Детлев Х. Келм

1 Лайбниц институт за изследване на зоопарка и дивата природа, Алфред-Ковалке-Щрасе 17, 10315 Берлин, Германия

Ралф Саймън

2 Институт по физиология на животните, Университет в Ерланген, 91058 Ерланген, Германия

Дорийн Кухлоу

3 Катедра по клинично хранене, Немски институт по човешко хранене, 14558 Nuthetal, Германия

Кристиан К. Войт

1 Лайбниц институт за изследване на зоопарка и дивата природа, Алфред-Ковалке-Щрасе 17, 10315 Берлин, Германия

Майкъл Ристоу

3 Катедра по клинично хранене, Немски институт по човешко хранене, 14558 Nuthetal, Германия

4 Катедра по човешко хранене, Институт по хранене, Университет в Йена, 07743 Йена, Германия

Резюме

1. Въведение

Голям брой проучвания показват, че повишените нива на глюкоза в кръвта и високите скокове на кръвната захар след хранене, причинени от прекомерна консумация на захар, са отличителни белези на захарния диабет. Те също са свързани с намалена инсулинова чувствителност и множество последващи нарушения, включително нефро-, невро- и ретинопатия, и в крайна сметка с намалена продължителност на живота при бозайниците [1–4]. Този процес, с широк спектър от вредни ефекти върху здравето, се нарича глюкотоксичност и е добре проучен при хора и различни животински модели [5,6].

Специалистите по нектар сред бозайниците се възползват от наличието на богат на енергия източник на храна, но в същото време поглъщат необичайно големи количества глюкоза и не е ясно как избягват патологичните странични ефекти от диетата си [7]. Неотропичните глософагинови прилепи са специализирани хранилки за нектар, които експлоатират флорални нектари на много съединни растения, като едновременно предоставят услуги за опрашване [8]. Флоралният нектар се състои от разтвор на глюкоза, фруктоза и захароза в концентрации до 30% [9]. Прилепите, хранещи се с нектар, консумират големи количества захар всяка вечер, което възлиза на около една четвърт от телесната им маса [10–12]. Въпреки толкова високата консумация на захар, те са относително дълголетни, предвид малкия им размер: прилеп 7–23 g може да живее повече от 10 години, което е поне пет пъти по-дълго от гризач с подобен размер [13,14].

В допълнение към необичайната си диета, прилепите, хранещи се с нектар, имат по-високи специфични за масата метаболизми, отколкото други бозайници с подобни размери с различни хранителни навици [10,11,15], произтичащи от техния скъп режим на експлоатация на цветя на крилото [16 ]. Установено е, че те бързо абсорбират погълнатия нектар, като са добре оборудвани с чревна захараза, ензим, отговорен за хидролизата на захарозата [17]. Изключително погълнатите захари след това се използват директно, вместо да се превръщат в мазнини и почти изцяло подхранват метаболизма на животните както в покой, така и по време на полет. Тази адаптация вероятно е еволюирала, за да спести телесни мазнини и по този начин да намали телесната маса и свързаните с това допълнителни полетни разходи, като същевременно води до висока диетична ефективност, тъй като се избягват енергийните разходи за метаболитно преобразуване на захар в мазнини [18,19]. Метаболитният път на погълнатата захар във флорален нектар между времето на поглъщане и превръщането на енергията в митохондриите обаче е неясен.

2. Методи

Проведохме тестове за толерантност към глюкоза на прилепи, хранещи се с нектар, G. soricina (Phyllostomidae: Glossophaginae), от пленна колония в плен в Университета в Ерланген, Германия. В природата този често срещан вид се среща в голямо разнообразие от местообитания, от Северно Мексико до Северна Аржентина, и се храни с нектара на голям брой опрашвани от прилепи растения [24]. Между експериментите животните се държат на медена вода, храна за колибри (Nektar PLUS, Günther Enderle Nekton, Pforzheim, Германия) и бебешка храна (Aletemil, Alete, Nestlé, Германия) като 20-процентов разтвор в чешмяна вода. Освен това бяха осигурени прашец и банани, а водата беше достъпна по желание. Всички животни гладуват поне 10 часа преди експериментите. Измервахме телесната маса на прилепите (Mb) преди всеки експеримент (PM-300, Mettler, Greifensee, Швейцария) и средното Mb на животните беше 9,8 ± 0,7 g (n = 79).

За да оценим нивата на глюкоза в кръвта по време на неактивност след хранене, осигурихме на всеки прилеп единична орална доза глюкоза като 21-процентов разтвор на глюкоза (w/w), който прилепите поглъщаха спонтанно от спринцовка, докато бяха държани в ръката. Тествахме животни с 1,8 (n = 5), 5,4 (n = 8) и 9 (n = 5) g глюкоза kg -1 Mb. Тези количества глюкоза са сравнително консервативни оценки на това, което прилепите поглъщат в естественото си местообитание и са подобни по обем и енергия на нектара от едно до шест цветя, или еквивалентни на 1 до 3 процента от дневните енергийни разходи [10,11]. Възнаграждението за нектар на посещение от растения от няколко различни таксономични групи е средно 66,3 ± 44,6 µl, а типичните концентрации на захар в нектара обикновено варират между 15 и 25% (m/m) [9,11]. Контролните животни (n = 7) не са били хранени. Взехме кръвни проби (приблизително 3 µl) преди хранене и на интервали до 90 минути след това от пропатагиалната вена от еднократна пункция със стерилна игла (0,4 × 20 mm; Terumo, Льовен, Белгия). Измерихме кръвната захар с анализатор на кръвната захар (Accu-Chek Compact, Roche Diagnostics, Mannheim, Германия). Между измерванията прилепите почиваха в торби от памучен плат.

Кръвната глюкоза може необратимо да реагира с хемоглобина, образувайки гликиран хемоглобин (HbA1c). Степента на гликиране на хемоглобина силно корелира с нивото на околната гликемия през период от няколко седмици, в зависимост от продължителността на живота на еритроцитите и скоростта на разграждане на HbA1c. Следователно процентът на хемоглобин, който е гликиран, е мярка за средната концентрация на глюкоза в кръвта за по-дълъг период от време [25,26]. Измерихме фотометрично процента на HbA1c в кръвта на G. soricina през периода на почивка със Siemens DCA 2000+ (Siemens, Eschborn, Германия).

3. Резултати

В началото на експериментите концентрациите на глюкоза в кръвта на прилепи на гладно и в покой бяха 3,0 ± 1,5 mmol l -1 кръв (n = 79). След хранене, концентрациите на глюкоза в кръвта се повишават бързо и достигат 10-30 минути след хранене (фигура 1). Величината на скоковете на кръвната глюкоза, както и времето, в което нивата на кръвната глюкоза остават повишени, корелират силно с количеството погълната глюкоза (пикове на кръвната захар: Spearman rank rs = 0.94, p −1 Mb, максималните концентрации на глюкоза в кръвта надвишават 25 mmol глюкоза l -1 кръв след 30 минути и средните стойности остават около 15 mmol глюкоза l -1 кръв 90 минути след поглъщане на глюкоза.

дава

Нива на кръвната захар по време на орални тестове за толерантност към глюкоза в покой Glossophaga soricina, хранени с единична доза от 1,8 (n = 5; отворени кръгове), 5,4 (n = 8; запълнени кръгове) или 9 (n = 5; отворени квадратчета) g глюкоза kg -1 Mb дадено като 21% разтвор на глюкоза (означава ± se). Контролните животни (n = 7; запълнени триъгълници) не са били хранени.

Когато позволихме на прилепите да летят за различни интервали от време след поглъщането на единична доза от 5,4 g глюкоза kg −1 Mb, подобно на поглъщането на нектар от две до четири цветя, върховете на кръвната глюкоза бяха по-ниски и времевите интеграли на кръвната глюкоза бяха по-малки с увеличаване на времето за полет (корелация на Пиърсън, пикове: r = −0.487, n = 32, p фигура 2). По този начин полетът намалява скоковете на нивата на глюкоза след хранене чрез увеличаване на клирънса на глюкоза от кръвта в сравнение с прилепите в покой. На 30 минути след хранене кръвната глюкоза е била значително по-ниска при прилепи, летящи за 50 и 70 процента от времето, в сравнение с тези в покой (еднопосочен ANOVA: F4,34 = 26,73, p -1 Mb като 21% разтвор. Начало полет беше директно след всяко измерване на кръвната глюкоза за 2, 5 и 7 минути с интервал от 10 минути.

Поглъщането на глюкоза с енергийно съдържание само около 1% от дневните енергийни разходи (еквивалент на нектара от около 2,5 цветя) на всеки 10 минути обаче води до постоянно нарастващи нива на глюкоза в кръвта, които достигат средно 30 mmol l -1 кръв след 80 минути, въпреки периодичната полетна активност от 20% от времето (фигура 3).

Кръвна глюкоза в G. soricina, поглъщаща 2,7 g глюкоза kg −1 Mb на всеки 10 минути. След хранене животните бяха в полет в продължение на 2 минути, след това в покой в ​​продължение на 8 минути. Глюкозата се осигурява като 21% захарен разтвор; n = 6.

Когато хранехме прилепите със захарен разтвор, симулиращ флорален нектар, награди в състава на захарта, концентрацията и обема от две до четири цветя на всеки 15 минути и подлагахме прилепите на различно време на полет между храненето, нивата на глюкоза в кръвта обикновено намаляваха или постепенно намаляваха след 15–60 минути след хранене (фигура 4). Колкото по-дълго прилепите остават във въздуха между събитията на хранене, толкова по-бързо се стабилизират стойностите на кръвната захар. Средните нива на глюкоза в кръвта през последните 60 минути от експеримента са били отрицателно свързани с времето за полет (ранг на Spearman rs = –0,73, p -1 кръв, когато прилепите са прекарали 75% от времето си на крилото.

Нива на глюкоза в кръвта в G. soricina, поглъщащи 5,4 g kg −1 Mb 20% разтвор на захар (37: 37: 26% глюкоза, фруктоза и захароза) на всеки 15 минути (означава ± s.e.). Прилепите бяха оставени да летят за 30% (отворени триъгълници), 45% (запълнени кръгове), 60% (запълнени триъгълници) или 75% (отворени кръгове) от интервалите от 15 минути между храненето; n = 6 на група.

Процентът на HbA1c в кръвта на G. soricina е 3,9 ± 0,3% (n = 9).

4. Дискусия

Открихме, че прилепът за хранене с нектар G. soricina изразява силно променливи нива на глюкоза в кръвта и екстремни стойности на пиковете и платото след усвояване на глюкоза в количества, подобни на нормалната диета на животните. Нашите резултати показват, че прилепите, които почиват директно след хранене, изпитват хипергликемични скокове, чийто размер се увеличава с погълнатото количество глюкоза. Само чрез продължителен, енергийно скъп полет за около 60 до 75 процента от времето си прилепите успяват да регулират кръвната глюкоза при стойности, често срещани при бозайници с такъв размер [21,23]. Това предполага, че G. soricina не (и евентуално не е в състояние) да регулира нивата на кръвната си глюкоза след хранене изключително чрез инсулин-предизвикан клетъчен транспорт на глюкоза толкова плътно, колкото другите бозайници.

Тези наблюдения са изключителни, тъй като при бозайниците прецизното регулиране на нивата на кръвната глюкоза се счита за решаващо поради силно вредните ефекти на повишената кръвна глюкоза върху здравето [1–4,22]. Следователно нивата на глюкоза в кръвта обикновено се регулират в строги граници и не зависят от усвояването на диетата или степента на разход на енергия чрез физическа активност [21–23]. Като цяло, нивата на глюкоза в кръвта са в отрицателна корелация с телесната маса на даден вид, но стойностите далеч над 10 mmol глюкоза l -1 кръв са необичайни при дребните видове бозайници [21,23,27]. Всъщност нивата на глюкоза в кръвта над 25 mmol глюкоза l -1 кръв в G. soricina са сред най-високите, регистрирани някога при бозайници, хранени с количества глюкоза, съответстващи на естественото им усвояване с храната [10,11]. Такива нива биха се считали за патологични при хора и други бозайници [21,23,28].

Два сценария могат да обяснят нашите констатации: единият е, че високите нива на глюкоза в кръвта, въпреки че са над нормата за бозайниците, не са вредни за прилепите, хранещи се с нектар. Алтернативен, но не взаимно изключващ се сценарий е, че в природата високата летателна активност до голяма степен предотвратява повишени нива на глюкоза в кръвта след хранене.

Възможно е прилепите, хранещи се с нектар, по изключение сред бозайниците, да са се приспособили да понасят високи нива на глюкоза в кръвта. Това обаче ще изисква прилепите да имат развити, все още неизвестни механизми за справяне с различните последици от хипергликемията, които обикновено са вредни за здравето на бозайниците. Първо, високата кръвна глюкоза увеличава неензимното гликозилиране на протеини и образуването на токсични напреднали гликогенови крайни продукти (AGE) като HbA1c [25,26], които могат да причинят различни здравословни дефекти (напр. Сърдечно-съдови заболявания и диабет [1–6] ). Нашата констатация за процентите на HbA1c в рамките на очаквания диапазон за бозайници [29, 30] обаче предполага, че средните нива на глюкоза в кръвта са били ниски за продължителни периоди от време, освен ако скоростите на образуване или влошаване на HbA1c не се различават значително от тези при други бозайници. Тези наблюдения е малко вероятно да бъдат обяснени с необичайно бърз оборот на кръвните клетки, тъй като се приема, че полуживотът на еритроцитите е среден до относително дълъг при прилепи, хранещи се с нектар (25 до повече от 100 дни) [31,32].

На второ място, хипергликемията и острите флуктуации на кръвната глюкоза могат да увеличат протонния градиент във вътрешната митохондриална мембрана, като по този начин пречат на мембранния електронен трансфер в дихателната верига, което води до изтичане на електрони и до образуване на реактивни кислородни форми (ROS) над физиологично нормалните нива [ 2,5,33,34]. Това може да е особено важно при прилепи, хранещи се с нектар, с високите им метаболитни нива, тъй като производството на ROS корелира положително със скоростта на метаболизма [35–37].

Установено е, че ROS уврежда ДНК, липиди и протеини, а ROS-индуцираният оксидативен стрес може да бъде ключов фактор, участващ в процеса на стареене при животните, а също и в началото на метаболитния синдром и диабета [14,33,38]. ROS може да попречи на експресията на панкреатичния ген, да доведе до дисфункция на панкреасните В-клетки и да предотврати производството на инсулин, но също така може да доведе до инсулинова резистентност в чувствителни към инсулин тъкани [2,5,6,39]. По този начин толерирането на хипергликемия ще изисква прилепите или да могат да предотвратят излишното производство на ROS (например чрез отделяне на протеини [14,37]), или да намалят оксидативния стрес, може би чрез буфериране на ROS с антиоксиданти [5,33,36] . Като каза това, последните проучвания показват объркващи резултати от оксидативен стрес върху здравето и стареенето при бозайниците, които недвусмислено подкрепят пряката връзка между производството на ROS, окислителните щети и дълголетието. При някои дълготрайни бозайници (напр. Мол плъхове) производството на ROS и свързаните с тях щети са подобни или дори по-високи от тези при краткотрайните видове [14,33]. Освен това някои автори подчертават съществената роля на ROS процесите като индуцирана устойчивост на стрес и антиоксидантна защита, които могат да имат положителни ефекти върху продължителността на живота [40].

Степента на толерантност към повишената кръвна глюкоза може да позволи на прилепите да използват кръвта като краткосрочен резервоар за глюкоза (например за подхранване на високи нива на гликолиза в мускулните клетки по време на полет). Такива високи нива на гликолиза могат също да служат за намаляване на окисляването на митохондриите и образуването на ROS до нива, по-ниски от тези, наблюдавани при други бозайници, като се предположи, че лактатът, получен по време на гликолиза, може също така да бъде достатъчно бързо елиминиран, за да се предотврати ацидоза в кръвта (вероятно чрез трансаминиране на лактат в аланин, който не влияе на pH на кръвта).

Интересното е обаче, че G. soricina не елиминира в достатъчна степен глюкозата от кръвта по време на почивка и ниски нива на полетна активност. Възможно е мускулните ензими (които биха могли да елиминират глюкозата от кръвта чрез гликогенеза) да са били наситени и други регулаторни механизми (като чернодробна глико- и липогенеза) да са били твърде бавни, за да се справят с асимилацията на чревната захар и да предотвратят екстремни нива на кръвна захар. Вместо това, кръвната захар се увеличава като функция от количеството погълната глюкоза.

Независимо от това дали прилетите, хранени с нектар, са развили физиологичен толеранс към хипергликемия, поведението на прилепите явно служи за намаляване на продължителността и големината на скоковете на кръвната захар. Установихме, че когато прилепите прекарват 60 до 75 процента от времето си във въздуха по време на хранене, това балансира бързото абсорбиране на глюкоза в червата и намалява постпрандиалната хипергликемия: първоначалните скокове на глюкоза в кръвта са значително притъпени (по-малко от 14 mmol глюкоза l -1 кръв) и средните нива на глюкоза в кръвта след 2 часа са по-ниски в сравнение с тези при прилепите, на които е разрешено да летят по-малко.

Полевите наблюдения показват, че прихранващите нектар прилепи се хранят до 12 часа всяка нощ, през които пристъпите на хранене се редуват с кратки периоди на почивка [7]. Установено е, че Glossophaga Commissaris, видът на брат или сестра от G. soricina, е активен средно 60% (максимум 80%) от времето си в естественото си местообитание през нощта [48], което според нашите резултати би послужило за поддържане на кръвта глюкоза при нормални нива по време на хранене.

Предполагаме, че еволюционният процес на диетична специализация на прилепите върху богат на захар флорален нектар е подкрепен от едновременна еволюция на високи темпове на енергийни разходи, особено в резултат на висока летателна активност, като по този начин предпазва прилепите от хипергликемия. Включването в диетата на флорален нектар, нов висококачествен източник на храна, може да е позволило на прилепите да отделят повече енергия за дейности с явна селективна полза, като търсене на нови места за нощувка и източници на храна, или поведение на чифтосване и други социални взаимодействия, едновременно увеличаващи енергийния оборот. Като алтернатива, пространствено разпръснатото разпространение на флорален нектар може да е увеличило разходите за храна за прилепите и това, в комбинация с конкуренцията на ресурсите с конкретни или други нектаривори, може да е довело до необходимостта от увеличаване на усилията за търсене на храна и по този начин на енергийните разходи. Такива енергийни ограничения от своя страна може да са предизвикали адаптация за намаляване на полетните разходи, като намаляването на мастните натрупвания и директното подхранване на метаболитните процеси с екзогенно гориво [18,19].

В заключение, прилепите, хранещи се с нектар, по изключение сред бозайниците, може наистина да са имали еволюирали механизми, които им позволяват да понасят високи нива на кръвната захар. Независимо обаче, присъщият стремеж към ангажиране с насочено високоактивно поведение (като търсене на храна, търсене на места за отдих или социални взаимодействия, всеки с явни селективни предимства) вероятно е подкрепил еволюционната диетична специализация на прилепи за хранене с нектар, като потиска пост -хранваща хипергликемия, особено при търсене на изобилие от богати нектарни източници. Високата активност едновременно би повишила ефективността им като опрашители на растения, защото активните индивиди вероятно ще опрашат повече растения и ще транспортират полен на по-големи разстояния. От гледна точка на растенията енергийните разходи за производството на богат на захар нектар ще бъдат възстановени чрез засилено кръстосано опрашване.

Благодарности

Благодарим на Mirkka Jones за безценни подобрения на статията; Силвия Ортман, Томас Х. Кунц и всички анонимни рецензенти за коментари; и Игор Харш и Петра Корома за измервания на HbA1c. Експериментите са в съответствие с германските закони за експерименти с животни и са извършени с одобрението на Комитета по етика на животните към Баварския окръжен съд. Посвещаваме това произведение на паметта на Ото фон Хелверсен.