Метаболічні зміни внаслідок обмеження калорійності та годування через день у звичайному режимі та за ростом
Рейхан Вестбрук
1 Відділ внутрішніх хвороб, Відділ гериатричних досліджень, і
2 Кафедра медичної мікробіології та імунології, Вища програма клітинної біології, Медичний факультет Університету Південного Іллінойсу, Спрингфілд, штат Іллінойс.
Майкл С. Бонковський
1 Відділ внутрішніх хвороб, Відділ гериатричних досліджень, і
3 Поточна адреса: Массачусетський технологічний інститут, Кембридж.
Оге Арум
1 Відділ внутрішніх хвороб, Відділ гериатричних досліджень, і
Квітень Д. Страдер
4 Кафедра фізіології, Медичний факультет Університету Південного Іллінойсу, Карбондейл, штат Іллінойс.
Анджей Бартке
1 Відділ внутрішніх хвороб, Відділ гериатричних досліджень, і
Анотація
М утації, що знижують соматотрофну (гормон росту [GH] та інсуліноподібний фактор росту-1) сигналізацію (1), а також дієтичні режими, засновані на зменшенні споживання калорій (обмеження калорійності [CR] та через день [EOD] дієта) (2,3), як відомо, затримують старіння та збільшують тривалість життя мишей. Довговічні миші, що порушують ген GH-рецептора/GH-зв’язуючого білка (нокаут рецептора гормону росту [GHRKO]), стійкі до дії GH і мають сильно пригнічений сироватковий інсуліноподібний фактор росту-1 та зменшені розміри та вага тіла, незважаючи на збільшення ожиріння, зниження рівня глюкози та інсуліну в сироватці крові та підвищення чутливості до інсуліну (4). Також було показано, що режими годування CR та EOD підвищують чутливість до інсуліну, знижують рівень глюкози та інсуліну в сироватці крові і збільшують тривалість життя у гризунів (3,5,6).
Зниження споживання калорій та мутація GHRKO можуть діяти через механізми, що перекриваються, для збільшення тривалості життя. Доказом цього є експерименти, коли однакові схеми CR (7) та EOD (8) спричиняли збільшення як чутливості до інсуліну, так і продовження тривалості життя у звичайних мишей, але не спричиняли змін у чутливості до інсуліну та тривалості життя у мишей GHRKO.
Розуміння метаболічних змін, які супроводжують збільшення тривалості життя, може дати деякі механістичні підказки щодо того, як досягається продовження тривалості життя. Раніше ми показали, що зниження передачі сигналів GH пов'язане зі збільшенням споживання кисню (VO2) на одиницю маси тіла та зниженням коефіцієнта дихання (RQ) у молодих дорослих мишей (9); однак було невідомо, чи зберігається цей ефект у похилому віці. Тут ми досліджуємо VO2 та RQ у мишей похилого віку ближче до кінця свого життя. Було проведено багато досліджень, що вивчають вплив CR на метаболізм (5); однак вплив дієти EOD на VO2 та RQ у мишей не вивчався. Це дослідження також є одним з небагатьох (6,10), що безпосередньо порівнює вплив режимів харчування CR та EOD на тварин із того самого штаму. Важливо, що в цьому дослідженні ми також вивчаємо ефект взаємодії зниженої сигналізації GH з дієтами CR та EOD.
Матеріали і методи
Тварини
GHRKO (-/-) та нормальні (+/−) самці мишей були отримані в нашій гніздовій колонії шляхом спаровування -/- самців з +/− самками, отриманими від тварин GHRKO (4), люб'язно наданих д-ром Дж. Дж. Копчіком (Університет Огайо, Афіни, Огайо). Тварин утримували в контрольованих температурою та світлом умовах (21 ° C – 23 ° C та 12-годинний цикл світло/12 годин темряви) та годували лабораторною дієтою Formula 5001 (23,4% білка, 4,5% жиру та 5,8% клітковина; Ralston Purina). Всі протоколи для тварин для цього дослідження були схвалені комітетом з догляду та використання тварин Південного Іллінойського університету.
Мишам, використаним у цьому експерименті, було 29–33 місяці, що для нормальних мишей з АЛ наближається до медіани тривалості життя. Мишей цього віку було відібрано для дослідження метаболічних відмінностей у біологічному старінні, спричинених дієтичними та генотиповими взаємодіями у мишей подібного похилого хронологічного віку. Крім того, ми показали, що зниження сигналізації GH пов'язане зі збільшенням VO2 на одиницю маси тіла та зниженням RQ у молодих дорослих мишей (9). Тут ми дослідили, чи зберігається цей ефект у похилому віці.
Дієти
Непряма калориметрія
Непряму калориметрію проводили за допомогою AccuScan Instruments, Inc. PhysioScan Metabolic System. Ця система використовує цирконієві та інфрачервоні датчики для контролю кисню (O2) та вуглекислого газу (CO2) відповідно всередині дихальних камер, в яких випробовували окремих мишей. Усі порівняння базуються на тваринах, що вивчались одночасно у восьми різних камерах, підключених до одних і тих же датчиків O2 та CO2, намагаючись мінімізувати вплив змін навколишнього середовища та калібрування на дані. Після 24-годинного періоду аклімації (день голодування для мишей EOD) мишей спостерігали в камерах метаболізму протягом 24 годин з доступом до їх відповідної дієтичної норми (CR/EOD [годуваний день AL]/AL) та води, а потім протягом другий 24-годинний період без їжі. Зразки газу збирали та аналізували кожні 5 хвилин на тварину, а дані усереднювали за кожну годину. Вихідні параметри включають VO2 (мл/кг/хв) і RQ (VCO2/VO2). Двосторонній дисперсійний аналіз та двосторонній аналіз дисперсійного аналізу дисперсійного статистичного аналізу проводили за допомогою IBM SPSS Statistics 19.
Результати
Вага тіла мишей під час непрямої калориметрії наведено на рисунку 1. Загальне споживання їжі та споживання їжі на грам маси тіла для мишей при аклімації та годуванні непрямими калориметріями показано на рисунку 2. Загальне споживання їжі зменшувалося обома дієтами у звичайних мишей (рис. 2а); однак, коли споживання їжі виражається на грам маси тіла, відмінності усуваються (рис. 2b). Загальне споживання їжі мишами GHRKO також було зменшено за рахунок дієти CR та EOD (рис. 2в); однак, миші GHRKO споживали менше їжі на грам маси тіла, також під час дієт CR або EOD (рис. 2г). Цікаво, що при вираженні на відсоток нежирної маси (знежирена маса - маса кістки) не було суттєвих відмінностей між GHRKO та нормальними контрольними мишами (додатковий малюнок 1b).