A zsírsejtméret és a regionális zsírlerakódás, mint az inzulinrezisztens és az inzulinérzékeny emberek túltáplálására adott anyagcsere-reakció előrejelzői

Absztrakt

Bevezetés

Az elhízás prevalenciája drámaian megnőtt az elmúlt három évtizedben (1), ami hozzájárul a 2-es típusú cukorbetegség növekvő prevalenciájához (2). Ezt a kapcsolatot nagyrészt az inzulinrezisztencia közvetíti, amely az Egyesült Államok felnőtt lakosságának ~ 30% -át érinti (3), és lineárisan összefügg az adipozitással (4). Ez az összefüggés ok-okozatinak tűnik, mivel az étrendi és műtéti súlycsökkenés tartósan javítja az inzulinérzékenységet az IR-emberek körében (5 A túlsúlyos és közepesen elhízott emberek, akik az amerikai felnőttek 60% -át alkotják, metabolikusan heterogének, és az inzulinrezisztencia hatszorosára változhat bármely adott BMI-n belül ezen a tartományon belül (6). Hogy miért alakul ki egyes személyek inzulinrezisztenciája a felesleges testtömeg mellett, mások pedig „védettnek” tűnnek, azt még nem sikerült teljesen tisztázni. Tekintettel arra, hogy az elhízás nem szinonimája az inzulinrezisztenciának, valószínű, hogy a zsírszövet sejt- és molekuláris szintű biológiai jellemzői és/vagy regionális eloszlása hozzájárulnak az inzulinérzékenységhez önmagában.

Annak a hipotézisnek a tesztelésére, hogy az adipociták relatív képtelensége a TG szubkután zsírszövetben való tárolására hozzájárul az elhízással összefüggő inzulinrezisztenciához, túlterhelési vizsgálatot terveztünk IS vagy IR besorolású túlsúlyos és közepesen elhízott egyéneknél, akiknek zsírsejtjei maximális tárolókapacitás mellett vagy maximális kapacitással rendelkezne, és aki valószínűleg eltérő zsírsejt- és szövetválaszokat mutatna a további TG-tárolási igényekre. Feltételeztük, hogy mérsékelt súlygyarapodásra reagálva az IR-alanyok a károsodott adipocita-differenciálódás és a TG-tárolás jellemzőit mutatják be, ideértve az adipocita-hipertrófiát, a lipolízist/a megnövekedett keringő szabad zsírsavat (FFA), a zsírlerakódást a zsigeri és intrahepatikus depókban, valamint az inzulin romlását ellenállás. Feltételeztük, hogy az IS alanyok az új zsírsejtek megkülönböztetésének és toborzásának fokozott képessége miatt védettek lesznek az adipocita hipertrófia, az ektópiás zsírlerakódás, a lipolízis és/vagy az inzulinrezisztencia romlása ellen.

Kutatási tervezés és módszerek

Tárgyak

Inzulin által közvetített glükózfelvétel

A zsírszövet biopsziája

A zsírszövetet steril körülmények között és helyi érzéstelenítéssel állítottuk elő. A köldökhöz képest 1 cm-es szike metszést végeztek, amelyből 2 g SAT-ot eltávolítottak. Két 20–30 mg szövetmintát azonnal rögzítettünk ozmium-tetroxidban, és inkubáltuk vízfürdőben 37 ° C-on 48 órán keresztül, az előzőekben leírtak szerint (7), majd a zsírsejtek méretét meghatároztuk egy Multisizer 3 Coulter Counter segítségével ( Beckman Coulter, Miami, FL) 400 μm-es nyílással. Az effektív cellaméret-tartomány ezen rekesz használatával 20–240 μm. A két párhuzamos szövetmintából átlagolt adatokat sejtszámként fejeztük ki minden sejtátmérőnél, így frekvencia hisztogramot kaptunk.

A zsírsejt-méret eloszlásának elemzése a Multisizer grafikonokból (1A. Ábra) minden alany esetében a „mélypont” azonosítását vonta maga után, amely azt a középutat jelentette, amely között két sejtpopuláció jellemzően nagyobb gyakorisággal volt jelen. A „kissejtek százalékát” a zsírsejtek százalékának a legalacsonyabb értéke, a „csúcsátmérő” alatt pedig azt az átmérőt határoztuk meg, amelynél a nagy zsírsejt-populáció gyakorisága tetőzött. Korábban kimutattuk, hogy ezek az értékek inkább leíró jellegűek, mint az átlagos vagy a átlagos sejtméret (7,8).

A zsírsejtméret-eloszlás reprezentatív Beckman Multisizer profiljait két IS és két IR alanyban mutatjuk be a kiindulási értéknél (PRE) és a csúcssúlynál (POST). A nyitott nyíllal jelzett Nadir két kissejt-populációt választ el, kettős exponenciális farokként elosztva a nadírtól balra, és a nagy sejteket, amelyek Gauss-görbében oszlanak meg. A fekete nyíl a csúcsátmérőt jelzi (a Gauss-görbe közepe).

A zsírszövet gén expressziójának mérése

Ebben a kohorszban 20 alany nagyobb nanostring elemzése közül 10 lipogén gént választottunk ki az inzulinrezisztencia és a súlygyarapodásra adott válasz elemzésére. Az RNS-t a Hybrid-R RNS extrakciós készlettel (GeneAll BioTechnologies, Palo Alto, CA) izoláltuk a gyártó utasításainak megfelelően. Az RNS mennyiségét és minőségét Bioanalyzer analízissel ellenőriztük. Az RNS mintákat elemzés céljából a Stanford Genomic Core Facility-be küldték. A vizsgálathoz inter- és intracartridge-replikátumokat vezettünk be. Az nCounter eredmények normalizálása az nSolver Analysis Software 2.5-ös verziójával (NanoString Technologies) történt, a gyártó útmutatásainak megfelelően. Az RNS-számokat négy referenciagén (GAPDH, CLTC, GUSB és HPRT1) és pozitív kontrollok expressziójával normalizáltuk az egyes mintákban, a korábban leírtak szerint (25). Az egyes alanyok kiindulási génexpresszióját egyetlen IS kontroll alanyhoz viszonyítva fejeztük ki, és kiszámítottuk az alapvonaltól való csúcstömeg-változás változását az egyén számára az alapértékhez viszonyítva.

Diétás beavatkozás

Valamennyi alany kontrollált hiperkalórikus étrendet kapott napi kalóriatöbblettel, hogy 4,2 hét alatt 3,2 kg-os súlygyarapodást indukáljon, majd 1 hét súlystabilizálást követett az anyagcsere, a radiológiai és a zsírmérték megismétlése elõtt. A kiindulási biopszia előtt az alanyokat arra utasították, hogy kerüljék az extrém makrotápanyag-összetételt, a hetente többször étkezést és a nőknél napi egynél több, a férfiaknál pedig napi kettőnél hosszabb alkoholos italok használatát. A súlygyarapodás előtt és alatt naponta legfeljebb két fruktóz-édesített italt engedélyeztek. Háromnapos étkezési naplókat szereztek a vizsgálat során és a heti látogatások alkalmával, és adatokat elemzés céljából bevittek az ESHA Élelmiszer-feldolgozóba.

Az alap biopszia után az alanyok úgy kezdték meg a súlygyarapodás időszakát, hogy a szokásos napi bevitel mellett átlagosan napi 880 kalóriát adtak hozzá. Pontos kalóriafelesleg, amelyet egy kutató dietetikus ad el snackként és italként, fix makrotápanyag-összetételű, 50% szénhidrát, 35% zsírtartalom mellett (lásd ezt a táblázatot:

Soron belüli megtekintése
Felugró ablak megtekintése

A demográfiai és klinikai jellemzők összehasonlítása

A kiindulási regionális és intrahepatikus zsír (IHL) összehasonlítását a BMI és a nem alapján korrigálva az 1. táblázatban közöljük. Az SAT és a comb zsírja szignifikánsan nagyobb volt az IS csoportban. Az áfa és a százalékos áfa lényegesen nagyobb volt az IR alcsoportban, az IHL pedig közel nyolcszorosa volt. Az alábbiakban ezeknek a változóknak a súlygyarapodás és a csoportok közötti csúcstömeg-különbségek változását tárgyaljuk. A zsírsejtek méretének és eloszlásának kiindulási különbségeit a 2A. Ábra mutatja. Az IR-alanyok szignifikánsan nagyobb csúcsátmérővel, magasabb mélyponttal és a kis sejtek nagyobb százalékával rendelkeztek, mint az IS-alanyok.

A zsírsejtek méretének és eloszlásának mérése IS és IR alanyoknál a kiindulási értéknél (A) és a súlygyarapodás változásával a csúcsátmérő (B), a mélypont (C) és a kis sejtek százalékos aránya (D) szempontjából. Átlag ± SEM, ANCOVA-n keresztül elemezve a% BF (A) vagy párosított Student t teszt (B, C és D) kiigazításával. Gyémánt, átmérő.

A klinikai változók változásainak összehasonlítása az alapszinttől

A regionális zsíreloszlás változásai az IS és az IR csoportokban a SAT növekedését tárták fel, amely statisztikai szignifikanciát csak az IR csoportban ért el. Az áfa és a százalékos áfa azonban, bár az IR-csoportban a kiindulási értéknél magasabb volt, csak az IS-alanyokban emelkedett szignifikánsan. A combzsír változásai egyik csoportban sem voltak statisztikailag szignifikánsak. Végül az IHL mindkét testtömeg-növekedésben szignifikánsan növekedett, nagyobb volt az abszolút, de kisebb relatív (30% vs. 133%) növekedés az IR csoportban.

A zsírsejtek méretének és eloszlásának változása a súlygyarapodás után, amelyet a 2B – D ábra mutat, szintén különbözött IS/IR csoportonként. A csúcsátmérő mindkét csoportban nőtt, de ez a változás csak statisztikailag szignifikáns volt az IS csoportban (108 ± 15–115 ± 14 μm [P = 0,015] szemben 120 ± 16–125 ± 13 μm [P = 0,31]). A mélypont szignifikánsan jobbra tolódott az IS-csoportban (P = 0,012), de az IR-csoportban nem változott, és a kissejtek százalékos aránya jelentősen csökkent az IS-ben (P = 0,029), de az IR-csoportban nem.

Génkifejezés

A klinikai és a sejtméret adataihoz hasonlóan, a metabolikusan aktív zsírsejteket tükröző géneket az IS-ben a kiindulási helyzetben az IR-csoporthoz viszonyítva felfelé szabályozták, miután korrigálták a BF% -át (2. táblázat). Ide tartoztak a lipid metabolizmus (lipogén és lipolitikus) és a glükózfelvétel gének. A lipogén és lipolitikus gének expressziója erősen korrelált (adatokat nem mutatunk be). A klinikai és a sejtméret adataihoz hasonlóan a lipid metabolizmus gének expressziója is csak az IS csoportban csökkent jelentősen a túltáplálással, míg a GLUT4 az IR-ben, de az IS csoportban nem, szignifikánsan megnőtt, ezáltal az IS és az IR alanyok változása jelentősen eltér.

Az IS és az IR alanyok glükózfelvételével és lipidanyagcseréjével kapcsolatos gének relatív expressziója az IS és IR alanyoknál a súlygyarapodás során

A ΔSSPG kiindulási előrejelzői

A kiindulási érdeklődés előrejelzői közül, beleértve az áfát, a SAT, az IHL-t, a csúcsátmérőt és a kissejtek százalékos arányát, a Δ% BF korrekciója után az ΔSSPG egyetlen független előrejelzője a zsírsejtek csúcsátmérője volt, amely fordítva társult a ΔSSPG-vel: minél nagyobbak a sejtek a kiinduláskor, annál kevésbé változott az SSPG súlygyarapodáskor (r = −0,62, P = 0,008).

A változók változása a ΔSSPG prediktoraként

Négy változóban a súlygyarapodáshoz kapcsolódó változások szignifikánsan összefüggésben voltak az inzulinrezisztencia romlásával, miután a Δ% BF és IR/IS csoportra igazítottak. A csoport egészében a ΔVAT, ΔIHL és a Δ csúcsátmérő mind szignifikánsan megjósolta a ΔSSPG-t (P = 0,028, P = 0,004, illetve P = 0,04), és mindhárom kölcsönhatást mutatott az IS/IR csoporttal (P = 0,025, P = 0,006, illetve P = 0,04). Az IR/IS csoport által végzett lineáris regressziós elemzések azt mutatták, hogy önmagában az IS csoportban a ΔVAT, ΔIHL és Δ csúcsátmérő közvetlenül és szignifikánsan kapcsolódott az ΔSSPG-hez, amint az a 3. ábrán látható. A lipolízis inzulin elnyomása (FFA koncentráció stabil állapotban) is önállóan megjósolta a ΔSSPG értéket (r = 0,60, P = 0,04), csoportonkénti kölcsönhatás nélkül. Más adipocita, regionális zsír és FFA változók nem jósolták meg a ΔSSPG-t.

Az inzulinrezisztencia változása az SSPG-vel mérve, a ΔVAT, IHL (Lipid/H2O) és a zsírsejtek csúcsátmérőjének függvényében IS (bal) és IR (jobb) emberekben. Általános lineáris regresszió Δ% BF korrekcióval. A standardizált r és P értékeket jelentik.

Kiegészítő elemzések

Annak feltárása, hogy a zsírsejtek jellemzői előre jelezték-e a regionális zsírraktárak változását, feltárta, hogy a kisebb kiindulási csúcsátmérő és a kis sejtek magasabb százaléka egyaránt ΔVAT-t jósoltak Δ% BF-től függetlenül (r = 0,42, P = 0,03 és r = 0,40, P = 0,03, illetőleg). A ΔPeak átmérő megjósolta a ΔIHL-t (r = 0,81, P = 0,029) szignifikáns csoport-interakcióval (P = 0,017), de a csoportonkénti elemzés csak az IS-csoportban mutatott ki szignifikáns összefüggést (P = 0,026).

Vita

Ellentétben azzal a hipotézisünkkel, miszerint az IS alanyok alkalmazkodó zsírszövetet és metabolikus reakciókat mutatnak be a súlygyarapodáshoz, az ellenkezőjét tapasztaltuk: az IS alanyok maladaptív zsírszöveti válaszokat mutattak ki, és klinikailag jelentős inzulinrezisztenciát alakítottak ki. A zsigeri tömeg kitágult a zsigeri és az intrahepatikus depóban, és nyilvánvaló volt a zsírsejtek hipertrófiája. Az FFA koncentrációja egyensúlyi állapotú inzulin körülmények között 133% -kal nőtt, ami a lipolízis inzulinszuppresszióval szembeni rezisztenciájára utal, míg az AUC FFA koncentrációja a standardizált étkezést követően nem nőtt, valószínűleg az inzulin AUC egyidejű növekedése miatt. Az SSPG-vel mért izom inzulinrezisztencia 45% -kal romlott az IS csoportban, szemben a hasonló súlygyarapodású IR csoportban mért 8% -kal. Érdekes módon ezeknek a változóknak a változás nagysága, beleértve az VAT-ot, az IHL-t, a zsírsejtek csúcsátmérőjét és a lipolízis inzulinszuppresszióját, jelentősen megjósolta az SSPG romlásának mértékét. Továbbá ezek az asszociációk függetlenek voltak a súlygyarapodástól önmagában, ami azt jelentette, hogy a zsírszövet különbözõ sejtes és regionális zsíreloszlási mintázatai hozzájárulhatnak az elhízás metabolikus heterogenitásához.

Érdekes módon, kivéve az IHL-t, amely mindkét csoportban jelentősen növekedett, és a SAT-t, amely csak az IR-csoportban nőtt szignifikánsan, a zsírszövet-változók jelentős változásai az IS-csoportra korlátozódtak. Továbbá, a lipolízis Δinsulin szuppressziójának kivételével, amely mindkét csoportban korrelált az ΔSSPG-vel, e változók (VAT, IHL, csúcsátmérő) és a ΔSSPG változása közötti összefüggések szintén az IS csoportra korlátozódtak.

A tanulmányban bemutatott eredmények szintén fontos biológiai következményekkel járnak. A felesleges testzsírt az inzulinrezisztenciával összekapcsoló mechanizmusok még mindig nem tisztázottak. Az egyik hipotézis szerint az adipocita hipertrófia inzulinrezisztenciát okoz. Ennek a hipotézisnek az előzetes alátámasztása állati, in vitro és emberi keresztmetszeti vizsgálatokban található. A jelenlegi eredmények kiterjesztik ezeket az adatokat annak demonstrálásával, hogy az egészséges túlsúlyos emberek súlygyarapodásából adódó zsírsejt-megnagyobbodás mértéke függetlenül összefügg az inzulinrezisztencia kialakulásával. Következésképpen az adipocita hipertrófia az új sejtek károsodott differenciálódását tükrözi a megnövekedett TG-tárolási igények mellett. A „károsodott differenciálódás” hatóköre magában foglalja az új preadipocyták csökkent proliferációját és/vagy elkötelezettségét, a preadipocyták differenciálódását és a diszfunkcionális terminális érlelődést, amely csökkent TG-tárolókapacitást eredményez. A megnagyobbodott zsírsejtek alternatív magyarázata a TG tárolásának megnövekedett kapacitása lehet, ami a lipid anyagcsere, a vérellátás vagy a külső korlátozás különbségeinek tudható be.

Érdekes, hogy IR-alanyaink nem tapasztalták-e a zsírsejtek jelentős megnagyobbodását vagy az IS súlyosbodását, különösen azért, mert nem voltak az SSPG-eloszlás felső határán. Hasonlóképpen nem tapasztalták az áfa jelentős bővülését, bár a SAT és az IHL jelentősen növekedett. Valóban, a mért zsír együttes növekedése (SAT, VAT, comb) 17 cm 3 volt az IR-ben, szemben az 29 cm 3-rel az IS csoportban, a hasonló súlygyarapodás ellenére, ami a zsír potenciális lerakódását jelenti az IR-csoport nem mérhető raktáraiban. Az IR-alanyok magas kapacitása a zsír zsírraktározásában tükrözheti a zsír más nem mért méhen kívüli helyeken történő tárolására való hajlamot, ami megmagyarázhatja az adipocita hipertrófia hiányát és a viszonylag alacsony „mért” zsírtömeg-tágulást. Alternatív megoldásként az adipocita további hipertrófiájától és metabolikus dekompenzációjától való relatív védelem az IR egyedek között az adipocita differenciálódás génjeinek krónikusan stresszes adipocitákban történő felülszabályozásából származhat, összhangban az IR alanyok közötti jelentős SAT növekedéssel.

Eredményeinket részben két publikáció is alátámasztja (30,31), amelyek azt mutatják, hogy a kiinduláskor kisebb szubkután hasi zsírsejtekkel rendelkező egyének nagyobb sejtnagyobbodást (30) és nagyobb IS-csökkenést tapasztaltak (31). Ezekben a vizsgálatokban az alanyok soványabbak voltak (22,1 ± 0,5 és 25,5 ± 2,3 kg/m 2), fiatalabbak (27–29 év), és hosszabb volt a súlygyarapodásuk ideje (4,6 és 7,6 kg 8 hét alatt). Továbbá, a megállapításainkhoz hasonlóan, a második tanulmány azt mutatta, hogy a kisebb kiinduló zsírsejtméret nagyobb áfa-növekedést jósolt, de nem IHL-t vagy SAT-t. Sem a zsírsejtek méretének változásáról, sem az inzulinrezisztencia kialakulásával való kapcsolatról nem számoltak be. Egy másik, a táplálkozással összefüggésben végzett tanulmány (32) lényegesen nehezebb személyeknél (BMI 36,6 ± 4 kg/m 2), metabolikusan normális vagy metabolikusan kóros elhízásnak (MAO) minősítve azt mutatta, hogy a MAO, hasonlóan IR csoportunkhoz, nagyobb mértékben nőtt az abszolút IHL a súlygyarapodásra adott válasz, a TG és a VLDL koncentráció, valamint a máj inzulinrezisztenciája. Eredményeinktől eltérően a zsírszövet és az izom inzulinérzékenysége egyaránt romlott a MAO alanyokban. Ezekben az alanyokban a gyorséttermekből származó kalóriafelesleg vagy a magasabb BMI-érték hozzájárulhatott az eltérő eredményekhez.

A tanulmány korlátai között szerepel a premenopauzás nők és az afroamerikai vagy spanyolok általánosíthatóságának hiánya. Megállapítottuk, hogy az ázsiaiak az inzulinrezisztencia alapján kiindulási és súlygyarapodási jellemzőket mutattak, amelyek gyakorlatilag megegyeztek a kaukázusiakéval ebben a vizsgálatban. Ezen túlmenően az amúgy is magas alanyterhelés miatt nem tudtunk több depót biopsziába állítani, ezért nem világos, hogy a zsírsejtek méretének/eloszlásának változásai bekövetkeztek-e más testzsírraktárakban. Végül az oksági összefüggések megállapítása az emberi vizsgálatok során nehéz. A jelenlegi tanulmányban a súlygyarapodást manipulálták, ami olyan változásokat eredményezett a zsírszöveti változókban, amelyek szignifikánsan összefüggésben voltak az inzulinrezisztencia kialakulásával, ami ugyan ok-okozati összefüggést jelent, de nem bizonyítja.

Összefoglalva, a jelenlegi eredmények erősen alátámasztják azt a hipotézist, miszerint a rendellenes zsírsejt-funkció hozzájárul az elhízás metabolikus heterogenitásához. Az eredmények egyedülállóan igazolják a zsírsejtek megnagyobbodásának fontosságát, összefüggésben a lipogén gének csökkent expressziójával, valamint a VAT és az IHL kiterjesztésével, mint az elhízással kapcsolatos inzulinrezisztencia lehetséges közvetítői. Továbbá bebizonyítják, hogy az IS-alanyok nincsenek megvédve a metabolikus romlástól a súlygyarapodás során, valószínűleg a dekompenzáció korai szakaszában vannak, amikor megközelítik az IR-alanyok fenotípusát. További kutatásokra van szükség annak meghatározásához, hogy mi vezérli vagy gátolja az adipocita hipertrófiáját, és milyen sejt- és molekuláris folyamatok aktiválódnak, amelyek összekapcsolják a zsírsejtek megnövekedését, az VAT és az IHL kiterjesztését a szisztémás inzulinrezisztenciával.

Cikk információk

Finanszírozás. Ezt a munkát az American Diabetes Association 1-11-CT-35 támogatása támogatta.

Érdeklődési kettősség. A cikk szempontjából lényeges összeférhetetlenségről nem számoltak be.

Szerző közreműködései. T.M.L. irányította a vizsgálatot, elvégezte az anyagcsere-teszteket és a zsírbiopsziákat, adatokat készített és hozzájárult a kézirat elkészítéséhez. C.C., D.P. és C.A. felügyelte a beiratkozást, a klinikai látogatásokat, az adatgyűjtést és az emberek etikai követelményeinek való megfelelést. L.-F.L. felügyelt minden laboratóriumi szempontot. D.S. felügyelte a májképalkotó vizsgálatokat. S.W.C. hozzájárult a tanulmány tervezéséhez és az adatok értelmezéséhez, és elemezte a zsírszövet mintákat a sejtméret adataihoz. T.M.L. a garancia ennek a munkának, és mint ilyen, teljes hozzáféréssel rendelkezett a vizsgálat összes adatához, és felelősséget vállal az adatok integritásáért és az adatelemzés pontosságáért.

Előzetes előadás. A tanulmány egyes részeit absztrakt formában mutatták be az American Diabetes Association 74. tudományos ülésén, San Francisco, Kalifornia, 2014. június 13–17.