A magas zsírtartalmú étrend felgyorsítja az osteoarthritis progresszióját a meniszkusz/szalagos sérülés után

Absztrakt

Bevezetés

Az elhízás és a 2-es típusú cukorbetegség fokozódása, részben a magas zsírtartalmú (HF) nyugati étrend miatt, párhuzamosan fokozza az osteoarthritis (OA) előfordulását. Ezt a tanulmányt arra végezték, hogy ok-okozati összefüggést állapítsanak meg a HF-diéta és az OA-gyorsulás progressziója között egérmodellben, valamint meghatározzák a súlygyarapodás és a metabolikus diszreguláció relatív szerepét ebben a progresszióban.

Mód

Az öt hetes C57BL/6 egereket 8 vagy 12 hétig HF (60% kcal) vagy alacsony zsírtartalmú (sovány, 10% kcal) étrendre helyezték, mielőtt átültették volna a mediális collateralis szalagot és kivágták a medialis meniscus egy szegmensét. a térd az OA kezdeményezésére. Az egyik csoportot a sovány étrendről a HF étrendre váltották a műtét idején.

Eredmények

A HF étrendben lévő egerek testtömege 45,9 ± 2,1 g-os csúcsot ért el, míg a sovány étrend esetében 29,9 ± 1,8 g volt, és csak a HF-ben szenvedők lettek cukorbetegek. Az OA súlyossága nagyobb volt a HF egerekben, ezt bizonyítja az Osteoarthritis Research Society International (OARSI) hisztopatológiai kezdeményezésű pontozási módszere az egerek, valamint az ízületi porc vastagsága és területe szempontjából. A súlygyarapodás fontosságának felmérése érdekében a rövid és hosszú távú HF étrendeket hasonlítottuk össze a sovány étrenddel. A rövid és hosszú távú HF csoportok 6,2 g-mal, illetve 20,5 g-mal felülmúlják a sovány kontrollokat. Mindkét HF-csoport diabéteszessé vált, és az OA progressziója, amelyet a megnövekedett OARSI-pontszám, a csökkent porcvastagság és a megnövekedett oszteofita-átmérő bizonyít, összehasonlítva gyorsult a sovány kontrollokéhoz.

Következtetések

Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a HF-diéta felgyorsítja az OA progresszióját egy 2-es típusú diabéteszes egérmodellben a súlygyarapodáshoz való korreláció nélkül, ami arra utal, hogy a metabolikus diszreguláció komorbid tényező az OA-val kapcsolatos porc degenerációban.

Bevezetés

Bár széles körben elfogadott, hogy az elhízással járó megnövekedett biomechanikai stressz hozzájárul az OA iniciálásához/progressziójához [21–23], a 2-es típusú cukorbetegséggel összefüggő szisztémás metabolikus diszreguláció fontosságát az OA-betegség folyamatában még nem határozták meg. Ennek a kérdésnek a megválaszolásához egy állatmodellt alkalmaztak annak a hipotézisnek a tesztelésére, hogy a HF étrend által kiváltott elhízás és a kapcsolódó glükóz intolerancia/inzulinrezisztencia felgyorsítja az osteoarthritis progresszióját a meniszkusz/szalagos sérülés (MLI) után. Ezt a modellt később alkalmazták annak meghatározására, hogy szükség van-e markáns elhízásra ahhoz, hogy a HF diéta felgyorsítsa az OA-t.

Anyagok és metódusok

Állatok

Szövetbegyűjtés és az OA progressziójának szövettani elemzése

Miután 60 mg/kg ketamin és 4 mg/kg xilazin IP-injekciójával mély anesztéziát alkalmaztunk, az egereket 10 perc foszfáttal pufferolt sóoldat, majd 10% semleges pufferelt formalin alkalmazásával szív perfúzióval leöltük. Az izolált térdízületeket 3 napig fixáltuk 10% semleges pufferelt formalinban 23 ° C-on. A mintákat 2 hétig 10 m/v% EDTA-ban dekalkilizáltuk és paraffinba ágyazottuk. A jobb térd mediális ízületének három mikrométer vastagságú sagittális szakaszait mikrotomra vágtuk, pozitív töltésű tárgylemezekre helyeztük, 60 ° C-on 30 percig sütöttük, xilolban paraffinoztuk, és csökkenő etanol-koncentrációban rehidráltuk.

Az egér térdízület szakaszait mind Safranin O-fast green, mind Alcian blue-hematoxylinnel festettük, hogy lehetővé tegyük a porcszövet megjelenítését. Az alkíciakékkel foltos térdízület porcainak szemikvantitatív osztályozását sagittalis szakaszokon az OARSI hisztopatológiai kezdeményezés [27] által létrehozott egér pontozási rendszer alkalmazásával végeztük, amelyben 0 = normál porc, 0,5 = proteoglikán folt elvesztése porckárosodás nélkül, 1 = enyhe felületes fibrilláció, 2 = fibrilláció és/vagy hasadás a felületes zóna alatt, 3 = enyhe (porcveszteség 75%).

A porc morfológiai jellemzőinek számszerűsítése

Az egér térdízületeinek mikroszámítógépes tomográfiai (mikro-CT) értékelése

A szövettani feldolgozás előtt a térdízületeket mikro-CT-vel értékeltük Scanco vivaCT 40 szkenner alkalmazásával 55 kVp forrás mellett (Scanco USA, Inc., Wayne, PA). Az ízületeket 12-es felbontással szkennelték μm, 10-es szeletemelkedéssel μm. Az egyes csoportok képeit azonos küszöbértékeken rekonstruáltuk, hogy lehetővé tegyük az egyes ízületek háromdimenziós szerkezeti megjelenítését. A csontmennyiség elemzését a femorális és a tibialis növekedési lemezek közötti kiválasztott régiókban végeztük.

Statisztikai analízis

Az eredményeket átlagértékekként ± SEM fejezzük ki. A statisztikai elemzést a StatView 5 szoftver (SAS Institute, Cary, NC) alkalmazásával végeztük. Az adatok normalitását Kolmogorov-Smirnov-teszt alkalmazásával (Dallal-Wilkinson-Lilliefor P érték). A kísérleti átlagokat összehasonlítottuk ANOVA alkalmazásával; Három vagy több csoport mintáinak átlagát hasonlítottuk össze, és a Fisher-védett legkevésbé szignifikáns különbségek tesztet alkalmaztuk a csoportpárok összehasonlításához. Számított P A 0,05 alatti értéket szignifikánsnak tekintették a csoportok közötti különbségek összehasonlításakor.

Eredmények

Öt hetes C57BL/6 egereket vagy HF diétára tettek, amely az összes étrendi kcal 60% -át képviseli, vagy LF (sovány) étrendet, 10% zsírból származó kilokalóriával. Kimutatták, hogy a HF-diéta hiperglikémiát és inzulinrezisztenciát okoz ebben az egértörzsben [29]. 8 hét elteltével a HF-étrendben lévő egerek súlya 29% -kal volt magasabb, mint a sovány étrendben (30,9 ± 0,9 g, szemben 23,9 ± 0,6 g; P 1.ábra

A súlyos OA progressziója általában 5 hónapon belül figyelhető meg a meniszkuláris-szalagos sérülés (MLI) technikájának alkalmazásával [25]. Annak a célnak a meghatározása érdekében, hogy a HF-diéta és a hozzá kapcsolódó 2-es típusú diabéteszes fenotípus felgyorsítja-e az OA progresszióját, az egyes étrendi csoportok egerein = 4 és 9 között) az MLI műtét után 4 hónapon belül megölték. Mindkét csoport hízott ebben a 4 hónapos periódusban, a HF csoport jelentősen elhízottá vált, csúcstömege 45,9 ± 2,1 g, míg csak 29,9 ± 1,8 g (P 2. ábra

Mindkét étrendcsoportban kimutatták az OA progresszív romlását 2-ről 4 hónapra, az OA-súlyosság pontszáma szignifikánsan magasabb volt a HF-csoport esetében ezekben az időpontokban (2b. Ábra). A sovány egerek adatai az 1. hónapban az OA váratlanul előrehaladott stádiumát jelzik az adott időpontban. Ennek az eltérõ adatpontnak a magyarázata nem világos. Az OARSI-pontszám alapján a HF-csoport átlagosan 25-50% -kal vesztette el az ízületi porcot 2 hónapon belül (4-es pontszám), míg a sovány csoportnál kevesebb, mint 25% -kal csökkent az ízületi porc ugyanebben az időpontban (pontszám 3; P 3. ábra

Az OA progressziójának szövettani elemzése az MLI után 3 hónappal megerősítette, hogy a hosszú távú HF étrend ismét összefüggésbe hozható az OA felgyorsult progressziójával, a sovány kontrollokhoz képest jelentős porcvesztéssel. Bizonyos esetekben ez a veszteség szinte a subchondralis csontig terjedt. Fontos, hogy a rövid távú HF diéta csoport ugyanolyan gyorsult az OA progresszióban, mint a hosszú távú HF csoportban (4a. Ábra). Nem észleltek jelentős porcvesztést sem HF, sem sovány csoportok álműtött térdeiben, csak időnként felszíni zóna fibrillációval. Ezeket a megfigyeléseket a HF-csoportok összehasonlíthatóan magasabb osteoarthritis-fokozata erősítette meg a sovány kontrollokhoz képest, az OARSI pontozási módszerrel értékelve (P 4. ábra

A térdízületek kvantitatív mikro-CT elemzése a 3 hónapos időpontban megnövekedett csontmennyiséget mutatott az MLI térdekben az ál-kezelt kontrollokhoz képest, összhangban az OA-szerű subchondralis sclerosisral és az ízület/periartikuláris mineralizációval. Csak a HF-diéta csoportok közötti különbségek voltak statisztikailag szignifikánsak (P 5. ábra

A fokozott ízületi és periartikuláris mineralizációt illetően a nyers mikro-CT adatok háromdimenziós rekonstrukciói progresszívebb meniszkusz meszesedést mutattak ki, és javaslatot tettek az oszteofiták fokozott jelenlétére mindkét magas HF csoportban a sovány étrend kontrollokhoz képest (5b. Ábra). Annak vizsgálatára, hogy a HF-diéták elősegítik-e az oszteofiták képződését, minden szövettani tárgylemezt kiértékeltünk a sípcsont felületén lévő oszteofiták jelenlétére és méretére vonatkozóan. A vak elemzés lényegében az összes MLI-sérült térd oszteofitáját mutatta ki az összes étrendcsoportból (6a. Ábra). Fontos, hogy nemcsak az oszteofiták mérete volt nagyobb mindkét HF-diéta csoportban (P 6. ábra

Vita

Silberberg és munkatársai [42] nem vizsgálták a metabolikus diszfunkciót egérmodelljeikben a HF-diéták eredményeként, de megfigyelték, hogy a C57BL/6 törzs, de a DBA törzs nem volt hajlamos az öregedés fokozott OA-jára, amikor HF-en volt diéták, annak ellenére, hogy mindkét törzsben súlygyarapodás történt. Sokoloff et al. [43, 44] azt is megfigyelte, hogy a DBA törzs OA-ját a súlygyarapodás ellenére sem változtatta meg a diéta. Nemrégiben Griffin et al. [45] beszámolt arról, hogy a jelentősen elhízott leptinhiányos egereknél nem növekszik az OA előfordulása. Ezek a megfigyelések további bizonyítékokat szolgáltatnak arra vonatkozóan, hogy a megnövekedett testtömegtől eltérő tényezők kritikusak az OA változásainak szempontjából a C57BL/6 egerekben. Érdekes módon a C57BL/6 egerek jól ismertek a diabéteszes változásokra (hiperinsulinémia, hiperglikémia) való hajlamukról, amikor HF diétára teszik őket, míg a DBA egerek ellenállnak ezeknek az anyagcsere-változásoknak [29, 46]. Bár ok és ok nem került megállapításra, ezek a megfigyelések összefüggést mutatnak a diabéteszes fenotípus kialakulása és az OA gyorsított progressziója között a C57BL/6 egér modellben.

Az egérben a HF-diétákra adott válaszok metabolikus változásai fontosnak tűnnek az osteoarthritis patogenezis közvetítésében. Az állati zsírból (zsír) származó telített zsírtartalmú étrend a leghatékonyabb az OA-változások közvetítésében [31, 44]. Az étkezési cukornál is hatékonyabbak az elhízás és a cukorbetegség előidézésében kísérleti egerekben [47]. Az N-3 többszörösen telítetlen zsír (PUFA), például a linolénsav, csökkenti a sertészsír étrend káros hatásait [48], és csökkenti a proteoglikán lebontó enzimek expresszióját és aktivitását, valamint a gyulladásos citokinek expresszióját az ízületi kondrocita tenyészetekben [49, 50]. Potenciális hatásmechanizmusként kimutatták, hogy a halolajokban található n-3 vagy omega-3 PUFA-k gyulladáscsökkentő hatásúak, és többféle hatásmechanizmust javasolnak [51]. Fontos, hogy a közelmúltban kimutatták, hogy egy PUFA, az eikozapentaénsav megakadályozza és megfordítja az inzulinrezisztenciát a HF-étrenddel etetett egerekben [52]. Az utóbbi hatás mechanizmusát a zsírszövet gyulladásának elnyomására javasolták [52]. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a HF-diéták közvetítik hatásukat mind az OA-ra, mind a diabéteszes fenotípusra, legalábbis részben gyulladásos hatások révén.

Az OA kapcsán az a megfigyelés, hogy az elhízás egy gyulladásos állapot, kritikus jelentőséggel bírhat mind az OA fokozott progressziójának magyarázatában az elhízás/2-es típusú cukorbetegség egérmodellünkben, mind pedig az elhízást és az OA-t összekötő epidemiológiai adatokkal. Az elhízás proinflammatorikus állapota szinergizálhat más OA-promóciós utakkal, hogy felgyorsítsa a porcpusztulás előrehaladását. Így laboratóriumunk jelenleg vizsgálja a szisztémás gyulladás hozzájárulását az elhízás OA progressziójához, mivel ez egy lépés az új jelöltmechanizmusok felderítése felé, amelyek a HF-étrend degeneratív folyamatra gyakorolt káros hatását támasztják alá.

Következtetések

E vizsgálat eredményei azt mutatják, hogy a HF-diéta felgyorsítja az OA progresszióját a C57BL/6 egér diabéteszes modellben meniszkuláris szalagos sérülés után, mind a porc degenerációja, mind az oszteofittermelés alapján. A súlygyarapodás mértéke nem korrelál ezekkel a változásokkal, és ezekhez a hatásokhoz nem szükséges előzetes HF diéta kitettség. Ez arra utal, hogy a metabolikus diszreguláció a 2-es típusú cukorbetegségben komorbid tényező az osteoarthritis előrehaladásában, és hatása azon túlmenően, hogy az elhízással összefüggő megnövekedett súly viseli a szenvedő ízületeket.