Бранте П. Сампей

1 Катедра по хранене, Училище за глобално обществено здраве в Гилингс, Медицинско училище; Университет на Северна Каролина в Chapel Hill, Chapel Hill, Северна Каролина, САЩ

Аманда М. Ванхуз

2 Катедра по молекулярна физиология и биофизика, Университетски медицински център Вандербилт, Нешвил, Тенеси, САЩ

Хелена М. Уинфийлд

3 Център за хранене и метаболизъм на Сара В. Стедман, Катедра по фармакология и биология на рака, Медицински център на университета Дюк, Дърам, Северна Каролина, САЩ

Алекс Дж. Фриймерман

1 Катедра по хранене, Училище за глобално обществено здраве в Гилингс, Медицинско училище; Университет на Северна Каролина в Chapel Hill, Chapel Hill, Северна Каролина, САЩ

Michael J. Muehlbauer

3 Център за хранене и метаболизъм на Сара В. Стедман, Катедра по фармакология и биология на рака, Медицински център на университета Дюк, Дърам, Северна Каролина, САЩ

Патрик Т. Фюгер

4 Катедра по педиатрия и клетъчна и интегративна физиология, Медицински факултет на Университета в Индиана, Индианаполис, Индиана, САЩ

Кристофър Б. Нюгард

3 Център за хранене и метаболизъм на Сара В. Стедман, Катедра по фармакология и биология на рака, Медицински център на университета Дюк, Дърам, Северна Каролина, САЩ

Лиза Маковски

1 Катедра по хранене, Училище за глобално обществено здраве в Гилингс, Медицинско училище; Университет на Северна Каролина в Chapel Hill, Chapel Hill, Северна Каролина, САЩ

Свързани данни

Резюме

Въведение

В Съединените щати затлъстяването наскоро достигна нива на пандемия по различни причини, включително бездействие и лоша диета (1,2). Последното национално проучване за здравни и хранителни изследвания (NHANES) показа, че 68,3% от изследваните се считат за наднормено тегло (ИТМ ≥25) и 33,9% са със затлъстяване (ИТМ ≥30) (1). Детското затлъстяване е особено важно, тъй като все повече деца развиват болести за възрастни, като диабет тип II, високо кръвно налягане, повишен серумен инсулин и дислипидемия; със затлъстели деца, често прогресиращи към затлъстели възрастни (2,3).

Към днешна дата обаче директните сравнения между модела CAF и други модели на животни DIO не са адекватно оценени. Поради това започнахме цялостно сравнително проучване, което показа, че диетата CAF е по-стабилен модел за затлъстяване при хората в сравнение с HFD. Нашата хипотеза беше, че диетата с CAF ще бъде по-представителен модел на метаболитен синдром при човека; наистина, ние предоставяме подкрепящи доказателства за тежко затлъстяване, неалкохолен стеатохепатит (NASH) и непоносимост към глюкоза в сравнение с традиционната HFD, базирана на свинска мас. Освен това, тъй като ролята на хроничното нискостепенно системно възпаление все повече се признава, че играе роля в метаболитния синдром, ние демонстрирахме драматично възпаление, предизвикано от CAF в черния дроб и белите и кафяви мастни тъкани (BAT). Използването на този бърз и мощен CAF DIO модел може да бъде полезно за идентифициране на нови пътища за превантивна намеса или терапевтични средства при лечението на затлъстяване при хора.

Методи и процедури

Животни

Мъжки плъхове Wistar (

синдром

12% kcal, получени от мазнини (свински мазнини и линолова киселина); (ii) „CAF“: продължаване на достъпа до SC7001 плюс ежедневен асортимент от три човешки закуски; (iii) „LFD“: дефинирана стандартна чау (SC502) с 10% kcal, получена от мазнини (свинска мас и соево масло); (iv) „HFD“, съответстващ на SC502 с намалено съдържание на въглехидрати и повишено съдържание на свинска мас (45% kcal, получено от мазнини). Плъховете на диетата CAF консумират стандартна чау при

15% от консумираните от плъхове хранени само със стандартна чау.

Средният седмичен прием на хранителни вещества на плъх в 10-седмично проучване за прием на храна е обобщен в Допълнителна таблица S3 на линия. Всички консумирани плъхове

100 kcal/ден/плъх, с изключение на плъхове, хранени с CAF, които значително консумират около 30% повече калории (Допълнителна таблица S3 и Фигура 1а ). Плъховете, хранени с HFD, за разлика от плъховете, хранени с CAF, значително намаляват общия прием на грам от калорично гъстата диета, за да нормализират консумацията на калории до 2 седмица, ефект, често срещан при гризачи, поставени върху HFD ( Фигура 1б ). Консумацията на прием на мазнини е паралелна с процентното съдържание на мазнини в диетата с консумацията на SC и LFD

10 kcal/ден/плъх, HFD групата при 45 kcal/ден/плъх и CAF-диетичната група при 55 kcal/ден/плъх ( Фигура 1в ). Плъховете, хранени с CAF, натрупват най-много тегло по време на диетата, почти двойно увеличаване на теглото, което се наблюдава при SC контролите, докато плъховете, хранени с LFD и HFD, показват подобно и междинно наддаване на тегло ( Фигура 1г ). Следваща група беше поставена на четирите експериментални диети за 15 седмици, демонстрирайки подобно и продължително наддаване на тегло ( Фигура 1д и Допълнителна фигура S1 онлайн) без статистически разлики в дължината на тялото между лекуваните групи ( Фигура 1е ).

CAF-диета предизвиква хипергликемия и инсулинова резистентност

CAF-диета предизвиква повишаване на бялата и кафява мастна маса, съдържащи макрофаги CLS и възпаление

Затлъстелите хора с метаболитен синдром натрупват масивни мастни депа, за които е доказано, че са хронично възпалени (18). За да се определи дали затлъстяването в описаните тук модели на затлъстяване на гризачи, паралелни физиологични показания за метаболитен синдром, описани по-горе, измерихме масите на eWAT и BAT мазнини. CAF диетата предизвика почти утрояване на епидидимална бяла и кафява мастна маса в сравнение с SC контролите. HFD не индуцира промяна спрямо LFD, но и двете са значително различни от SC и CAF ( Фигура 4а ). Подобни резултати бяха намерени за мазнини от яйца при алтернативен набор животни след 10 седмици на експериментална диета (данните не са показани). Повишенията в нестерифицираните мастни киселини в плазмата, друг отличителен белег на метаболитния синдром, успоредно с повишената мастна маса с диетата CAF, показваща най-високите нива на нестерифицирани мастни киселини, които бяха значително повишени при контролите на SC с LFD и HFD при междинни концентрации ( Фигура 4б ).

Малко се знае за инфилтрацията на макрофаги в НДНТ, освен за увеличената инфилтрация на макрофаги в НДНТ при модел на трансгенна липодистрофия (25). Ние изследвахме инфилтрация на макрофаги на НДНТ и всъщност, в сравнение с нормалната архитектура на SC-хранени плъхове, нарастващото затлъстяване причинява увеличаване на мастните капчици около васкулатурата в BAT с LFD и HFD, натрупващи междинни липидни капчици, и CAF диета, предизвикваща значително натрупване на мазнини. Само плъхове, хранени с CAF, демонстрират голямо натрупване на мастни капчици в паренхима на НДНТ, простиращи се от съдовата система ( Фигура 6a – h ). Това отлагане на мазнини се различава от WAT, заобикалящо НДНТ в периферията (данните не са показани). И двете диети с HFD и CAF индуцират силни F4/80 положително оцветени макрофаги около съдовете, с повишения в контролите на CAF и HFD спрямо SC и LFD ( Фигура 6i – l ).

Индуцирана от CAF диета хепатостеатоза и възпаление

Дисфункция на островчета, предизвикана от CAF-диета

Значително повишени нива на глюкоза и инсулин и доказателства за инсулинова резистентност от GTT и ITT при животни CAF ни накараха да изследваме панкреата чрез имунохистохимия. Плъховете, хранени с LFD и SC, показват нормални панкреатични островчета с определени граници, докато HFD-хранените плъхове съдържат леко хипертрофични и обезобразени островчета. Островчета от плъхове, хранени с CAF, бяха много по-големи по размер, с драстично изкривена архитектура (вж Допълнителна фигура S2 на линия).

Дискусия

CAF: Модел за човешко затлъстяване и метаболитен синдром

DIO е често срещан инструмент, използван за изследване на метаболитния синдром при гризачи. Представеното тук изследване представлява изчерпателен физиологичен и хистологичен анализ между често използван модел за DIO (HFD на основата на свинска мас), алтернативен диетичен модел на енергийно плътни, много вкусни храни в стил кафетерия и контроли, хранени с LFD и SC. Диетата CAF предоставя изключително подходящ модел по отношение на изследването на човешката диета при гризачи и идва в момент, когато лошите хранителни навици на американците са в центъра на вниманието. Настоящото нарастване на затлъстяването в световен мащаб не може да бъде отчетено само от промени в генетичния произход. Следователно диетата, съчетана с предишен еволюционен селективен натиск за „пестелив“ енергоспестяващ фенотип от времето, когато хората са оцелели в свят на празненства или глад, е очевиден фактор, допринасящ за тази епидемия (26). Последните доклади на NHANES показват, че 33,6% от американската диета се състои от мазнини (% kcal) (27). Изследване на американското министерство на земеделието върху американската диета показва, че

16% от американците са имали явно лоши диети и тези 74% са се нуждаели от подобряване на диетата си, въз основа на препоръчаните от Министерството на земеделието на САЩ дневни дози (RDA) за зърнени храни, зеленчуци, плодове, мляко, месо, обща мазнина, наситени мазнини, холестерол натрий и диетично разнообразие (28). Настоящите изследвания показват, че статистиката за детското затлъстяване и хранителния прием също следва тези тенденции. Повишената закуска на енергийно гъсти храни е успоредна на драстичното нарастване на детското затлъстяване, като в момента нездравословните закуски съставляват> 27% от дневния калориен прием на американско дете (29).

Имайки предвид тези поразителни диетични тенденции, ние започнахме проучване, за да изследваме човешката диета при гризачи в сравнение с традиционната диета за гризачи, която повечето изследователи използват за моделиране на DIO. Нашето проучване разкри, че плъховете, хранени с храни, бедни на човешки хранителни вещества, развиват тежък метаболитен синдром, който е по-силен от ефекта на традиционната експозиция на HFD. Плъхове, хранени с диета CAF, проявяват доброволна хиперфагия и силно повишен прием на мазнини, което води до драстично и бързо наддаване на тегло. Освен това, CAF диетичното хранене насърчава преддиабетно състояние с повишена глюкоза, инсулин и нестерифицирани мастни киселини, придружено от намален глюкозен и инсулинов толеранс. Освен това преобладаваха хронично възпалените чернодробни и мастни тъкани и изкривената архитектура на панкреатичните островчета.

Избор на контролна диета при проучвания върху животни

Тежки мастни и чернодробни възпаления при CAF

Взети заедно, ние показахме в сравнително проучване, че CAF е по-силен модел на метаболитен синдром от HFD, базиран на свинска мас и че бързото настъпване на наддаване на тегло, затлъстяване, мултиорганни дисфункции и патологии, наблюдавани в модела CAF, отразяват по-отблизо съвременното човешко състояние на ранното затлъстяване. Диетата CAF, макар и трудоемка и „нетрадиционна“, може да бъде най-добрият модел за подражание на съвременните тенденции при затлъстяването при хората.