Институт по храните, храненето и здравето

Тези автори допринесоха еднакво за тази работа.

Автори-кореспонденти Кристиан Волфрум и Джералд Грандл: ETH Zürich, Schorenstrasse 16, CH ‐ 8603 Schwerzenbach, Швейцария. Имейл: [email protected] и [email protected] Търсене на още статии от този автор

Институт по храните, храненето и здравето

Тези автори допринесоха еднакво за тази работа.

Институт по храните, храненето и здравето

Лаборатория по физиология и поведение, ETH Zürich, Schwerzenbach, Швейцария

Отдел по детска ендокринология и диабетология

Детски изследователски център, Университетска детска болница, Цюрих, Швейцария

Отдел по детска ендокринология и диабетология

Детски изследователски център, Университетска детска болница, Цюрих, Швейцария

Институт по храните, храненето и здравето

Автори-кореспонденти Кристиан Волфрум и Джералд Грандл: ETH Zürich, Schorenstrasse 16, CH ‐ 8603 Schwerzenbach, Швейцария. Имейл: [email protected] и [email protected] Търсене на още статии от този автор

Институт по храните, храненето и здравето

Тези автори допринесоха еднакво за тази работа.

Автори-кореспонденти Кристиан Волфрум и Джералд Грандл: ETH Zürich, Schorenstrasse 16, CH ‐ 8603 Schwerzenbach, Швейцария. Имейл: [email protected] и [email protected] Търсене на още статии от този автор

Институт по храните, храненето и здравето

Тези автори допринесоха еднакво за тази работа.

Институт по храните, храненето и здравето

Лаборатория по физиология и поведение, ETH Zürich, Schwerzenbach, Швейцария

Отдел по детска ендокринология и диабетология

Детски изследователски център, Университетска детска болница, Цюрих, Швейцария

Отдел по детска ендокринология и диабетология

Детски изследователски център, Университетска детска болница, Цюрих, Швейцария

Институт по храните, храненето и здравето

Автори-кореспонденти Кристиан Волфрум и Джералд Грандл: ETH Zürich, Schorenstrasse 16, CH ‐ 8603 Schwerzenbach, Швейцария. Имейл: [email protected] и [email protected] Търсене на още статии от този автор

Редактирано от: Ким Барет и Фиона Грибъл

Това е статия по избор на редактора от изданието от 1 октомври 2018 г.

Свързани статии: Тази статия е подчертана в статия от Перспективи от Евънс. За да прочетете тази статия, посетете https://doi.org/10.1113/JP276703. Статията е подчертана и в статия на Journal Club от Medak & Townsend. За да прочетете тази статия, посетете https://doi.org/10.1113/JP277632.

Резюме

Ключови точки

  • Известно е, че кетогенната диета води до загуба на тегло и се счита за метаболитно здравословна; обаче има противоречиви доклади за ефекта му върху чернодробната инсулинова чувствителност.
  • Хранените с KD животни изглеждат метаболитно здрави на гладно след 3 дни диетично предизвикателство, докато обезогенната диета с високо съдържание на мазнини (HFD) показва повишени нива на инсулин.
  • Предизвикателство за глюкоза разкрива, че както животните, хранени с KD, така и с HFD, не понасят глюкоза.
  • Глюкозната непоносимост корелира с повишено окисление на липидите и по-ниско съотношение на дихателен обмен (RER); всички животни обаче реагират на инжектиране на глюкоза с увеличаване на RER.
  • Хиперинсулинемично-евгликемичните скоби с двойно проследяване показват, че ефектът на KD е резултат от чернодробна инсулинова резистентност и повишена продукция на глюкоза, но не нарушен глюкозен клирънс или усвояване на глюкоза в тъканите в други тъкани.

Резюме

Въведение

Методи

Етично одобрение

Всички експерименти с мишки, описани в настоящото проучване, са проведени в строго съответствие с препоръките в Наредбата за хуманно отношение към животните (TSchV 455.1) на Швейцарската федерална служба за безопасност и ветеринарна безопасност на храните. Проучването е одобрено от канцеларната ветеринарна служба в Цюрих, Швейцария. Животните са приемали бупренорфин (Temgesic; 50–100 μg kg –1) за аналгезия преди операцията и са били обезболявани по време на операция с изофлуран (4–5% за индукция, 1,5–2,5% за поддръжка). Животните след операцията са инжектирани с глюкозалин (глюкоза във физиологичен 0,9% физиологичен разтвор) (300 μL) и 5 ​​mg kg –1 карпрофен дневно. Животните са били убити чрез дислокация на шийката на матката или задушаване на CO2 при бавно повишаващи се нива на CO2. Разследващите разбират етичните принципи, при които Вестник по физиология действат и потвърждават, че работата им е в съответствие с контролния списък за етиката на животните, описан в Grundy (2015).

Животни

Мишките C57BL/6 бяха настанени в обект без животни за патогени в рамките на 12:12 h цикъл светлина/тъмнина (светлините изключени 07.00 h) при температура на околната среда 23 ° C със свободен достъп до храна и вода. Мишки са получени от Charles River (Wilmington, MA, USA) на възраст 6-8 седмици и са настанени в съоръжението за животни до началото на експеримента на 12-седмична възраст. Мишките бяха хранени със стандартен чау (пречистена диета # 2222; Kliba-Nafag, Kaiseraugst, Швейцария; 18% протеини, 7% мазнини, 58% въглехидрати по маса), кетогенна диета с 90% калории, получени от мазнини (Teklan TD.96355; Envigo, Хънтингдън, Великобритания; 15,3% протеини, 67,4% мазнини, 0,6% въглехидрати по маса) или 60% калории с високо съдържание на мазнини (пречистена диета # 2127; Kliba-Nafag; 23,9% протеини, 35% мазнини, 23,2 % въглехидрати по маса). За настоящото проучване бяха убити 149 мишки.

Колекция плазма

Кръвта се събира от опашната вена в епруветки, съдържащи 0,5 m EDTA и се центрофугира за получаване на плазма. За събиране на кръв след смъртта, животните са били убити чрез задушаване на CO2 и кръвта е взета чрез сърдечна пункция.

Анализ на плазмата

Кръвната глюкоза се измерва с помощта на глюкозна лентова система Aviva Accu-Chek (# 07400918016, # 06453988016; Roche Diagnostics International, Базел, Швейцария), като се вземат ∼0,6 μL кръв за измерване. Инсулинът се измерва с помощта на свързан с ензим MSD комплект за имуносорбентен анализ (K152BZC; Meso Scale Diagnostics, Rockville, MD, USA). Свободните мастни киселини бяха измерени с помощта на комплект Wako Nefa # 9196 (Wako Pure Chemical Industries, Токио, Япония), триглицеридите (TG) бяха измерени с Cobas Roche/Hitachi Kit # 11489232 (Roche Diagnostics International) и холестеролът беше измерен с помощта на Cobas Комплект Roche/Hitachi # 11877771 (Roche Diagnostics International). Общите кетонни тела бяха определени с помощта на Wako Chemicals Kit # 415‐73301/411‐73401 (Wako Pure Chemical Industries).

Тест за толерантност към глюкоза/инсулин

Животните бяха на гладно в 08.00 ч. Сутринта и инжектирани i.p. с 1,5 g kg –1 телесно тегло глюкоза [тест за толерантност към глюкоза (GTT)] или 0,5 U kg –1 телесно тегло на инсулин [тест за толерантност към инсулин (ITT)] в 0,9% физиологичен разтвор след 6 часа бързо. Взети са кръвни проби от кръвоизливи от върха на опашката за измерване на кръвната захар преди инжектирането и на 15, 30, 60, 90 и 120 минути след инжектирането.

Непряка калориметрия

Изследвания на глюкозна скоба

Статистически анализ

Всички данни се отчитат като средна стойност ± SEM. Статистическият анализ беше извършен с помощта на Prism (GraphPad Software Inc., Сан Диего, Калифорния, САЩ). Корелацията се анализира чрез изчисляване на коефициента на корелация на Пиърсън. Разликите между групите бяха анализирани от ANOVA с Bonferroni post hoc тест. P ≤ 0,05 се счита за статистически значимо.

Резултати

Краткосрочното обезогенно HFD хранене, но не и KD, води до увеличаване на инсулина на гладно и оценка на хомеостатичния модел - инсулинова резистентност (HOMA-IR)

кетогенна

Краткосрочното хранене с KD или HFD причинява нарушен глюкозен клирънс и инсулинов толеранс

За да оценим чувствителността към глюкозата, след това предизвикахме животните с i.p. GTT след 3 дни диета с HFD или KD (Фиг. 2A и Б.). За разлика от нашите констатации в базално гладно състояние, ние открихме значително и значително намаляване на глюкозния клирънс както на HFD, така и на KD животни, хранени в сравнение с животни, хранени с чау. Изпълнихме и ip. ITT след 3-дневна диета (фиг. 2° С). Отговорът в ITT показа подобно увреждане като в GTT (Фиг. 2д). Тези данни предполагат, че въпреки очевидно подобрената инсулинова чувствителност на гладно, 3 дни хранене с KD са достатъчни, за да причинят нарушена хомеостаза на глюкозата при мишки C57/Bl6, сравними с известните неблагоприятни краткосрочни ефекти от режим на хранене с HFD.

RER в стационарно състояние обратно корелира с глюкозния толеранс, въпреки че всички групи реагират на i.p. глюкозно предизвикателство с увеличаване на RER

Хиперинсулинемично-евгликемичните скоби разкриват разлики в потиснатото от инсулина производство на ендогенна глюкоза, но не и изхвърлянето на глюкоза или усвояването на глюкоза в тъканите

Хиперинсулинемично-евгликемични скоби с по-ниски цели на инсулин и глюкоза потвърждават ефекта на намаленото ендогенно производство на глюкоза, потиснато от инсулина

За по-нататъшно потвърждаване на тези находки, повторихме проучванията на хиперинсулинемично-евгликемична скоба с по-ниски скорости на инфузия на инсулин (12 mU kg –1 min –1) и по-високи плазмени глюкозни цели (6–7 mm), като се използва [3-3 H], маркиран глюкоза за оценка на базално и инсулиново потиснато производство на ендогенна глюкоза и болус от 2 - [1-14 С] в стационарно състояние за измерване на усвояването на глюкоза в тъканите (Фиг. 5A). В тази обстановка животните, хранени с HFD и KD, се нуждаят от значително по-ниски нива на инфузия на глюкоза, за да постигнат плазмени нива в целевия диапазон (Фиг.Б.-д). Отново не наблюдавахме разлика в базалния EGP, въпреки че имаше значително повишен EGP на KD животни в инсулиново потиснато състояние (Фиг. 5Е.). Подобно на скобите с по-висока инфузионна инфузия и по-ниски глюкозни цели, няма значителна разлика в системната скорост на изчезване на глюкозата (Фиг. 5F) или поглъщане на WAT и мускулна глюкоза (фиг. 5Е.). Тези данни потвърждават констатацията ни, че намалената чувствителност към инсулин, наблюдавана при мишки, хранени с KD, се медиира главно от притъпена чернодробна чувствителност към инсулин, засягаща продукцията на глюкоза, в различни диапазони на инфузия на инсулин и целеви нива на глюкоза в плазмата.

Дискусия

Като се има предвид противоречието относно връзката между KD и инсулиновата чувствителност, ние анализирахме глюкозния толеранс в отговор на краткосрочните диетични предизвикателства на KD и HFD срещу. диета с чау. Резултатите от настоящото проучване показват, че в контекста на ad libitum хранене както на HFD, така и на KD за кратък период, ефектът върху системната глюкозна толерантност е резултат от неспособността на инсулина да потисне чернодробната продукция на глюкоза, докато усвояването на глюкоза в мускулите и мастната тъкан е напълно необезпокоявано. В нашето първоначално проучване на хиперинсулинемично-евгликемична скоба, ние избрахме доста високи нива на инсулин по време на скобата (18 mU kg –1 min –1), което доведе до пълно потискане на чернодробната продукция на глюкоза под инсулин и дори отрицателни стойности за EGP в някои случаи. Целта ни беше да се справим с това, като повторим проучванията със скоби с по-ниски нива на инсулин (12 mU kg –1 min –1) и по-високи глюкозни цели. Въпреки че успяхме да потвърдим първоначалните си открития, трябва да се отбележи, че нивата на инсулин все още са високи и водят до почти пълно потискане на HGP.

При по-дългосрочни проучвания 5-седмичното хранене с KD доведе до подобен фенотип на този, наблюдаван от нас след 3 дни (Jornayvaz и др. 2010), докато други проучвания отчитат универсално благоприятни ефекти върху метаболизма на глюкозата в резултат на KD хранене (Kennedy и др. 2007; Лош човек и др. 2009). Две скорошни проучвания, разглеждащи храненето с KD при гризачи за период от години усложняват картината. Робъртс и др. (2017) докладват драстично нарушен системен клирънс на глюкоза, в съответствие с констатациите от настоящото проучване и тези на Jornayvaz и др. (2010), но все пак подобрена чувствителност към инсулин при възрастни мишки на жива KD, докато Newman и др. (2017) не отчитат никакви функционални данни за глюкозната хомеостаза. Нашите собствени изследвания и тези на Jornayvaz и др. (2010) са извършени при млади мишки и така правдоподобна интерпретация на тези данни е, че нарушената глюкозна толерантност е пряк метаболитен ефект от KD хранене, докато доживотните ниски нива на глюкоза и инсулин могат да противодействат на възрастово-зависимата инсулинова резистентност което изглежда, че включва различен механизъм от индуцираната от диета инсулинова резистентност (Bapat и др. 2015).

Ясно е, че въпреки че има важни метаболитни прилики между храненето с KD и гладуването, има и съществени разлики. Както гладуването, така и диетичното изчерпване на въглехидратите водят до превключване на основното гориво от въглехидрати към липиди, както и кетогенезата. Гладът обаче води до значително намаляване на енергийните разходи и производството на топлина (Cahill и др. 1966; Cahill, 1970; Дженсън и др. 2013), докато KD осигурява достатъчно енергия и според съобщенията причинява увеличени или непроменени енергийни разходи (Jornayvaz и др. 2010; Паоли и др. 2013; Зала и др. 2016). Последиците от гладуването в резултат на намален енергиен прием, а не на намален прием на въглехидрати, включват повишена автофагия и намалена скорост на метаболизма. По този начин е възможно симптомите на краткосрочно хранене с KD в настоящото проучване и съобщените симптоми на гладен диабет да са причинени от различни механизми.

Биографии

Джералд Грандл завършва магистърска степен по молекулярна биология във Виенския университет и Харвардското медицинско училище. Той следва докторска дисертация в Швейцарския федерален технологичен институт, Цюрих, след като се интересува от разбирането на системните събития, които причиняват и поддържат метаболитни заболявания и затлъстяване. В момента той провежда докторантски изследвания в Института по диабет и затлъстяване към Центъра Хелмхолц в Мюнхен.

Леон Габриел Щрауб получава бакалавърска степен по биология, както и магистърска степен по биология и медицински науки от университета в Бон. След това се присъединява към лабораторията на професор Кристиан Волфрум в ETH Цюрих, за да работи върху докторската си дисертация. През 2018 г. той получи докторска степен от ETH Цюрих за докторска дисертация относно биологията на мастната тъкан и развитието на захарен диабет тип 2.