A bariatrikus műtétek súlyosan elhízott betegek klinikai profiljára, DNS-metilációjára és öregedésére gyakorolt ​​hatása

Absztrakt

Háttér

A súlyos elhízás egyre nagyobb terhet jelent az egész világon, és a hagyományos terápiák, beleértve az étrend radikális megváltoztatását és/vagy a fokozott fizikai aktivitást, korlátozott eredményekkel járnak. A bariatrikus műtétet alternatív terápiaként javasolták, ígéretes eredményekkel. Jelentős súlycsökkenéshez és a társbetegségek, például a 2-es típusú cukorbetegség javulásához vezet. A megnövekedett zsírosság az epigenetikai profil változásával jár, beleértve a DNS-metilációt is. Megvizsgáltuk a bariatrikus műtétek hatását a klinikai profilra, a DNS-metilációra és a biológiai életkorra, becsülve Horvath epigenetikus óráját.

Eredmények

A bariatrikus műtét és az azt követő súlycsökkenés klinikai jellemzőkre gyakorolt ​​hatásának meghatározásához 40 súlyosan elhízott egyénből álló csoportot (BMI = 30–73 kg/m 2) vizsgáltak a műtét idején és három utólagos látogatáson, azaz 3, 6 és 12 hónappal a műtét után. Az egyének többsége nő volt (65%), a műtét átlagéletkora 45,1 ± 8,1 év volt. Idővel szignifikáns csökkenést figyeltünk meg a BMI, az éhgyomri glükóz, a HbA1c, a HOMA-IR, az inzulin, az összes koleszterin, a trigliceridek, az LDL és a szabad zsírsavak szintjén, és a HDL szintjének jelentős kis növekedését (mind o értékek −7). A BMI változás beépítése a modellbe 51% -kal csökkentette a jelentősen differenciálisan metilált CpG helyek számát. A génkészlet-dúsítási elemzés több folyamat túlreprezentálását azonosította, beleértve a transzkripció, az RNS metabolikus és a bioszintetikus folyamatok szabályozását a sejtben. Súlyosan elhízott betegek bariatrikus műtéte mind a biológiai kor, mind az epigenetikus kor gyorsulásának (EAA) csökkenését eredményezte (átlag = - 0,92, o = 0,039).

Következtetések

Vizsgálatunk azt mutatja, hogy a bariatrikus műtét a BMI jelentős csökkenéséhez és a műtét után 12 hónappal megfigyelt klinikai eredmények javulásához vezet. Ezek a változások magyarázták a bariatrikus műtét és a DNS-metiláció közötti összefüggést. A biológiai életkor kismértékű, de jelentős javulását is megfigyeltük. Ezek az epigenetikai változások a környezeti életmódbeli tényezők által módosíthatók, és felhasználhatók az elhízás és a jövőben az elhízással kapcsolatos társbetegségek potenciális biomarkereként.

Háttér

Az elhízás világszerte elterjedtsége 1975 óta csaknem megháromszorozódott. 2016-ban a felnőtt népesség 39% -a volt túlsúlyos (testtömeg-index (BMI) ≥ 25) és 13% -a elhízott (meghatározva: BMI ≥ 30), így az elhízás globális terhet jelent [1]. Az elhízást a krónikus betegségek, mint a szív- és érrendszeri betegségek és a 2-es típusú cukorbetegség, valamint a rák és a depresszió egyik fő rizikófaktorának ismerik el [2]. Gyakran krónikus, alacsony fokú gyulladás, magas gyulladáscsökkentő citokinek és alacsony gyulladásgátló adipokinek szintje kíséri [3].

Az elhízással együtt az öregedés számos krónikus betegség kockázati tényezője [20]. Egy nemrégiben kifejlesztett, az epigenetikus óra néven ismert DNS-metiláción alapuló biológiai életkor-becslésről többször kimutatták, hogy számos korhoz kapcsolódó állapothoz kapcsolódik, például rákhoz, neurodegenerációhoz és menopauzához [21,22,23], de a BMI-hez és az elhízáshoz is [ 20, 24]. A DNS-metilációs életkor, amelyet biológiai életkornak is neveznek, és a kronológiai életkor közötti különbséget életkor-gyorsulásnak nevezik. Az epigenetikus kor gyorsulás (EAA) pozitív vagy negatív értéke arra utal, hogy egy adott szövet a vártnál gyorsabban vagy lassabban öregszik. A mai napig az EAA összefüggésben van az iskolai végzettséggel, az étrenddel és más életmódbeli tényezőkkel [25]. Itt feltételeztük, hogy az EA, amely a biológiai életkort képviseli, a súlyosan elhízott betegeknél magasabb, mint a bariatrikus műtét után.

Jelen tanulmány célja a bariatrikus műtét (a) antropometriai, metabolikus és lipidváltozásokra gyakorolt ​​hatásának vizsgálata a műtét után három időpontban (3, 6 és 12 hónap); (b) a DNS-metiláció változásai a perifériás vér metilációs profiljának összehasonlításával közvetlenül a műtét előtt és után 12 hónappal; c) biológiai életkor és epigenetikus kor gyorsulás (EAA), összehasonlítva ezeket közvetlenül a műtét előtt és 12 hónappal a műtét után.

Mód

Vizsgálati populáció

40 súlyosan elhízott páciensből álló csoport választott bariatrikus műtéten esett át (a műtét részleteit lásd az 1. kiegészítő fájlban: az S1. Táblázat) a Maastrichti Egyetem Orvosi Központjának Általános Sebészeti Osztályán (Maastricht, Hollandia). Felvettük ezekre az egyénekre vonatkozó kiindulási és nyomonkövetési adatokat (a műtét után 3, 6 és 12 hónappal). A vizsgálat részletei másutt találhatók [26, 27]. Ezt a tanulmányt a Maastrichti Egyetem Orvosi Központjának Orvosi Etikai Tanácsa hagyta jóvá, összhangban az 1975-ös Helsinki Nyilatkozat etikai irányelveivel. Minden résztvevő tájékozott beleegyezést kapott.

Mérések

A vérnyomás és az antropometriai mérések, például a magasság, a súly és a derék kerülete standardizált protokollt használtak. A vérmintákat 8 órás böjt után, a műtét reggelén vettük össze az éhomi vércukor, a HbA1c, az inzulin, a homeosztatikus modell értékelése (HOMA-IR), az összes koleszterin, a HDL-koleszterin, az LDL-koleszterin, a trigliceridek (TG), a szabad zsírsavak ( FFA), alanin-transzamináz (ALAT), aszpartát-transzamináz (ASAT) és C-reaktív fehérje (CRP).

A DNS-t két időpontban, azaz a műtét reggelén és a műtét után 12 hónappal összegyűjtött teljes vérmintákból izoláltuk. Összesen 500 ng genomiális DNS-t biszulfitot alakítottak át az EZ DNS-metilációs készlettel (Zymo Research, Irvine, CA, USA) és hibridizáltak az Illumina 450 K tömbökkel (San Diego, CA, USA) a gyártó protokolljai szerint. Az adatokat az UMCG Genomelemző Intézete (www.rug.nl/research/genetics/genomeanalysisfacility/), ugyanazon tömböket használva a vizsgálat minden résztvevőjéhez.

A DNS-metiláció minőségének ellenőrzése és normalizálása

Az adatok kezelését, elemzését és megjelenítését az R statisztikai szoftver 3.5.1-es verziójában (http://cran.r-project.org) végeztük. A nyers jelintenzitásokat R-be importálták, majd a minfi csomag segítségével minőségellenőrzésnek vetették alá [28]. Ezek a minőségellenőrzések nem mutattak ki nagyobb kötegelt hatásokat. A funkcionális normalizálási módszert alkalmaztuk az adatok normalizálására a szokásos Illumina szonda tervezési információk (IlluminaHumanMethylation450k tömb) felhasználásával [29]. További szondaszűrést hajtottak végre annak érdekében, hogy a próba szekvenciájában SNP-t tartalmazó próbákat eltávolítsunk o érték (o > 0,001), valamint az X és Y kromoszómák szondáival. A PACE konzorcium javaslata alapján ellenőriztük a metilációs adatokban a szélsőséges kiugró értékek jelenlétét (75. percentilis + 3IQR) [30]. Ennek eredményeként 19 további szondát távolítottak el (ha a minták 20% -ánál nagyobb értékeket észleltek), és az összes azonosított értéket hiányzó értékekre állították. Az elemzés végső adatkészlete 456 073 próbát tartalmazott.

Statisztikai analízis

Klinikai változások

Lineáris vegyes modelleket alkalmaztunk a klinikai változások általános jelentőségének kiszámításához az idők során a kiindulási értéktől kezdve, véletlenszerű metszéssel, véletlenszerű időbeli együtthatóval és strukturálatlan kovarianciamátrixszal. A CRP és a TG szintje log-transzformált, mivel ezek a paraméterek nem mutattak normális eloszlást. Valamennyi elemzést kiigazítottuk a nemek és az életkor különbségei alapján, és az R-ben szereplő „lme4” csomag segítségével számoltuk.

Epigenómára kiterjedő asszociációs elemzés

Génkészlet-dúsítási elemzés és társulás a génexpresszióval

Az eredmények funkcionális értelmezésének megtalálásához az EWAS jelentős megállapításait felhasználva génkészlet-dúsítási elemzést végeztünk a „methylGSA” R csomaggal [40], hogy azonosítsuk a jelentősen dúsított reaktómutakat o a dúsítás értékeit többszörös teszteléshez igazítják hamis felfedezési arány (FDR =

Eredmények

Klinikai jellemzők a bariatrikus műtét előtt és után

műtétek

Ebben a vizsgálati populációban a CRP átlagos szintje a beavatkozás után folyamatosan csökkent, ami a krónikus gyulladás állapotának csökkenésére utal (1. ábra, 1. táblázat). A vizsgálatba bevont egyének 37,5% -a cukorbetegségben szenvedett a műtét előtti állapotban. A hiperglikémia javulását figyeltük meg az éhomi glükóz (átlagos csökkenés - 1,17 mmol/l) és a HbA1c (átlagos csökkenés - 0,6%) jelentős csökkenésével, amelyet 12 hónappal a műtét után (o érték trend az idők folyamán −7, 1. táblázat).

DNS-metiláció bariatrikus műtét előtt és után

EWAS elemzés

A perifériás vér DNS-metilációs elemzését két időpontban, azaz a műtét előtt és után 12 hónappal végeztük. Az epigenómára kiterjedő asszociációs elemzés 4857 szignifikánsan differenciálisan metilált CpG helyet mutatott ki 12 hónappal a műtét után (Bonferroni-korrigált állapotban) o érték −7; 1. kiegészítő fájl: S3. Táblázat; az életkor, a nem, a sejttípus eloszlása ​​és a kötegelt hatások alapján kiigazítva). Az összes szignifikáns CpG-hely magasabb metilációs szintet mutatott a műtét után (átlagos béta-változás 0,01% -tól 15% -ig; 2. kiegészítő fájl: S1. Ábra), és az összes kromoszómára oszlott (2. kiegészítő fájl: S2. Ábra). A szignifikánsan differenciálisan metilált CpG helyek közül a génpromóter régiókban, az 5’UTR-ben és az 1. exonban, de a CpG-szigeteken is található CpG-helyek jelentős gazdagodását azonosítottuk a teljes tömbhöz képest o −16 értékek Fisher pontos tesztje alapján; 2. kiegészítő fájl: S3. Ábra).

A fehérvérsejt-típus eloszlásának becslése Houseman módszerével [32] egyértelmű elmozdulást mutatott a műtét előtti és a műtét utáni irányba. Ez az elmozdulás, amelyet a 2. kiegészítő fájl: S4 ábra mutat be, statisztikailag szignifikáns volt (o érték 2. táblázat A jelentősen differenciálisan metilált CpG-helyek száma a műtét előtt és után a klinikai változókhoz történő igazítás előtt és után (n = 30).

A műtét utáni epigenetikai változások és a klinikai profil összefüggései

A feltételezhetően klinikailag releváns CpG helyek megfejtése érdekében összefüggéseket számoltunk ki 4857 szignifikáns CpG hely DNS-metilációs változása és a klinikai tulajdonságok változásai között. 420 egyedülálló szignifikáns összefüggést találtunk a CpG-k és a bariatriás utáni változások között (korrelációs együttható R > 0,5, o −16). Ezt szemlélteti a 2. kiegészítő fájl: S6. Ábra, amely a műtét előtti és utáni betegek, valamint a két Lifelines alcsoport EWAS-elemzéséből származó 15 legfontosabb CpG-hely metilációs szintjét mutatja.

Az epigenetikus kor és az epigenetikus kor gyorsulása bariatrikus műtét előtt és után

Mind a 40 beteg esetében kiszámítottuk az epigenetikus kort (EA) a Horvath által kifejlesztett DNS-metilációs életkor kalkulátor segítségével. A műtét előtt az átlagos EA 3,17 évvel magasabb volt a kronológiai életkorhoz képest, míg a műtét után az átlagos EA 2,26 évvel magasabb volt az időrendi korhoz képest (3. táblázat). Az EA személyek alapján a műtét előtti és utáni átlagos különbség 0,08 év volt, míg időrendi szempontból körülbelül egy év telt el. Az epigenetikus kor gyorsulás (EAA), amelyet általában az EA és a kronológiai életkor különbségének definiálnak, kisebb volt a műtét után (átlag = - 0,92, o értéke = 0,039), ami a biológiai életkor jelentős javulására utal.

Vita

A jelenlegi vizsgálat célja a bariatrikus műtétek három területre gyakorolt ​​hatásának azonosítása volt: klinikai profil, DNS-metiláció és biológiai életkor. Jelentős változásokról számolunk be a klinikai profilban a műtét után 3, 6 és 12 hónappal, valamint a DNS-metilációs profilban és a biológiai életkorban 12 hónappal a műtét után, ami arra utal, hogy a bariatrikus műtétnek kiemelkedő hatása van az egyéni egészségre és az epigenetikára.

A bariatrikus műtét jótékony hatása a testsúlyra és a klinikai profilra

A bariatrikus műtét után a BMI tartós csökkenését figyeltük meg, ami a beavatkozás hatására bekövetkezett jelentős súlycsökkenést tükrözi. A BMI a műtétet követő első évben is jelentős csökkenést észlelt más hasonló vizsgálatokban [46,47,48]. A CBS longitudinális kohorsz vizsgálatában a csúcs súlycsökkenés a műtét után 2 évvel történt, és legalább 20 évig stabil maradt [47]. A vizsgálatunkba bevont betegek több mint 60% -án RYGB-n esett át, amely a bariatrikus műtétek előnyös módszere a nagyobb súlyvesztés és a magasabb cukorbetegség remissziós aránya miatt (62% vs. 47% és 80,3% vs. 56,7%), szemben a gyomorkötési eljárás [9, 49]. Elemzésünk során a műtét minden típusát kombináltuk, hogy növeljük a vizsgálat erejét. Szenzitivitási elemzésként megismételtük az elemzést a legnagyobb csoportban (RYGB), és hasonló eredményeket találtunk kevésbé szignifikánsan o értékek (az összes EWAS jelentős CpG hely, n = 4857, o értékek −4; a hatásméretek korrelációja az RYGB csoport és a teljes csoport között, beleértve az összes műtétet, 0,99 volt; adatok nem láthatók).

A súlyos elhízás ismert kockázati tényező a 2-es típusú cukorbetegségben, és a 2-es típusú cukorbetegek közel 50% -a elhízott [50]. A cukorbetegség kialakulásának kockázata elhízott embereknél akár 20-szor nagyobb, mint sovány embereknél [51]. Ezeknek az adatoknak megfelelően a műtét előtt a megemelkedett glükóz-, HbA1c-, inzulin- és HOMA-IR-szint a betegek előtt a diabétesz előtti állapotot vagy a teljesen kialakult 2-es típusú cukorbetegséget jelzi a súlyosan elhízott betegek 37,5% -ánál. Vizsgálatunkban a műtét utáni glikémiás profil javulását figyeltük meg: az éhomi glükóz- és inzulinszint a vérben az idő múlásával a műtétet követő első évben szignifikánsan alacsonyabb volt. A tanulmányunkban megfigyelt korai javulás a glikémiás tulajdonságokban összefüggésbe hozható a kalória-korlátozással, amely fokozott máj inzulinérzékenységhez és jobb béta-sejtműködéshez vezet, ami szintén összefüggésbe hozható a barabia utáni magas postprandialis glükagonszerű peptid 1 szekrécióval [52]. Később a fogyás javítja az izom inzulinérzékenységét, ami fokozza az általános inzulinérzékenységet és a glükóz toleranciát [53].

A súlyos elhízáshoz társuló hiperlipidémia, hiperkoleszterinémia és hipertrigliceridémia a betegek legalább 70% -ában javul a bariatrikus műtét után [9]. Adatainkban hasonló változásokat figyeltünk meg a trigliceridek, a teljes és az LDL koleszterinszint szintjében a műtét után.

A súlyos elhízás előrehaladtával a zsírszövet diszfunkcionálisabbá válik. A gyulladáscsökkentő citokinek fokozott termelődése a zsírszövetben hozzájárul a szisztémás gyulladáshoz, amely a súlyos elhízás jellemzője. A megnövekedett FFA-k fokozzák az inzulin szekrécióját a hasnyálmirigyben, és csökkentik az inzulinérzékenységet a májban és az izomban, ami hozzájárul az elhízással kapcsolatos metabolikus szövődményekhez [54]. A C-reaktív fehérje a bariatrikus műtét után szignifikánsan alacsonyabb volt, ami megerősítette a fogyás utáni csökkent gyulladást.

Epigenetikus változások a bariatrikus műtét után

Következtetések

Összefoglalva, tanulmányunk azt mutatja, hogy a bariatrikus műtét javítja a klinikai eredményeket, ideértve a BMI jelentős csökkenését, valamint az epigenetikai változásokat. Egy ilyen drasztikus beavatkozás helyreállíthatja a DNS metilációs profilját súlyos elhízásban szenvedő betegeknél az egészséges egyéneknél megfigyelt mintákhoz képest. A bariatrikus műtétnek a DNS-metilációs markerek változására gyakorolt ​​jótékony hatását a testtömeg és az anyagcsere-paraméterek közvetíthetik, és a jövőben ezek a markerek hasznosak lehetnek az elhízással összefüggő társbetegségek esetén.

Az adatok és anyagok rendelkezésre állása

A jelenlegi vizsgálat során felhasznált és/vagy elemzett adatkészletek ésszerű kérésre a megfelelő szerzőtől elérhetőek.