Ричард Дж Джонсън

1 Отдел по бъбречни заболявания и хипертония, Университет в Колорадо, Аврора, Колорадо, САЩ

Крис Ривард

1 Отдел по бъбречни заболявания и хипертония, Университет в Колорадо, Аврора, Колорадо, САЩ

Мигел А. Ланаспа

1 Отдел по бъбречни заболявания и хипертония, Университет в Колорадо, Аврора, Колорадо, САЩ

Силвия Отабачиан-Смит

2 Equine Sciences, Държавен университет в Колорадо, Форт Колинс, Колорадо, САЩ

Такуджи Ишимото

1 Отдел по бъбречни заболявания и хипертония, Университет в Колорадо, Аврора, Колорадо, САЩ

Кристина Чичерчи

1 Отдел по бъбречни заболявания и хипертония, Университет в Колорадо, Аврора, Колорадо, САЩ

Питър Р. Чийк

3 Питър Р. Чийк, Катедра по животновъдни науки, Орегонски държавен университет, Корвалис, Орегон

Бриджит Макинтош

4 Вирджински политехнически институт и държавен университет, Middleburg, VA

Таня Хес

2 Equine Sciences, Държавен университет в Колорадо, Форт Колинс, Колорадо, САЩ

Резюме

Фруктозата е проста захар, присъстваща в меда и плодовете, но може да съществува и като полимер (фруктани) в пасищните треви. Бозайниците не са в състояние да метаболизират фруктани, но някои грам положителни бактерии съдържат фруктанази и могат да превърнат фруктаните във фруктоза в червата. Последните проучвания показват, че фруктозата, генерирана от бактерии или получена директно от диетата, може да предизвика както повишена чревна пропускливост, така и характеристики на метаболитния синдром, особено развитието на инсулинова резистентност. Развитието на инсулинова резистентност се дължи отчасти на метаболизма на фруктоза от фруктокиназа С в черния дроб, което води до оксидативен стрес в хепатоцитите. По същия начин метаболизмът на фруктоза в тънките черва от чревна фруктокиназа може да доведе до повишена чревна пропускливост и ендотоксемия. Макар и спекулативни, тези наблюдения повдигат възможността механизмът, чрез който фруктаните индуцират ламинит, да включва чревна и чернодробна фруктокиназа. Посочени са допълнителни проучвания, за да се определи ролята на фруктаназите, фруктозата и фруктокиназата при метаболитния синдром на конете и ламинит.

Фруктозата е монозахарид, присъстващ в плодовете и меда, но също така е компонент на захар (захароза) и царевичен сироп с високо съдържание на фруктоза (HFCS). Фруктозата може да се генерира и от разграждането на фруктани от бактерии в червата. Последните проучвания показват, че уникалният метаболизъм на фруктоза от фруктокиназа С може да доведе до повишена чревна пропускливост и развитие на инсулинова резистентност и характеристики на метаболитния синдром. Накратко се обсъжда потенциалното участие на фруктоза и фруктокиназа като медиаторни системи, участващи в заболявания, свързани с еднокопитни животни.

Фруктоза и фруктокиназа като медиатори на инсулинова резистентност и метаболитен синдром

Фруктозата е уникална сред храните със своята забележителна способност да индуцира метаболитен синдром при животните. Прилагането на фруктоза на лабораторни плъхове, например, може да предизвика инсулинова резистентност, повишено кръвно налягане, повишени серумни триглицериди, нисък HDL холестерол, затлъстяване на черния дроб (чернодробна стеатоза) и увеличаване на висцералните мастни запаси [1]. Прилагането на фруктоза също индуцира резистентност към лептин при плъхове, което води до повишен енергиен прием и наддаване на тегло [2]. Докато приемът на фруктоза (или захароза, която съдържа фруктоза) може да доведе до повишен енергиен прием, способността на фруктозата да индуцира инсулинова резистентност и други характеристики на метаболитния синдром не изисква прекомерен енергиен прием. Например, ние докладвахме, че когато плъховете се хранят с еднакъв общ брой калории, че плъховете, хранени с диета с високо съдържание на фруктоза (или захароза) развиват характеристики на метаболитен синдром, докато глюкоза (или нишесте), хранени животни не [3-5] . Лабораторните плъхове дори ще развият мастна чернодробна и инсулинова резистентност, когато се поставят на диетични ограничения, при условие че диетата е обогатена със захароза [6] .

Съществуват също доказателства, че фруктозата, особено когато присъства в добавени захари като захароза или HFCS, може да има роля в метаболитния синдром при хората. Поглъщането на сладки безалкохолни напитки е силно свързано с развитието на инсулинова резистентност и затлъстяване [7]. Експерименталните проучвания също показват уникална способност на фруктозата в сравнение с глюкозата да индуцира инсулинова резистентност и натрупване на висцерална мазнина при хората [8]. В едно проучване приложението на фруктоза (200 g/d) води до ново развитие на метаболитен синдром при 25% от здравите мъже само за две седмици [9]. Това доведе до интерес към ролята на фруктозата в епидемията от затлъстяване и диабет [10].

Наблюдението, че фруктозата индуцира особености на метаболитния синдром, независимо от енергийния прием, предполага, че има нещо уникално в метаболизма на фруктозата, което може да е отговорно за нейните метаболитни ефекти. Фруктозата се различава от глюкозата само в началните етапи на метаболизма. Фруктозата се поема от специфичния за фруктозата транспортер, Glut5, в чревния епител и след това се транспортира до черния дроб. Тук голяма част от фруктозата се метаболизира от ензима, фруктокиназа С (известна също като кетохексокиназа С или KHK-C), за да генерира фруктоза-1-фосфат ( Фигура 1 ). За разлика от глюкокиназата, която има система за отрицателна обратна връзка, за да предотврати прекомерното фосфорилиране на глюкозата, KHK-C бързо ще фосфорилира фруктозата, което води до изчерпване на вътреклетъчния фосфат и АТФ [11]. Изчерпването на чернодробния АТФ възниква в отговор на относително малки дози фруктоза както при лабораторни животни, така и при хора [12-13].

пропускливост

Фруктозата навлиза в чревните епителни клетки чрез Glut5 транспортера и след това се метаболизира от фруктокиназа С, което води до генериране на фруктоза-1-фосфат, който допълнително се метаболизира за генериране на глюкоза, гликоген и триглицериди. По време на първоначалното фосфорилиране на фруктозата често се случва изчерпване на АТФ, което води до обмен на аденин нуклеотиди с генериране на пикочна киселина, окислители и възпалителни медиатори (като хемокини).

Има все повече доказателства, че вътреклетъчното изчерпване на АТФ може да има роля в индуцирането на метаболитния фенотип. Доказателства за това идват от проучвания, изследващи ролята на KHK-C и различна KHK изоформа, KHK-A, при лабораторни мишки. За разлика от KHK-C, метаболизмът на фруктозата от KHK-A е бавен с минимална консумация на АТФ. Интересното е, че затлъстяването, затлъстяването на черния дроб и инсулиновата резистентност, което се проявява при мишки, хранени с фруктоза, се предотвратява при мишки без KHK-C и KHK-A, но се влошава при KHK-A нокаут, въпреки сходния общ енергиен прием [14]. Изглежда, че механизмът се дължи на факта, че липсата на KHK-A води до повече доставка на фруктоза до черния дроб, където тя се метаболизира от KHK-C. Тези проучвания предполагат ключова роля на чернодробния KHK-C в индуцирането на инсулинова резистентност.

Фруктоза, фруктокиназа и чревна пропускливост

Както споменахме, метаболизмът на фруктозата чрез KHK-C води до преходно изчерпване на вътреклетъчния фосфат и АТФ. Този процес не е доброкачествен и води до преходно прекъсване на протеиновия синтез [15]. Вътреклетъчното изчерпване на фосфатите също стимулира AMP дезаминазата, което води до постепенно разграждане на адениновите нуклеотиди за генериране на пикочна киселина вътре в клетката [11, 16-18]. В бъбречните епителни клетки открихме, че фруктозата стимулира производството на оксиданти и моноциезния хемоаттрактант протеин-1 (MCP-1) чрез KHK-зависим път [18]. Също така установихме, че фруктозата може да увеличи оксидативния стрес в хепатоцитите (HepG2 клетки) и това може да бъде предотвратено в клетки, в които KHK е заглушен (Lanaspa MA, непубликуван).

Четиримесечни мъжки мишки от див тип (WT) или фруктокиназни A/C нокаутиращи мишки (KHK-A/C KO), които са на фона на C57BL6, са били жертвани след 20 часа гладуване и червата (дванадесетопръстника, йеюнума, цекума и дебелото черво) се отстранява и лигавицата се остъргва и се анализира за експресия на иРНК на фруктокиназа С (KHK-C) чрез количествена PCR в реално време, използвайки β-актин като вътрешен контрол. Фруктокиназа С се експресира както в тънкото, така и в дебелото черво при мишки от див тип. N = 3-4 на група. Всички данни са представени като средната стойност ± s.e.m.

В проучване, проведено през 2005 г. на конско пасище във Вирджиния, се вземат серийни кръвни проби от коне през целия ден (предоставени от Групата за изследване на конете, Waltham Center for Pet Nutrition, UK Equine). Съдържанието на фруктан в пасищните треви показва пиково ниво през април, като концентрациите на фруктоза достигат 5-6% от сухото тегло до края на деня. Това е значително по-малко от това, което е съобщено в някои проучвания (при които фруктаните могат да се увеличат до 40-50% съдържание на треви) [60]. Въпреки това при някои коне може да се наблюдава покачване на серумната фруктоза в края на деня, в съответствие с хипотезата, че някои фруктани се превръщат във фруктоза.

Фруктани и бактерии като общ механизъм за затлъстяване

Последните проучвания показват, че разграждащите фруктан бактерии могат да имат роля при затлъстяването. Джефри Гордън и колегите му демонстрират, че хората със затлъстяване и лабораторните животни имат типична чревна флора, състояща се предимно от Firmicutes за разлика от Bacteroidetes [42-43]. Фирмикутите са основната бактериална фила, произвеждаща фруктанази [32] и в съответствие с това наблюдение се установява, че бактериите, свързани с човешкото затлъстяване, имат уникална способност да метаболизират несмилаеми полизахариди [44] (като фруктани) и да изразяват метаболитната активност на фруктозата [ 45] Доказателствата, че тези бактерии допринасят за затлъстяването, са показани от експерименти, при които бактериите на дебелото черво от затлъстели (ob/ob) мишки са били прехвърлени на постни мишки, което е довело до натрупването на повече мазнини, както е определено чрез двуенергийна рентгенова абсорбциометрия. [45]. Освен това, ако западната диета се дава на мишки, които нямат чревни бактерии (мишки без микроби), затлъстяването не се развива [46].

Антибиотици и затлъстяване

Доказано е, че промяната на чревната флора от антибиотици засилва растежа на добитъка и особено на пилетата. Въвеждането на антибиотици в храните за животни през 50-те години доведе до повишено „представяне на бройлери“, както се отбелязва с 50% увеличение на средното тегло на пилетата между 1955 и 1995 г. [47]. Увеличаването на теглото също е свързано с прогресивно увеличаване на съдържанието на мазнини, с удвояване на мазнините от 1970 г. насам [48]. Според някои оценки всяка година в САЩ се използват между 3 и 25 милиона паунда антибиотици, стимулиращи растежа, което представлява 13 до 70% от цялата употреба на антибиотици [47]. Това доведе до увеличен брой устойчиви на антибиотици бактерии с потенциални последици за общественото здраве [39, 49].

Механизмът, чрез който антибиотиците стимулират растежа и съдържанието на мазнини, се дължи на въздействието на антибиотиците върху чревната флора. Известно е например, че пероралните антибиотици не насърчават растежа при пилета без микроби [50-51]. Освен това ефектите на антибиотиците върху съдържанието на мазнини при пилетата варират. Някои антибиотици, като пеницилин, намаляват мазнините, докато други, като стрептомицин, увеличават коремните мазнини при бройлери [52]. Това е интересно, тъй като пеницилинът е ефективен срещу експресиращи фруктаназа стрептококи, докато стрептомицинът действа предимно върху грам отрицателни организми, които не експресират фруктанази.

Докато бактериите, експресиращи фруктаназа, могат да имат роля в задвижването на затлъстяването, парадокс е, че някои проучвания съобщават, че приложението на фруктани или експресиращи фруктаназа бактерии може да има благоприятни ефекти върху затлъстяването. Както пробиотиците, така и пребиотиците сега обикновено се използват за стимулиране на растежа на пилета и добитък. Пробиотиците са живи организми като Bacillus subtilis и се съобщава, че намаляват коремните мазнини [53]. Bacillus subtilis произвежда фруктаназа. Някои пребиотици са фруктани и се съобщава, че стимулират растежа на добри бактерии, като например Lactobacillus, и се смята, че подпомагат загубата на тегло [54-55]. Смята се, че при пилетата фруктаните увеличават растежа, но намаляват производството на мазнини [56]. Освен това, късоверижните фрукто-олигозахариди (45 g/d за 6 седмици) всъщност подобряват чувствителността към инсулин при затлъстели коне в сравнение с конете, хранени със същото количество малтодекстрин [57]. Фруктаните могат също да намалят серумните липиди [58] и теглото [59] при хора, въпреки че повечето опити са кратки и често плацебо групата се състои от захароза [58].

Причината за парадокса остава неясна. Ние постулираме, че ако количеството фруктан е голямо или продължително, стрептококите, произвеждащи вирулентна фруктаназа, биха могли да генерират достатъчно фруктоза, която да предизвика изразена възпалителна реакция в червата. За разлика от това, прилагането на по-ниски дози фруктани може да не генерира необходимото количество фруктоза, за да причини изчерпване на АТФ в чревните епителни клетки и следователно може да действа по-скоро като фибри, които инхибират чревната абсорбция на стерини и липиди [54].

Значение за изследването на конете

Едно от най-сериозните заболявания при конете е ламинитът, при който епидермалните ламели на вътрешното копито се отделят от дермалните ламели на дисталната фаланга, което води до куцота [22, 60-61]. Смята се, че ламинитът се инициира от поглъщането на треви, богати на фруктани. [60-61] Типичният кон може да поглъща до 10-15 кг пасищна трева на ден [62], което води до широк диапазон на поглъщане на фруктан от по-малко от 0,75 кг до цели 7 кг [22]. По този начин 500 кг кон може да погълне до 10 до 15 g фруктан/kg телесно тегло на ден, ако тревите са богати на фруктани [60]. Освен това пасищните треви съдържат и прости захари (захароза, фруктоза и глюкоза), които могат да варират от 0,2 до 2,7 kg на ден [22].

Доказателствата, че тревите, богати на фруктани, могат да играят роля при ламинит, са подкрепени от експериментални проучвания, при които ламинитът може да бъде предизвикан в рамките на 48 часа чрез приложението на олигофруктоза (10 g/kg телесно тегло). Смята се, че фруктаните причиняват ламинит поради разграждането им в цекума от грам положителни бактерии, което води до развитие на лактатна ацидоза и ендотоксемия, която активира локални металопротеинази, които разграждат базалната мембрана, причинявайки отделяне на дисталната фаланга от вътрешното копито. стена [60, 63-64]. Фекалната флора се променя след прилагане на олигофруктани, с преминаване към грам положителни организми, особено стрептококи [65]. Конете със спонтанен ламинит също показват преобладаване на Streptococcus bovis/еднокопитни в цекума [66].

Ламинитът също се свързва и прогнозира от наличието на метаболитен синдром на еднокопитни. [67-69]. Последният се характеризира предимно с наличието на инсулинова резистентност, често с хипертриглицеридемия, хипертония и затлъстяване (с преференциално отлагане на мазнини в областта на шията и опашката) [67, 70-71].

Макар и да е спекулативно, възможно е хроничното поглъщане на фруктани да индуцира експресията на произвеждащи фруктаназа стрептококи и че внезапното поглъщане на огромно количество фруктани може да доведе до бързото генериране на фруктоза в тънките черва и задните черва. Част от генерираната фруктоза ще се метаболизира в чревната стена, което води до локално възпаление с повишена чревна пропускливост и ендотоксемия, част от фруктозата може да попадне в черния дроб, за да стимулира инсулиновата резистентност, а останалата част ще се разгради от локални бактерии, което води до локална ацидоза. Препоръчваме изследвания, изследващи експресията и активността на фруктокиназата при метаболитен синдром на конете и ламинит.

В заключение, преференциалното изразяване на фруктани в умерените треви изглежда е имало еволюционна полза за растенията да оцелеят при суша или по-ниски температури, но може да е осигурило и път за оцеляване на бозайниците, в които са присъствали чревни и дебело черво експресиращи бактерии от фруктаназа. Въпреки това, в обстановката, където се поглъщат прекомерни количества фруктани, това може да осигури стелт източник на фруктоза, който може да играе роля както при метаболитния синдром, свързан с еднокопитните, така и при ламинита.

Благодарности

Благодарим на Пат Харис от Групата за проучване на конете, Център за хранене на домашни любимци, Уолтъм, за предоставяне на кръвни проби за коня на пасищна трева, показана на фигура 4 .

Подкрепено от грантове на NIH HL-68607 и стартови средства от Медицинския отдел на д-р Ричард Дж Джонсън.

Бележки под линия

Отказ от отговорност на издателя: Това е PDF файл на нередактиран ръкопис, който е приет за публикуване. Като услуга за нашите клиенти ние предоставяме тази ранна версия на ръкописа. Ръкописът ще бъде подложен на редактиране, набиране и преглед на полученото доказателство, преди да бъде публикуван в окончателния си вид. Моля, обърнете внимание, че по време на производствения процес могат да бъдат открити грешки, които биха могли да повлияят на съдържанието, и всички правни откази от отговорност, които се отнасят до списанието, се отнасят до.