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания, Национален здравен институт, Бетедса, Мериленд, Съединени американски щати

Свързана лаборатория по биологично моделиране, Национален институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания, Национални здравни институти, Бетедса, Мериленд, Съединени американски щати

  • Джунгйо Джо,
  • Оксана Гаврилова,
  • Стефани Пак,
  • Уилям Джоу,
  • Шон Мълън,
  • Ан Е. Съмнър,
  • Самуел В. Кушман,
  • Випул Перивал

Фигури

Резюме

Резюме на автора

Цитат: Jo J, Gavrilova O, Pack S, Jou W, Mullen S, Sumner AE, et al. (2009) Хипертрофия и/или хиперплазия: Динамика на растежа на мастната тъкан. PLoS Comput Biol 5 (3): e1000324. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000324

Редактор: Джейсън А. Папин, Университет на Вирджиния, Съединени американски щати

Получено: 15 септември 2008 г .; Прието: 9 февруари 2009 г .; Публикувано: 27 март 2009 г.

Това е статия с отворен достъп, разпространявана при условията на декларацията на Creative Commons Public Domain, която предвижда, че след като бъде поставена в публичното достояние, това произведение може свободно да се възпроизвежда, разпространява, предава, модифицира, надгражда или използва по друг начин от всеки за всяка законна цел.

Финансиране: Тази работа беше подкрепена от финансиране от програмата за вътрешни изследвания на NIH, NIDDK. Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Въведение

Затлъстяването е увеличаване на мастната тъкан, за да се съхрани излишният енергиен прием. Хиперплазия (увеличаване на броя на клетките) и хипертрофия (увеличаване на размера на клетките) са два възможни механизма за растеж. Фенотипите на затлъстяването на мастната тъкан се влияят от диетата и генетиката, както и от тяхното взаимодействие [1] - [4]. Започвайки от проучванията на Джонсън и Хирш [5], има обширна литература за растежа на мастната тъкан при нормално и ненормално развитие, характеризираща състоянието на тъканта по отношение на средния размер на клетките и броя на клетките. Хиперпластичният растеж се появява само на ранните етапи от развитието на мастната тъкан [6], [7]. Хипертрофия се появява преди хиперплазия, за да отговори на необходимостта от допълнителен капацитет за съхранение на мазнини при прогресия на затлъстяването [8]. Доказано е обаче, че е трудно да се разбере как диетата и генетиката влияят конкретно върху хиперплазията и/или хипертрофията на мастните клетки, поради ограничените надлъжни данни за растежа на мастната тъкан.

Резултати

Ефект на диета с високо съдържание на мазнини върху състава на тялото при мишки FVB и C57

(А) телесно тегло. (Б) Мастна маса. Съставът на тялото се измерва в указани моменти от време при 8 мишки на група, използвайки Echo 3-в-1 MRI анализатор. Храненето с високо съдържание на мазнини и контрол е започнато на възраст от 5 седмици. Оста X показва седмици на контролирано хранене. Показан е един от трите независими експеримента. Посочените стойности са средни ± SEM.

(А) Тестът за толерантност към глюкоза е извършен на 10-та седмица на контролирано хранене с чау и диета с високо съдържание на мазнини. Мишките се гладуват цяла нощ и се инжектира с глюкоза (2 mg/g, i.p.). Всяка група беше представена от 8 мишки. (B) Окислението на олеинова киселина в цялото тяло беше измерено на 10-седмични мъжки FVB ad C57 мишки в гладно състояние (8 мишки на група), както е описано в Gautam et al. [47]. (C) Окислението в палмитиновите киселини се измерва в мускула на солеуса, дисектиран от 10-седмични FVB и C57 мишки, поддържани на диета с чау (8 мишки на група). Проби бяха събрани в 8 часа сутринта от произволно хранени мишки или мишки, които гладуваха 18 часа [методи в Toyoshima et al. [46]]. (D) Клирънс на триглицериди при FVB и C57 мъжки мишки след 11 седмици контролирано хранене с чау и диета с високо съдържание на мазнини. Мишките се гладуват в продължение на 4 часа и след това се дава 400 µl фъстъчено масло чрез сондаж. Плазмата се събира на час за 5 часа от опашната вена за измерване на триглицеридите. Всяка група беше представена от 8 мишки.

Хипертрофия и хиперплазия с увеличаване на мастната маса

Начертан е един типичен пример за пет седмични контролни FVB мишки. Кръговете показват измерени точки от данни, докато линията представлява крива на монтаж, която е сумата от една гауссова и две експоненциални функции.

(A) и (B): корелацията между масата на епидидималната мастна тъкан и среднопретегленият размер на клетката, претеглен с обем, е снабдена със закон за степента с (A) и (B), който е начертан с плътни линии. (C) и (D): корелацията между масата на епидидималната мастна тъкан и общия брой на клетките се вписва в експоненциална функция с първоначална маса на мастната тъкан, начален брой на клетките и скорост на нарастване на броя на клетките, начертана с пунктирани линии (чау диета) и плътни линии (диета с високо съдържание на мазнини). Стойностите на монтираните параметри са обобщени в таблица 2.

Генетични и диетични ефекти върху растежа на мастните тъкани

Първоначалните разпределения на размера на клетките на пет седмични контролни мишки са дадени на първия ред на всяка колона с пунктирани линии. Точките показват експериментални резултати. Имайте предвид, че резултатите са подредени с епидидимална мастна маса, а не с хронологичното време (седмици контролирано хранене), показано в скоби. Плътните линии представляват нормализираното разпределение на размера на клетките, съответстващо на дадената маса на епидидималната мастна тъкан, предсказано от модела на растеж на мастната тъкан.

Тук за тази графика се използват средните стойности на параметри в таблица 2. Показани са символи, които помагат за сравнение между редовете.

Дискусия

Разработеният тук модел може да даде микроскопични прозрения в зависимия от размера растеж на мастните клетки, който не може да бъде адресиран чрез статични изследвания на напречното сечение. Например открихме следните специфични свойства на зависимия от размера клетъчен растеж: по-ниският критичен размер, инициализиращ натрупването на липиди, не зависи от диетата в двата щама на мишката, докато горният критичен размер, ограничаващ клетъчния растеж от достигане на изключителен размер, е бил повишен при диета с високо съдържание на мазнини. Тази зависимост на размера на клетъчния растеж е проверима хипотеза. На следващо място, параметърът на флуктуацията на размера на клетките, беше различен между обикновените и високомаслените диети; тя е по-голяма при диета с високо съдържание на мазнини, когато се трансформира в единици, подходящи за промяна на единица време, вместо промяна на масата на единичните мазнини. По този начин произволният процес за освобождаване и поемане на мазнини от клетките се случва по-активно при диета с високо съдържание на мазнини, отколкото при обикновена диета. Може да бъде от интерес да се види дали тези резултати могат да бъдат обобщени за други щамове и организми.

В обобщение, изведохме математически модел, описващ растежа на мастната тъкан с увеличаване на броя и размера на клетките като функция на масата на епидидималната мастна тъкан. Въз основа на този динамичен модел ние изследвахме ефектите от генетиката и диетата върху растежа на мастната тъкан. Сравнявайки разпределението на размера на клетките от два щама и две диети, стигнахме до заключението, че промяната на размера на клетките зависи от диетата, а промяната в броя на клетките зависи от генетиката и диетата, както и от тяхното взаимодействие.

Материали и методи

Животни

Всички процедури бяха одобрени от Комитета за грижи и употреба на животните към Националния институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания. Мъжките мишки FVB и C57 са получени от лабораторията Джаксън (Bar Harbor, ME). Мишките се отглеждат по четири на клетка при 12-часов цикъл светлина/тъмнина (светлини в 06: 00–18: 00). На възраст от 5 седмици мишките от всеки щам бяха разделени на 2 групи. Половината от мишките бяха хранени с редовна диета NIH-07 с чау (по-долу REG; Zeigler Brothers, Inc., Gardners, PA), съдържаща 4,08 kcal/g (11% калории от мазнини, 62% от въглехидрати и 26% от протеини). Другата половина е хранена с високо съдържание на мазнини, F3282 (по-нататък HF; Bio-Serv, Frenchtown, NJ), съдържаща 5,45 kcal/g (59% мазнини, 26% въглехидрати и 15% протеин). Водата и диетите бяха осигурени ad libitum. Бяха проведени пет независими експеримента, всеки от които използва 4 групи мишки: FVB REG, FVB HF, C57 REG и C57 HF. В три експеримента мишките се държат на контролирани диети в продължение на 12 седмици и се използват за анализ на телесния състав, физиологична характеристика и разпределение на размера на клетките. Два допълнителни комплекта мишки бяха евтаназирани след 2 седмици и 4 седмици високо съдържание на мазнини и контролно хранене само за разпределение на размера на клетките.

In Vivo експерименти

Съставът на тялото, приемът на храна, скоростта на метаболизма, глюкозният толеранс, клирънсът на триглицеридите и окислението на мастните киселини в изолиран мускул на подметката са измервани, както е описано по-горе [46]. Измерва се окисляването на мастните киселини в цялото тяло, както е описано в Gautam et al. [47]. Кръв за биохимични анализи е получена от вената на опашката в гладно състояние. Нивата на глюкоза бяха измерени с помощта на Glucometer Elite (Bayer, Elkhart, IN). Серумният инсулин беше изследван с помощта на радиоимуноанализ (Linco Research, St. Charles, MO). Серумните триглицериди, холестеролът (Thermo DMA, Louisville, CO) и свободната мастна киселина (FFA) (Roche Applied Science, Indianapolis, IN) са измервани в съответствие с процедурите на производителя.

Измерване на размера на клетките в епидидималната мазнина

Количествено определяне на хипертрофия

Средно претегленият размер на клетката е използван като мярка за хипертрофия, (4) където е размерът на клетката на кошчето и е относителната честота, съответстваща на размера при дадена маса на мастната подложка. Тази мярка е значима от функционална гледна точка, че капацитетът за съхранение на липиди е пропорционален на клетъчния обем. Обърнете внимание, че претегленият по обем среден размер на клетките дава среден размер на клетките, претеглен от капацитета за съхранение на липиди на големи клетки в горния пик на бимодалното разпределение на размера на клетките (Фиг. 3). За разлика от това, обичайният претеглен на брой среден размер на клетките, може да даде по-малък среден размер на клетките поради значителния принос на малките клетки в долния пик на бимодалното разпределение на размера на клетките. Ясно е, че претегленият по обем среден размер на клетката е по-добър индекс на капацитета за съхранение на липиди.

Количествено определяне на хиперплазия

Общият брой на клетките е пряка мярка, отразяваща хиперплазията. В това проучване се измерва масата на епидидималната мастна тъкан, както и разпределението на размера на клетките. Следователно общият брой на клетките в епидидималната мастна подложка може да се изчисли от връзката между масата и обема на мазнините. Тук използвахме плътност на чист триолеин ρ = 0.915 g/ml като плътност на мастните клетки, тъй като плътността е подобна на действителната плътност на мастните накладки [49]. Общият обем на мазнините е мястото, където е общият брой на клетките и е средният обем на клетките, който може да се изчисли от разпределението на размера на клетката. Следователно общият брой на клетките или индексът на хиперплазия е (5)

Метод за оптимизация

Също така използвахме този метод, за да изчислим първоначалния общ брой клетки и скоростта на нарастване от връзката между мастната маса и общия брой клетки (фиг. 4C и 4D). При минимизирането между функцията за монтиране и експерименталните данни използвахме ограничението, че първоначалният брой клетки е равен, независимо от условията на диета, т.е. редовни и високомаслени диети. Като първоначална мастна маса е използвана средната маса на мазнините при четири контролни мишки преди редовна и високомаслена диета, която съответно е 0,34 g и 0,29 g за FVB и C57 мишки. Оценихме несигурностите и чрез разпространение на 10-процентните статистически колебания, наблюдавани в експерименталните данни.

Числово решение на частично диференциално уравнение

Решихме следната дискретна версия на нашия модел, дадена като непрекъснато диференциално уравнение на частни части в уравнение. (1): (9) с интервал на маса δm = 0,1 mg и интервал на размер δs = 0,73 µm.

подкрепяща информация

Фигура S1.

Промени в епидидималната (A, B), ингвиналната (C, D) и кафявата (E, F) маса на мазнини на FVB (A, C, E) и C57 (B, D, F) мишки под чау и високо- условия на диета с мазнини. Х-осите показват седмици на контролирано хранене, започнато на възраст от 5 седмици. Y-осите в панела (A – D) показват комбинирано тегло на дясната и лявата мастна подложка. Всяка точка от време има четири проби на група с изключение на седмица 12 (осем проби на група) и 4 седмица C57 HFD (три проби на група). Начертани са линии за ориентиране.

Фигура S2.

Промени в епидидималната мастна подложка на FVB и C57 мишки при чау и диета с високо съдържание на мазнини. (A) и (B) Средно претеглен размер на клетката, претеглен по обем. (C) и (D) Общ брой клетки. Х-осите показват седмици на контролирано хранене, започнато на възраст от 5 седмици. Всяка точка от време има четири проби във времето, четири седмици (три налични проби). Изчертават се линии за ориентиране.

Благодарности

Благодарим на Артър Шърман за полезни дискусии и критично четене на ръкописа.

Принос на автора

Замислил и проектирал експериментите: JJ OG AES SWC VP. Изпълнява експериментите: OG SP WJ SM. Анализира данните: JJ OG VP. Написа хартията: JJ OG SWC VP.

Препратки

Тематични области

За повече информация относно предметните области на PLOS кликнете тук.

Искаме вашите отзиви. Имат ли смисъл тези предметни области за тази статия? Щракнете върху целта до неправилната тема и ни уведомете. Благодаря за вашата помощ!

Е тематичната област "Мастна тъкан" приложим за тази статия? да не

Благодаря за отзивите ви.

Е тематичната област "Диета" приложим за тази статия? да не

Благодаря за отзивите ви.

Е тематичната област "Адипоцити" приложим за тази статия? да не

Благодаря за отзивите ви.

Е тематичната област "Мазнини" приложим за тази статия? да не

Благодаря за отзивите ви.

Е тематичната област "Затлъстяване" приложим за тази статия? да не

Благодаря за отзивите ви.

Е тематичната област "Липиди" приложим за тази статия? да не

Благодаря за отзивите ви.

Е тематичната област "Генетика" приложим за тази статия? да не

Благодаря за отзивите ви.

Е тематичната област "Разпределение на тъкани" приложим за тази статия? да не