Допринесе еднакво за тази работа с: Алисън М. Майерс, Деври Моура

предизвиква

Роли Концептуализация, куриране на данни, разследване, методология, визуализация, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Отдел по психология на асоциации, Куинс Колидж, Сити университет Ню Йорк, Флъшинг, Ню Йорк, Съединени американски щати, Департамент по психология, CUNY Neuroscience Collaborative, Сити университет Ню Йорк, Ню Йорк, Ню Йорк, Съединени американски щати

Допринесе еднакво за тази работа с: Алисън М. Майерс, Деври Моура

Роли Концептуализация, куриране на данни, разследване, методология, визуализация, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Отдел по психология на филиалите, Куинс Колидж, Сити университет Ню Йорк, Флъшинг, Ню Йорк, Съединени американски щати, Департамент по психология, CUNY Neuroscience Collaborative, Сити университет Ню Йорк, Ню Йорк, Ню Йорк, Съединени американски щати

Роли Концептуализация, формален анализ, методология, администриране на проекти, ресурси, надзор, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Отдел по психология на асоциации, Куинс Колидж, Сити университет Ню Йорк, Флъшинг, Ню Йорк, Съединени американски щати, Департамент по психология, CUNY Neuroscience Collaborative, Сити университет Ню Йорк, Ню Йорк, Ню Йорк, Съединени американски щати

  • Алисън М. Майерс,
  • Деври Мора,
  • Джеф А. Бийлър

Фигури

Резюме

Приносът на царевичния сироп с високо съдържание на фруктоза (HFCS) към метаболитните разстройства и затлъстяването, независимо от диетите с високо съдържание на мазнини, богати на енергия, е спорен. Докато диетите с високо съдържание на мазнини са широко приети като модел на гризачи на диета, предизвикано от затлъстяване (DIO) и метаболитно разстройство, стойността само на HFCS като модел на DIO за гризачи е неясна. Нарушената допаминова функция е свързана със затлъстяването и диетата с високо съдържание на мазнини, но ефектът от HFCS върху допаминовата система не е изследван. Целта на това проучване беше да се тества ефектът на HFCS върху наддаването на тегло, регулирането на глюкозата и предизвиканото освобождаване на допамин, като се използва циклична волтаметрия с бързо сканиране. Мишките (C57BL/6) получават или вода, или 10% разтвор на HFCS в комбинация с ad libitum чау в продължение на 15 седмици. Консумацията на HFCS с диета с чау не предизвиква наддаване на тегло в сравнение с вода, контроли само за чау, но предизвиква дисрегулация на глюкозата и намалява предизвиканото освобождаване на допамин в дорзолатералния стриатум. Тези данни показват, че HFCS може да допринесе за метаболитно разстройство и промяна на допаминовата функция, независимо от наддаването на тегло и диетите с високо съдържание на мазнини.

Цитат: Meyers AM, Mourra D, Beeler JA (2017) Високо фруктозен царевичен сироп предизвиква метаболитна дисрегулация и променена сигнализация на допамин при липса на затлъстяване. PLoS ONE 12 (12): e0190206. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0190206

Редактор: Ференц Галиас-младши, Медицински факултет на Университета на PECS, УНГАРИЯ

Получено: 27 юни 2017 г .; Прието: 11 декември 2017 г .; Публикувано: 29 декември 2017 г.

Наличност на данни: Данните са достъпни от: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.3944488.v2.

Финансиране: Авторите не са получили конкретно финансиране за тази работа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Въведение

Затлъстяването се е увеличило драстично през последните десетилетия [1], явление, широко свързано с така наречената „западна диета“: енергийно гъсти, силно вкусни храни с високо съдържание на мазнини и захар [2]. Съвсем наскоро се наблюдава интерес към възможния принос на царевичен сироп с високо съдържание на фруктоза (HFCS) към нарастването на затлъстяването. Използвана широко в почти всички търговски храни, от хляб до напитки [3], консумацията на HFCS се е увеличила успоредно с увеличаване на телесното тегло и нивата на затлъстяване [4]. Докато данните предполагат връзки между увеличената консумация на захар и нарастващото разпространение на затлъстяването и метаболитните разстройства [5–7], приносът на HFCS сам по себе си, поради по-високото му съдържание на фруктоза, е противоречив с аргументи за [4,8–11] и срещу [12–15] HFCS, представляващи специфична отговорност извън увеличената консумация на захар като цяло.

HFCS-55, съдържащ 55% фруктоза, 42% глюкоза и 3% други захариди, се използва предимно в течни продукти [3]. Фруктозата, включително HFCS с по-високо съдържание на фруктоза, е по-липогенна в сравнение с други захари [11,16] и се метаболизира по различен начин [17]. Когато глюкозата може да влезе в клетките чрез GLUT4 (различни тъкани), GLUT3 (неврони), GLUT2 (хомеостаза, макар и поглъщане в червата) и GLUT1 (астроцити и независими от инсулин), фруктозата използва предимно GLUT5, който не се намира в бета клетките на панкреаса, е специфичен за фруктозата и не реагира на инсулин [18]. GLUT2 също транспортира фруктоза неселективно, въпреки че този транспортер с нисък афинитет участва в транспорта предимно в черния дроб, червата и бъбреците [19].

Докато данните сочат, че фруктозата [7,11,20,21] и евентуално HFCS [22,23] могат да допринесат за развитието на метаболитно разстройство, дали спомага за увеличаване на теглото е противоречиво. Някои изследвания съобщават за увеличаване на теглото с консумация на фруктоза или HFCS [23,24], докато други не [21,25,26]. Освен това, затлъстяването е свързано с променена сигнализация на допамин (DA) както в проучвания при хора [27–29], така и при животни [30–32]. Предполага се, че намалената допаминова сигнализация насърчава компулсивното преяждане, оприличавайки затлъстяването на допамин-медиирана зависимост към храната [33,34]. Когато се наблюдават промени във функцията на допамин при диета с високо съдържание на мазнини (HFD), е трудно да се разграничи потенциалният принос на увеличеното тегло, промененият макромолекулен състав на диетата сам по себе си и вторичните ефекти на метаболитното разстройство, включително променено сигнализиране за инсулин и лептин и съпротива. Тук ние изследваме дали продължителната консумация на HFCS променя сигнализирането на допамин в гръбния стриатум, регион, замесен в обучение за подсилване, навици и мотивирано поведение, включително критично за регулиране на храненето [35–37].

Материали и методи

Животни

За всички експерименти са използвани мъжки и женски мишки C57BL/6 (3-4 месеца в началото на храненето). Жилището за мишки се поддържа в 12: 12-часов цикъл светлина-тъмнина. Всички експерименти, извършени по време на светлинния цикъл. Всички мишки бяха групово настанени в клетки, съдържащи 2–4 мишки на клетка. Мишките не бяха настанени еднократно, за да се избегне предизвикване на стрес, който може да повлияе както на поведението на хранене, така и на допаминовата функция. Всички експерименти с животни са одобрени от институционалния комитет по грижа и употреба на животни в Куинс Колидж в съответствие с насоките на Националния здравен институт за отговорно използване на животните при изследвания.

Диетичен протокол

Мишките бяха поставени или в контролна група (n = 20), получаващи чау диета и вода, или в група с високо фруктозен царевичен сироп (HFCS-chow) група (n = 25), получаващи диета с чау и 10% разтвор на HFCS-55 (55% фруктоза, 42% глюкоза, 3% други захариди, Best Flavors, CA) в питейната си вода. Теглото на тялото се измерва седмично. Водата/HFCS се променя и измерва два пъти седмично, като общата консумация се разделя на броя на мишките в клетката, за да се оцени индивидуалното потребление. Налице беше достатъчно HFCS, така че да не беше ограничен, конкурентен ресурс. HFCS се съхранява в хладилник по време на съхранение. Храната се променя два пъти седмично, но консумацията сред групово настанени мишки не може да бъде надеждно измерена. Въпреки че единичният корпус улеснява точното индивидуално измерване на консумацията, той също така предизвиква стрес, който може да промени консумацията, метаболизма и да предизвика промени в допамина и инсулина, свързани със стреса.

Глюкозно предизвикателство

Преди предизвикване на глюкоза (на 15-та седмица), мишките бяха лишени от храна и вода за 6 часа. Кръвната глюкоза се измерва с глюкомер (One Touch Ultra 2, Johnson & Johnson), като се използва кръв от опашката. След измерване на изходната глюкоза на гладно, декстроза (1 g/kg) се прилага чрез интраперитонеална (i.p.) инжекция и кръвна глюкоза, измерена на 15, 30, 60, 90 и 120 минути след инжектирането.

Циклична волтаметрия с бързо сканиране

Обратно поемане на допамин

Софтуерът за анализ на демонтарна волтаметрия е използван за моделиране на кинетиката на обратното поемане на допамин ([40]; Университет Уейк Форест, Уинстън-Салем NC). Константата на разпадане tau се използва като мярка за обратното поемане на допамин, а площта под кривата (AUC) се използва като мярка за общата DA сигнализация. Tau е изчислен от експоненциално прилягане на кривата и е силно корелиран с промените в Km (r = .9899), което предполага, че tau е точна мярка за клирънс на DA [40]. Площта под кривата е изчислена с помощта на трапецовиден метод.

Статистически анализ

Смесени ANOVA бяха използвани за тестване на статистическа значимост както за предизвикателството с глюкозата (група х пол х времева точка), така и за FSCV (група х пол х честота) данни. За FSCV данни бяха използвани post-hoc тестове за определяне на значителни групови разлики при отделни тествани честоти, с корекция на Bonferroni за множество сравнения. Всички статистически анализи бяха извършени с помощта на R статистически софтуер (aov, R версия 3.2.3 (2015-12-10); The R Foundation for Statistics Computing, http://www.r-project.org).

Резултати

Високо фруктозният царевичен сироп не увеличава телесното тегло

Мишките в състояние на HFCS-chow консумираха значително повече течност (F (1,11) = 82,63, p Фигура 1. Телесно тегло и предизвикателство за глюкоза.

(A) Средно седмично телесно тегло за 15 седмици от експеримента. (B) Глюкозно предизвикателство (1 g/kg декстроза) на седмица 15. (C) Площ под кривата за глюкозното предизвикателство. N = 20 (чау), 25 (HFCS-чау); ANOVA (панели A/B, повтарящи се мерки: група * пол * времева точка за измерване; панел C: група * пол), * Фигура 2. HFCS атенюира предизвиканото освобождаване на допамин в дорзолатералния стриатум.

(A) Средни цветни графики за Chow и HFCS + Chow при 60 Hz, 5 импулса. (B) Средно освобождаване на допамин по групи по честоти, показващо: отгоре, необработени данни (HFCS, червено; Chow, синьо); отдолу, група HFCS (червена), нормализирана към контролите (нормализирани контроли, сива следа). (C) Средни волтамограми за Chow (синьо) и HFCS + Chow (червено) за честотите. (D) Средна пикова концентрация на DA по честоти. (E) Средна тау (скорост на разпадане) за Chow (синьо) и HFCS-Chow (червено) при 60Hz, 24 импулса. (F) Средно AUC за Chow (синьо) и HFCS-chow (червено) при 60Hz, 24 импулса (G) Процентно намаление, нормализирано до Chow (сиво) през честотите (червено). N = 11/8, Chow, HFCS + Chow, съответно. ANOVA (панели D/G, повтарящи се мерки, група * пол * честота; панели E/F, група * пол), * p Таблица 1. Площ под кривата за предизвикване на глюкоза (на 15 седмици).

HFCS намалява предизвиканото освобождаване на допамин в дорзолатералния стриатум

За да се оцени дали HFCS индуцира увреждания в предизвиканото освобождаване на DA, FSCV се използва за измерване на предизвиканото освобождаване на DA в дорзолатералния стриатум (DLS). Направен е стимулационен шлейф от 5 импулса към substantia nigra pars compacta в низходящ ред при 60, 20 и 5 Hz, с интервали от 2 минути между сканирането при различни честоти. Евокираното пиково освобождаване на допамин е значително по-ниско при HFCS-чау мишки в сравнение с контролите на чау (Фиг. 2A – 2D, F (1,15) = 8.079, p Фиг. 3. Записващи места за бързо сканиране на циклична волтаметрия).

Сините кръгове са сайтове за записване на Chow, а червените кръгове са сайтове за HFCS + Chow. Чау, п = 11; HFCS-Chow = 8.

Дискусия

Данните сочат, че повишената консумация на фруктоза, вероятно чрез HFCS, може да предизвика метаболитна дисрегулация [7,11,20–23], въпреки че дали това е свързано с увеличаване на теглото е противоречиво. Тук демонстрираме, че мишките, поддържани на стандартна чау с достъп ad libitum до HFCS, показват промяна в регулирането на глюкозата в сравнение с контролите на чау при липса на значително увеличение на теглото. Тези данни показват, че индуцираната от HFCS метаболитна дисрегулация може да възникне независимо от затлъстяването, свързано с повишена консумация на мазнини. Индуцираната от HFCS глюкозна дисрегулация, наблюдавана тук, е в съответствие с предишни проучвания на фруктоза и HFCS [17,20,21,23]. Няколко проучвания са наблюдавали метаболитни нарушения с фруктоза или HFCS при липса на наддаване на тегло. Например, Blakely et al демонстрират, че диета с 15% d-фруктоза не променя значително телесното тегло или приема на храна, а повишава инсулина на гладно [46]. По същия начин, проучване на Huang et al [21] показа, че както HFD, така и високо фруктозата повишават инсулина на гладно, въпреки че само мишките с HFD показват затлъстяване.

Тук използваме както мъже, така и жени, като предоставяме на гризачи доказателства, че ефектите на HFCS върху метаболизма и допамина могат да се наблюдават и при двата пола. Въпреки че наблюдаваме някои индикации, че метаболитните ефекти могат да бъдат по-изразени при мъжете, отколкото при жените (Таблица 1), тези разлики не са статистически значими, вероятно поради липса на мощност, тъй като нашето проучване не е създадено специално за оценка на половите разлики. Човешката литература за половите разлики в свързаните с фруктоза метаболитни ефекти е сложна и варира в зависимост от мярката (напр. [47]). По-специално по отношение на регулирането на глюкозата, по-ранните открития предполагат, че мъжете са селективно податливи на индуцирана от фруктоза дисрегулация на глюкозата [48]; последващите проучвания обаче установяват противоречиви резултати и предполагат, че половите разлики в отговор на фруктозата могат да зависят от възрастта [49]. Тъй като метаболитните проучвания могат да се провеждат при хора, основното значение за наблюдение на ефектите на HFCS и при двата пола тук е да се подкрепи целесъобразността на модела на гризачите, отколкото да се правят заключения от гризачи за половите различия при хората.

Механизмът, чрез който HFCS индуцира метаболитно разстройство, вероятно е свързан с метаболизма на фруктозата. Фруктозата заобикаля етапа на регулиране на фосфофруктокиназата при гликолизата, за разлика от глюкозата, и има бързо усвояване в черния дроб [50]. Фруктозата има също критичен ефект върху липидния метаболизъм. Причината за хипертриглицеридемия се предлага да бъде повишена чернодробна de novo липогенеза, което води до чернодробна инсулинова резистентност [14,16,51]. Това може да се случи поради повишен диацилглицерол, активатор на протеин киназа С (РКС), който причинява намалено фосфорилиране на тирозин на инсулиновия рецептор, повишено производство на глюкоза и нарушен глюкозен толеранс [11].

Нигростриаталният и мезолимбичният DA пътища са важни модулатори на поведението при хранене и затлъстяването [36,52–56]. Намалената допаминова функция постоянно се свързва със затлъстяването, въпреки че точната причина не е ясна [57,58]. Идентифицирани са три потенциални причинно-следствени фактора: състав на диетата сам по себе си (повишени мазнини, независимо от приема на калории и телесно тегло), инсулинова резистентност, свързана със затлъстяването и HFD, и повишено телесно тегло и затлъстяване [42,53]. Повишеното съотношение на мастните макромолекули в диетата може да предизвика промени в системата DA, независимо от общия калориен прием или телесно тегло [59]; по-специално, наблюдавано е понижаване на регулацията на D2/D3 рецепторите, въпреки че предизвиканото освобождаване на DA не е тествано при тези условия. В настоящото проучване се наблюдава затихване на DA с добавяне на HFCS към диетата при липса на повишена консумация на мазнини или повишено телесно тегло, което показва, че нито едното, нито другото не е необходимо за индуцирани от диетата промени в функцията на DA.

Нашите данни показват, че HFCS индуцира дисрегулация на глюкозата паралелно с намалено предизвикано освобождаване на DA. Намалената DAT функция в отговор на HFD е едно от най-надеждните открития в литературата за DIO за гризачите. Гризачите с достъп до HFD на 6 седмици или повече имат по-бавен клирънс на DA и намалена повърхностна експресия на DAT [31,32,43–45]. Този променен клирънс на DA вероятно е следствие от инсулинова резистентност [44]. Инсулиновата резистентност нарушава PI3K/Akt сигнализирането, за което е известно, че регулира DAT [31], причинявайки намалена експресия на DAT върху плазмената мембрана [60]. Интересното е, че въпреки намаленото освобождаване на допамин, не наблюдаваме никакви доказателства за променена кинетика на обратното поемане при мишки с достъп до HFCS и наблюдаваме намален общ допамин (AUC), което предполага, че HFCS не регулира DAT, за разлика от диетите с високо съдържание на мазнини. Това може да предполага различен основен механизъм или да отразява ранен етап на прогресивно намаляване на допаминовата функция, когато повишеният DAT се появява по-късно като компенсаторен механизъм.

И накрая, тествахме HFCS, защото той е повсеместен в западните диети [3,6,61]. Освен това, поради разликите в метаболитната обработка на фруктозата, има предположения, че HFCS сам по себе си, в сравнение с други захари, може да допринесе особено за повишено затлъстяване [4,8–11,24]. Прегледът на тази литература е извън обхвата на тази дискусия; натрупването на доказателства обаче предполага, че метаболитните ефекти на HFCS вероятно не се различават съществено от захарозата, поне остро [12,13,15,25,62]. Това не намалява значимостта на настоящите данни, но предполага, че наблюдаваният тук намален евокиран допамин може да не е уникален за HFCS. Въпреки това, сравнявайки достъпа до HFCS срещу захароза, Levy et al [63] предполагат, че HFCS има по-голям ефект при промяна на генната експресия, свързана с възнаграждението, в сравнение със захарозата. Докато много FSCV проучвания са изследвали активирането на допамин в отговор на поглъщането на захар (напр. [56,64,65]), тук ние оценяваме по-глобални промени във функцията на допамин след разширен достъп до HFCS, аналогично на проучванията за ефекта от диетата с високо съдържание на мазнини по физиология на допамина. Бъдещите проучвания могат да включват както HFCS, така и захароза, за да се оцени дали увеличената консумация на захар по-широко, при липса на наддаване на тегло или повишени мазнини, може да промени физиологията на допамина.

Заключение

Ние потвърждаваме предишни проучвания, доказващи, че HFCS може да предизвика метаболитна дисрегулация и добавя към натрупването на данни, че това може да възникне при липса на затлъстяване. Намаленият допамин е свързан със затлъстяването (за преглед [57]) и може да допринесе за компулсивно хранене [33,34,54,66]. Ние демонстрираме, че HFCS може да наруши допаминовата функция при липса на наддаване на тегло или повишена консумация на мазнини. Тъй като намалената допаминова функция е замесена в компулсивно поведение [67,68] и намалените енергийни разходи [57,69,70], а инсулиновата дисрегулация води до повишен риск от затлъстяване [71], промените в регулирането на глюкозата и допаминовата функция, индуцирани от HFCS, могат да предшестват и допринасят за затлъстяването в дългосрочен план.

Повишената консумация на подсладени със захар безалкохолни напитки се свързва с повишен процент на затлъстяване и метаболитни нарушения, особено в развитите страни, които консумират „западна“ диета в сравнение с тези с по-нисък достъп [9]. Въпреки че повечето безалкохолни напитки са подсладени с HFCS [3], дали HFCS сам по себе си допринася за този риск, е противоречиво [12,13,15]. Добавянето на HFCS към настоящите модели на DIO за гризачи може по-добре да рекапитулира съвременните западни диети, свързани с повишени нива на затлъстяване, което позволява по-добра характеристика както на затлъстяването, предизвикано от храната, така и на основните механизми.