Изследване на костите

Тази статия е част от изследователската тема

Мастна тъкан на костния мозък: образуване, функциониране и въздействие върху здравето и болестите Вижте всички 16 статии

Редактиран от
Ан Шварц

Калифорнийски университет, Сан Франциско, САЩ

Прегледан от
Ян Й. Степан

Карлов университет, Чехия

Роберто Ж. Фахардо

Университетът на Тексаския здравен научен център в Сан Антонио, САЩ

Принадлежностите на редактора и рецензенти са най-новите, предоставени в техните профили за проучване на Loop и може да не отразяват тяхното положение по време на прегледа.

скелетната

  • Изтеглете статия
    • Изтеглете PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Допълнителни
      Материал
  • Цитат за износ
    • EndNote
    • Референтен мениджър
    • Прост ТЕКСТ файл
    • BibTex
СПОДЕЛИ НА

Оригинални изследвания СТАТИЯ

  • 1 Отдел по костни и минерални болести, Катедра по медицина, Вашингтонски университет, Сейнт Луис, Мисури, САЩ
  • 2 Катедра по молекулярна и интегративна физиология, Университет в Мичиган, Ан Арбър, Мичиган, САЩ
  • 3 Катедра по ортопедична хирургия, Университет в Мичиган, Ан Арбър, Мичиган, САЩ
  • 4 Отдел за остеопороза и костна биология, Институт за медицински изследвания Гарван, Дарлингхърст, Сидни, Ню Южна Унгария, Австралия
  • 5 Отдел по детска ендокринология, Катедра по педиатрия и заразни болести, Медицински факултет на Университета в Мичиган, Ан Арбър, Мичиган, САЩ
  • 6 магистърска програма по имунология, Университет на Мичиган, Ан Арбър, Мичиган, САЩ

Въведение

През последните две десетилетия разпространението на затлъстяването се е увеличило в западните страни (1, 2). В момента в САЩ

68,6% от възрастните и приблизително една трета (

31,8%) от децата са с наднормено тегло или затлъстяване (3). Затлъстяването е свързано със съпътстващи заболявания, включително сърдечно-съдови и метаболитни заболявания, автоимунни нарушения и някои видове рак (1, 4–6). Неотдавнашна работа сочи, че затлъстяването също е вредно за здравето на костите (7-11), като скелетните промени могат да продължат дори след загуба на тегло (10, 12).

Преди се предполагаше, че затлъстяването има чисто положителен ефект върху костната маса (13–15); увеличеното телесно тегло осигурява механично стимулиране, което води до натоварване на скелета и натрупване на кости. В сравнение с това обаче има новопознат метаболитен компонент, тъй като самата мастна тъкан може да окаже отрицателно влияние върху костите (14). Всъщност повишаването на индекса на телесна маса (ИТМ) се свързва с намалена костна минерална плътност (КМП) и повишен риск от фрактури при затлъстели юноши и възрастни (9, 16) и при затлъстели деца (17). Ефектът на затлъстяването върху риска от фрактури е специфичен за дадено място. Наличието на меки тъканни подложки от мазнини може да допринесе за намален риск от фрактури в някои области (напр. Тазобедрена става), докато незащитените места, като крайниците (напр. Раменната кост и глезена), имат повишен риск (18–20).

Естеството на напречното сечение на предишни клинични проучвания може само да идентифицира връзките между затлъстяването и костите, поради което моделите на гризачи се използват широко за изследване на механизмите, залегнали в връзката между затлъстяването и скелета. Добре установено е, че храненето на мишки с високо съдържание на мазнини води до намаляване на спонтанната костна маса (7, 12, 21, 22). Това може да бъде медиирано от индуцирания от лептин симпатиков тонус, който е замесен като силен медиатор на губеща костна загуба (23-25). За сравнение, кортикалният фенотип в отговор на диета с високо съдържание на мазнини (HFD) при гризачи остава неясен, като някои изследвания показват увеличение (11), липса на промяна (12, 21, 22, 26) или намаляване на костната маса на кората ( 10, 27). В скелета са разположени адипоцитите на костния мозък; последните проучвания показват, че разширяването на мастната тъкан на костния мозък (MAT) се случва по време на хранене с високо съдържание на мазнини (28, 29). Все още не е ясно дали разширяването на MAT и загубата на кост по някакъв начин са свързани по време на затлъстяването; някои проучвания предполагат, че тези линии са свързани (29–31), докато Doucette et al. наскоро съобщава за разширяване на MAT по време на затлъстяване, предизвикано от диета, което се е случило независимо от костния фенотип.

В допълнение към ефектите от затлъстяването върху костите, интервенциите за отслабване също са показали вредно въздействие върху костния метаболизъм, както е прегледано от Brzozowska et al. (32). Съществуват редица интервенции, включително диети с ограничен калории, режими на упражнения, лекарства и бариатрична хирургия (32, 33). Всяка от тези интервенции има за цел да намали телесните мазнини и да подобри метаболитните заболявания; пълната степен, до която тези процеси могат да променят MAT и костната маса в контекста на затлъстяването, са до голяма степен неизвестни. Хирургическите интервенции на бариатрична хирургия (стомашен байпас на Roux-en Y, лапароскопска регулируема стомашна лента и гастректомия на ръкавите) са свързани с намаляване на костната маса въпреки подобренията в метаболитното здраве (32). За разлика от хирургичната загуба на тегло, физическите упражнения се оказват доста полезни за костната плътност поради увеличеното натоварване на мускулите (34–36). Най-честата първоначална клинична намеса е ограничаването на калориите или „диета“. Малко проучвания разглеждат загубата на тегло при модели на гризачи чрез интервенции на „превключваща“ диета. Едно проведено проучване показа, че преминаването обратно към чау диета след хранене с високо съдържание на мазнини може да спаси загубата на костна маса (12); обаче отговорът на MAT и взаимодействието на MAT с костна загуба при тези модели не е изследван.

Целта на това проучване е да изследва взаимодействието между МАТ и костите в контекста на хранене с високо съдържание на мазнини и да изследва отговора на тези тъкани към загуба на тегло при хранене. Демонстрираме, че храненето с високо съдържание на мазнини води до излишно периферно затлъстяване, разширяване на МАТ, намаляване на костната маса и нарушена здравина на костите. Загубата на тегло доведе до значително намаляване на затлъстяването на цялото тяло и блокира разширяването на MAT; обаче не успя да спаси напълно дефектите в скелетната морфология и биомеханика. Тази работа започва да разглежда потенциала на мастната тъкан в скелета да окаже въздействие върху костите - работещи, за разлика от периферните мазнини, отвътре навън.

Материали и методи

Животни

Мъжки мишки C57Bl6/J (Jackson Laboratories) получиха нормална диета с чау (ND) (13,5% калории от мазнини; LabDiet 5LOD) или 60% диета с високо съдържание на мазнини (HFD) (Research Diets D12492) на възраст 6 седмици за продължителност от 12, 16 или 20 седмици. Трета група мишки бяха поставени на HFD за 12 седмици и след това на ND за 8 седмици [група за отслабване (WL)]. Животните бяха настанени в специфично съоръжение без патогени с 12-часов светлинен/12-часов тъмен цикъл при

22 ° C и с безплатен достъп до храна и вода. Цялата употреба на животни е била в съответствие с Ръководството на Института за лабораторни изследвания на животните за грижи и употреба на лабораторни животни и е одобрена от Университетския комитет по употреба и грижа за животните към Университета в Мичиган. Тибията е избрана за нашите надлъжни анализи, тъй като тя може да се използва за едновременно проследяване на промените в rMAT (проксимална пищяла) и cMAT (дистална пищяла) в рамките на една проба (37). За да сравним промените в костите в пищяла с тези в бедрената кост, както беше съобщено по-рано (12), анализирахме и бедрените кости в 20-седмичните групи.

Микро компютърна томография

Пищялите се фиксират във формалин за 48 часа и след това се поставят във фосфатно буфериран физиологичен разтвор (PBS). Образците бяха вградени в 1% агароза и поставени в тръба с диаметър 19 mm и дължината на костта беше сканирана с помощта на система за микро компютърна томография (microCT) (μCT100 Scanco Medical, Bassersdorf, Швейцария). Настройките за сканиране бяха: размер на воксела 12 μm, средна разделителна способност, 70 kVp, 114 μA, 0,5 mm AL филтър и време за интегриране 500 ms. Измерванията на плътността са калибрирани по фантом на хидроксиапатит на производителя. Анализът беше извършен с помощта на софтуера за оценка на производителя.

Бедрените се отстраняват и замразяват след увиване в напоена с PBS марля и след това се анализират чрез microCT. Феморите са сканирани във вода с помощта на компютърна томография с конусови лъчи (изследвайте Locus SP, GE Healthcare Pre-Clinical Imaging, Лондон, ON, Канада). Параметрите на сканиране включват ъгъл на нарастване от 0,5 °, осреднени четири кадъра, рентгенов източник 80 kVp и 80 μA с 0,508 mm AI филтър за намаляване на артефактите за втвърдяване на лъча и изравнител на лъча около държача на образеца. Всички изображения бяха реконструирани и калибрирани при 18 μm изотропен размер на воксела, за да се доставят от производителя фантом за въздух, вода и хидроксиапатит (38).

Биомеханична оценка

След сканиране с microCT, бедрените кости бяха натоварени до повреда при огъване в четири точки с помощта на сервохидравлична тестова машина (MTS 858 MiniBionix, Eden Prairie, MN, USA). Всички проби се поддържат хидратирани в марля, напоена с лактатен рингер, марля до механично изпитване. В същата средна диафизарна област, анализирана чрез μCT, бедрената кост е натоварена в четириточково огъване със задната повърхност, ориентирана под напрежение. Разстоянието между широките, горни опори беше 6,26 mm, а разстоянието между тесните, долни опори беше 2,085 mm. Степента на вертикално изместване на четириточковия апарат за огъване в посока отпред-отзад е 0,5 mm/s. Силата е регистрирана от 50 lb товарна клетка (Sensotec) и вертикално изместване от външен линеен променлив диференциален преобразувател (LVDT, Lucas Schavitts, Hampton, VA, USA), и двете при 2000 Hz. Персонализиран скрипт MATLAB е използван за анализ на суровите данни за изместване на силата и изчисляване на всички параметри на огъване в четири точки. Комбинирайки данни за инерционния момент на инерция от предно-заден момент от μCT с механична твърдост от четириточково огъване, изчисленият модул на еластичност е изчислен, използвайки стандартна теория на лъча, както е описано по-рано (38). Модулът на еластичност е изведен въз основа на предишни методи с „L“, зададено на 3.57 и „a“ на 0.99 (39).

Количествено определяне на трабекуларните и кортикалните параметри с microCT

Пищяла. Регионите на интерес (ROI) са разположени както за кортикални, така и за трабекуларни параметри. Анализите бяха извършени със софтуер MicroCT, предоставен от Scanco Medical (Bassersdorf, Швейцария). ROI на кората на средната диафиза се определя като завършваща на 70% от разстоянието между растежната плоча и кръстовището на пищяла и фибулата. ROI, обхващащ 360 μm (30 среза), близо до тази област, беше анализиран със стандартни приставки, използвайки праг от 280. Трабекуларната ROI беше определена като начална 60 μm (5 среза) дистално от растежната плоча и завършваща след общо 600 μm (50 филийки). Трабекуларните анализи бяха извършени със стандартни плъгини Scanco с праг от 180.

Бедрена кост. ROI е била локализирана както за кортикални, така и за трабекуларни параметри. Диафизна кортикална ROI, обхващаща 18% от общата дължина на бедрената кост, е разположена по средата между дисталната растежна плоча и третия трохантер. Кортикалната кост е изолирана с фиксиран праг от 2000 единици Hounsfield за всички експериментални групи. Параметри, включително дебелина на кората, ендостален и периостален периметър, площ на напречното сечение, площ на костния мозък, обща площ, инерционен момент отзад и отзад и минерална плътност на тъканите (TMD) са количествено определени с наличния в търговската мрежа софтуер (MicroView v2.2 Advanced Bone Analysis Application, GE Healthcare Pre-Clinical Imaging, Лондон, ON, Канада). Трабекуларен ROI 10% от общата дължина на бедрената кост е разположен непосредствено близо до дисталната плоча на растежа на бедрената кост и е дефиниран по вътрешната кортикална повърхност с алгоритъм за напластяване. Трабекуларната метафизарна кост е изолирана с фиксиран праг от 1200 Hounsfield Units.

Количествено определяне на мастната мастна тъкан

Обемът на мастната тъкан на костния мозък в пищяла се оценява, както е описано по-горе (37, 40). След първоначалното сканиране с microCT, костите се декалцифицират в 14% разтвор на EDTA, рН 7,4 за 14 дни при 4 ° C. Декалцифицираните кости се оцветяват с 1% разтвор на осмиев тетроксид във фосфатен буфер на Sorensen с рН 7,4 при стайна температура в продължение на 48 часа. Оцветените с осмий кости бяха сканирани повторно, използвайки настройките на ScanCo microCT, описани по-горе. За анализ на MAT в пищяла бяха дефинирани четири области, както следва: (1) проксималната епифиза между проксималния край на пищяла и растежната плоча, (2) проксималната метафиза, започвайки 60 μm (5 парчета) дистално от растежната плоча и завършваща след общо 600 μm (50 среза), (3) растежната плоча към кръстовището на пищяла/фибулата (GP до T/FJ) и дисталната пищяла между кръстовището на пищяла/фибулата и дисталния край на костта. Анализите на обем на MAT бяха извършени със стандартни плъгини Scanco с праг от 500.

Статистика

Статистическите сравнения бяха извършени в GraphPad Prism (GraphPad Software, Inc., La Jolla, CA, USA). Следващите планирани сравнения бяха извършени върху графиките на фигури 1, 2, 3 и 5: 12-седмично ND спрямо HFD (двустранен т-тест); 16-седмичен ND срещу HFD (двустранен т-тест); 20-седмична ND срещу HFD срещу WL (еднопосочна ANOVA); 12-, 16-, 20-седмична ND (еднопосочна ANOVA); 12-, 16-, 20-седмичен HFD (1-посочен ANOVA); 12-седмичен HFD срещу 20-седмичен WL (двустранен т-тест). Тези резултати бяха коригирани за многобройни сравнения, като се използва процедурата на Бенджамини-Хохберг, както е описано по-горе (41). За сравнения на фигури 4, 6 и 7 е приложена еднопосочна ANOVA с корекция на Tukey. На фигура 8 е приложена линейна регресия за тестване на значимостта на корелациите. Сурови данни за скелетната морфология, количественото определяне на мастната тъкан в мозъка и биомеханичните тестове са налични в Набори от данни 1–3 в допълнителен материал.

Фигура 1. Маса на тялото и тъканите. (А) Контур на експеримента. Започвайки на 6-седмична възраст, мишките се хранят с посочените диети до 20 седмици преди анализа. Анализирани са седем групи мишки, както е показано от пунктираните линии. ND: нормална диета с чау; HFD: диета с високо съдържание на мазнини; WL: загуба на тегло. (Б) Телесна маса. н = 7-8 на група. (° С) Маса на тъканите на 20 седмици. н = 4-6 на група. Всички графики са средни ± SEM. „А“ - значително спрямо 12-седмично на същата диета. “B” - значително спрямо 16-седмично на същата диета. „C“ - значително спрямо 12-седмично HFD. *стр Ключови думи: затлъстяване, кост, мастна тъкан на костния мозък, мастна тъкан в мозъка, загуба на тегло, лептин, диета с високо съдържание на мазнини, фрактура

Цитиране: Scheller EL, Khoury B, Moller KL, Wee NKY, Khandaker S, Kozloff KM, Abrishami SH, Zamarron BF и Singer K (2016) Промени в целостта на скелета и костната кост по време на диета с високо съдържание на мазнини и след отслабване. Отпред. Ендокринол. 7: 102. doi: 10.3389/fendo.2016.00102

Получено: 16 май 2016 г .; Приет: 08 юли 2016 г .;
Публикувано: 27 юли 2016 г.

Ан Шварц, Калифорнийски университет, Сан Франциско, САЩ

Ян Йозеф Степан, Карлов университет в Прага, Чехия
Роберто Хосе Фахардо, Център за здравни науки в Тексаския университет в Сан Антонио, САЩ