Az alacsony szénhidráttartalmú étrend metabolikus depressziót vált ki: lehetséges mechanizmus a glikogén megőrzésére

Biológiai Tudományok Iskolája, Queenslandi Egyetem, Brisbane, Queensland, Ausztrália; és

Az újranyomtatási kérelmek és egyéb levelezések címe: H. Winwood-Smith, Biológiai Tudományok Iskolája, Queenslandi Egyetem, Brisbane 4072, Ausztrália (e-mail: [email protected]).

Biológiai Tudományok Iskolája, Queenslandi Egyetem, Brisbane, Queensland, Ausztrália; és

Geometriai Biológiai Központ, Biológiai Tudományok Iskola, Monash Egyetem, Melbourne, Victoria, Ausztrália

Absztrakt

Néhány mechanizmus, amellyel az alacsony szénhidráttartalmú és magas fehérjetartalmú étrend a fogyás sikeréhez vezet, jól ismert. Általánosságban beszámoltak arról, hogy létezik egy makrotápanyag-telítettségi hierarchia, ahol az étvágy a fehérje, a szénhidrát és a zsír csökkenő sorrendjében érhető el legkönnyebben (15, 72), és számos emberen végzett tanulmány kimutatta a fehérje fokozott jóllakottsági és telítettségi hatásait ( 6, 21, 26, 35, 63, 66, 71., 77., 81.). Ezenkívül a makrotápanyagok oxidálódásának különböző útjai miatt a nettó ATP-hozam egy adott szubsztrát kalóriájánként változik, a fehérje viszonylag kevesebb ATP-t eredményez (12, 13). Ez részben az alacsony szénhidráttartalmú és magas fehérjetartalmú étrendet folytató egyének pihenőenergia-ráfordításának növekedésével magyarázható (35, 43, 80). A nyugalmi energiával kapcsolatos kiadások emelésének majdnem a felét a glükoneogenezis szabályozásának tulajdonítják, a csökkent szénhidrátbevitel eredményeként bekövetkező csökkent glikogénkészletek hatására (3, 27, 74). A fokozott jóllakottság, az alacsonyabb energiahozam és a megnövekedett energiafogyasztás, valamint az alacsony szénhidráttartalmú és magas fehérjetartalmú étrend káros egészségre gyakorolt hatásának bizonyítékai hiányában azt az ajánlást vezették, hogy az ilyen étrend a fogyás hatékony eszköze, súlymegőrzés (40).

Egy ilyen hipotézis tesztelése emberben eredendően problematikus, tekintettel a valóban vak kísérletek megtervezésének nehézségeire, ahol a kísérleti helyzet tudat alatt nem befolyásolja az alanyot (28). Ezért az állatmodellek megfelelőbbek lehetnek az önkéntelen viselkedési reakciók értékelésére. A gyümölcs repül D. melanogaster egyre inkább az emberi táplálkozás és az elhízás mechanisztikus alapjainak tanulmányozására használják (70). Ahogy egyre inkább támaszkodunk erre a modellre, kritikus fontosságú, hogy megértsük, hol vannak az emberek és a fiziológiai mechanizmusok Drosophila konzerváltak, és ahol eltérnek egymástól. Magas szénhidráttartalmú lárvák étrendje (

1: 6,5 fehérje/szénhidrát arány) elhízott, cukorbeteg legyek előállítására használták (45), a szénhidrát- és lipid-anyagcsere fiziológiája nagyrészt konzervált a legyek és az emberek között (18, 49, 67, 70). Drosophila és az emberekről kimutatták, hogy hasonló reakciókat mutatnak be az étrendi szénhidrát- és fehérjebevitel változásaira. Bizonyos bizonyítékok utalnak arra, hogy a magasabb fehérjetartalmú étrend az anyagcsere sebességének (MR) emelkedését idézi elő, és csökkenti az egész test szénhidráttartalmát felnőtteknél Drosophila (6a), és az alacsony szénhidráttartalmú lárva-étrend csökkenti a glikogénkészleteket a felnőttekben (41). Továbbá, Drosophila támaszkodjon és gyorsan fogyasszon glikogént repülés közben, és folyamatosan, bár sokkal alacsonyabb sebességgel, folyamatosan fogyasztja a glikogént a nyugalmi anyagcseréhez (85).

Jelen tanulmányunkban megvizsgáltuk a glikogénszint és a spontán aktivitás közötti lehetséges összefüggést, valamint a csökkent táplálékkal bevitt szénhidrátfogyasztás energia metabolizmusra gyakorolt hatásait. Az MR, az önkéntes aktivitást és a glikogénszintet naponta mértük, és az élelmiszer-fogyasztást 3 naponta mértük a következő hipotézisek tesztelésére: 1) a glikogénraktárak a fizikai aktivitás csökkenésével járnak; 2) a glikogénkészletek csökkennek az alacsony szénhidráttartalmú étrend megindításakor, de idővel helyreállnak az energiafelhasználás változásai miatt; és 3) az alacsony szénhidráttartalmú étrend a nyugalmi MR növekedésével jár.

Tanulmányi állatok

Minden kísérletet tömegesen tenyésztett populáción hajtottak végre D. melanogaster. A legyeket vadul fogták Coldstream-ben (Victoria, Ausztrália), és 30 nőnemű vonalat hoztak létre az utódok (F1) egyes nőstényekből történő tenyésztésével az F2 generáció létrehozása érdekében. Mindegyik vonalból tíz szűz hímet és 10 szűz nőstény F2 legyet (összesen 600 darabot) egy palackba tettünk, hogy létrehozzuk a tömeges tenyészetet. Ezt a populációt 25 ° C-on tartottuk 12: 12 órás világos-sötét fotoperiódus alatt polenta-cukor-élesztő táptalajon (105,5 g polenta, 18 g élesztő, 91,5 g szacharóz, 11,5 g agar, 5 ml nipagin és 5 ml propionsav 1,1 liter vízben).

Kísérleti protokoll

Kísérleti állatok.

Lakóeszközök.

A kísérleti legyeket egyedileg helyeztük el a kapilláris adagoló (CAFE) vizsgálat (23) módosított változatával, 25 ° C-on, 12: 12 órás világos-sötét fotoperiódus alatt. A legyeket 5 ml-es csövekben (Falcon, BD Biosciences, San Jose, Kalifornia) tároltuk, és folyékony étrendben desztillált vizet, autolizált élesztőt (MP Biomedicals, Santa Ana, Kalifornia) és 5-µl kapilláriscsőben lévő szacharózt tápláltunk. (Drummond Microcaps, Drummond Scientific, Broomall, PA vagy Hirschmann Minicaps, Hirschmann Laborgeräte, Eberstadt, Németország), amelyet a cső fedelének lyukán keresztül helyeztünk be. Az állatok kiszáradásának elkerülése és a folyékony étrendre való támaszkodás megakadályozása érdekében minden cső 1 ml 0,5% -os agar-oldatot (5 g agart, 5 ml nipagint és 5 ml propionsavat tartalmazott 1 liter vízben) tartalmazott. . A csöveket összesen nyolc állványban tartották, két állványonként a 48 48 literes műanyag tárolóedények egyikén (Really Useful Products, Normanton, West Yorkshire, Egyesült Királyság). Az állványokat egymás fölé szerelték a csöveket függőlegesen tartó irányban. A folyékony étrend párolgásának minimalizálása érdekében párásított levegőt szivattyúztak a tartályba 20 l/perc akvárium-szivattyún keresztül (Resun AC-9908, Shenzhen Xing Risheng Industrial, Shenzen, Kína), amely négy gázmosó palackon keresztül táplálta a levegőt ( Schott, French's Forest, NSW, Ausztrália).

Diétás kezelések.

A legyeket a két étrend egyikével etették a kísérleti időtartam alatt: standard (ST) étrendet 1: 4 fehérje/szénhidrát aránnyal és alacsony szénhidráttartalmú étrendet fehérje/szénhidrát aránnyal 1: 1-ből. Az ST étrend arányát Lee és mtsai jelentése alapján választották meg. (34) hogy ha választási lehetőséget kapnak, D. melanogaster 1: 4 arányt választ. Ezeket a makroelem-arányokat az autolizált élesztő és a szacharóz arányának változtatásával érték el, amelyeket desztillált vízben oldottunk, és a mikrobiális szaporodás megakadályozása érdekében 0,1% nipaginnal és 0,1% propionsavval 400 g/l összkoncentrációra állítottuk be. Az ST étrend 5 g szacharózt és 10,5 g élesztőt tartalmazott, az LC étrend pedig 3,58 g szacharózt és 11,92 g élesztőt tartalmazott; mindkét étrend 38,75 μl nipagint és 38,75 μl propionsavat tartalmazott, és desztillált vízzel 38,75 ml térfogatra töltötték fel. 400 g/l koncentrációt választottak a tápanyagfelvétel korlátozásának elkerülése érdekében a bevitt víz mennyisége miatt, ami korlátozható lehet híg étrend esetén, és mivel a 45–360 g/l-es étrend-koncentrációkban azt találták, hogy a hosszú élettartam koncentrációval nőtt (34).

Kísérleti tervezés és ütemezés

MR és aktivitás.

Fogyasztás.

Tovább 3., 6. nap, és 9., az összes tápláló kapillust eltávolítottuk és friss étrendet tartalmazó csövekkel helyettesítettük. Az előző 3 nap során elfogyasztott élelmiszerek mérésére csöveket sorakoztattunk és lefényképeztünk egy darab laminált 1 mm-es rácsos papírra. Fidzsi-szigeteki képfeldolgozó szoftvert (www.fiji.sc) alkalmaztunk a fényképek perspektivikus korrekciójára, és minden mikrokapillárisban megmértük az ételoszlop méretének csökkenését. A párolgás hatásának figyelembevétele érdekében minden állványon végzett minden egyes kezelésnél levontuk a két párologtató kontroll oszlopméretének átlagos csökkenését az egyes kapillárisok mért csökkenéséből, amelyekből egy állat táplálkozott. Mivel az autolizált élesztő és a szacharóz energiatartalma tömegegységenként megközelítőleg azonos (38), az étrendeket ugyanolyan kalóriadúsnak tekintették, és ezért fogyasztott térfogategységekként fejezték ki és vitatták meg.

Glikogénszint.

Statisztikai elemzések

Az egyes tulajdonságok adatait lineáris vegyes hatású modellel elemeztük, maximális valószínűséggel, az R v3.3.0 (53) lme4 v1.1-12 (4) csomagjával (RStudio v0.99.902 (55)). Kétirányú interakciókat vezettek be az étrend és az összes többi rögzített tényező között. A véletlenszerű hatások jelentőségét először a valószínűségi arány tesztjeivel vizsgáltuk, és a későbbi modellektől eltávolítottuk a nem jelentős hatásokat. A fennmaradó fix hatások jelentőségét ezen a minimális megfelelő modellen belül a valószínűségi arány tesztjeivel teszteltük. A véletlenszerű hatásokat a minimális megfelelő modellen belül tartottuk, ha szignifikáns volt α = 0,25-nél, Quinn és Keough ajánlása szerint (52), és az α-t 0,05-re állítottuk be a fix hatások szignifikancia tesztjeihez. A nap az összes elemzett tulajdonság közös fix tényezője volt, és inkább kategorikus, mint folyamatos tényezőként kezelték, mivel a válaszváltozók időbeli változásai nem tűntek lineárisnak. Minden tulajdonság után post-hoc páros összehasonlításokat végeztünk minden napra a napi fix hatás és az esetleges interakciók eltávolításával a minimális megfelelő modellektől.

Anyagcsere sebesség.

Az MR kezdeti modellje tartalmazza az étrend, a nap, az aktivitás, a tömeg és a (nap) időtartamának rögzített hatásait, valamint az analizátor, a csatorna, a tartály, a felső/alsó (állvány), a bal/jobb (állványban lévő helyzet) véletlenszerű hatásait., és fuss. A diéta × idő és a diéta × aktivitás kétirányú kölcsönhatásai, a futás kivételével minden véletlenszerű hatással (χ 2 1 = 44,2, P 2 1 = 1,93, P = 0,165), jelentéktelenek voltak. Az MR magyarázatára használt végső modell az MR volt

diéta + nap + tömeg + idő + étrend × nap + étrend × tömeg + analizátor + futtatás. Az egyes napok utólagos páros összehasonlítása során alkalmazott modell MR volt

diéta + aktivitás + tömeg + idő + analizátor + futtatás.

A tömeg kezdeti modellje tartalmazta az étrend, a nap és az idő rögzített hatásait, valamint az elemző, a csatorna, a tartály, a felső/alsó (állvány), a bal/jobb (állványban lévő állvány) és a futás véletlenszerű hatásait. Az étrend × idő kétirányú kölcsönhatása, az összes véletlenszerű hatással együtt, kivéve a tartályt (χ 2 1 = 6,35, P 2 1 = 102,42, P 2 1 = 3,8, P = 0,051), felső/alsó (χ 2 1 = 1,34, P = 0,247), és a csatorna (χ 2 1 = 1,64, P = 0,20), jelentéktelenek voltak. Az MR magyarázatára használt végső modell az aktivitás volt

diéta + nap + tömeg + idő + csatorna + felső/alsó + futás. Az egyes napok utólagos páros összehasonlítása során alkalmazott modell az aktivitás volt

diéta + tömeg + idő + csatorna, felső/alsó + futás.

Fogyasztás.

A fogyasztás kezdeti modellje tartalmazta az étrend és a nap fix hatásait, valamint a konténer, a felső/alsó, a bal/jobb és a futás véletlenszerű hatásait. Bár sok ember fogyasztását többször is mértük, ezt nem követték nyomon, mivel a folyamat túl időigényes és logisztikailag bonyolult volt. Valamennyi fix tényező és kölcsönhatás szignifikáns volt, csakúgy, mint a konténer összes véletlenszerű hatása (χ 2 1 = 9,57, P = 0,002), felső/alsó (χ 2 1 = 76,03, P 2 1 = 4,88, P = 0,027), és futtassuk (χ 2 1 = 242,17, P = 0,001). A fogyasztási ráta magyarázatára a végső modell a fogyasztás volt

diéta + nap + diéta × nap + tartály + felső/alsó + bal/jobb + futás. Az egyes napok utólagos páros összehasonlítása során alkalmazott modell a fogyasztás volt

diéta + diéta × nap + konténer + felső/alsó + bal/jobb + futás.

Glikogén raktárak.

A fogyasztás kezdeti modellje tartalmazta az étrend és a nap rögzített hatásait, valamint a G-lemez (a 96-lyukú lemez a glükóz méréséhez) és a P-lemez (a fehérjeméréshez használt 96-lyukú lemez), a reagens véletlenszerű hatásait. tétel, és futtassa. Mivel minden egyes adatpontot öt legyek vizsgálatából állítunk elő, amelyek véletlenszerűen mintát vesznek az összes állványról és konténerről, az állvány, a felső/alsó és a bal/jobb tényezők nem voltak relevánsak az elemzés szempontjából. Valamennyi fix tényező és kölcsönhatás, valamint a futtatás véletlenszerű hatása (χ 2 1 = 22,762, P eredmények az igazoláshoz). Ezeket a kiigazításokat úgy érik el, hogy minden értékből levonják az átlagos érték és az átlagos állat becsült értéke közötti különbséget. Például egy 0,57 mg tömegű, 1 MR-rel rendelkező állat esetében az 1,07-es átlagtömeget kell beállítani, a 0,2-es tömeg hatásának paraméterbecslésével, a 0,57 és 1,07 (-0,5) közötti különbséget meg kell szorozni. a paraméter becsült értéke 0,2, és kivonva az állat MR-értékéből 1 [1 - (0,57 - 1,07) × 0,2], korrigált MR-értéket kapva 1,1.

1. ábra.Alacsony szénhidráttartalmú (LC) és standard (ST) étrenddel táplált legyek testtömegének és anyagcsere-sebességének (MR) változásai az idő múlásával. Bal felső: a testtömeg változása az idő múlásával. Jobb felső: MR 0 aktivitási szintre igazítva. Bal alsó: MR 0 aktivitási szintre és alacsony testtömegre igazítva (a megfigyelt tömegek 10. percentilise, 1,07 mg). Jobb alsó: 0 aktivitási szintre és magas testtömegre igazított MR (a megfigyelt tömegek 90. percentilise, 1,52 mg). Az MR elemzése az aktivitás jelentős hatását és 2 szignifikáns kétirányú kölcsönhatást jelzi: étrend × nap és étrend × tömeg. A tömeg elemzése a kétutas étrend × nap interakció jelentős hatását jelzi (n = 38–40 adatpont minden diéta-nap kombinációra). * Statisztikailag szignifikáns páronkénti különbségek minden napra: P

Anyagcsere

Jelentős hatása volt az étrend × napi interakciónak (χ 2 8 = 36,967, P 2 8 = 27,51, P 2 1 = 9,41, P = 0,002), és a paraméterbecslések azt mutatták, hogy az aktivitás meredeksége negatív és szignifikánsan eltér a 0-tól, ami az aktivitás csökkenését jelzi mindkét diétás kezelés során az idő múlásával.

2. ábra.Az LC és ST étrenddel táplált legyek aktivitásának változásai az idő múlásával. Az elemzés azt mutatja, hogy a nap jelentős hatással van az aktivitásra (n = 38–40 adatpont minden tevékenység-nap kombinációra). A páronkénti elemzések egyik nap sem mutatnak szignifikáns különbségeket a diéták között.

Fogyasztás

Jelentős hatása volt a diéta × nap interakciónak (χ 2 2 = 12,736, P

3. ábra.Fogyasztási szint (µl/3 nap) LC és ST étrenddel táplált legyeknél idővel. Az elemzés szignifikáns kétirányú étrend × napi interakciót mutat (n = 339–1 810 adatpont minden tevékenység-nap kombinációra). Az adatpontok száma a kísérlet későbbi szakaszában csökken, mivel a legyeket a tulajdonságmérések után eldobják. * Statisztikailag szignifikáns páronkénti különbségek minden napra: P

Glikogénüzletek

Jelentős hatása volt az étrend × napi interakciónak (χ 2 8 = 25,56, P = 0,001) a glikogénszinteken (4. ábra). Bár az étrend × nap interakciónak jelentős hatása volt, és a post hoc tesztek azt mutatták, hogy a glikogénszint minden nap szignifikánsan különbözött az LC és az ST diéták között, kivéve 3. nap, az adatok vizuális vizsgálata azt sugallja, hogy a glikogénszint stabil az LC csoportban, de csökken az ST csoportban (4. ábra). A glikogénszint időbeli lefolyásának további vizsgálata érdekében a minimális megfelelő modellt nappal előrejelzőként egészítettük ki; ebben a modellben az étrend × nap interakció szignifikáns maradt (χ 2 1 = 13,4, P 0, de az ST étrend meredeksége lényegesen negatívabb, mint az LC étrend esetében, és lényegesen nagyobb az elfogása. Ez azt jelzi, hogy az LC csoportban a glikogénszint pozitív és stabil az idő múlásával, míg az ST csoportban kezdetben magasabb, de az idő múlásával csökken. Ezek a paraméterbecslések tehát azt sugallják, hogy a glikogénszintek konvergálnának, ha a kísérlet hosszabb ideig folytatódna, bár a konvergálódás idejét nem számolták ki, mert ennek elvégzéséhez extrapolálásra lenne szükség a mért adatok tartományán túl.

4. ábra.Az LC és ST étrendet tápláló legyek glikogénszintjének változása az idő múlásával. Az elemzés szignifikáns étrend × nap interakciót mutat (n = 9–12 adatpont minden glikogén-napi kombinációra). * Statisztikailag szignifikáns páronkénti különbségek minden napra: P

Tudomásul kell venni, hogy nem tudjuk leválasztani a csökkent szénhidrátfogyasztás hatásait a megnövekedett fehérjebevitelről, valamint az autolizált élesztő lipidjeiről, vitaminjairól és egyéb elemeiről. Lehetséges, hogy a válaszokat a többi makro- vagy mikrotápanyag növekedése vezérli. Ami a fehérjét illeti, valószínűtlennek tűnik, hogy azok a mechanizmusok, amelyek révén megnövekedett bevitele emeli az MR-t, amelyek az oxidációjában részt vevő biokémiai útvonalakhoz kapcsolódnak (12), az idő múlásával megszűnnek alkalmazni. A glükoneogenezis és néhány más anyagcsere útvonal csökkentése tűnik a legvalószínűbb magyarázatnak, különös tekintettel az ezen értelmezés és az idézett humán vizsgálatok közötti nyilvánvaló következetességre. Ennek ellenére erre a figyelmeztetésre szükség van.

A fogyasztási szintre vonatkozó adatok jelentik a legnagyobb rejtvényt, ha az összes mérést együttesen vesszük figyelembe. Bár jelentős kétirányú étrend × nap interakció van, a modellben szereplő összes tényezőt nagyon szignifikánsnak adták vissza, ami valószínűleg a

Perspektívák és jelentőség

C. R. White az Ausztrál Kutatási Tanács jövőbeli munkatársa (projektszám: FT130101493).