Адел Пезешки

1 Катедра по производствено здраве на животните, Факултет по ветеринарна медицина, Университет в Калгари, Калгари, Алберта, Канада

2 Група за стомашно-чревни изследвания, Институт за хронични заболявания на Снайдер, Университет в Калгари, Калгари, Алберта, T2N 4N1, Канада

Ризалди С. Запата

1 Катедра по производствено здраве на животните, Факултет по ветеринарна медицина, Университет в Калгари, Калгари, Алберта, Канада

Арашдип Сингх

1 Катедра по производствено здраве на животните, Факултет по ветеринарна медицина, Университет в Калгари, Калгари, Алберта, Канада

Никълъс Дж. Йе

1 Катедра по производствено здраве на животните, Факултет по ветеринарна медицина, Университет в Калгари, Калгари, Алберта, Канада

Прасант К. Челикани

1 Катедра по производствено здраве на животните, Факултет по ветеринарна медицина, Университет в Калгари, Калгари, Алберта, Канада

2 Група за стомашно-чревни изследвания, Институт за хронични заболявания на Снайдер, Университет в Калгари, Калгари, Алберта, T2N 4N1, Канада

Свързани данни

Резюме

Предполага се, че хиперфагичните ефекти на диетите с умерено ниско съдържание на протеини са чрез множество механизми. Те включват дисбаланс в концентрациите на аминокиселини в плазмата и мозъка при плъхове 15, 16, 17, модулация на енергийни сензори в хипоталамуса и предната пириформна кора при плъхове 18 и повишена активност в зоните за възнаграждение като орбитофронталната кора и стриатума при хората 11 . Диетите с ниско съдържание на протеини също увеличават енергийните разходи при гризачи 17, 19, 20, 21, 22, но основните механизми са слабо разбрани. Потенциалните механизми включват повишен симпатиков поток чрез β-адренергичен рецептор (β-AR), сигнализиращ за кафява мастна тъкан (BAT) с последващо повишаване на експресията на митохондриалния разединяващ протеин-1 (UCP1) 19, 21, 22, 23, както и повишен фибробласт растежен фактор-21 (FGF21) медиирана термогенеза 17. Относителната важност на тези механизми и дали получените от червата сигнали са свързани с ниско протеинова индуцирана хиперфагия и термогенеза, са до голяма степен неизвестни.

Ентероендокринните клетки на червата секретират множество хормони, включително пептид YY (PYY), който се предполага, че играе роля в анорексигенните ефекти на високо протеиновите диети 24; неизвестно е дали хормоните на червата медиират ефекта от диетите с ниско съдържание на протеини върху енергийния баланс. Освен тези хормони, наскоро беше доказано, че серотонинът, получен от червата, който представлява над 95% от общия телесен серотонин 25, предизвиква затлъстяване, отчасти поради намалената термогенеза на кафявите мазнини 26, 27, докато се отчита, че серотонинът, получен от мозъка, индуцира термогенеза в кафява мазнина 28. Ефектите на серотонина се медиират от множество рецепторни подтипове, от които 5-хидрокситриптаминовите (5НТ3) рецептори медиират хипофагичните ефекти на въглехидратите и мазнините 29, 30, 31. Не е известно дали 5НТ3 рецепторите медиират ефектите от диетите с ниско съдържание на протеини върху енергийния баланс.

Резултати

Приемане на енергия, разход на енергия и смилаемост на енергия

съдържание

Плазмени аминокиселини, глюкоза и хормони

95%) от серотонин 25, засилен ендогенен серотонин, предимно от чревен произход, действащ чрез 5НТ3 рецептори, медиира ефектите от диети с ниско съдържание на протеини, но сравнително високо съдържание на въглехидрати върху енергийния прием.

В допълнение към засиленото симпатиково шофиране, ние предоставяме доказателства, че повишената серотонергична сигнализация, действаща чрез 5НТ3 рецептори, също е важна за увеличените разходи. Преди това беше показано, че metergoline, неселективен 5HT рецепторен антагонист и допаминов агонист, намалява VO2 в покой при животни, хранени с 8% протеинова диета 48. В нашето проучване селективният 5HT3 рецепторен антагонист ондансетрон намалява енергийните разходи, особено в групата 10P. Като се има предвид, че около 15% от циркулиращия ондансетрон получава достъп до мозъка 49, ефектите на антагониста върху разходите в настоящото проучване вероятно се медиират както от периферни, така и от централни механизми. Въпреки че серотонинът, получен от мозъка, може да играе роля в термогенезата 28, увеличеното изобилие на TPH1 и SERT в НДНТ на 10P и 5P плъхове предполага наместване на местното серотониново движение, което от своя страна може да действа чрез паракринен или автокринен начин за подобряване на термогенезата. Заедно тези открития предполагат, че повишената адаптивна термогенеза на диети с ниско съдържание на протеини вероятно е медиирана чрез сближаването на паралелни или взаимозависими симпатикови, серотонинергични и FGF21 сигнални пътища.

Безпротеиновите диети намаляват енергийния прием и увеличават енергийните разходи, което води до загуба на телесно тегло, мазнини и чиста маса, докато много нископротеиновите диети насърчават хиперфагия и термогенеза с произтичащо намаляване на теглото и чистата маса, а умерено ниско протеиновите диети са хиперфагични, без да променят разход на енергия и телесни мазнини и чиста маса. Подобрената секреция и сигнализация на симпатиковия, серотонинергичен и фибробластен растежен фактор-21 (FGF21) вероятно допринася за термогенните ефекти на диети без протеини и много ниско съдържание на протеини. Малко вероятно е анорексигенните чревни пептиди да играят роля в модулирането на приема, но засиленото серотонинергично сигнализиране, вероятно от чревен произход, медиира ефектите от диетите с ниско съдържание на протеини върху приема на храна. Освен това, недостигът на хранителни протеини насърчава чернодробната липидоза. Стрелките, насочени нагоре, надолу или хоризонтално, показват съответно увеличение, намаляване или липса на промяна. Пътищата, които се нуждаят от допълнителна проверка, са обозначени с пунктирани линии. Оцветените кръгове представляват относителни пропорции на протеини (синьо), въглехидрати (зелено) и мазнини (червено), съответно.

Методи

Животни, настаняване и лечение

Експериментите с животни са одобрени от Комитета по грижа за животните към Университета в Калгари (# AC12–0033). Склонни на затлъстяване плъхове Sprague Dawley (

155 g, на 6 седмици; Crl: OP-CD, щам 463; Чарлз Ривър, Монреал, Квебек, Канада) са избрани, тъй като улавят отличителните белези на човешкото затлъстяване, включително полигенно наследство, непоносимост към глюкоза и затлъстяване 58, 59, 60; следователно те биха имали по-голямо транслационно значение за тестване на обезогенните ефекти на диетите с ниско съдържание на протеини. Те бяха настанени поотделно в метаболитни клетки на Комплексната система за лабораторно наблюдение на животните (CLAMS ®, Columbus Instruments; Columbus, OH, USA) при стандартна температура (23–24 ° C) и условия на осветление (12 часа светлина-тъмно; светлини изключени в 1100 ч). Общата поддръжка и отглеждане (Допълнителни методи) е съгласно нашите предварително публикувани процедури 5 .

Метаболитни измервания

Приемът на храна и енергийните разходи се записват ежедневно с помощта на CLAMS ® през цялото проучване (допълнителни методи), както съобщихме по-рано Плъховете се претеглят два пъти седмично и телесният състав се измерва ежеседмично, като се използва Minispec LF110® NMR анализатор (Bruker Corporation, Milton, ON, Канада). IPGTT беше извършен при всички животни при d 10-13, както описахме по-рано 5, 62. Брутното енергийно съдържание (килокалории на грам) от фекални проби, събрани към края на първата и втората седмица на изследването, бяха анализирани с калориметрия на бомбите (1341 калориметър с обикновена кожуха, Parr Instrument Company, Moline, IL, САЩ) и изчислена усвояемост на енергия от разликите между общия енергиен прием и отделената фекална енергия.

Блокада на 5НТ3 рецептори и β-AR

За да се оцени ролята на 5НТ3 рецепторите и β-AR в енергийния баланс, ондансетрон (Ondansetron hydrochloride, Tocris, Burlington, ON, Canada, # 2891) селективен 5HT3 рецепторен антагонист и пропранолол (Propranolol hydrochloride; Sigma-Aldrich, Oakville, ON, Канада, # P8688) β1 и β2-AR блокер, са прилагани на d 6-8 и 15-17, съответно. В кръстосан дизайн, след постигане през нощта, всяко животно получава интраперитонеална инжекция с физиологичен разтвор или ондансетрон (0,5 ml; 1 mg/kg в стерилен 0,9% физиологичен разтвор) 29, 30, 31 на 1030 ч (30 минути преди началото на тъмен период) с

48 часа между инжекциите. По същия начин плъховете на гладно през нощта получават подкожно инжектиране на физиологичен разтвор или пропранолол (0,5 ml; 10 mg/kg в стерилен 0,9% физиологичен разтвор) 20, 63 .

Тест за хранене и събиране на тъкани

В експеримент 3, на d 19, след пост през нощта, на плъховете беше позволено свободно да консумират обичайната си диета за лечение в продължение на 1 h след началото на тъмнината (1100 h). Кръвни проби са получени от сафенозната вена преди (0 минути) и на 60 и 120 минути след настъпване на достъп до храна, отделени от плазма и различни тъкани, взети проби при прекратяване (допълнителни материали и методи). Концентрациите на кръвната глюкоза се измерват с помощта на глюкомер в гореспоменатите точки (Accu-Chek®; Roche Diagnostics, QC, Канада).

Плазмени хормони и аминокиселини

Плазмените концентрации на PYY, GIP, амилин, инсулин, С-пептид и лептин са измерени в два екземпляра, като се използва панел с хормон на плъхове Milliplex® Map (Millipore, Luminex Corp., Austin, TX; RGT 88 K) на платформа Luminex® ( Bio-Plex 200), следвайки нашите публикувани процедури 5, 62. Плазмените концентрации на FGF21 се измерват, като се използва търговски наличен комплект ELISA за плъх/мишка FGF21 (EMD Millipore Corporation, Saint Charles, MO, USA, # EZRMFGF21-26 K). Коефициентът на вариация в рамките на анализа за PYY, GIP, амилин, инсулин, С-пептид, лептин и FGF21 са съответно 8,42, 19,21, 11,45, 3,46, 5,03, 8,13 и 3,75%. За измерване на плазмените концентрации на аминокиселини са използвани терминални постпрандиални проби (допълнителни материали и методи).

Анализи на полуколичествена полимеразна верижна реакция в реално време с имуноблот и обратна транскрипция (RT-qPCR)

Извършва се имуноблотинг (вж. Допълнителни методи и допълнителна таблица S5) за eIF2α, peIF2α (Ser 51), ATF4 и HADH в черния дроб, следвайки нашите публикувани процедури 5, 62, 64. RT-qPCR беше извършен (вж. Допълнителни методи и допълнителна таблица S6) за GCN2, ATF4, FGF21, β-Klotho, SLC38A2, SLC7A5, SLC3A2, BCKDH, CD36, FAS, CPT1, SERT, TPH1, β3-AR, UCP1, UCP3, иризин и PGC1-α при НДНТ, мускули и черен дроб след нашите публикувани процедури 5, 62, 64 .

Статистически анализ