Моделювання динаміки енергії у мишей з гіпертрофією скелетних м’язів Харчові дієти з високим вмістом калорій

Ніколь Д. Бонд 1, Хуен Го 2, Кевін Д. Холл 2, Олександра К. Макферрон 1 #

1. Відділення генетики розвитку та хвороб, Національний інститут діабету та хвороб органів травлення та нирок, Національний інститут охорони здоров’я, Бетесда, штат Меріленд, 20892 США;
2. Лабораторія біологічного моделювання, Національний інститут діабету та хвороб органів травлення та нирок, Національний інститут охорони здоров’я, Бетесда, штат Меріленд 20892 США.
# Поточні адреси: MyoTherapeutics, Silver Spring, MD. [email protected]

Цитування:
Бонд Н.Д., Го Дж., Холл К.Д., Макферрон. Моделювання динаміки енергії у мишей з гіпертрофією скелетних м’язів Харчові дієти з високим вмістом калорій. Int J Biol Sci 2016 рік; 12 (5): 617-630. doi: 10.7150/ijbs.13525. Доступно з https://www.ijbs.com/v12p0617.htm

Ключові слова: Обчислювальне моделювання, енергетичний баланс, окислення жиру, вживання їжі, дієта з високим вмістом жиру, міостатин, ожиріння, гіпертрофія скелетних м’язів.

Поширеність ожиріння та супутніх метаболічних захворювань, таких як цукровий діабет 2 типу (T2DM), зростає у всьому світі (1). Враховуючи, що T2DM є складною багатоорганною хворобою, профілактика повинна бути більш ефективною у зменшенні поширеності діабету, ніж лікування встановленого захворювання. Інсулінорезистентність, необхідна для розвитку T2DM, виявляється раніше в скелетних м'язах, ніж в інших тканинах (2). Ретроспективні та проспективні дослідження показали, що худорлява маса або сила у зворотному відношенні до смертності від усіх причин, метаболічного синдрому (група факторів ризику, що включає центральне ожиріння, підвищений рівень глюкози натще, гіпертонію та дисліпідемію (3)) або резистентність до інсуліну (4-8). На підтвердження цих асоціацій, маніпулювання м’язовою масою за допомогою генетично змінених мишей чітко демонструє, що більш висока м’язова маса запобігає ожирінню та резистентності до інсуліну (9–14).

Одним із пояснень стійкості до збільшення жиру у осіб із підвищеною худою масою є підвищені витрати енергії (ЕЕ). ЕЕ, як правило, вимірюється за допомогою непрямої калориметрії, методики, яка вимірює обсяги O2 і CO2 за допомогою газового аналізу в залежності від часу. Розрахунки, що використовуються для перетворення об’єму O2 у спалені калорії, передбачають, що весь O2, який споживає суб’єкт, використовується для окислення поживних речовин. Одночасний моніторинг активності дозволяє розрахувати спокій у порівнянні із загальним споживанням O2 або ЕЕ. Найбільшим компонентом загальної ЕЕ людини є базальний рівень метаболізму, мінімальна швидкість спалюваних калорій за годину. М'які тканини (або нежирна маса (FFM)) споживають більше енергії і, таким чином, мають більше ЕЕ, ніж жирова тканина. Скелетні м’язи складають єдиний найбільший компонент м’язової маси

40% маси тіла людини і становить

20% від загальної базальної ЕЕ (15). Насправді кількість нежирної маси пояснює 70-85% варіацій ЕЕ у спокої між особами (16-18). З цих причин відмінності в складі тіла між скелетними м’язами та жировою тканиною сильно впливають на ЕЕ.

Окрім питань нормалізації, методологія непрямої калориметрії для вимірювання енергетичних витрат гризунів була поставлена під сумнів (20). Харчова поведінка та фізична активність тварин в апараті непрямої калориметрії можуть не відображати їх поведінку в домашніх клітинах, особливо коли вони харчуються дієтами з високим вмістом жиру (ВЧ) або перебувають у стресі. Цей метод також може бути недостатньо чутливим для виявлення мінімальних відмінностей між генотипами або групами лікування, що може призвести до помітних відмінностей у збільшенні ваги при тривалому тривалому періоді часу. Крім того, висновки, як правило, робляться на основі непрямої калориметрії та даних про споживання енергії, отриманих через короткі проміжки часу, часто лише дні, а не протягом тривалості життя. Тому динамічні зміни протягом життєвого циклу можна пропустити. З цих причин вимірювання витрат та споживання енергії у гризунів часто не в змозі адекватно враховувати спостережувані зміни у складі тіла з часом (28,29).

Щоб уникнути цих проблем, були розроблені підходи математичного моделювання. Раніше двоє з нас, Го та Холл, розробили обчислювальну модель на мишах, яка може враховувати зміни в складі тіла у мишей, які отримували різні дієти (30,31). Використовуючи ретельно виміряні зміни споживання їжі та повторні вимірювання складу тіла, модель оцінює вихід енергії, окислення жиру та RQ протягом періоду місяців. Тут ми використовуємо цей підхід моделювання для оцінки цих параметрів у мишей, які різко відрізняються за складом тіла та у відповідь на різні дієти. Ми показуємо, що м’язові миші здатні регулювати вироблення енергії та окислення жиру відповідно до їх споживання краще, ніж миші WT. Отже, їх енергетичний баланс ближчий до нуля, і вони протистоять накопиченню жирової тканини.

Дієти

Дієти були такими: стандартна дієта чау (NIH-31 Open Formula, Zeigler, East Berlin, PA); дієта з високим вмістом жиру (СН) з 59% калорій з жиру (каталог № F3282, Bio-Serv, Frenchtown, NJ); Ensure®, рідка дієта Ensure® зі смаком ванілі (Відділ продуктів Росса, лабораторії Abbott, Коламбус, Огайо); та високочастотна дієта з 45% калорій з жиру (каталог № D12451, Research Diets, Нью-Брансвік, Нью-Джерсі). Щільність енергії та склад раціону наведені в таблиці 1. Дієта чау чи СН була дана в закритих камерах для гризунів CAFÉ (OYC Americas, Andover, MA), які містять розлиті речовини, зважували кожні один-два дні і повторно наповнювали та промивали щотижня. Ensure® вводили у дві пляшки об’ємом 20 мл у бункері та зважували та міняли щодня.

Хімікати

Олеойлетаноламід (OEA або олейлетаноламід) отримували від Tocris Biosciences (Брістоль, Великобританія), а Твін 80 - Sigma-Aldrich (Сент-Луїс, Міссурі).