A magas aktivitás lehetővé teszi az életet a magas cukortartalmú étrend mellett: a vércukorszint szabályozása a nektárt tápláló denevérekben

Detlev H. Kelm

1 Leibniz Állat- és Vadkutató Intézet, Alfred-Kowalke-Strasse 17, 10315 Berlin, Németország

Ralph Simon

2 Állatfiziológiai Intézet, Erlangeni Egyetem, 91058 Erlangen, Németország

Doreen Kuhlow

3 Klinikai Táplálkozási Osztály, Német Emberi Táplálkozástudományi Intézet, 14558 Nuthetal, Németország

Christian C. Voigt

1 Leibniz Állat- és Vadkutató Intézet, Alfred-Kowalke-Strasse 17, 10315 Berlin, Németország

Michael Ristow

3 Klinikai Táplálkozási Osztály, Német Emberi Táplálkozástudományi Intézet, 14558 Nuthetal, Németország

4 Humán Táplálkozási Osztály, Táplálkozástudományi Intézet, Jenai Egyetem, 07743 Jena, Németország

Absztrakt

1. Bemutatkozás

Számos tanulmány kimutatta, hogy a túlzott cukorfogyasztás okozta megemelkedett vércukorszint és magas táplálkozás utáni vércukorszint-emelkedések a diabetes mellitus jellemzői. Kapcsolódnak csökkent inzulinérzékenységhez és több későbbi rendellenességhez, beleértve a nephro-, neuro- és retinopathiát, és végül az emlősök várható élettartamának csökkenéséhez [1–4]. Ezt a folyamatot, az egészségre gyakorolt káros hatások széles skálájával, glükotoxicitásnak nevezik, és emberben és különféle állatmodellekben jól tanulmányozták [5,6].

Az emlősök nektárszakemberei profitálnak az energiadús táplálékforrásból, ugyanakkor szokatlanul nagy mennyiségű glükózt fogyasztanak, és nem világos, hogyan kerülhetik el étrendjük kóros mellékhatásait [7]. A neotropikus glossophagine denevérek speciális nektártáplálók, amelyek sok egyben fésült növény virágnektárját hasznosítják, egyidejűleg beporzó szolgáltatásokat nyújtanak [8]. A virágos nektár glükóz, fruktóz és szacharóz oldatából áll, legfeljebb 30% -os koncentrációban [9]. A nektárt tápláló denevérek minden este nagy mennyiségű cukrot fogyasztanak, ami testtömegük körülbelül egynegyedét teszi ki [10–12]. Az ilyen magas cukorfogyasztás ellenére kis méretük miatt viszonylag hosszú életűek: egy 7–23 g-os denevér 10 évnél hosszabb ideig élhet, ami legalább ötször hosszabb, mint egy hasonló méretű rágcsáló [13,14].

A nektárt tápláló denevérek szokatlan étrendjük mellett magasabb tömegspecifikus anyagcsere-sebességgel rendelkeznek, mint más hasonló méretű, eltérő táplálkozási szokásokkal rendelkező emlősök [10,11,15], ami a szárnyas virágok kizsákmányolásának költséges takarmányozási módjának köszönhető [16 ]. Megállapították, hogy gyorsan felszívják a bevitt nektárt, jól felszerelték a bélszacharázzal, a szacharóz hidrolíziséért felelős enzimmel [17]. Rendkívüli módon a bevitt cukrokat közvetlenül felhasználják, nem pedig zsírokká alakulnak, és szinte teljes egészében táplálják az állatok anyagcseréjét nyugalmi állapotban és repülés közben is. Ez az adaptáció valószínűleg a testzsír megkímélésére alakult ki, és ezáltal csökkentette a testtömeget és az ezzel járó további repülési költségeket, ugyanakkor magas étrendi hatékonysághoz vezetett, mivel elkerülik az anyagcsere-cukor-zsír átalakulás energetikai költségeit [18,19]. A virágos nektárban elfogyasztott cukor metabolikus útja a bevétel ideje és a mitokondriális energia-átalakulás között azonban nem világos.

2. Módszerek

Glükóz tolerancia teszteket végeztünk a nektárt tápláló denevéreken, G. soricina (Phyllostomidae: Glossophaginae) fogságban tartott tenyésztelepen, a németországi Erlangeni Egyetem fogvatartási kolóniájában. A természetben ez a gyakori faj sokféle élőhelyen fordul elő Mexikó északi részétől Argentína északi részéig, és számos denevérporos növény nedvével táplálkozik [24]. A kísérletek között az állatokat mézes vízzel, kolibri eledellel (Nektar PLUS, Günther Enderle Nekton, Pforzheim, Németország) és bébiételekkel (Aletemil, Alete, Nestlé, Németország) tartottuk 20% -os csapvízoldatban. Ezenkívül pollent és banánt biztosítottak, és a víz ad libitum volt. Minden állat legalább 10 órán át éhezett a kísérletek előtt. Minden kísérlet előtt megmértük a denevérek testtömegét (Mb) (PM-300, Mettler, Greifensee, Svájc), és az állatok átlagos Mb-értéke 9,8 ± 0,7 g (n = 79).

Az etetés utáni inaktivitás során a vércukorszint értékeléséhez minden denevérnek egyetlen orális glükózadagot biztosítottunk 21 százalékos glükózoldatként (w/w), amelyet a denevérek egy fecskendőből spontán lenyeltek, miközben kézben tartották őket. Az állatokat 1,8 (n = 5), 5,4 (n = 8) és 9 (n = 5) g glükóz kg −1 Mb értékkel teszteltük. Ezek a glükózmennyiségek viszonylag konzervatív becslések voltak arra nézve, hogy a denevérek mit vesznek be természetes élőhelyükön, és térfogatukban és energiájukban hasonlóak voltak az egy-hat virág nektárjához, vagy egyenértékűek a napi energiafelhasználás 1-3% -ával [10,11]. A különféle taxonómiai csoportokba tartozó növények látogatásonkénti jutalma átlagosan 66,3 ± 44,6 µl, és a nektárban jellemző cukorkoncentrációk általában 15 és 25% (m/m) között mozognak [9,11]. A kontroll állatokat (n = 7) nem etettük. Vérmintákat (kb. 3 µl) vettünk etetés előtt, majd 90 percig időközönként, a propatagialis vénából, egyetlen szúrásból steril tűvel (0,4 × 20 mm; Terumo, Leuven, Belgium). A vércukorszintet vércukor-analizátorral (Accu-Chek Compact, Roche Diagnostics, Mannheim, Németország) mértük. A mérések között a denevérek pamutszövetes zacskóban pihentek.

A vércukorszint visszafordíthatatlanul reagálhat a hemoglobinnal, glikált hemoglobint (HbA1c) képezve. A hemoglobin glikáció mértéke szorosan korrelál a környezeti glikémia szintjével néhány héten keresztül, az eritrociták élettartamától és a HbA1c lebomlási sebességétől függően. Ezért a glikált hemoglobin százalékos aránya a hosszabb ideig tartó átlagos vércukor-koncentráció mértéke [25,26]. Fotometrikusan mértük a HbA1c százalékát G. soricina vérében a pihenőidő alatt Siemens DCA 2000+ készülékkel (Siemens, Eschborn, Németország).

3. Eredmények

A kísérletek kezdetén az éhező és pihenő denevérek vércukor-koncentrációja 3,0 ± 1,5 mmol l -1 vér volt (n = 79). Etetés után a vércukor-koncentráció gyorsan növekedett, és az etetés után 10–30 perccel tetőzött (1. ábra). A vércukorszint-csúcsok nagysága, valamint az az idő, amikor a vércukorszint emelkedett maradt, szorosan korrelált a bevitt glükóz mennyiségével (vércukor-csúcsok: Spearman-rang rs = 0,94, p −1 Mb, a maximális vércukor-koncentráció meghaladta a 25 mmol glükózt l −1 vér 30 perc múlva, és az átlagértékek 15 mmol glükóz körül maradtak −1 vér 90 perc múlva glükóz bevétele után.

A vércukorszint az orális glükóztolerancia-vizsgálatok során nyugalmi állapotban a Glossophaga soricina 1,8 (n = 5; nyitott körök), 5,4 (n = 8; töltött körök) vagy 9 (n = 5; nyitott négyzetek) g glükóz kg egyetlen adaggal táplálkozott −1 Mb 21% -os glükózoldatként (± se). A kontroll állatokat (n = 7; kitöltött háromszögek) nem etettük.

Amikor hagytuk, hogy a denevérek különböző időközönként repüljenek, miután egyszeri 5,4 g/kg - 1 Mb glükózt fogyasztottak, hasonlóan a nektár két-négy virágból történő beviteléhez, a vércukorszint-csúcsok alacsonyabbak voltak, és a vércukor-időintegrálok kisebbek voltak növekvő repülési idővel (Pearson-féle korreláció, csúcsok: r = −0,487, n = 32, p 2. ábra). Így a repülés csökkentette az etetés utáni vércukorszint emelkedését azáltal, hogy növelte a glükóz vérből való kiürülését a pihenő denevérekhez képest. Az etetés után 30 perccel a vércukorszint szignifikánsan alacsonyabb volt az idő 50 és 70 százalékában repülő denevéreknél, mint a pihenő fajtársaknál (egyirányú ANOVA: F4,34 = 26,73, p −1 Mb 21% -os megoldásként. repülés volt minden vércukorszint-mérés után, 2, 5 és 7 percig, 10 perces időközönként.

A napi energiafelhasználásnak csak körülbelül 1% -át kitevő energiatartalmú glükóz (kb. 2,5 virág nektárnak megfelelő) bevitele 10 percenként azonban folyamatosan növeli a vércukorszintet, amely átlagosan 30 mmol-ot ért el. l −1 vér 80 perc elteltével, annak ellenére, hogy az idő 20 százalékának szakaszos repülési aktivitása van (3. ábra).

Vércukorszint a G. soricina-ban 10 percenként 2,7 g kg −1 Mb glükózt fogyasztva. Etetés után az állatok 2 percig repültek, majd 8 percig pihentek. A glükózt 21% -os cukoroldatként szolgáltattuk; n = 6.

Amikor a denevéreket cukoroldattal etettük, amely a virágnektár jutalmát szimulálta cukorösszetételben, koncentrációban és térfogatban 15 percenként két-négy virágból, és a denevéreket az etetés között különböző repülési időknek vetettük alá, a vércukorszint általában vagy kiegyenlített, vagy fokozatosan csökkent 15–60 perc az etetés után (4. ábra). Minél hosszabb ideig maradtak a denevérek levegőben az etetési események között, annál gyorsabban stabilizálódtak a vércukorértékek. A kísérlet utolsó 60 percében az átlagos vércukorszint negatívan kapcsolódott a repülési időhöz (Spearman rang rs = –0,73, p −1 vér, amikor a denevérek idejük 75 százalékát a szárnyon töltötték.

A vércukorszint G. soricinában 5,4 g kg -1 Mb Mb-os 20% -os cukoroldatot (37: 37: 26% glükóz, fruktóz és szacharóz) fogyasztva 15 percenként (± s.e.). A denevérek az etetés közötti 15 perces időintervallumok 30% -át (nyitott háromszögek), 45% -át (kitöltött körök), 60% -át (kitöltött háromszögek) vagy 75% -át (nyitott körök) engedték repülni; n = 6 csoportonként.

A G. soricina vérében a HbA1c százalékos aránya 3,9 ± 0,3 százalék volt (n = 9).

4. Megbeszélés

Megállapítottuk, hogy a nektárt tápláló denevér G. soricina kifejezetten változó vércukorszintet, valamint extrém csúcs- és platóértékeket fejez ki a glükózfelvétel után, az állatok normális étrendjéhez hasonló mennyiségben. Eredményeink azt mutatják, hogy az etetés után közvetlenül pihent denevérek hiperglikémiás tüskék, amelyek nagysága a bevitt glükóz mennyiségével nőtt. Csak a tartós, energiával költséges repülés révén, időjük körülbelül 60-75 százalékáig voltak képesek a denevérek a vércukorszint szabályozására az ilyen méretű emlősöknél általában megtalálható értékeken [21,23]. Ez azt jelenti, hogy a G. soricina nem (és valószínűleg nem képes) az etetés utáni vércukorszintjét kizárólag az inzulin által kiváltott sejtes glükóztranszporttal szabályozza olyan szorosan, mint más emlősök.

Ezek a megfigyelések kivételesek, mivel emlősöknél a vércukorszint pontos szabályozását kulcsfontosságúnak tartják az emelkedett vércukorszint egészségre gyakorolt rendkívül káros hatásai miatt [1–4,22]. Ezért a vércukorszintet általában szűk határok között szabályozzák, és függetlenek a táplálékfelvételtől vagy a fizikai aktivitás általi energiafogyasztás mértékétől [21–23]. Általában a vércukorszint negatívan korrelál a faj testtömegével, de a jóval 10 mmol glükóz l-1 értéket meghaladó értékek szokatlanok a kisemlős fajokban [21,23,27]. Valójában a G. soricinában a 25 mmol fölötti glükóz l-1 vércukorszint a valaha volt legmagasabb volt a természetes étrendi felvételüknek megfelelő glükózmennyiséggel táplált emlősöknél [10,11]. Ezeket a szinteket emberben és más emlősökben kórosnak tekintik [21,23,28].

Két forgatókönyv magyarázhatja eredményeinket: az egyik az, hogy a magas vércukorszint annak ellenére, hogy meghaladja az emlős normáját, nem káros a nektárt tápláló denevérekre. Alternatív, de nem egymást kizáró forgatókönyv az, hogy a természetben a magas repülési aktivitás nagymértékben megakadályozza a vércukorszint megnövekedését etetés után.

Elképzelhető, hogy a nektárt tápláló denevérek, kivételesen az emlősök körében, alkalmazkodtak a magas vércukorszint tolerálásához. Ehhez azonban szükség lenne a denevérek olyan fejlett mechanizmusaira, amelyek még ismeretlenek, hogy megbirkózzanak a hiperglikémia különféle következményeivel, amelyek általában károsak az emlősök egészségére. Először is, a magas vércukorszint növeli a fehérjék nem enzimatikus glikozilezését és a mérgező, előrehaladott glikogén végtermékek (AGE), például a HbA1c [25,26] képződését, amelyek különféle egészségügyi hibákat okozhatnak (pl. Szív- és érrendszeri betegségek és cukorbetegség [1–6]). ). A HbA1c százalékos arányának megállapítása az emlősök várható tartományán belül [29,30] azt jelenti, hogy az átlagos vércukorszint alacsony volt hosszabb ideig, hacsak a HbA1c képződésének vagy romlásának sebessége nem tér el jelentősen a többi emlősétől. Ezeket a megfigyeléseket valószínűleg nem lehet szokatlanul gyors vérsejtforgalommal magyarázni, mivel feltételezzük, hogy az eritrocita felezési ideje átlagos vagy viszonylag hosszú a nektárt tápláló denevéreknél (25 - 100 napnál hosszabb) [31,32].

Másodszor, a hiperglikémia és az akut vércukorszint-ingadozások növelhetik a proton gradienst a belső mitokondriális membránon, ezáltal zavarva a membrán elektronátadását a légzőszervi láncban, ami elektronszivárgást eredményez, és reaktív oxigénfajok (ROS) képződését eredményezi a fiziológiailag normális szinteken felül [ 2,5,33,34]. Ez különösen releváns lehet a nektárt tápláló denevéreknél, amelyeknek magas az anyagcseréjük, mivel a ROS termelése pozitívan korrelál az anyagcsere sebességével [35–37].

A ROS-ról kiderült, hogy károsítja a DNS-t, a lipideket és a fehérjéket, és a ROS által kiváltott oxidatív stressz kulcsfontosságú tényező lehet az állatok öregedési folyamatában, valamint a metabolikus szindróma és a cukorbetegség kialakulásában [14,33,38]. A ROS zavarhatja a hasnyálmirigy gén expresszióját, a hasnyálmirigy b-sejtjeinek diszfunkciójához vezethet és megakadályozhatja az inzulintermelést, de inzulinérzékeny szövetekben inzulinrezisztenciához is vezethet [2,5,6,39]. Így a hiperglikémia tolerálásához a denevéreknek vagy meg kellene akadályozniuk a ROS túlzott termelését (pl. A fehérjék szétkapcsolásával [14,37]), vagy csökkenteniük kell az oxidatív stresszt, esetleg a ROS antioxidánsokkal történő pufferelésével [5,33,36] . Ennek ellenére a legújabb tanulmányok az emlősök egészségére és öregedésére gyakorolt oxidatív stressz megzavaró eredményeit mutatják, amelyek egyértelműen nem támasztják alá a közvetlen kapcsolatot a ROS-termelés, az oxidatív károsodások és a hosszú élettartam között. Egyes hosszú életű emlősöknél (pl. Vakond patkányok) a ROS termelés és a kapcsolódó károsodások hasonlóak, vagy még magasabbak, mint a rövid életű fajoknál [14,33]. Továbbá egyes szerzők kiemelik az ROS-folyamatok alapvető szerepét, mint például az indukált stresszállóság és az antioxidáns védekezés, amelyek pozitív hatással lehetnek az élettartamra [40].

A megnövekedett vércukorszint tolerancia bizonyos mértékben lehetővé teheti a denevérek számára, hogy a vért rövid távú glükóztartályként használják (például repülés közben az izomsejtek magas glikolízis-szintjét táplálják). Az ilyen magas mértékű glikolízis a mitokondriális oxidáció és a ROS-képződés alacsonyabb szintre történő csökkentésére is szolgálhat, mint a más emlősöknél megfigyelt szint, feltételezvén, hogy a glikolízis során termelt laktát is elég gyorsan megszüntethető a vér acidózisának megelőzésére (esetleg a laktát alaninná történő transzaminálásával, amely nem befolyásolja a vér pH-ját).

Érdekes módon azonban a G. soricina nem távolította el kellő mértékben a glükózt a véráramból pihenés és alacsony repülési aktivitás alatt. Lehetséges, hogy az izomenzimek (amelyek glikogenezissel eliminálhatták a glükózt a vérből) telítettek voltak, és más szabályozó mechanizmusok (például a máj gliko- és lipogenezise) túl lassúak voltak ahhoz, hogy lépést tartsanak a bélcukor asszimilációs sebességével és megakadályozzák a vércukorszint. Ehelyett a vércukorszint emelkedett a bevitt glükóz mennyiségének függvényében.

Függetlenül attól, hogy a nektárt tápláló denevérek fiziológiai toleranciát alakítottak-e ki a hiperglikémia iránt, a denevérek viselkedése egyértelműen a vércukorszint-csúcsok időtartamának és nagyságának csökkentését szolgálja. Megállapítottuk, hogy amikor a denevérek etetésük ideje alatt a levegőben töltött idő 60-75 százalékát töltötték, ez egyensúlyban tartotta a gyors bélcukor-felszívódást és csökkentette az étkezés utáni hiperglikémiát: a kezdeti vércukorszint-csúcsok jelentősen tompultak (kevesebb, mint 14 mmol glükóz l-1 vér) és az átlagos vércukorszint 2 óra elteltével alacsonyabb volt ahhoz képest, hogy a denevérek kevesebbet repülhettek.

A helyszíni megfigyelések azt mutatják, hogy a nektárt tápláló denevérek minden éjjel 12 órán keresztül takarmányoznak, amelynek során az etetési ütemek rövid pihenőidővel váltakoznak [7]. Megállapították, hogy a Glossophaga commissaris, a G. soricina testvérfaja, természetes átlagos élőhelyén éjszaka átlagosan 60% -ánál (legfeljebb 80% -án) aktív [48], amely eredményeink szerint a vér fenntartására szolgál normál szinten a glükóz etetés közben.

Javasoljuk, hogy a denevérek étrendi specializációjának evolúciós folyamatát a cukorban gazdag virágos nektáron a magas energiafelhasználási ráta egyidejű fejlődése támogatta, különös tekintettel a magas repülési aktivitásra, ezáltal megvédve a denevéreket a hiperglikémiától. A virágnektár, egy új, kiváló minőségű élelmiszer-forrás étrendbe történő felvétele lehetővé tette a denevérek számára, hogy több energiát fordítsanak olyan tevékenységekre, amelyek egyértelműen szelektív előnyökkel járnak, például új odahelyek és táplálékforrások keresésére, vagy párzási viselkedésre és más társadalmi célokra kölcsönhatások, egyidejűleg növelve az energiaforgalmat. Alternatív megoldásként a virágos nektár térben szétszórt eloszlása megnövelhette a denevérek takarmányozási költségeit, és ez a fajfajtákkal vagy más nektárevőkkel folytatott erőforrás-versennyel együtt szükségessé teheti a takarmányozási erőfeszítések és ezáltal az energiafelhasználás szükségességét. Az ilyen energetikai korlátok viszont adaptációkat indukálhatnak a repülési költségek csökkentése érdekében, például a zsírlerakódások csökkentése és az anyagcsere-folyamatok közvetlen táplálása exogén üzemanyaggal [18,19].

Összefoglalva, a nektárt tápláló denevérek, kivételesen az emlősök körében, valóban olyan mechanizmusokkal rendelkezhetnek, amelyek lehetővé teszik számukra a magas vércukorszint tolerálását. Függetlenül azonban az irányított nagy aktivitású magatartások (például takarmányozás, szülőhelyek keresése vagy társas interakciók, amelyek mindegyike egyértelmű szelektív előnyökkel jár) eredendő törekvése valószínűleg támogatta a nektárt tápláló denevérek evolúciós étrendi specializációját a poszt elnyomásával. tápláló hiperglikémia, különösen akkor, ha bőséges, gazdag nektárforrásokra táplálkozik. A magas aktivitás egyidejűleg javította volna a növényi beporzók hatékonyságát, mert az aktív egyének valószínűleg több növényt beporzanak, és nagyobb távolságra szállítják a pollent. A növények szemszögéből nézve a cukorban gazdag nektár előállításának energetikai költségeit a fokozott keresztporzás révén megtérítenék.

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük Mirkka Jonesnak a cikk felbecsülhetetlen értékű fejlesztéseit; Ortmann Sylvia, Thomas H. Kunz és minden névtelen lektor véleményezésre; valamint Igor Harsch és Petra Koroma a HbA1c mérésekhez. A kísérletek megfeleltek az állatkísérletekre vonatkozó német törvényeknek, és a Bajor Járásbíróság Állatetikai Bizottságának jóváhagyásával hajtották végre őket. Ezt a munkát Otto von Helversen emlékének ajánljuk.