A TÁPLÁLKOZÁS VS. GYAKORLAT A METABOLIKUS FUNKCIÓRÓL ÉS A BÉL MIKROBIÓTÁJÁRÓL OBESZ PATKÁNYOKBAN

Rebecca J. Welly

1 Táplálkozási és testmozgási élettani tanszék, Missouri Egyetem, Columbia, MO

Tzu-Wen Liu

2 Táplálkozástudományi Osztály, Illinois Egyetem, Urbana-Champaign, Urbana, IL

Terese M. Zidon

1 Táplálkozási és testmozgási élettani tanszék, Missouri Egyetem, Columbia, MO

Joe L. Rowles, III

1 Táplálkozási és testmozgási élettani tanszék, Missouri Egyetem, Columbia, MO

2 Táplálkozástudományi Osztály, Illinois Egyetem, Urbana-Champaign, Urbana, IL

Young-Min park

1 Táplálkozási és testmozgási élettani tanszék, Missouri Egyetem, Columbia, MO

T. Nicholas Smith

1 Táplálkozási és testmozgási élettani tanszék, Missouri Egyetem, Columbia, MO

Kelly S. Swanson

2 Táplálkozástudományi Osztály, Illinois Egyetem, Urbana-Champaign, Urbana, IL

Jaume Padilla

1 Táplálkozási és testmozgási élettani tanszék, Missouri Egyetem, Columbia, MO

3 Dalton Kardiovaszkuláris Kutatóközpont, Missouri Egyetem, Columbia, MO

4 Gyermekegészségügyi Osztály, Missouri Egyetem, Columbia, MO

Victoria J. Vieira-Potter

1 Táplálkozási és testmozgási élettani tanszék, Missouri Egyetem, Columbia, MO

Társított adatok

Absztrakt

Az élet korai szakaszában kezdődő kardiometabolikus rendellenességek különösen kritikusak, mivel gyakran megjósolják a metabolikus diszfunkciókat felnőtt korukra. Az elhízás, a magas zsírtartalmú étrend (HFD) és az inaktivitás mind összefügg a zsírszövet gyulladásával és az inzulinrezisztenciával (IR), amelyek a metabolikus diszfunkció fő előrejelzői. A legfrissebb bizonyítékok a bél mikrobiomját a kardiometabolikus egészséggel is összefüggésbe hozták.

CÉLJA

Hasonlítsa össze a testmozgás és a kalória csökkentése által okozott egyenlő energiahiányt a kardiometabolikus betegség kockázati paraméterein, beleértve az AT gyulladást, az IR és a bél mikrobiota változását a HFD fogyasztása során.

MÓD

A HFD-vel táplált, elhízásra hajlamos patkányokat testedzéssel (Ex, n = 10) vagy testsúlyhoz illesztettük kalóriacsökkentéssel Ex-hez mozgás közben ülve tartva (WM, n = 10), és összehasonlítottuk az ad libitum HFD-vel táplált (Sed, n = 10) ) patkányok IR, szisztémás energetikai és spontán fizikai aktivitás (SPA), zsírosság és éhomi anyagcsere paraméterek szempontjából. Visceralis, szubkután, periaorta és barna AT, máj, aorta és cecalis digesta vizsgálata.

EREDMÉNYEK

Annak ellenére, hogy az adipozitás azonos mértékben csökkent, az Ex, de nem a WM, javította az IR-t, és az SPA-t növelte

26% (p Kulcsszavak: zsírosság, energiafelhasználás, barna zsírszövet, inzulinrezisztencia, spontán fizikai aktivitás, bél mikrobiom

BEVEZETÉS

ANYAGOK ÉS METÓDUSOK

Állatok és diéták

Harminc hím, elhízásra hajlamos (OP-CD) patkányt kaptunk 4 hetes korban (Charles River Laboratories, Inc., O’Fallon, MO), és egyedileg elhelyeztük őket a Missouri-Columbia Egyetem Állattudományi Kutatóközpontjában. Valamennyi eljárást a Missouri Egyetem intézményi állatgondozási és felhasználási bizottsága hagyta jóvá. Az állatok negyedét hőmérséklet-szabályozással 21 ° C-on, 12 órás fényváltással váltakoztattuk: sötét ciklusok 0800 és 2000, illetve 2000 és 0800 között. Azonnal megérkezés után a patkányokat a következő három csoport egyikébe randomizálták: 1) HFD, ülő („Sed;” n = 10), 2) HFD, testmozgás önkéntes kerékfutással („Ex; n = 10), vagy 3) HFD, súlyhoz illesztve Ex („WM;” n = 10). HFD (D12451; Research Diets, Inc., New Brunswick, NJ) tartalmazta

20% fehérje, 35% szénhidrát és 45% kcal zsírból, a túlsúlyban levő zsírsavtípus zsírsavból származik. A Sed és Ex csoportba tartozó állatokat a vizsgálat időtartama alatt ad libitum-mal etettük. Az „Ex” csoportot futókerekekkel (Tecniplast Activity Wheel; West Chester, PA) helyezték el, amelyek egy kerékpáros lépésszámlálóhoz (Sigma BC 509; Sigma, St. Charles, IL) csatlakoztak, hogy rögzítsék a heti futási távolságot. A WM csoportba tartozó állatoknak a Sed csoport által elfogyasztott táplálék 75-80% -át kaptuk, a napi testtömeg-összehasonlítások alapján, hogy biztosítsuk a tömegnek az Ex-csoporthoz való illeszkedését. A WM és Sed csoportoknál naponta, míg az Ex csoport ételeit hetente regisztrálták. A patkányokat 18-20 hetes kor között pentobarbitál-nátrium (50 mg/kg) intraperitoneális (IP) injekcióval érzéstelenítettük, majd szívszúrás útján végzett exangellációval eutanizáltuk, mielőtt a szöveteket betakarítottuk volna.

Energiafelhasználás és spontán fizikai aktivitás (SPA)

11 hetes korban az állatokat (n = 8/csoport) anyagcsere-kamrákba helyezték (Promethion; Sable Systems International, Las Vegas, NV), hogy értékeljék az összes energiafelhasználást (TEE), a nyugalmi energia kiadást (REE) és a légzési hányadost. (RQ) közvetett kalorimetriával és SPA-val az x-, y- és z-tengely nyalábtörések összegzésével. A testtömeget és az ételbevitelt minden 48 órás értékelés előtt és után mérték. Minden 48 órás futás legalább két világos és két sötét ciklust rögzített. Ez idő alatt a kerekeket eltávolították az Ex állatokból, és a WM állatoknak ad libitum táplálékot adtak be. Bár mindkét kezelést ideiglenesen eltávolították, az anyagcsere-értékelés időtartama rövid volt, hogy elkerülhető legyen az Ex csoportban végzett edzésgátlás vagy a testsúly-egyeztetés megzavarása a WM csoportban.

Inzulinrezisztencia

A Sed csoport által naponta elfogyasztott mennyiség 75% -a, ez lehetővé teszi számukra, hogy a vizsgálat teljes időtartama alatt megtartsák az Ex csoport tömegéhez hasonló átlagos testtömegeket. Mind az Ex, mind a WM csoportoknál csökkent a WAT tömeg, amelyet könnyebb SQAT, EpiAT, RPAT és OMAT raktárak jeleznek ( 1C. Ábra ; mind p 1D ábra ). Így a Sed és Ex csoport közötti különbségek a testmozgás miatti energiahiánynak tulajdoníthatók, függetlenül az energia bevitel változásától. A Sed-hez képest mind az Ex, mind a WM csoportok megnövelték a TEE-t, de nem feltétlenül a REE-t, amint azt a 1E & H ábra . Az RQ értékek voltak

5-11% -kal alacsonyabb az Ex csoportban mind a Sed, mind a WM csoportokhoz képest mind világos, mind sötét ciklusokban (mind p 1G ábra ). Ezenkívül a 48 órás metabolikus ketrec-értékelésen belül, amely idő alatt nem biztosítottak futó kerekek, a sötét (azaz rágcsáló aktív) ciklus során az SPA csoport szignifikánsan megemelkedett az Ex csoportban, mind a Sed, mind a WM csoportokhoz képest. SPA is volt

30% -kal magasabb mind az Ex, mind a WM csoportban, összehasonlítva Sed-kel a fény (azaz a rágcsálók inaktív/alvási) ciklusa alatt ( 1F. Ábra ).

A WM-hez képest az Ex hatékonyabban javította az inzulinérzékenységet

Az Ex-nek, de a WM csoportnak nem, szintén javult az inzulinérzékenysége a Matsuda Indexen (MI) keresztül értékelve Sed-hez képest. 1I. Ábra ) és a HOMA-IR ( 1J ábra ). Az Ex csoport nagyobb inzulinérzékenysége a kompenzációs hiperinsulinémia csökkenésével jár. Más szavakkal, a görbe alatti teljes glükózterület (AUC) a GTT alatt hasonlóan csökkent mindkét kezelési csoportban, míg a GTT inzulin szekréciója csökkent az Ex csoportban. Míg a HbA1c% csökkent mindkét kezelési csoportban, csak a WM csoportban történt csökkenés érte el a statisztikai szignifikanciát ( Asztal 1 ).

Asztal 1

Az éhomi vérjelzők és egyéb anyagcsere-mérések.

AnalyteSedExWM

Inzulin (ng/ml)	7,3 ± 1,0	4,1 ± 1,2 * #	7,8 ± 1,1
Glükóz (mg/dl)	179,0 ± 6,6	163,4 ± 6,8	192,2 ± 12,3
Koleszterin (mg/dl)	78,5 ± 5,4	60,3 ± 4,8 *	61,8 ± 2,8 *
Trigliceridek (mg/dl)	165 ± 22,2	133 ± 27,0	166 ± 12,3
HDL (mg/dl)	22,0 ± 1,1	19,7 ± 1,1	21,4 ± 0,9
LDL (mg/dl)	5,7 ± 0,4	4,1 ± 0,3 * #	6,5 ± 0,3
NEFA (mmol/L)	0,6 ± 0,1	0,6 ± 0,1	0,7 ± 0,1
% HbA1c	4,33 ± 0,02	4,27 ± 0,04	4,2 ± 0,03 *
Glükóz AUC	30551 ± 4090	25082 ± 5769 *	23518 ± 3063 *
Inzulin AUC	198 ± 80	111 ± 87 *	177 ± 33
Májtömeg (g)	15,54 ± 0,37	12,77 ± 0,64 *	15 ± 0,39
Máj TG (mg/g nedves súly)	46,10 ± 2,48	37,82 ± 7,52	27,12 ± 1,87 *

Az összes intézkedést áldozatkészség után tették meg

12 órás gyors. HDL = nagy sűrűségű lipoprotein koleszterin; LDL = alacsony sűrűségű lipoprotein koleszterin; NEFA = nem észterezett zsírsavak; % HbA1c = glikozilezett hemoglobin; glükóz, inzulin AUC = glükóz, az inzulin területe a görbe alatt a glükóz tolerancia teszt során, amelyet 12 hetes korban végeztek.

Az Ex és a WM depó-specifikus módon befolyásolja az AT gén expresszióját, és mindkettő csökkenti az aorta gyulladását

A. BAT mise; B. BAT: WAT arány; C. BAT-citrát-szintáz aktivitás; D. Légzési komplexek; E. Összefüggés az MI és a BAT CS tevékenység között; F. BAT aktivitással kapcsolatos gének; G. Bézs fenotípussal társított SQAT gének; H. BAT H&E festés. * p 3A. ábra ). Bár a súlyozott PCoA-diagram nem tűnik nyilvánvalóan csoportosulónak, a csoportok közötti jelentőséget az elvégzett UniFrac távolságmérők alapján figyelték meg, bár Bonferroni-korrekciókkal végzett nem-parametrikus elemzéssel. A minták közötti súlyozatlan UniFrac távolságok PCoA-ja azt mutatta, hogy a bél mikrobaközösségei nem különböztek a három kezelési csoport között ( 3B. Ábra ). Ezek a PCoA eredmények arra utaltak, hogy a baktériumok bősége, és nem a ritka taxonok jelenléte volt a megfigyelt különbségek mozgatórugója. A három patkánycsoport közötti fő különbségek a következők voltak.

A. Súlyozott PCoA; B. Súlyozatlan PCoA. Minden pont Sed (narancssárga pontok), Ex (piros pontok) és WM (kék pontok) patkányok mintáját jelöli.

Összesen mindhárom csoportban 7 phyla, 33 család és 54 nemzetség képviselte a használható nyers olvasmányokat. Minden szinten csak néhány taxon képviselte a többséget. Phyla szinten a Firmicutes (a szekvenciák 71,2% -a), a Bacteroidetes (a szekvenciák 23,0% -a), a Verrucomicrobia (a szekvenciák 3,6% -a) és a Proteobacteriumok (a szekvenciák 1,6% -a) a szekvenciák körülbelül 99% -át, míg a többi 3 A phyla az 1E. ábrát ábrázolja ). A megnövekedett TEE a WM csoportban annak volt köszönhető, hogy az aktív aktivitás helyett csak a rágcsálók inaktív ciklusa alatt nőtt a SPA, míg az Ex mindkét ciklusban növelte a SPA értékét. Kimutatták, hogy a HFD csökkenti a SPA-t (40); a jelenlegi adatok azt sugallják, hogy az energiahiány bármilyen módon történő kiváltása csökkentheti a HFD SPA csökkentő hatását, és hogy az Ex ebből a szempontból különösen védő lehet. Az Ex emellett növelte a zsír oxidációját, amit mindkét ciklusban alacsonyabb RQ értékek mutatnak, míg a WM nem befolyásolta a zsír oxidációját; hasonló gyakorlás-specifikus hatásokat jelentettek az RQ-ra emberben (3).

Az inzulinérzékenység és az éhomi vérparaméterek

A testedzésről ismert, hogy erőteljesen növeli az inzulinérzékenységet emberekben és állatokban egyaránt, kiemelve a testmozgás terápiás stratégiája hatékonyságát. Ugyanakkor a diéta is kimutatta, hogy csökkenti az IR-t, ha súlycsökkenéssel jár (39). Megállapítottuk, hogy bár mindkét kezelés javította a glükóz toleranciát, addig csak az Ex javította az inzulinérzékenységet. Egyik kezelés sem érintette a keringő NEFA-kat, ami arra utalhat, hogy a HFD által közvetített IR inkább a vázizom IR-nek tulajdonítható, mint az AT IR-nek. Az AT IR (1) gyakori megnyilvánulása, az ektopiás lipidlerakódás (pl. Megnövekedett máj-TG) mindkét beavatkozás során csökkent. Hogy ez a hatás csak a WM csoportban volt szignifikáns, meglepő volt, mivel a legtöbb bizonyíték arra utal, hogy a testmozgás csökkenti az ektópiás lipidlerakódást. Az a tény, hogy nem voltak különbségek a máj TG-koncentrációjában vagy a keringő NEFA-kban az Ex és a WM csoportok között, egyetért azzal a hipotézissel, hogy a szisztémás IR Ex-mediált javulása vázizom-specifikus javulásoknak köszönhető.

A zsírszövet és az aorta gyulladása

Új adatok arra utalnak, hogy a BAT metabolikailag fontosabb, mint korábban megvalósult, és úgy tűnik, hogy a testmozgás jelentősen befolyásolja (12), bár ellentmondásos jelentések vannak arról, hogy a testmozgás növeli-e (21) vagy csökkenti (41) aktivitását. Megfigyeltük a BAT fenotípusos különbségeit, a tömeg különbségektől függetlenül. Amint jeleztük, az Ex szignifikánsan megnövelte a mitokondriális citrát - szintáz aktivitást (a

A bél mikrobiális változásai

A bél mikrobiotáját az elhízás kialakulásához kötik, valószínű mechanizmusokkal, amelyek az energiatermelés megváltozásához, a bélpeptidek modulációjához és a lipid anyagcsere szabályozásához kapcsolódnak (22). Annak ellenére, hogy nincs egyértelmű PCoA-plot szétválasztás, mind az Ex, mind a WM szerény, mégis statisztikailag szignifikáns hatásait találtuk a bél mikrobiális közösségeinek összetételére és bőségére. Ez finom kezelési hatásokra utal, amint az elvárható lenne, szemben a különbségekkel, amelyek a beteg és egészséges egyének összehasonlításakor figyelhetők meg. Az elhízás a megnövekedett Firmicutes: Bacteroidetes arányhoz társult egerekben és emberekben. Korábbi vizsgálatunkhoz (25) hasonlóan ebben a tanulmányban az Ex sem befolyásolta a fajok gazdagságát, sem a Firmicutes: Bacteroidetes arányt. Az egyik relatív bőségkülönbség az volt, hogy az S24-7 az Ex-ben csökkent (p (2,9M, tif)

SDC 2

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

Ezt a munkát az MU Kutatóbizottság (VVP-nek), az MU Kutatási Tanács (JP-nek), a Sears Trust Research Foundation (JP-nek), valamint az Országos Egészségügyi Intézet HL-125503 és DK-105368 (JP-nek) támogatta. ), valamint a Nemzeti Egészségügyi Intézetek (R25GM056901) kezdeményezése a hallgatók sokszínűségének maximalizálására (IMSD) EXPRESS ösztöndíjasok programja (JLR-hez). A jelen tanulmány eredményei nem jelentik az ACSM jóváhagyását. A szerzőknek nem jelentenek összeférhetetlenséget.