A gazda genetika és az étrend összetétele kölcsönhatásban befolyásolja a bél mikrobiotáját és a metabolikus szindrómára való hajlamot spontán magas vérnyomású, stroke-ra hajlamos patkányokban

Termelőállat-egészségügyi Tanszék, Állatorvos-tudományi Kar, University of Calgary, Calgary, Alberta, Kanada

Állat- és Élelmiszertudományi Tanszék, Oklahoma Állami Egyetem, Stillwater, Oklahoma, USA

Termelőállat-egészségügyi Tanszék, Állatorvos-tudományi Kar, University of Calgary, Calgary, Alberta, Kanada

Emésztőrendszeri kutatócsoport, Snyder Krónikus Betegségek Intézete, Calgary Egyetem, Calgary, Alberta, Kanada

Levelezés: Calgaryi Egyetem Állatorvos-tudományi Kar Állat-egészségügyi Tanszék, HS 1871, 3330 Kórház Dr. NW, Calgary, AB T2N 4N1, Kanada. E-mail: [email protected]

Termelőállat-egészségügyi Tanszék, Állatorvos-tudományi Kar, University of Calgary, Calgary, Alberta, Kanada

Állat- és Élelmiszertudományi Tanszék, Oklahoma Állami Egyetem, Stillwater, Oklahoma, USA

Termelőállat-egészségügyi Tanszék, Állatorvos-tudományi Kar, University of Calgary, Calgary, Alberta, Kanada

Gasztrointesztinális kutatócsoport, Snyder Krónikus Betegségek Intézete, Calgary Egyetem, Calgary, Alberta, Kanada

Levelezés: Calgaryi Egyetem Állatorvostudományi Kar Állat-egészségügyi Tanszék, HS 1871, 3330 Kórház Dr. NW, Calgary, AB T2N 4N1, Kanada. E-mail: [email protected]

ABSZTRAKT

RÖVIDÍTÉSEK

Meghatároztuk a HFD és a normál chow étrend hatását az élelmiszer-bevitelre, az EE-re, a testösszetételre, a vérnyomásra, a plazma hormonokra és lipidekre, a bél mikrobiotára, a termogenezis szöveti markereire és a magas vérnyomás paramétereire az SHRSP patkányok perifériás szöveteiben, és összehasonlítottuk ezeket a kiolvasott értékeket WKY patkányokban. Annak eldöntésére, hogy a HFD deszenzibilizálja-e az SHRSP és WKY patkányokat perifériás hormonális jóllakottsági szignálra, értékeltük a táplálékbevitel változását a GLP-1 receptor agonista exendin-4 szisztémás injekciójára adott válaszként. Annak megállapítására, hogy az EE változásai szimpatikus jelátvitel útján valósulnak-e meg, propranololt (β-1 és β-2 adrenerg receptor antagonistát) adtak be. A megváltozott EE komponenseinek kiértékeléséhez meghatároztuk az EE-t élelmiszer-visszavonási körülmények között, valamint étkezés utáni EE-t. Tekintettel arra, hogy az izom jelentősen hozzájárul az egész test EE-hez (47–49), és hogy a barna zsírszövet (BAT) fontos az adaptív nem remegő termogenezishez (49, 50) patkányokban, számszerűsítettük a termogenezis legfontosabb átiratait az izomban, BAT és retroperitoneális zsírszövetek.

ANYAGOK ÉS METÓDUSOK

Állatok, szállás és étrend

Az állatgondozási protokollt a Calgary Egyetem Állattenyésztési Bizottsága hagyta jóvá (AC12-0033 protokoll). Hím SHRSP patkányok (n = 14, 324 törzs; Charles River Laboratories, Montreal, QC, Kanada) és WKY patkányok (n = 14, 008 törzs; Charles River Laboratories, Montreal, QC, Kanada) 5 hetes korban egyenként átfogó laboratóriumi állat-ellenőrző rendszerben (CLAMS; Columbus Instruments, Columbus, OH, USA) helyezkedett el, és 1 hétig akklimatizálódott chow-diétán (5053 PicoLab Rágcsáló-étrend 20; LabDiet, St. Louis, MO, USA). Mivel az SHRSP patkányok az SHR patkányokból származtak, amelyek viszont WKY patkányokból (17–19) származnak, az összehasonlításhoz a normotenzív WKY patkányokat használtuk. A hőmérsékletet (23–24 ° C) és a páratartalmat (21–24%) állattartókban szabályozták 12 órás világos/sötét ciklussal (világítás 10: 30-kor). Az állatok napi gondozását és karbantartását 8:30 és 10:30 között végezték, és élelmet és vizet biztosítottak ad libitum a vizsgálat során.

Dizájnt tanulni

Energiamérleg mérések

Az élelmiszer-fogyasztást, a hőtermelést és az EE-t 22 órán keresztül (10: 30-tól másnap 08: 30-ig) ellenőriztük CLAMS használatával, a közzétett eljárásaink szerint (31). Az étel kiömlését manuálisan rögzítették, és a statisztikai elemzés elvégzése előtt korrigálták a napi táplálékfelvételt. Az elfogyasztott oxigén térfogata (Vo2, ml/testtömeg-kg/h), keletkezett szén-dioxid (Vo2, ml/testtömeg kg/h) és a légzési hányadost (RQ) közvetett kalorimetriával (CLAMS; 2 L/min áramlás és ~ 48 perc mintavételi intervallum) rögzítettük. A teljes EE-t a Singh által korábban közzétett módon számítottuk ki et al. (60) a következő egyenlettel: Vo2 × [3,815 + (1,232 × RQ)]. Mivel a legtöbb patkány törzs termoneutrális zónája 28–30 ° C (61), tartási körülményeink és a CLAMS ketrec hőmérséklete (25–26 ° C) nem biztos, hogy ideálisak a termogenezis tesztelésére önmagában.

Testtömeg és testösszetétel mérések

A testtömeget hetente rögzítettük hagyományos mérleg alkalmazásával. A testösszetételt hetente mértük el nem altatott patkányokban Minispec LF-110 NMR analizátorral (Bruker Optics, Milton, ON, Kanada). A nyereség hatékonyságát a kumulatív energiafogyasztás (Kcal) és a súlygyarapodás (kg) arányában számítottuk ki 12 hét étrendi beavatkozás után.

Intraperitoneális glükóz tolerancia teszt

Az intraperitoneális glükóztolerancia teszt (IPGTT) elvégzéséhez egy éjszakán át (~ 16 óra) való táplálékmentesen 50% -os dextrózoldat intraperitoneális injekciót adunk 2 g/testtömeg-kg dózisban 3 és 8 héten belül az étrendi kezelések megkezdése után. (31) A vércukor-koncentrációt a saphena vénából kézi glükométerrel (Accu-Chek Glucose Meter; Roche, Basel, Svájc) határoztuk meg 0, 30, 60 és 120 perccel a dextróz injekciók után.

Vérnyomásmérések

A vérnyomásméréseket 1,3, 5, 7 és 11 hét múlva rögzítettük egy mandzsetta vérnyomásmérővel (Coda System; Kent Scientific, Torrington, CT, USA), amint azt korábban leírtuk (31). Röviden: a patkányokat 2 napig (30 perc/nap) a Bollman visszatartó ketrecekhez akklimatizáltuk a vérnyomásmérés előtt 9:00 és 12:00 óra között. A mérés napján a patkányokat visszatartottuk, és farkukat előmelegítettük 34 ° C-ra 10–15 percig. Legalább 5 mérést végeztek, és az egyes időpontokban a 3 legstabilabb vérnyomás-felvétel átlagát vették figyelembe statisztikai elemzés céljából, amint mi (31) és mások (62) beszámoltunk róla.

Vér- és szövetmintavétel étkezés után

12 hét étrendi beavatkozás után fiziológiás kevert étkezési tolerancia tesztet hajtottak végre (63, 64). Röviden, miután egy éjszakán át nem etették (~ 16 óra), a patkányoknak 1 órán keresztül hozzáférést biztosítottak a megfelelő étrendjükhöz. A chow-étrenddel táplált patkányok ~ 17,5 kcal-t fogyasztottak, míg a HFD-vel táplált patkányok ~ 20 kcal-t fogyasztottak az élelemhez való hozzáférés során. Vérmintákat vettünk a saphena vénából a táplálékhoz való hozzáférés előtt, majd 1 és 2 órával hormon- és metabolitvizsgálatok céljából. A vérmintákat EDTA-t (1,5 mg/ml vér), proteáz-inhibitor koktélt (10 µl/ml vér; MilliporeSigma) és dipeptidil-peptidáz intravénás gátlót (10 µl/ml vér; MilliporeSigma) tartalmazó csövekbe gyűjtöttük, és a plazma elválasztására centrifugáltuk. -80 ° C-on tároltuk az elemzésig. A vércukor-koncentrációt glükométerrel mértük a fent említett időpontokban. Vérminta után az állatokat CO2-val eutanizálták; a májat, a vesét, a vázizomzatot, az interscapularis BAT-ot és a retroperitoneális zsírszöveteket steril PBS-ben végzett öblítés után összegyűjtöttük, folyékony nitrogénben lefagyasztottuk, majd -80 ° C-on tároltuk a további elemzésig. A máj zsírszázalékát a Minispec LF110 NMR analizátor biopsziás szondájával mértük.

A plazma hormonok és a triglicerid koncentrációk meghatározása

Az inzulin, a glükózfüggő inzulininotróp peptid (GIP), a GLP-1, a C-peptid, a hasnyálmirigy-polipeptid (PP) és a leptin plazmakoncentrációit egy független laboratórium (Eve Technologies, Calgary, AB) Luminex Multiplex ELISA (MilliporeSigma) alkalmazásával határoztuk meg., Kanada). Mivel a 40 mintából csak 4-nél volt GLP-1 kiolvasás a vizsgálattal, az adatokat nem vettük figyelembe további elemzésekhez. A kvantitatív inzulinérzékenység-ellenőrző indexet (Quickl) 1/[log (éhomi plazma glükóz) + log (éhomi plazma inzulin)] (65) alkalmazásával számoltuk. A trigliceridek plazma- és májkoncentrációit kereskedelmi vizsgálati készlet segítségével (STA-396; Cell Biolabs, San Diego, Kalifornia, USA) határoztuk meg a gyártó protokolljának betartásával.

Félkvantitatív valós idejű PCR

Vakbaktériumok DNS-izolálása és 16S rRNS-szekvenálás

Bél mikrobiotanalízis

statisztikai elemzések

EREDMÉNYEK

A magas zsírtartalmú etetés eltérően befolyásolja az SHRSP és WKY patkányok energiaegyensúlyát

A törzs fő hatása, valamint a törzs és az étrend időbeli kölcsönhatásai az élelmiszer-bevitelre és az EE-re jelentősek voltak. Az SHRSP patkányok heti átlagos táplálékfogyasztása nagyobb volt, mint a WKY patkányoké a vizsgálat első 5 hétében, a chow-vel táplált SHRSP patkányok többet fogyasztottak, mint a 7 és 10 hét közötti HFD-k (1. ábra)B). Hasonlóan a beviteli válaszokhoz, az SHRSP patkányok összességében szignifikánsan nagyobb átlagos EE és hőtermeléssel rendelkeztek, mint a WKY patkányok (1. ábraC és kiegészítő S1 ábraM). Bár az étrend nem befolyásolta az SHRSP patkányok EE-jét, a HFD magasabb EE-t eredményezett a WKY patkányokban, összehasonlítva a 28 napos chow-táplált társaikkal (1. ábraC). Jelentős étrendi hatás volt az RQ-ra mind az SHRSP, mind a WKY patkányokkal táplált patkányok RQ-értéke megnőtt, mint a magas zsírtartalmú társaiké a vizsgálat során (1. ábraD).

A törzs fő hatása, valamint a törzs és az étrend időbeli kölcsönhatásai a testtömegre és az összetételre jelentősek voltak (P

Az exendin-4 hipofág hatásai csökkentek az SHRSP patkányokban és a magas zsírtartalmú etetés esetén

A gyógyszer, az étrend, a törzs és az idő, valamint ezek kölcsönhatásainak jelentős fő hatásai voltak a kumulatív energiafelvételre (P

Az SHRSP patkányok táplálék nélküli és étkezés utáni EE-je nagyobb, mint a WKY patkányoké, de az SHRSP patkányok megnövekedett kiadása kevésbé reagál a szisztémás szimpatikus blokádra

Bár a táplálék utáni bevitel nem különbözött csoportonként (P > 0,05, Ábra. 3A), mind az SP ‐ CHW, mind az SP ‐ HFD patkányok RQ-ja alacsonyabb volt, mint a WKY patkányok 12 órán át az utánpótlás után (3. ábraB). Ezenkívül az SHRSP patkányok EE-je szignifikánsan nagyobb volt, mint a WKY patkányok ~ 12 órás táplálékhiány és az újratáplálás után, különösen a sötét időszakban (3. ábraC). Az SHRSP patkányokkal ellentétben azonban a WKY patkányok nagyobb HFD-indukált növekedést mutattak a táplálék nélküli EE-ben (3. ábraC, D). Nevezetesen a propranolollal való szimpatikus blokád feltárta a törzs, a gyógyszer és kölcsönhatásaik fő hatásait az EE-re (3. ábraE, F). A hordozóval összehasonlítva a propranolol szignifikánsan csökkentette az EE-t WK-CHW, WK-HFD és SP-CHW patkányokban, de SP-HFD patkányokban nem (3. ábraE). A kumulatív EE 19, 23 és 9% -kal csökkent a propranolol beadása után WK-CHW, WK-HFD és SP-CHW patkányokban, de SP-HFD patkányokban nem (3. ábraF). Így az SHRSP patkányok nagyobb táplálék nélküli és étkezés utáni EE-vel rendelkeznek, de a WKY patkányoknál kevésbé reagálnak a nem táplálkozó EE HFD-indukálta növekedésére és a β-1/β-2 adrenerg receptor antagonizmusra.

A termogenezis markereit az SHRSP patkányok perifériás szöveteiben fokozottan szabályozzák

A magas zsírtartalmú etetés nem változtatja meg a vérnyomást, de elősegíti a glükóz intoleranciát, modulálja a plazma hormonokat, növeli a triglicerideket és elősegíti a máj lipidózisát SHRSP patkányokban

Bár az étrend hatása a vérnyomásra nem volt jelentős (P > 0,05), szignifikáns törzs volt (P

A magas zsírtartalmú táplálás 3 hét után összehasonlítható glükóz intoleranciát váltott ki mind az SHRSP, mind a WKY patkányokbanP

Az étrend és a gazda genetikája jelentősen megváltoztatja a bél mikrobiotáját

A bél mikrobiális összetételének viszonylagos bőségét a menekültügyi szinten az összes csoport között bemutatjuk Ábra. 6.A. Az étrendnek volt a legnagyobb hatása a mikrobiális közösség összetételére (P 2 = 25%) és kisebb, de mégis szignifikáns törzs (P = 0,001, R 2 = 12%) hatás (6. ábraB). Jelentős diétás hatás volt (P

VITA

Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy a magas zsírtartalmú táplálás károsítja az elhízásra hajlamos patkányokban a perifériás jóllakottsági hormonok, például a kolecisztokinin és a GLP-1 táplálékfelvételének gátlását (34, 36–38). Ezekkel a jelentésekkel összhangban azt is megállapítottuk, hogy a HFD-vel táplált SHRSP és WKY patkányok kevésbé voltak érzékenyek a GLP-1 receptor agonista, az exendin-4 táplálékfelvételének gátlására. Bár a chow-vel táplált SHRSP patkányok kalóriabevitelét a kiömlés korrekciói ellenére kissé felül lehet becsülni, a bevitel mégis összehasonlítható volt korábbi jelentésünkkel (31). Az SHRSP-ben a hyperphagia valószínűleg nem a perifériás hormonok GIP, leptin és PP szekréciójának diszregulációjának tudható be, mivel keringő koncentrációjuk nem különbözött az SHRSP és a WKY patkányok között sem a táplálék nélküli, sem az étkezés utáni időszakban. Érdekes módon az exendin-4 általi kalóriabevitel elnyomásának mértéke kisebb volt az SHRSP-ben, mint a WKY patkányokban, ami arra utal, hogy a jóllakást közvetítő GLP-1 receptor jelátvitel az SHRSP-ben nagy valószínűséggel károsodott. Az is valószínű, hogy az SHRSP megnövekedett kiadásán túl másodlagos orexigén jelek csillapíthatják az exendin-4 anorexigén hatásait; hogy más bél neuro-humorális-jelátviteli mechanizmusok is működőképesek-e az SHRSP patkányokban, azt még meg kell határozni.

Összefoglalva, bebizonyítottuk, hogy a magas zsírtartalmú táplálás összehasonlíthatóan megnövelte az adipozitás és a hipertrigliceridémia indexeit mind az SHRSP, mind a WKY patkányokban, de az SHRSP patkányok egyedi jellemzőkkel rendelkeznek, beleértve a hyperphagia-t, csökkent érzékenységet a bél jóllakottsági jeleinek hipofágikus hatásaival szemben, korlátozott képesség a glükóz tisztítására étkezés, diszbiotikus bélflóra és tartós hipertónia. Így az SHRSP patkányok megragadják a metabolikus szindróma 5 alapvető jellemzőjének legalább 3-át, és jelentős potenciállal rendelkeznek a genetika, az étrend és a bél mikrobiota összetett kölcsönhatásainak boncolgatására, amelyek a metabolikus szindrómával fordulnak elő.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

MINT. támogatta Gerald L. (Jerry) Weber Cosmopolitan International Club of Calgary Graduate Scholarship. A munkát támogatta a Kanadai Szív és Stroke Alapítvány (G-18-0022205), a Kanadai Innovációs Alapítvány (18617) és az Alberta Advanced Education and Technology infrastrukturális támogatása (URSI-09- 008 ‐ SEG) a PKC-hez és a Calgaryi Egyetem Nemzetközi Mikrobiom Központjától. Nagy teljesítményű számítást a Calgary Egyetem Egészségügyi Genomikai és Informatikai Központ szolgáltatott. A szerzők nem jelentenek összeférhetetlenséget.

A SZERZŐ HOZZÁJÁRULÁSAI

A. Singh és P. K. Chelikani tervezte a kutatást; A. Singh, R. C. Zapata, A. Pezeshki és P. K. Chelikani állatkísérleteket hajtott végre; A. Singh laboratóriumi elemzéseket végzett és elkészítette a cikket; M. L. Workentine bélmikrobiota elemzéseket végzett; A. Singh és P. K. Chelikani pedig statisztikai elemzéseket végzett és megírta a kéziratot más szerzők szerkesztésével.