A rövid távú alacsony kalóriatartalmú étrend elhízott felnőtteknél átalakítja a vázizom lipidprofilját és a metabolikus génexpressziót

Integratív élettan, Molekuláris Orvosi és Sebészeti Osztály, Karolinska Institutet, Stockholm, Svédország

Integratív élettan, Élettani és Farmakológiai Tanszék, Karolinska Institutet, Stockholm, Svédország

Integratív élettan, Molekuláris Orvosi és Sebészeti Osztály, Karolinska Institutet, Stockholm, Svédország

Integratív élettan, Élettani és Farmakológiai Tanszék, Karolinska Institutet, Stockholm, Svédország

Sebészeti Osztály, Klinikai Tudományok Osztály, Danderyd Kórház, Karolinska Institutet, Stockholm, Svédország

Az újranyomtatási kérelmek és egyéb levelezések címe: E. Näslund, Klinikai Tudományok Osztálya, Danderyd Kórház, Karolinska Institutet, 182 88 Stockholm, Svédország (e-mail: [email protected]).

Absztrakt

Az elhízást a 30 kg/m 2-nél nagyobb testtömeg-index (BMI) és az energiafelhasználással arányos túlzott kalóriabevitel eredménye határozza meg. Az elhízás egyre növekvő járvány; következésképpen ez a betegség világszerte jelentős terhet ró az egészségügyi rendszerekre (27). A 2-es típusú cukorbetegség, az iszkémiás szívbetegségek és a rák több típusának kockázata nagyobb az elhízott felnőtteknél (27). Ezenkívül az elhízáshoz és az ahhoz kapcsolódó betegségekhez kapcsolódó megnövekedett morbiditás és mortalitás a legtöbb országban komoly gazdasági, orvosi és társadalmi terhet jelent (27). Tekintettel az elhízás növekvő gyakoriságával járó betegségterhekre és egészségügyi költségekre, erőfeszítéseket kell tenni az alapvető kórélettani és tartós kezelési módok azonosítására.

Az inzulinrezisztencia a 2-es típusú cukorbetegségben és az elhízásban kíséri a vázizomzat glükózfelvételének csökkenését és az adipocita diszfunkcióját. Ideális esetben a tápanyagfelesleg állapotában a zsírszövet felveszi és tárolja a lipideket. Ha azonban a zsírszövet telített, mint az elhízás esetén, a felesleges lipidek méhen kívüli zsírként is elraktározódhatnak a májban és a vázizmokban (12). A vázizomzatban a méhen kívüli zsírraktározás az inzulin működésének károsodásával jár együtt a glükóz metabolizmusán (19, 28). Bár a megnövekedett összes intramyocelluláris lipidtartalom hozzájárul a vázizom inzulinrezisztenciájához, az állóképességre edzett, inzulinérzékeny sportolóknak is megemelkedett az intramyocelluláris lipidtartalma (8). Ezenkívül a specifikus lipidfajok mennyisége, elhelyezkedése és forgalma is befolyásolja az inzulinérzékenységet (8). A méhen kívüli zsír csökkentésének módszerei, beleértve a testedzést és az étrendi beavatkozást, javítják az inzulinérzékenységet, de az elhízott felnőttek ezen zavaraira reagálva modulált molekuláris mechanizmus (ok) és specifikus lipidfajok nem ismertek.

A rövid távú alacsony kalóriatartalmú étrend hatékony stratégia jelentős súlyvesztés kiváltására és az inzulinérzékenység javítására elhízott felnőtteknél (14, 18, 23). Az alacsony kalóriatartalmú diétás beavatkozás csökkenti az intramuszkuláris triglicerid- és diacilglicerin-tartalmat, javított inzulinérzékenységgel együtt (11, 21). Így feltételeztük, hogy az inzulinérzékenység javulása a fogyás után egy rövid távú étrendi beavatkozás következtében megváltozik a metabolikus gének expressziójában és a specifikus lipidfajok bőségében. Elfogulatlan génexpressziót hajtottunk végre a súlycsökkenés metabolikus adaptációjában részt vevő csontvázizom-génhálózatok és a vázizomzat célzott lipidomiás elemzésében a súlycsökkenés utáni lipidösszetétel változásainak feltárása érdekében.

Megállapítottuk, hogy a zsírsavak transzportjában vagy az anyagcserében részt vevő gének mRNS expressziója, ideértve a hosszú láncú zsírsav transzportert is (SLC27A1 vagy FATP1), a mitokondriális malonil-CoA dekarboxiláz (MLYCD) és a piruvát-dehidrogenáz kináz 4 (PDK4) növekedett; sztearoil-CoA deszaturáz-1 (SCD1) csökkent; és mitokondriális funkciógének: peroxiszóma-proliferátor által aktivált receptor y-koaktivátor 1-α (PGC1a) és az A mitokondriális transzkripciós faktor (TFAM) változatlanok voltak. Ezenkívül a rövid távú étrendi beavatkozás csökkenti a vázizomzat specifikus foszfatidilkolin- és trigliceridfajtáit, a klinikai eredmények javulásával és az inzulinérzékenység fokozásával párhuzamosan.

Résztvevők és diétás beavatkozás.

Izombiopsziák és biokémiai elemzés.

A résztvevők a diétás beavatkozás előtti és utáni éjszakai böjt után reggel a klinikán mutatkoztak be. A résztvevőket arra utasították, hogy 48 órával a látogatás előtt tartózkodjanak a fizikai gyakorlattól. Antropometriai méréseket végeztek és vérmintákat nyertek a klinikai kémiai elemzéshez. Helyi érzéstelenítés (10 mg/ml mepivakain-hidroklorid, AstraZeneca) alkalmazása után a vastus lateralis-ból Weil-Blakesley conchotome készülékkel (Agnthos, Svédország) vázizom biopsziákat nyertünk.. A biopsziákat minden látható zsírból, kötőszövetből vagy erből megtisztítottuk, folyékony nitrogénben azonnal lefagyasztottuk, és az elemzésig -80 ° C-on tároltuk.

RNS extrakció és elemzés.

A teljes RNS-t a vázizom biopsziákból vontuk ki mirVana mRNS extrakciós készlet alkalmazásával, a gyártó ajánlásaival összhangban (Thermo Fisher Scientific, Waltman, MA). Az RNS-koncentrációt spektrofotometriásan határoztuk meg NanoDrop 1000 (Thermo Fisher Scientific) alkalmazásával. Az RNS-t reverz átírással használtuk a High-Capacity cDNS Reverse Transcription Kit (Thermo Fisher Scientific) segítségével, és a qPCR-et StepOne Plus rendszeren hajtottuk végre TaqMan Fast Universal PCR Master Mix és specifikus TaqMan szondák (Thermo Fisher Scientific) felhasználásával. A küszöbérték-ciklus (Ct) értékeket a StepOne szoftverrel (2.3 verzió) határoztuk meg, és a relatív génexpressziót a glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz geometriai átlagával normalizáltuk (GAPDH) és aktin-β (ACTB) összehasonlító ΔΔCt módszerrel számítva. Az mRNS-elemzéshez használt próbák listáját az S1 kiegészítő táblázat tartalmazza, amely elérhető az adatkiegészítésben a American Journal of Physiology Endocrinology and Metabolizmus webhely.

Génexpressziós mikroarray elemzés.

Az RNS minőségét az Experion Automated Electrophoresis Systems (Bio-Rad Laboratories) segítségével értékeltük. Az RNS-mintákat génmikroszkópos elemzésnek vetettük alá humán gén 2.1 ST tömb (Affymetrix) alkalmazásával. Az elemzést a Karolinska Institutet (Huddinge, Svédország) Bioinformatikai és Expression Analysis Core létesítményében végezték el. Az adatkészlet a Gene Expression Omnibus-on van letétbe helyezve (GEO belépési szám: GSE103682).

Lipidomikus elemzés.

A lipideket vázizomból vonták ki (

10 mg) és ultragyors folyadékkromatográfia-tömegspektrometrián alapuló lipidomikus elemzésnek vetjük alá a Svéd Metabolomikai Központban (Svéd Agrártudományi Egyetem, Umeå, Svédország), a korábban leírtak szerint (2). Az elemzett lipidosztályok a triglicerid (TG), a diacilglicerid (DG), a foszfatidilkolin (PC), a szfingomielin (SM), a ceramid (Cer), a foszfatidil-etanol (PE) és a foszfatidil-inozit (PI) voltak. A kivonási folyamatba belső standard kontrollokat vontak be, hogy ellenőrizzék az extrakció hatékonyságát és az injektálási térfogat változását. A lipid spektrumszám nyers adatokat normalizáltuk a vázizom biopszia súlyára.

Statisztikai analízis.

1. ábra.A 3 hét alacsony kalóriatartalmú étrend hatása a testsúlyra és a klinikai paraméterekre. A: testsúly az elhízott emberek étrendi beavatkozása előtt és után (n = 8). Az étrendi beavatkozás előtt és után egy éjszakán át tartó böjtöt követően vérmintákat vettünk. B: éhomi plazma glükóz (n = 8 alany). C: éhomi plazma inzulinszintek (n = 7 alany, az étrendi beavatkozás utáni inzulinérték egy személynél elveszett a vérminta hemolízise miatt). D: hemoglobin A1c (HbA1c) (n = 7 alany). E: az inzulinrezisztencia (HOMA-IR) homeosztatikus modelljének értékelése a következő képlet alapján számítva (glükóz mmol/l × inzulin mU/l)/22,5 (n = 7 alany). F-én: trigliceridek, koleszterin, LDL és HDL plazmaszintek (n = 8 alany). A négyzetek és a körök a diéta előtt, ill. A zárt és nyitott szimbólumok képviselik a nőket (n = 5–6) és férfiak (n = 2), ill. A statisztikai szignifikanciát párosítással határoztuk meg t-teszteket végez, amikor az adatokat rendesen elosztották, és Wilcoxon párosított párokkal aláírt rangvizsgálattal, ha nem (csak trigliceridek). P

Gén expresszió a vázizomzatban.

Meghatároztuk az étrendi beavatkozás elhízott emberek vázizom gén expressziójára gyakorolt hatását. A GSEA tizenkét utat kapott, amelyekre az étrendi beavatkozás hatással volt, beleértve a telítetlen zsírsavak bioszintézisét és a PI3K-Akt útvonalat (2. ábraA). A vulkán ábrázolásának elemzése feltárta, hogy több gén mRNS-je növekedett az étrendi beavatkozást követően (2. ábraB). 285 gént nyertünk le (227 csökkent és 58 növekedett), amelyek több mint 50% -os változást mutattak az mRNS-ben az étrendi beavatkozás után. Különösen a zsírsavak transzportjában vagy anyagcseréjében részt vevő gének mRNS-je, ideértve a következőket: SLC27A1, MLYCD, és PDK4, növekedett, míg SCD1 csökkent (2. ábraC). A géntömb eredményeit a qPCR tovább hitelesítette (2. ábraD). Megerősítettük, hogy a PDK4 és MLYCD megnövelték és SCD1 csökkent az elhízott emberek étrendi beavatkozása után. mRNS expressziója PGC1a és TFAM diétás beavatkozás után a vázizomzat változatlan volt, míg IL6 Az mRNS expressziója szerény mértékben növekedett.

2. ábra.Vázizom transzkriptóm elemzés kövér emberek étrendi beavatkozását követően. A: génkészlet-dúsítási elemzés (GSEA), amely a génkészletek szintjén értékeli a mikroarray adatokat. A körök mérete megmutatja a jelentősen megváltozott gének számát az egyes utakban, és a szín jelzi a szignifikancia szintjét. B: a génexpressziós szeres változásokat bemutató vulkán diagram összefüggésben van a P értékek (a szaggatott vonalak a hajtás változását jelzik> 50% és P

Lipid profil elemzés.

3. ábra.A vázizom lipidóm profilja elhízott emberek étrendi beavatkozását követően változik. 3 hetes diétás beavatkozás előtt és után kapott vázizom biopsziák lipidomja ultragyors folyadékkromatográfia-tömegspektrometriás alapú lipidomikus elemzéssel mérve (n = 8 alany, párosított minták). A: az elemzett lipidfajok redősi változásait bemutató vulkán diagram összefüggésben van P értékek (szaggatott vonal jelzi P

Összefüggés az inzulinrezisztencia homeosztatikus modell értékelése és a specifikus lipidfajok között.

Az étrendi beavatkozás után korrelációs elemzést végeztünk a HOMA-IR változásai és a vázizomzatban jelentősen megváltozott lipidfajok között. Az étrendi beavatkozással megváltoztatott 24 lipidfaj közül 3 lipidfaj változásai pozitívan korreláltak a HOMA-IR-vel [PE (36: 1), 4. ábraA] és két hosszú láncú TG-vel [(54: 0) és (56: 1), 4. ábra, B és C. Eredményeink azt sugallják, hogy a vázizomban található 23 lipidfaj közül 3, amelyet az étrendi beavatkozás megváltoztatott az egész test inzulinérzékenységének javulásával.

4. ábra.A lipidfajok asszociációja az inzulinrezisztencia homeosztatikus modelljének (HOMA-IR) korrelációival a HOMA-IR szeres változása és a foszfatidil-etanolamin szeres változása között [PE (36: 1)] (A), triglicerid [TG (54: 0)] (B) és TG (56: 1) (C) alacsony kalóriatartalmú diétával az elhízott emberek vázizomzatában. n = 7 alany, zárt és nyitott szimbólumok képviselik a nőket (n = 5) és férfiak (n = 2), ill.

A diétás beavatkozások széles körben alkalmazott stratégiák az inzulinérzékenység és az egész test glükóz homeosztázisának javítására elhízott felnőtteknél. Itt bizonyítékokat szolgáltatunk arra vonatkozóan, hogy egy 3 hét alacsony kalóriatartalmú étrend csökkenti a testtömeget és javítja az inzulinérzékenységet a HOMA-IR alapján elhízott embereknél. Az étrendi beavatkozás csökkentette a TG, a koleszterin és az LDL plazmaszintjét. Az étrendi beavatkozás után a vér lipidprofiljainak és a HOMA-IR klinikai javulásának változásai jártak a csontvázizom génexpressziós profiljában, a zsírsav anyagcseréhez kapcsolódó út gazdagodásával. Kimutattuk azt is, hogy a rövid távú étrendi beavatkozás megváltoztatta a vázizom lipidomiás profilját, a specifikus lipidfajok változásai korreláltak a HOMA-IR javulásával. Vizsgálatunk összességében betekintést nyújt a vázizom transzkripciós és lipidomikus átalakításába és az elhízott emberek inzulinérzékenységének klinikai javulásába fogyás után.

Az ebben a tanulmányban előírt rövid távú alacsony kalóriatartalmú étrend-beavatkozás hatékony volt az elhízott felnőttek testtömegének csökkentésére és az anyagcsere-paraméterek javítására, ami összhangban áll csoportunk (18) és mások (14, 23) korábbi tanulmányaival. Az étrendi beavatkozás csökkent inzulinszinttel és javult HOMA-IR-vel járt, ami azt jelzi, hogy az egész test inzulinérzékenysége fokozódott. A HOMA-IR az éhgyomri glükóz- és inzulinértékekre támaszkodik. Míg éhgyomorra az inzulinszint szabályozza a máj glükóztermelését, és az éhomi glükózszint főleg ennek a folyamatnak a tükre. Ezért a HOMA-IR változásai a vázizmok helyett a máj inzulinérzékenységének javulását tükrözik (10). Azonban a teljes test inzulinérzékenysége és a vázizom inzulinhatása közötti összefüggésekről beszámoltak (33), ami arra utal, hogy a HOMA-IR a perifériás inzulinérzékenységet is tükrözi.

A specifikus lipidfajok másodlagos hírvivőként működnek, és részt vesznek a vázizmok anyagcseréjének átalakításában. A lipid intermediereket, például a diacilglicerint és a ceramidokat az inzulinrezisztencia induktoraként azonosították (3, 8). Csak egy ceramid faj szintjének csökkenését észleltük, míg a diacilglicerin fajok változatlanok voltak. Az elhízott felnőttek vázizomzatának megnövekedett ceramidfajtái összefüggenek az inzulin által közvetített Akt jelátvitel és a glükózfelvétel csökkenésével (1). Érdekes módon a P13K-Akt jelátviteli útja gazdagodik GSEA-nkban is, ami a jobb inzulinérzékenységhez kapcsolódó transzkripciós változásokra utal. Bár nem vizsgáltuk külön a csontvázizom inzulinjelzését a kohorszunkban, javulást találtunk a HOMA-IR-ben és az inzulinszint csökkenésében, ami arra utal, hogy az étrendi beavatkozás után fokozott az inzulinérzékenység.

A vázizom inzulinrezisztenciája sarokköve a 2-es típusú cukorbetegség kialakulásának. A rövid időtartam ellenére az étrendi beavatkozás mély hatást gyakorolt az egész test inzulinérzékenységére, gén expressziójára és lipidomiás profiljára a vázizomzatban. A vázizom-fiziológia és a molekuláris biológia megértése elengedhetetlen az inzulinrezisztencia korai kialakulásának ellensúlyozására szolgáló új megközelítések előmozdításához. Jövőbeni vizsgálatok annak megállapítására, hogy a szérum lipid metabolitprofil tükrözi-e a vázizom lipidom profilját diétás beavatkozás után, könnyen hozzáférhető biomarkereket azonosíthatnak az inzulinérzékenység és a metabolikus homeosztázis javulásának nyomon követésére. Vizsgálatunk, amely integrálja a klinikai adatokat az elfogulatlan génrendszerrel és a lipidómikus elemzéssel, azonosítja a csontvázizomzat specifikus metabolikus génjeit és lipidfajait, amelyek az étrendi beavatkozás után javulnak az inzulinérzékenységben. Segíti a teljes test glükóz homeosztázisának molekuláris megértését és a fogyással összefüggésben elért anyagcsere-javulásokat is.

Ezt a munkát a Novo Nordisk Alapítvány, a Karolinska Institutet Diabetes Stratégiai Kutatási Programja, az Európai Kutatási Tanács Ötletprogramja (ICEBERG, ERC-2008-AdG23285), a Svéd Kutatási Tanács (2011-3550), a Svéd Diabetes Alapítvány (DIA2015-052) finanszírozta. ) és a Svéd Stratégiai Kutatási Alapítvány (SRL10-0027). C. Nylént a Stockholm Megyei Tanács (SLL) támogatta „Forskar-ST” támogatással.

A szerzők nem jelentenek be pénzügyi vagy egyéb összeférhetetlenséget.