A leptin hozzájárul a fiatalabb rágcsálóknál a ketogén étrend lassabb súlygyarapodásához

Absztrakt

A ketogén étrend (KD) hatékony terápia az orvosilag refrakter gyermekkori epilepszia számára, amely szintén lassítja a súlygyarapodást. Teszteltük azt a hipotézist, hogy a KD lassítja a súlygyarapodást keresztül az energia homeosztázisában részt vevő neurohormonok. Megállapítottuk, hogy a KD-vel táplált fiatalkorú rágcsálóknál a súlygyarapodás lassabb, mint a szokásos étrenddel (SD). A KD-vel táplált patkányoknak magasabb volt a szérum leptinszintje és alacsonyabb az inzulinszintje, mint az SD-vel etetettekben. Tovább vizsgáltuk a leptin növekedését, mert ez a változás volt az egyetlen, amely megfelel a lassabb súlygyarapodásnak. Bár az SD-vel táplált patkányok lassabb súlygyarapodást tapasztaltak, ha a kalóriatartalom korlátozott volt, szérum leptinszintjük hasonló volt az SD-vel etetett ad libitum. Továbbá a leptinhiány (ob/ob) és leptin receptor hiányos (db/db) egerek nem mutattak lassabb súlygyarapodást a KD-n. A KD-n lévő összes állatnál megemelkedett a szérum β-hidroxi-butirát (βHB) szintje. Tehát a ketózis elégtelen, és szükségesnek tűnik egy működő leptin jelzőrendszer a KD számára a súlygyarapodás lassításához. A leptin növekedése hozzájárulhat a KD görcsoldó hatásához.

Kevés kezelési lehetőség áll rendelkezésre azon epilepsziás gyermekek 20–30% -ánál, akiknek rohamai refrakterek a gyógyszeres kezelésre. Az egyik lehetőség a magas zsírtartalmú, alacsony szénhidráttartalmú és megfelelő fehérjetartalmú étrend. A KD figyelemreméltóan hatékony orvosilag refrakter epilepsziában szenvedő gyermekeknél, mivel 5–10% -uk rohammentessé válik, 30% -uk pedig> 90% -kal csökken a rohamok gyakoriságában (1). Ennek ellenére káros hatásai és az étrend végrehajtásával és fenntartásával járó szülői erőfeszítések korlátozzák annak használatát. Így minden epilepsziás gyermek számára előnyös lehet egy egyszerűbb módszer az étrend görcsoldó hatásának elérésére, amely megköveteli annak hatásmechanizmusának tisztázását.

Itt arra összpontosítunk, hogy a KD-vel kapcsolatos csökkent súlygyarapodás mit tárhat fel az étrend görcsoldó mechanizmusáról. Számos tanulmány arról számolt be, hogy a KD-n szenvedő gyermekek súlya körülbelül 10 percentilis, bár a megfelelő súlygyarapodás a cél (2,3). Felismerve, hogy az alacsony szénhidráttartalmú étrend, például az Atkins-étrend ketogén, kevésbé meglepővé teszi ezt a csökkent súlygyarapodást. Valójában az Atkins-étrend és más alacsony szénhidráttartalmú KD-k 5–10% -os súlyvesztést eredményeznek 6 hónap alatt (4,5). Továbbá a KD-re helyezett rágcsálók lassabb súlygyarapodást mutatnak (6,7).

Feltételeztük, hogy a KD görcsoldó és súlyhatása közös mechanizmust mutat, amely magában foglalja a leptin, az inzulin, a ghrelin vagy a kortizol szérumszintjének változását. Ezek a perifériás úton felszabaduló hormonok segítenek meghatározni a testtömeget, mert szabályozzák az energia homeosztázisát (8). Fontos, hogy a leptin és az inzulin az idegsejtek ingerlékenységét is módosítja (9,10).

MÓD

Diétás protokollok.

A kísérleti protokollokat a Washingtoni Egyetem Állattanulmányi Bizottsága hagyta jóvá. Sprague-Dawley patkányok (Charles River Laboratories, Wilmington, MA), hím ob/ob egerek (Stock 000632, The Jackson Laboratory, Bar Harbor, ME), hím C57BL/6J egerek (Stock 000664, The Jackson Laboratory), hím db/db az egereket (000642 készlet, The Jackson Laboratory) és a hím C57BLKS/J egereket (000662 készlet, The Jackson Laboratory) 12 órás világos/sötét ciklus alatt helyeztük el. Patkányokkal végzett kísérletek a posztnatális napon (PD) kezdődtek, az elválasztás napján, az egerekkel pedig akkor kezdődtek, amikor ob/ob és db/db az egerek fenotípusosan azonosíthatók. A ketrecekben négy-hat patkány vagy két-három egér volt. Minden állatnak megvolt ad libitum vízhez való hozzáférés. SD-vel (Rodent Diet 20, PicoLab, Richmond, IN), KD-vel (F3666; Bio-Serv, Frenchtown, NJ) vagy korlátozott kalóriatartalmú étrenddel (CD) táplálták őket. Az SD-n lévő állatok kalóriájuk 12% -át zsírból, 65% -át szénhidrátból és 24% -ot fehérjéből kapták. Tömeg szerint az SD 20% fehérje, 5% zsír, 5% rost, 55% szénhidrát és 6% hamu volt. A KD-n lévő állatok kalóriájuk 92% -át zsírból, 3% -át szénhidrátból és 5% -át fehérjéből kapták. Tömeg szerint a KD 8–9% fehérje, 75% zsír (45% sertészsír, 19% vaj és 10% kukoricaolaj), 4% rost, 3% hamu, 4–6% szénhidrát volt, 3. ábra

Adatelemzés.

Testtömeg vagy normalizált kalóriabevitel ellen A PD-t összehasonlítottuk ismételt varianciaanalízissel (ANOVA) (SPSS, Chicago, IL). Az eszközöket összehasonlították a t teszt vagy ANOVA a Tukey-val post hoc az eszközök összehasonlítása (OriginLab, Northampton, MA). A lineáris illesztéseket lineáris regresszióval értük el. Az adatokat az átlag ± az átlag standard hibájaként (SEM) mutatjuk be. Statisztikai szignifikanciát o

EREDMÉNYEK

A fiatal Sprague-Dawley patkányok lassabban híztak egy KD-n.

A fiatal Sprague-Dawley patkány alomtársait 2 hétig KD-vel vagy SD-vel etettük. A fiatal patkányokat azért választottuk, mert a fiatalabb állatok jobban alkalmazkodnak a ketózishoz (14). A KD chow ugyanaz a chow volt, amelyet számos más rágcsáló-vizsgálatban használtak (6,7,15). A patkányok nehezen tolerálták a KD-t. Olyan egészségesnek és aktívnak tűntek, mint alomtársaik etették az SD-t.

A KD alomtársai lényegesen lassabban híztak, mint testvéreik etették az SD-t, amint azt korábban megjegyeztük (6,7) (1. ábraA). A szív, a máj és a vese nedves súlya 33–48% -kal alacsonyabb volt, míg az agy tömege 2 hét után megmaradt a KD-n (1. ábra,B-E). A tömegkülönbségektől eltekintve a KD-vel táplált patkányok szervei nem különböztek jelentősen az SD-vel tápláltaktól, kivéve a máj zsíros jellegét. Annak megállapítására, hogy a KD hatása a testtömegre visszafordítható-e, patkányokat helyeztünk az SD-re PD 21-től PD 25-ig, a KD-étrendet PD 26-tól PD 30-ig és SD-t PD 31-től PD 35-ig. Ezek az állatok lassabb növekedési ütem, míg a KD-nél az SD-re visszatérve megfordult (1. ábraA). Érdekes módon a KD-n lévő patkányoknál magasabb volt a normalizált kalóriabevitel, mint az SD-n (1. ábraF). Így a KD reverzibilisen lassította a súlygyarapodást, beleértve a fiatal test patkányok sovány testtömegét is, miközben fenntartotta az agy növekedését.

Megnövekedett szérum leptin KD-vel táplált juvenilis Sprague-Dawley patkányokban.

Az egyik mechanizmus, amellyel a KD lelassíthatja a súlygyarapodást, a szérum leptin, inzulin, ghrelin és kortizol szintjének megváltoztatása, amelyek az energia homeosztázis szabályozásában szerepet játszó hormonok (8). Feltételeztük, hogy a KD lassítja a súlygyarapodást a leptin növelésével, az inzulin növelésével, a ghrelin csökkenésével vagy a kortizolszint csökkentésével.

2 hét múlva a KD patkányainál a szerdai βHB szérumszintje tízszer magasabb volt, és 30% -kal alacsonyabb a glükózszint, mint az SD-n lévő patkányoknál (2. ábraA és B). Az emelkedett βHB-szintek azt jelezték, hogy a KD ketózist termelt. Az alacsonyabb glükózszintre számítottak, mivel az alacsony szénhidráttartalmú étrend csökkentheti az emberek vércukorszintjét (5,16). A KD patkányainak szintén 140% -kal magasabb a leptin szintje, 72% -kal alacsonyabb az inzulin szintje, és kissé megnőtt a kortizol szintje, de hasonló a ghrelin szintje délben, mint az SD-n lévő patkányokban (2. ábraC-F). Öt nap a KD-n kisebb szérum βHB és leptin növekedést eredményezett, mint 2 hét a KD-n, a változások szignifikánsak és megfordultak az SD-be visszatérve (2. ábraA és F). Bár az alacsony fehérjetartalmú étrend lassítja a súlygyarapodást, csökkenti az inzulinszintet és növelheti a leptinszintet (17,18), növeli a ghrelinszintet (19), ami arra utal, hogy eredményeink nem kizárólag a KD alacsony fehérjetartalmából származnak . A megfigyelt hormonális változások közül csak a leptin növekedése lassíthatja a súlygyarapodást.

Megvizsgáltuk, hogy a szérum βHB és a leptin hogyan változott a tömegben, mivel ezek a paraméterek ismert összefüggést mutatnak. Az alacsony szénhidráttartalmú étrendet fogyasztó elhízott emberek nagyobb súlyvesztést tapasztalnak magasabb βHB-szinttel (4). Mind az SD, mind a KD esetében azok a patkányok súlyoztak a legkevésbé, amelyek az áldozat napján a legmagasabb βHB-szinttel rendelkeztek (2. ábraG). Rágcsálóknál a szérum leptin szintje korrelál a testtömeg-indexdel (20). Noha a súly és a leptin szintje nem korrelált SD-ben lévő patkányokban, a KD-n magasabb leptin-szinttel rendelkező patkányok súlya nagyobb (2. ábraH). Az SD és a KD esetében sem az inzulin, sem a leptin: inzulin arány nem korrelált a tömeggel.

A CD-vel táplált fiatal Sprague-Dawley patkányokban a szérum leptin nem növekszik.

Egy másik kísérletben összehasonlítottuk a KD-vel, CD-vel vagy SD-vel táplált patkányok súly növekedési görbéit és a szérum leptin szintjét. A fiatal patkány alomtársakat 2 hétig KD, CD vagy SD adagoltuk. A KD-n és CD-n lévő patkányok lassabban híztak, mint testvéreik az SD-vel (3. ábra)A). A KD-n lévő patkányok zsírtömege az össztömeg százalékában kétszer-háromszorosa volt az SD-n vagy CD-n lévő patkányoknak (3. ábraB). A KD-n lévő patkányok hatszor nagyobb βHB-értékkel rendelkeztek, mint az SD-vel vagy CD-vel táplált patkányok (3. ábraC). Az SD-hez viszonyítva a KD és a CD által kiváltott változások a leptin szintekben korrelálnak a zsírtömeg változásával (3. ábraD). A CD-n lévő patkányok közvetlenül az áldozat előtt hozzáférhettek a chow-hoz, csakúgy, mint az SD-n és a KD-n lévő patkányok. A CD-n lévő patkányok számára a chow-hoz való hozzáférés közvetlenül az elejtés előtt maximális leptinszintet eredményez (11), és csökkentheti a βHB szintjét. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a KD által kiváltott szérum βHB és leptin növekedés nem a lassabb növekedés következménye.

A fiatalkori ob/ob és db/db egerek nem híztak lassabban KD-n.

A ob/ob és db/db az egerek nem befolyásolták a KD hatásait. C57BL/6J (háttér törzs a ob/ob egerek) és C57BLKS/J (háttér törzs a db/db egerek) a KD-vel táplált egerek lassabban híztak, mint az SD-vel tápláltak (4. ábraA és 5A). A KD csökkentette a normalizált kalóriabevitelt a C57BLKS/J-ben, de a C57BL/6J egerekben nem (4. ábraB és 5B). A KD 10-szeresére növelte a déli szérum βHB-szintet a C57BL/6J egerekben, a C57BLKS/J egerekben pedig hatszorosát (4. ábraC és 5C). A KD legalább 130% -kal növelte a szérum leptin szintjét a C57BL/6J és a C57BLKS/J egerekben (4. ábraD és 5D).

VITA

Az epilepsziás gyermekeknél a KD által kiváltott lassabb súlygyarapodást reprodukáltuk fiatal patkányok és egerek több törzsében. A KD-n lévő állatok magasabb szérum leptinszinttel, alacsonyabb inzulinszinttel, kissé megnövekedett kortizolszinttel és hasonló ghrelinszinttel rendelkeztek, mint az SD-vel etetett állatok. Csak a leptin változása felel meg a lassabb súlygyarapodásnak. A KD sikertelensége a súlygyarapodás lassításában ob/ob és db/db az egerek támogatják a leptin szerepét ebben a folyamatban.

Eredményeink különböznek egy nemrégiben végzett tanulmány eredményeitől, amelyek szerint a KD-vel táplált patkányokban megemelkedett a ghrelin szint (22). Megjósolhatnánk egy ilyen növekedést, mert a fehérje-korlátozott étrendben patkányokban megfigyelt lassabb súlygyarapodással összefüggésben a ghrelin szint emelkedik (19). Bár az általunk alkalmazott KD alacsony fehérjetartalma hozzájárulhatott eredményeinkhez (7), a ghrelin változásának hiánya és három másik megfigyelés arra utal, hogy nem ez az egyetlen tényező. Először is, a KD fenntartotta a normális súlygyarapodást ob/ob és db/db egerek. Másodszor, a KD-vel táplált patkányok a testtömeg százalékában kifejezve viszonylag jól megőrzött sovány tömeget mutattak. Harmadszor, a CD-n a leptin csúcsszintje nem haladta meg a minimális leptinszintet az SD-n, annak ellenére, hogy a CD-nél lassabb a súlygyarapodás.

Végül a KD-nek növelnie kell az energiafogyasztást az energiafogyasztás felett, hogy lassítsa a súlygyarapodást. A KD változó hatással volt a normalizált kalóriabevitelre, annak ellenére, hogy folyamatosan lassult a súlygyarapodás. Csökkentette a kalóriabevitelt a C57BLKS/J-ben, db/db, és ob/ob egerek, a C57BL/J6 egereknél nem volt hatással a kalóriabevitelre, a Sprague-Dawley patkányoknál pedig a megnövekedett kalóriabevitelre. Bár a KD chow olajos konzisztenciája megnehezítette a kalóriabevitel mérését, összességében eredményeink azt sugallják, hogy a KD csökkentheti a táplálékfelvételt és növelheti az energiafelhasználást, amelyek a leptin ismert hatásai (8).

Eredményeink alátámasztják azt a hipotézist, hogy a KD görcsgátló hatását számos káliumcsatorna aktiválásával fejti ki keresztül az általa kiváltott metabolikus változások (27). Feltételezzük, hogy a KD által kiváltott szérum leptin emelkedés növeli az agy leptin szintjét, mert az agy szintje arányos a szérum szinttel (28). Az agyszint diffúz növekedésére számítunk, mivel a leptin transzporterek az egész agyban léteznek (28), és a leptin az egész agyban növekszik exogén alkalmazás esetén (29). A leptin görcsoldó hatású lehet az egész agyban, mivel a leptin receptorok az egész agyban léteznek (28), és aktiválják a kalciummal aktivált káliumcsatornákat (9). Az inzulin csökkenése azonban ellensúlyozhatja a leptin emelkedésének néhány hatását, mivel az inzulin ugyanazt a csatornát aktiválja (10). Összefoglalva, feltételezzük, hogy a KD nettó antikonvulzív hatást fejt ki részben azért, mert a megnövekedett agyi leptin aktiválja a káliumcsatornákat. Ez a mechanizmus egyedülálló lehet az antiepileptikumok között, amelyek a súlygyarapodástól függetlenül nem növelik a leptint (30–32). Eredményeink nem zárják ki, hogy a KD komplex metabolikus és sejtes hatásait érintő egyéb mechanizmusok vagy neuronok vagy glia energia homeosztázisának modulációja hozzájáruljon görcsoldó tulajdonságaihoz (27).

Annak ellenére, hogy a leptinre összpontosítottunk, más neurohormonok hozzájárulhatnak a KD görcsoldó és súlyhatásaihoz. Például a megnövekedett kortizolszintek, amelyeket patkányokon találtunk a KD-n, tükrözi a KD-n lévő gyermekeknél tapasztalt növekedést, és hozzájárulhat az étrend görcsoldó hatásához (33). Mások megfontolták annak lehetőségét, hogy az Y neuropeptid és a galanin expressziójának változásai hozzájárulnak a KD hatásához, de a diéta nem változtatja meg az agyuk mRNS szintjét (34). Ahelyett, hogy kizárnánk más neurohormonok hozzájárulását, eredményeink azt mutatják, hogy az energia homeosztázisban szerepet játszó neurohormonok KD által kiváltott változásainak tanulmányozása segíthet a KD antikonvulzív és súlyhatásainak hátterében álló mechanizmusok tisztázásában.