A magas zsírtartalmú rágcsáló étrend mint a 2. típusú cukorbetegség modelljének áttekintése

Ahlke Heydemann

1 Az Illinoisi Egyetem, Chicago, Chicago, IL 60612, USA

2 Center for Cardiovascular Research, Chicago, IL 60612, USA

Absztrakt

A 2-es típusú diabetes mellitus (T2DM) világméretű járvány, amely minden jóslat szerint csak fokozódik. A T2DM-hez kapcsolódó fenotípusok pusztító tömbje elleni küzdelemhez rendkívül reprodukálható és humán betegségekhez hasonló egérmodellre van szükség a kutatók számára. A jelenlegi lehetőségek a genetikai manipulációk a T2DM tünetek vagy az étrend által kiváltott elhízás és T2DM tünetek kiváltására. Az emberi T2DM modellezésének ezen módszereinek megvannak a maga előnyei és hátrányai. Ami a T2DM esetek többségének modellezését illeti, a HFD meghatározza a megfelelő etiológiai, kóros és kezelési lehetőségeket. A HFD korlátja, hogy a T2DM tüneteinek teljes spektrumának eléréséhez hónapokig tartó etetést igényel, és szabványos protokollt nem hoztak létre. Ez a cikk megpróbálja kijavítani az utolsó korlátozást, és érvelni fog a HFD protokollok és a standard elemzési eljárások szabványos csoportja mellett.

1. Bemutatkozás

A T2DM HFD egérmodellezésében számos nyitott kérdés van:

Hasznosak lesznek ezek az egérmodellek a preklinikai vizsgálatok során?

Mi a helyzet a vad típusú egér törzsek közötti azonosított különbségekkel?

Miért nem váltják ki egyes protokollok a DCM-et?

Megállapodhat-e a kutatói közösség egy közös HFD-táplálási protokollban? A dokumentumok, a genetikai manipulációk és a terápiák összehasonlítása sokkal könnyebb és informatívabb lesz, ha meg lehet állapodni egy adott étrendben, a diéta hosszában és az elemzési protokollokban.

Sürgősen szükség van egy frissített egér HFD-felülvizsgálatra, mivel a PubMed-en 223 referencia található 2016 januárjára a „magas zsírtartalmú étrend és egér” keresési kifejezésként (túl sok az összes elolvasásához). Egy ilyen nagy és rendkívül fontos munka bemutatása félelmetes. Ennek az áttekintésnek a törzse tehát a kutató nézőpontjára összpontosul. A cél az, hogy a kutatók ezt a cikket felhasználják HFD-protokolljaik megtervezéséhez, és bizonyos következetesség kialakításához a jövőbeni kísérleti protokollokban és elemzési technikákban.

A szakirodalomban mutatkozó különbségek miatt több kifejezést is meg kell határozni, mielőtt továbblépnénk. A következő konvenciót fogjuk használni: az elhízás metabolikus szindrómához vezet, amely T2DM-re terjedhet [1]. Emberben az elhízást a 30 kg/m 2 feletti testtömeg-index (BMI = súly/magasság 2) határozza meg. A metabolikus szindrómába való progressziót akkor diagnosztizálják, ha a betegnél az alábbi 5 kórkép közül 3 van: elhízás, magas vérnyomás, éhomi hiperglikémia, emelkedett szérum trigliceridszint és csökkent magas sűrűségű lipoprotein. A metabolikus szindrómát gyakran prediabetesnek nevezik. A T2DM-et kezdetben inzulinrezisztens betegként definiálják. A kapcsolódó hyperinsulinemia évek múlva a hasnyálmirigy meginghat, és a beteg akkor is hypoinsulinemiában szenved. Az 1-es típusú cukorbetegség maga a hasnyálmirigy betegsége. A hasnyálmirigy nem termel inzulint, ezért a beteg hiperglikémiás lesz, de soha nem hiperinsulinémiás.

Az egérmodellek felbecsülhetetlen értékűnek bizonyultak az alapvető ismeretek megszerzésében az emberi betegségekről. Ez az ismeret preklinikai vizsgálatokig terjed ugyanezekben az egérmodellekben. Számos példa olyan ismeretekre és terápiákra, amelyek az alapismeretektől a preklinikai vizsgálatokig fejlődtek egérmodellekben, [2] és néhány példát áttekintünk a [3–5] -ben). Az elhízás és a T2DM terén az egérmodellek felbecsülhetetlen értékűnek bizonyultak a betegségek alaptudományában a gyulladás, az inzulinrezisztencia, az étrend zsírtartalmának, a pAMPK, a testmozgás és a lehetséges kezelések szerepének azonosításával. Ezen túlmenően, és nagyon fontos, hogy az egérmodellekből tanultakat hűségesen továbbvitték az emberi betegekbe [6]. A két faj közötti élettani hasonlóság a két faj közötti genetikai homológiának köszönhető [7].

A T2DM egérmodelljeinek egyik legnagyobb problémája - vagy talán az egyik legelőnyösebb aspektusa - az egér törzsek közötti különböző kóros válaszok. Ezek a különbségek sok más egér típusú emberi betegség esetében is nyilvánvalóak. Több publikáció azonosította a HFD-érzékenység törzsspecifikus különbségeit (néhány újabb példa [8–13]). E különbségek előnyös szempontjai azoknak a mechanizmusoknak a keresésében rejlenek, amelyek miatt az egér törzse ellenálló a HFD patológiákkal szemben, és ezért lehetőséget nyújt a jövőbeni terápiák célpontjainak azonosítására. A kutatóknak azonban tisztában kell lenniük ezekkel a fenotípusos különbségekkel, amikor összehasonlításokat végeznek olyan korábbi publikációkkal, amelyek különböző egér törzseket vagy akár különböző forrásokat használtak egér törzshez [13].

A HFD területén a diabéteszes kardiomiopátia (DCM) kialakulása tekintetében is vannak eltérések. Sok kézirat azonosította a DCM-et egy viszonylag rövid diétás beavatkozás után [14–17], míg más kísérletek nem azonosították a DCM-et egy 8 hónapos HFD protokoll [18] vagy 6 hónapos HFD protokoll [19] után. Ezen eltérések némelyike könnyen azonosítható specifikus HFD készítményekben vagy specifikus egér törzsekben, vagy éppen annak ismeretében, hogy a DCM mely jellemzőit veszik figyelembe összehasonlítás céljából. Néhány eltérést azonban nem lehet olyan könnyen azonosítani, és a szabványosított HFD protokollok használata segít abban, hogy azonosítsák, hol jelentkeznek a különbségek, és érdemes-e ezeket a T2DM mechanisztikus ismereteinek növelése érdekében kezelni. A DCM további betekintése érdekében az olvasót egy nemrégiben közzétett cikk [5] tiszteli, amely a DCM-et érinti mind a T1DM, mind a T2DM egérmodellekben.

A közelmúltban számos publikáció és áttekintés foglalkozott az egérmodell HFD protokolljának hasznosságával. Ezek az áttekintések kiváló részleteket tartalmaznak, ezért az ismétlődés helyett a megfelelő szakaszokban hivatkozom az olvasóra. Calligaris és mtsai. megvitassák az egér HFD táplálásának szívbetegség fenotípusát, és bemutassák a fenotípus progressziójának fontos időbeli lefolyását [18]. Egy nemrégiben készült cikk bemutatja a diabéteszes kardiomiopátia kísérleti modelljeinek alkalmazását [5]. Az iszlám és Loots nagyon kompetensen mutatják be az egér HFD-modellje és a T2DM-ben szenvedő emberek közötti hasonlóságokat [6]. Egy másik áttekintő kézirat leírja a HFD egerek használatát az elhízás-rezisztenciában vagy az érzékenységben szerepet játszó tényezők azonosítására [43]. Egy nemrégiben készült áttekintés részletesen leírta a különböző metabolikus fenotipizálási módszereket [44]. Ezenkívül egy friss fejezet leírta az egérmodellek hasznosságát a T2DM gyógyszer felfedezésében [4]. Ezenkívül a közelmúltban publikálták a több szövet inzulinrezisztenciájának alapos tárgyalását [45]. Ezért ezeket a témákat itt nem mutatjuk be részletesen.

További publikációk génmódosított T2DM egérmodelleket írnak le, amelyeket nemrégiben felülvizsgáltak [46]. Azonban a sok azonosított gén miatt, amelyek T2DM-et okoznak - több mint 50 gént azonosítottak az emberi GWAS-vizsgálatokban [47], ezen egér genetikai modellek egyike sem modellezheti több beteg betegség etiológiáját. Ezen egerek közül sokan hűen összefoglalják a T2DM fenotípusok egy részét, ezért hasznosak lehetnek a preklinikai vizsgálatokban, és felhasználhatók a fenotípus specifikus részeinek vizsgálatára. Ugyanakkor nem modellezik a betegek többségének betegség etiológiáját [46]. A legtöbb T2DM ember étrendje, nem pedig genetikája miatt lett beteg (CDC, http://www.cdc.gov/diabetes/data/statistics/faqs.html). Ezért a HFD a legmegfelelőbb betegségmodell [18].

2. A magas zsírtartalmú étrend protokoll kialakításának szempontjai

Az egér HFD protokolljának megtervezéséhez számos fontos szempont vonatkozik (1. táblázat). A legfontosabb talán a HFD időtartama. További szempont az egerek életkora és a HFD megfogalmazása. Mint tárgyaltuk, melyik egér törzset kell nagyon figyelembe venni a HFD protokoll megtervezésekor.

Asztal 1

A magas zsírtartalmú étrend protokoll kialakításának szempontjai.

MegjegyzésekHivatkozások #

Tervezés
A diéta hossza	Adaptív (8 hét)
	Megfogalmazás	Megfelelő emberi nyugati étrend
	Megfogalmazás	Hangsúlyozza a patológiát
Kor	A kórképek az életkor előrehaladtával fokozódnak
Nem	A hímeket elsősorban a női ciklusok elkerülésére használják
Törzs	Hiperglikémiára fogékony: C57Bl/6J (C57Bl/6N egészségesebb, mint C57Bl/6J HFD után), DBA2/J, BXD66	[12, 13, 48–50]
Törzs	Hiperglikémiás rezisztencia: MRL, Lrg, A/J, BXD77, BALB/cJ	[12, 13, 48–50]
Értékelések
Súlyok	Az egész test és a specifikus szövetek: különböző adipocita helyek, máj, szív
Heti vércukorszint	A böjt a táplálékkal szemben, a napszak
Echokardiográfia
Vérnyomás	PV hurkok versus noninvazívak
TT glükóz	A koplalás a táplálékkal szemben, a napszak, az akut és a hosszú távú	[44, 51]
TT glükóz	Glükózszállítás: orális, IP vagy IV	[44, 51]
TT inzulin	A koplalás a táplálékkal szemben, a napszak, az akut és a hosszú távú
Szérum kollekció	A böjt a táplálékkal szemben, a napszak
DEXA	Lehetővé teszi a testösszetétel időbeli lefolyását
NMR	Lehetővé teszi a testösszetétel időbeli lefolyását, megbízhatóbb, mint a DEXA	[44]
Szövettan	Fibrózis, picrosirius vörös, periodikus saveltolódás, immun beszivárgás, adipocita, vázizom, szívsejtméret
Fibrózis	TGFp, pSMAD2/3, aSMA, IL6, IL13, IL33	[48]
További fenotípusok
Hiperglikémiás bilincs	A szérum inzulinszint mérésével azonosítja a glükózérzékenységet	[44]
Hiperinzulinémiás-euglikémiás bilincs	A szempontok a befogás ideje és az, hogy milyen szorosan kell szabályozni a glükóz infúziókat	[44, 52, 53]
Hiperinzulinémiás-euglikémiás bilincs	Meghatározza a glükóz felhasználását	[44, 52, 53]
Szövetspecifikus glükózfelvétel	A fenti szorító technikákkal együtt használják	[44]
	MRI és radioaktívan jelölt energiaforrásokra van szükség
	Sokkal könnyebb patkányokban
	Meghatározza az inzulinérzékenységet több szövetben
Gyulladás	Áramlási citometria meghatározott sejttípusokhoz	[48]
	A szövettan specifikus sejteket is képes azonosítani
	Citokinszint a szérumban vagy szövetkivonatokban
Máj, NAFLD	Aszpartát-transzamináz és alanin-transzamináz
Máj, NAFLD	A betegség előrehaladása: steatosis> steatohepatitis> cirrhosis> HCC
Elektronmikroszkópos felvételek	Elemezze részletesen a mitokondriumokat és a lipidtároló helyeket

TT, tolerancia teszt; DEXA, párbajenergiás röntgenabszorpciós módszer; HCC, hepatocelluláris carcinoma; IP, intraperitoneális; IV, intravénás; NAFLD, alkoholmentes zsírmájbetegség. # A hivatkozások adott esetben nem megfelelőek.

AT, zsírszövet; FS, frakcionált rövidítés; HCC, hepatocelluláris carcinoma; LV, bal kamra; NAFLD, alkoholmentes zsírmájbetegség. # A hivatkozások adott esetben nem megfelelőek.

Az irodalomban a legkorábbi HFD-hatásokat 3 napos étrend után tapasztaltuk a hasnyálmirigy β-sejtjeinek proliferációjának fokozásaként [60]. Ezek a szerzők a HFD 11 hetes időbeli lefutását is követték, amely fontos különbségeket tárt fel a korai (1 hét) és a késői (11 hét) eredmények között az intraperitoneális GTT és a betegség progressziójának dinamikája között. Az inzulin tolerancia is fokozatosan romlott az idő múlásával, míg a hiperinsulinemia csak 11 hetes étrendnél volt nyilvánvaló, és 1 vagy 5 hetes diéta alatt nem volt látható [60]. Ez nagyszerű illusztráció, hogy a HFD időtartamát gondosan mérlegelni kell attól függően, hogy mely változókat kívánja kivizsgálni. Ezenkívül az MRL egereknél megfigyelt fent említett korai adaptációs fázis nem következett be a HFD-vel táplált C57Bl/6 egerekben, ismét hangsúlyozva a helyes egér törzs kiválasztásának fontosságát a kívánt vizsgálatoktól függően.

Folyamatos adatok készülnek, amelyek jelzik a nemek közötti különbségeket a HFD protokollokra adott válaszban. Például a hím egerek hajlamosabbak a HFD hiperglikémiájára [61]. Mások azonosították az adipocita kiindulási különbségeket, amelyek a vad típusú egerekben normális étrendet fogyasztanak a hím és a nőstény egerek között a glükóz metabolizmusában [62]. Egy rendkívül átfogó tanulmányban Morselli és mtsai. azonosította, hogy a C57Bl/6 hím hipotalamusz HFD változásai miatt a hím egerek hajlamosabbak voltak a HFD által közvetített krónikus gyulladásra, míg a nőstény egerek annyi súlyt kaptak; nem szenvedtek a kórokozó gyulladásban [63]. Hasonlóképpen azonosították, hogy a C57Bl/6T nőstény egerek és a kasztrált hím egerek többszörös zsírlerakódása inzulinérzékenyebb, mint az ép hím egereké [62]. Ezeket a különbségeket ki kell használni, hogy új terápiás célpontokat találjanak.

Köztudott, hogy az életkorral összefüggő krónikus gyulladás szorosan korrelál az inzulinrezisztenciával [64]. Mivel a T2DM még mindig az idősek betegségének számít, teljesen helyénvaló az idősebb egerek elemzése. Mindazonáltal, kivéve, ha az életkor kontrasztos, a fiatalabb egerekkel óvatosan kell összehasonlítani.

További óvatosságot kell megemlíteni az étrend-összetételek változataival kapcsolatban, amelyek különösen fontosak a folyamatos adatok fényében, miszerint a zsír típusa kritikus fontosságú a védelem vagy a patológia biztosítása szempontjából [69]. A diéták teljes áttekintése meghaladja a felülvizsgálat kereteit; itt van néhány fontos szempont, amelyet figyelembe kell venni. Az Egyesült Államokban néhány fő szállítója van a laboratóriumi étrend fő szállítóinak: Teklad (http://Envigo.com/), LabDiet/Purina (http://labdiet.com/), Research Diets (http: // researchdiets.com/) és a Bio-Serve (http://bio-serve.com/). A Tekladnak két fő HFD opciója van, az egyikhez 2 módosítással. Ezenkívül a Teklad számos zsíros adalékanyagot kínál egyedi lipidtípusú diétákhoz. Két HFD-t találhatunk a LabDiet weboldalakon. A Research Diets 8 különböző HFD készítményt forgalmaz. A Bio-Serve egy HFD készítményt értékesít. Nemcsak a zsír mennyisége és típusa, hanem az egyes készítmények szénhidrátjának grammja is nagyon fontos. Amint azt korábban említettük, egy igazi „nyugati étrend” magas zsírtartalmú és magas szénhidráttartalmú lenne.

Sok kutató egyenes HFD-t használ protokolljaiban, de néhány további stresszorokat alkalmaz az emberi T2DM modellezéséhez. További stressz az alacsony dózisú sztreptozotocin injekció a betegség súlyosságának fokozása érdekében, és a hiperinsulinémia utáni későbbi, előrehaladottabb betegség stádiumának modellezése, amikor a hypoinsulinemia megjelent [54, 73, 74]. A sztreptozotocin dózisa nem okoz fenotípusokat a chow táplált egerekben, és nem mindig okoz DCM-et a HFD egerekben. Ezen túlmenően, a HFD által biztosított további kalóriák kompenzálására néhány tudós olyan kalóriát tartalmaz, amely megfelel az egér kohorszának adott HFD mennyiségének [75, 76]. Ily módon a HFD egerek csak annyi kalóriát fogyaszthatnak, mint az előző 24 órában elfogyasztott CD kohorsz. Ezek a variációk nagyon hasznos protokollokat nyújtanak a T2DM különböző és specifikus aspektusainak vizsgálatához.

Noha spekuláltak, hogy a zsírral vagy anélkül szacharóznak is T2DM-et kell okoznia, ezt nem találták meg. Emberben retrospektív epidemiológiai bizonyíték van arra, hogy a szacharóz nem okoz okot a T2DM-re [77]. Egerekben, ahol a kísérlet elvégezhető az összes megfelelő kontroll alkalmazásával, a szacharóz nem változtatta meg a T2DM-re való progressziót HFD komponenssel vagy anélkül [50]. Ezért egy egyszerű HFD lehet az optimális étrend a korai T2DM modellezéséhez egerekben egy további sztreptozotocin injekcióval a betegség későbbi szakaszainak modellezésére, amikor hypoinsulinemia is jelen van.

3. Patogén mechanizmusok

A 2-es típusú diabetes mellitus (T2DM) és az egér HFD-modell komplex és átfedő patogén mechanizmusokkal rendelkező komplex betegségek (1. ábra). E mechanizmusok egymást átfedő jellege egyértelműen szorongást okoz a kutatókban és a klinikusokban, amikor a megelőzésre és a kezelési stratégiákra gondolnak. Például sok normoglikémiás páciensnél még mindig kialakulnak downstream patológiák. Alternatív megoldásként néhány krónikusan gyenge glükózkontrollban szenvedő betegnél nem alakulnak ki downstream patológiák. Ezért egyértelmű, hogy amint a T2DM jelen van, további glükózkontrollon kívüli terápiákra van szükség. A további terápiák céljai sok T2DM és HFD patogén mechanizmus mérlegelését igénylik.