A magas zsírtartalmú étrend korai hatásai a neurovaszkuláris működésre és a fokális ischaemiás agysérülésre

Charlie Norwood Veteránügyi Főosztály Orvosi Központ, Augusta, Georgia;

Fiziológiai Tanszék, Georgia Georgia College, Georgia Regents University, Augusta, Georgia;

Charlie Norwood Veteránügyi Főosztály Orvosi Központ, Augusta, Georgia;

Klinikai és kísérleti terápiás program, Klinikai és Adminisztratív Gyógyszerészeti Tanszék, Gyógyszerészeti Főiskola, Grúziai Egyetem, Augusta, Georgia; és

Fiziológiai Tanszék, Georgia Georgia College, Georgia Regents University, Augusta, Georgia;

Vascularis Biology Center, Georgia Georgia College, Georgia Regents University, Augusta, Georgia;

Fiziológiai Tanszék, Georgia Georgia College, Georgia Regents University, Augusta, Georgia;

Molekuláris Orvostudományi és Genetikai Intézet, Georgia Georgia College, Georgia Regents University, Augusta, Georgia;

Fiziológiai Tanszék, Georgia Georgia College, Georgia Regents University, Augusta, Georgia;

Farmakológiai tanszék, Ribeirao Preto Orvostudományi Kar, São Paulo Egyetem, Ribeirao Preto, Sao Paulo, Brazília

Fiziológiai Tanszék, Georgia Georgia College, Georgia Regents University, Augusta, Georgia;

Farmakológiai tanszék, Ribeirao Preto Orvostudományi Kar, São Paulo Egyetem, Ribeirao Preto, Sao Paulo, Brazília

Charlie Norwood Veteránügyi Főosztály Orvosi Központ, Augusta, Georgia;

Fiziológiai Tanszék, Georgia Georgia College, Georgia Regents University, Augusta, Georgia;

Klinikai és kísérleti terápiás program, Klinikai és Adminisztratív Gyógyszerészeti Tanszék, Gyógyszerészeti Főiskola, Georgia University, Georgia, Augusta, Georgia; és

Az újranyomtatási kérelmek és egyéb levelezések címe: A. Ergul, Physiology of Physiology, 1120 15th St., CA 2094, Augusta, GA 30912-2450 (e-mail: [email protected]).

Absztrakt

az elhízás az akut ischaemiás stroke (AIS) független kockázati tényezője (19, 36). Egy riasztó friss jelentés kimutatta, hogy az AIS előfordulása drámai módon megnőtt a gyermekek és a fiatal felnőttek körében, ami pozitívan korrelált a kockázati tényezők növekedésével, beleértve az elhízást, a lipid rendellenességeket és a cukorbetegséget (13). A klinikai vizsgálatok azt is sugallják, hogy az elhízás a kedvezőtlen funkcionális kimenetel és a mortalitás független előrejelzője a szöveti plazminogén aktivátorral (tPA) kezelt AIS-betegeknél, ez az egyetlen terápiás lehetőség ezeknek a betegeknek (39, 40). Tekintettel arra, hogy a stroke a fogyatékosság legfőbb oka és az elhízási járvány növekszik, ezek a klinikai és társadalmi problémák várhatóan súlyosbodnak, ezért korai beavatkozásokra van szükség. Míg a genetikai vagy étrend által kiváltott elhízási modellekkel végzett kísérleti vizsgálatok az agyi infarktus megnövekedett méretét és a stroke rossz kimenetelét mutatták (7, 25, 32, 33, 41), a magas zsírtartalmú étrend (HFD) korai hatása a az AIS-sérülés és a funkcionális eredmények elhízása nem ismert.

Ismeretes, hogy az agy a megfelelő működés érdekében nagyban függ az állandó véráramlástól. Két fontos mechanizmus, amely hozzájárul az agyi vér perfúziójának szabályozásához, az agyi erek autoregulációs viselkedése és a funkcionális hiperémia fokozott neuronális aktivitás esetén (11, 16, 20). A HFD negatívan befolyásolhatja az érrendszer működését, amit a diéta által kiváltott, valamint az elhízás genetikai modelljeiben megnövekedett myogén tónus és endothel diszfunkció bizonyít (7, 8, 24, 32, 33). Ismeretlen a HFD hatása a neurovaszkuláris csatolásra és az agyi érrendszeri reaktivitásra ischaemiás sértés után, különösen metabolikus rendellenességek hiányában. Ennek a kulcsfontosságú hiánynak a kezelése érdekében a jelen tanulmány tesztelte a HFD hipotéziseit 1) károsítja a neurovaszkuláris kapcsolást, 2) cerebrovaszkuláris diszfunkciókat okoz, és 3) rosszabbodik az agyi ischaemia után, még elhízás hiányában is.

Állatok.

Ezt a vizsgálatot az Országos Egészségügyi Intézetnek az állatok gondozására és felhasználására vonatkozó kutatási irányelveinek megfelelően végezték el, és a Georgiai Egészségtudományi Egyetem laboratóriumi állatszolgálatának osztálya hagyta jóvá. Hím Wistar patkányok (Harlan Laboratories, Indianapolis, IN; 4-5 hetesek, n = 64) izokalorikus kontroll étrendet (CD, 10% zsír) vagy HFD-t (45% zsír; Research Diets, New Brunswick, NJ) adtak 8 hétig ad libitum. A vérnyomást farok mandzsettával (Kent Scientific, Torrington, CT), a vércukorszintet glükométerrel (FreeStyle, Abbott Diabetes Care, Alameda, CA) mértük.

Anyagcsere paraméterek.

Halálakor a vért összegyűjtötték és feldolgozták plazmaelemzésekhez. A szubkután, peritoneális és epididymális depóból származó zsírszöveteket összegyűjtöttük és külön lemértük. A teljes zsírosságot (az összes depó együttesen) a testtömegre normalizáltuk, és a test tömegének százalékában fejeztük ki. Mértük a plazma inzulint (ALPCO Diagnostics, Salem, NH), a triglicerideket és a koleszterint (Wako USA, Richmond, VA).

A funkcionális hiperémia mérése.

A funkcionális hiperémiát 2 nappal az ischaemia sérülése előtt értékeltük, a bajuszstimuláció során az agyi véráramlás (CBF) változásának mérésével a szomatoszenzoros kéregben (21, 22). Az állatokat ketamin-xilazin (100 és 10 mg/kg) injekcióval altattuk, és a levágott kontralaterális pofaszakállat óvatosan, 2,5 Hz-es frekvencián, örvényhez rögzített pamutcsúccsal simogattuk. A PIM3 lézeres Doppler pásztázó rendszert (LDS, Perimed, Ardmore, PA) úgy programozták, hogy szöveti érintkezés nélkül átvizsgálja a szomatoszenzoros kéreget lefedő területet, amelyet a középső agyi artéria (MCA) szolgáltat. A CBF változásokat a nyugalmi szinthez viszonyított százalékos növekedésként fejeztük ki.

Agyszelet előkészítése.

A parenchymás arteriole (PA) funkciót jól bevált agyszelet-készítménnyel értékeltük (4, 5, 15). A halál után az agyat eltávolítottuk, és 300 μm vastag koronaszeleteket jéghideg mesterséges cerebrospinalis folyadékba (aCSF) vágtunk (mM) 3 KCl, 120 NaCl, 1 MgCl2, 26 NaHCO3, 1,25 NaH2PO4, 2 CaCl2, 10 glükóz és 0,4 l-aszkorbinsav, egyensúlyban 95% O2-5% CO2-val (3). Az aszkorbinsavat adták az oxidatív stresszel járó sejtduzzanat csökkentésére. A fürdő perfúziójához azonos összetételű aCSF-t használtunk minden kísérletben, kivéve azokat, amelyek a magas külső K + koncentráció ([K +]) hatásait értékelték, ahol a kontroll aCSF 4,2 mM KCl-ot tartalmazott, és a KCl a NaCl-t helyettesítette a [K + ] 10 mM-re. Az aCSF ozmolalitása ~ 290 mosmol/kgH2O volt. A szeletelési eljárás után a szeleteket szobahőmérsékleten tartottuk a felhasználásig 95% O2-5% CO2-val (pH -7,45) kiegyensúlyozott aCSF-ben.

Videomikroszkópia.

A kortikális arteriolák átmérőjének változását (2-teszt és a neurológiai deficitet összetett pontszám alapján Mann-Whitney teszttel elemeztük. A mortalitás elemzéséhez Fisher pontos tesztjét használtuk. P

1. táblázat: CD és HFD csoportok metabolikus paraméterei

Az értékek átlagértékek ± SE n patkányok. CD, kontroll étrend; HFD, magas zsírtartalmú étrend; SBP, szisztolés vérnyomás.

* P

1. ábra.A funkcionális hiperémiát veszélyezteti a magas zsírtartalmú étrend (HFD). A: az agyi véráramlás (CBF) változásainak nyomon követése lézer Dopplerrel mérve 2 mm-es hátsó és 5 mm-es oldalirányban a bregma felé a bajuszstimuláció során azt mutatja, hogy a HFD tompítja a neurovaszkuláris csatolást (n = 11/csoport). CD, kontroll étrend. B: a CBF teljes változásának (Δ) kvantitatív elemzése neuronstimuláció esetén. C: A parenchyma arteriolák K + -indukált relaxációi az agyszeletekben csökkentek a HFD-vel táplált állatokban (n = 4/csoport). Az értékek átlag ± SE. *P

Ezután a PA-k tónusát és relaxációs tulajdonságait szeletkészítményekben mértük. Korábban kimutattuk, hogy a PA-k tónusának mértéke az aktivált asztrociták által felszabadított vazoaktív jelekre adott vaszkuláris válasz polaritását diktálja, csökkent tónus mellett a szűkület és a megnövekedett tónus a dilatációk mellett (3). Annak eldöntésére, hogy a HFD okozott-e valamilyen változást az érrendszeri tónusban, a kortikális PA-kat 150 nM U-46619-nek tették ki arterioláris összehúzódás kiváltására. Bár statisztikailag szignifikáns különbséget nem sikerült elérni, a HFD csoportból származó arteriolák alacsonyabb alaptónust mutattak (23,9 ± 4,8%, n = 11) a kontroll csoporthoz képest (35,7 ± 9,9%, n = 6). A kontrollcsoport értékei összehasonlíthatók voltak azokkal, amelyeket korábban Sprague-Dawley patkányokkal táplált chow étrenddel számoltunk be (3 Korábbi megfigyeléseinkkel összhangban, a HFD csoportban megfigyelt csökkent tónus csökkent vasodilatációs választ eredményezett 10 mM K + értékre (1. ábraC).

Harmadszor, meghatároztuk a basilaris artériák kontraktilis és dilatációs válaszait a fokális ischaemiás sérülés előtt és után. A HFD nem volt hatással ezekre a funkciókra, ha az állatokat nem érte stroke (az adatokat nem közöljük). Amikor azonban a basilaris artériákat 24 órával az MCAO után tesztelték, a több érszűkítő, köztük az 5-HT, az ET-1 és az U-46619 koncentráció-válasz görbéi balra tolódtak, ami fokozott érzékenységet és nagyobb maximális válaszokat jelez ( 2. ábra, A – C). Az endothelium-függő relaxáció a HFD csoportban is jelentősen károsodott (2. ábraD). O-A HFD-vel táplált állatok baziláris artériáiban a glcNAc-szintek szignifikánsan magasabbak voltak, ami arra utal, hogy ez a poszttranszlációs módosítás lehet a baziláris artériákban a fokozott kontraktilitás mögöttes mechanizmusa (3. ábra).

2. ábra.A HFD hatása a bazilaris artéria működésére a fokális agyi ischaemia után [középső agyi artéria elzáródása (MCAO)] - reperfúzió. A HFD fokozta a kontraktilis választ több agonista esetén (A – C) és csökkentette az endothelium-függő relaxációt (D). A kontrakció kísérleti értékeit a 120 mM KCl által kiváltott kontraktilis válaszhoz viszonyítva számítottuk, amelyet 100% -nak vettünk (n = 8/csoport). Az értékek átlag ± SE. *P

3. ábra.O-GlcNAciláció a bazilaris artériában fokális agyi iszkémia-reperfúzió után. Az összes növekedése O-Az MCAO után a HFD-vel táplált csoportban glcNAc-fehérjetartalmat figyeltek meg (n = 6/csoport). A reprezentatív Western blot kép O-A glcNAc-módosított fehérjék és az aktin-szabályozás a A, és az összesített adatokat a B. A reprezentatív képeket ugyanabból a membránból választották ki, és a toldásokat szaggatott vonalak jelzik. Az értékek átlag ± SE. *P

A HFD hatása az iszkémia-reperfúzió utáni neurovaszkuláris sérülésekre.

Amikor a fokális iszkémiás károsodást 3 órás MCAO és 21 órás reperfúzió indukálta, a CBF százalékos csökkenése az elzáródás után (40 ± 5% CD-ben és 38 ± 4% HFD-ben az alapvonallal összehasonlítva) vagy a reperfúzió utáni helyreállítás után (17 ± 3%) % CD-ben és 20 ± 11% HFD-ben az elzáródáshoz képest) hasonló volt mindkét csoportban, de az infarktus nagysága magasabb volt a HFD-csoportban, mint a kontroll csoportban (4. ábraA). A halálozási arány 11% (18-ból 2) és 33% (18-ból 6) volt a CD- és HFD-csoportokban (P = 0,09). Amikor az iszkémiás sérülést 10 perces GCI-vel, majd 7 napos reperfúzióval indukálták, a halálozás 50% volt a HFD csoportban. A műtéten túlélt állatokból Hippocampal CA1 metszeteket gyűjtöttünk, és az apoptotikus sejtpusztulás elérése érdekében TUNEL festést végeztünk. A CD- és HFD-patkányok metszetei között nem volt különbség az apoptotikus sejtpusztulásban (4. ábraB). A fokális ischaemia modellben nem volt különbség az ödémában a csoportok között, de a makroszkopikus HT, valamint a szöveti Hb szint incidenciája nőtt a HFD csoportban (5. ábra).

4. ábra.A HFD hatása az idegsejtek károsodására az agyi ischaemia különböző modelljeiben. Fókális ischaemia (A) 3 órás MCAO és 21 órás reperfúzióval indukálta az infarktus méretét a HFD csoportban, de a 10 perces globális iszkémia (B) nem befolyásolta a hippocampus neuronális halálát (n = 10–18/csoport). Az értékek mediánok a ban A és ± SE-t jelent B. *P

5. ábra.A HFD hatása az érrendszer működésére fokális agyi iszkémia-reperfúzió után. A kiegyensúlyozott ödéma százalékos aránya (A) nem volt szignifikánsan magasabb, de az előfordulási arány (C) és súlyossága (Baz agyi Hb-felesleg által meghatározott hemorrhagiás transzformáció (HT) nagyobb volt a HFD csoportban (n = 18/csoport). Az értékek mediánok a ban A és ± SE-t jelent B. *P

A HFD hatása az ischaemia-reperfúzió utáni funkcionális eredményre.

A Bederson-pontszámból és a sugárjárásból származó összetett pontszám gyengébb HFD-patkány teljesítményt mutatott a viselkedési teszteken a CD-csoporthoz képest (6. ábraA; 7,8 ± 1,3 CD-n, szemben 4,0 ± 0,8 HFD-ben, P

6. ábra.A HFD hatása a funkcionális kimenetelre a fokális agyi iszkémia-reperfúzió után. Összetett neurológiai hiány pontszám, beleértve Bederson pontszámát (beleértve a következőket: 1) spontán ipsilaterális körözés, 2-től 0-ig osztályozva, 2) hátulsó szár visszahúzása, 3) az elülső véghajlítás, és 4) a lökésállóságot, 1 vagy 0 pontot kapott, és 1 és 7 közötti besugárzást mértünk. A: az összetett pontszám alacsonyabb volt a HFD-vel táplált patkányokban, ami rossz eredményt jelzett. B: a tapadás erejét nem befolyásolta. (n = 18/csoport). Az értékek mediánok a ban A és ± SE-t jelent B. *P

Ez a tanulmány új információkat nyújt a HFD korai hatásáról az agyi érrendszeri működésre és a stroke kimenetelére nyilvánvaló anyagcsere-változások hiányában. Először is, a HFD ischaemiás sértés hiányában is károsítja az idegsejtek és a behatoló arteriolák közötti kommunikációt. Másodszor, az iszkémiás sérülés második találatként szolgál, és nagy artéria diszfunkciót okoz a simogatott HFD patkányokban, amelyek egyébként csak a HFD állatokban nem mutathatók ki. Harmadszor, a HFD-vel táplált állatok stroke-ja, akiknél nincs elhízás vagy anyagcsere-zavar, rontja a neurovaszkuláris sérüléseket és a funkcionális eredményeket. Ezek az adatok együttesen azt sugallják, hogy a HFD káros hatásai a betegség korai szakaszában kezdődnek, és a megelőző intézkedéseket a lehető leghamarabb végre kell hajtani.

Az agyi érrendszer működését szorosan szabályozza a központi idegrendszer aktivitása, különösen azok az asztrociták, amelyek folyamatai mind a szinapszisokkal, mind az erekkel közvetlen kapcsolatban vannak (20). Korábbi jelentések bemutatták az asztrociták hozzájárulását a neurovaszkuláris csatoláshoz a K + jelátvitel révén (3, 9). Jelen tanulmányban azt értékeltük, hogy a K + -közvetített értágulat megszakad-e a HFD-kezelés után. Megállapítottuk, hogy a bajuszstimuláció által kiváltott funkcionális hiperémia (in vivo) és a K + által indukált értágulat (in vitro) csökkent a HFD csoportban. Az adatok arra utalnak, hogy a HFD csoportba tartozó PA-k károsodtak az érrendszer működésében. Tekintettel arra, hogy a bajuszstimuláció következtében nincs megnövekedett véráramlási válasz, az asztrociták aktivitásfüggő érrendszeri válaszokban betöltött szerepével foglalkozó jövőbeni vizsgálatokra van szükség annak pontos meghatározásához, hogy a HFD csak az érfunkciókat érintette-e, vagy ha ez megváltoztatta az upstream mechanizmusok, például Asztrociták által jelzett K +.

Perspektívák és jelentőség

Jelen tanulmányban a károsodott neurovaszkuláris kommunikáció, a nagy artéria diszfunkciója és a fokozott neurovaszkuláris sérülés fontos megállapításai arra utalnak, hogy még az elhízás vagy anyagcsere-egyensúlyhiány nélküli rövid távú HFD is káros lehet az agyi érrendszerre, és súlyosbíthatja az agyi ischaemia reakcióját. Felismertük, hogy ennek a vizsgálatnak vannak korlátai, például az eredmény csak 24 órán belüli értékelése és csak hím patkányok bevonása. Tekintettel arra, hogy az AIS drámai módon megnőtt a gyermekeknél és a fiatal felnőtteknél, ami pozitívan korrelál a kockázati tényezők növekedésével, beleértve az elhízást, a lipid rendellenességeket és a cukorbetegséget (13), további vizsgálatok indokolttá teszik a HFD rövid és hosszú távú súlyosbodásának alapjául szolgáló mechanizmusok feltárását. - a stroke kimenetele mind nőstény, mind hím állatmodellekben.

A. Ergul a Charlie Norwood Veteránügyi Minisztérium (VA) Orvosi Központjának kutatási farmakológusa. Ezt a munkát részben a VA Merit Award BX00347 (A. Ergulnak), a Georgia Health Sciences University Diabetes and Obesity Discovery Institute Synergy Award (SP Didion, JA Filosa, DW Brann, RC Tostes és A. Ergul) támogatta. Az American Heart Association alapított nyomozói díjat (0740002N A. Ergulnak), valamint az Országos Egészségügyi Intézeteket a HL-089884 és a HL-107632 az SP Didionnak, a HL-089067 a JA Filosának, az NS-050730-08 a DW Brann-nak és az NS- 054688 A. Ergulnak.

A szerző (k) nem jelentenek be pénzügyi vagy egyéb összeférhetetlenséget.