Субекти

Авторска корекция на тази статия е публикувана на 25 септември 2020 г.

Тази статия е актуализирана

Резюме

Въведение

Хроничната обструктивна белодробна болест (ХОББ) е основна причина за заболеваемост и смъртност в световен мащаб и може да се превърне в третата водеща причина за смърт до 2030 г. според изчисленията на Световната здравна организация 1. ХОББ е синдром, който включва няколко различни и припокриващи се фенотипа, характеризиращи се с ограничение на въздушния поток и хронични респираторни симптоми 2. ХОББ възниква в резултат на взаимодействието между излагането на фактори на околната среда и фактори гостоприемници като генетика, хиперреактивност на дихателните пътища и лошо развитие на белите дробове 3. Основните морфологични промени в основата на ХОББ са емфизем, обструктивен бронхиолит и в много случаи хроничен бронхит. Относителното участие на всеки патологичен признак варира между пациентите 2,3. По този начин много пациенти с ХОББ показват комбинация, в различни пропорции, както на „розово подуване“ (повече емфизем, хиперинфлация на белите дробове и диспнея), така и на „синьо подуване“ (по-хроничен бронхит, отхрачване, по-висок индекс на телесна маса, по-висока честота на сърдечно-съдовите съпътстващи заболявания) класически фенотипове 2 .

ХОББ засяга не само белите дробове. Мускулна дисфункция и кахексия се откриват при много пациенти с ХОББ. Също така няколко заболявания като злокачествени новообразувания, коронарна артериална болест, аритмии, хипертония, конгестивна болест на сърцето, диабет и метаболитен синдром се срещат по-често сред пациентите с ХОББ, отколкото сред общата популация 4,5. Поради тази причина ХОББ може да се разглежда като системно заболяване. Съпътстващите заболявания нарушават функционалния статус, качеството на живот и оцеляването на пациентите с ХОББ 2,6. Предложени са две хипотези, които да обяснят връзката между ХОББ и неговите извънбелодробни прояви и съпътстващи заболявания. Първият разглежда системните прояви и съпътстващи заболявания като резултат от системно „преливане“ на възпалителните и репаративни събития, възникващи в белите дробове на пациенти с ХОББ, докато във втората хипотеза ХОББ се разглежда като системно възпалително заболяване, което включва множество органи, като белодробните прояви са една от неговите страни 5. И двете хипотези прогнозират, че затихването на персистиращото възпаление ще намали тежестта на ХОББ и неговите извънбелодробни прояви, въпреки значителното им разминаване по отношение на първоизточника на възпалителните събития.

Лечението на пациенти с ХОББ със статини - клас понижаващи холестерола агенти, които имат противовъзпалителни свойства 7 - намалява смъртността и смъртността от всички причини поради рак, ХОББ или сърдечно-съдови заболявания, както и честотата на обостряния на ХОББ 8,9. Интересното е, че високата консумация на диетични фибри или плодове и зеленчуци е свързана с по-нисък риск от ХОББ сред лица, които имат (настояща или предишна) история на пушене на цигари 10,11, докато диета, богата на храни, съдържащи фибри, е свързана с по-добър белодробен функция независимо от състоянието на пушене 12. Тези открития подкрепят схващането, че отслабването на възпалителните събития чрез фармакологичен или нефармакологичен подход може да бъде от полза за пациентите с ХОББ. Те също така предполагат, че хранителните фактори, поради техните ефекти върху оксидативния стрес и възпалението, могат да модулират податливостта на човек към известните рискови фактори за ХОББ.

Резултати

Наддаване на телесно тегло

След 12 седмици животните от всички групи показват увеличение на телесното тегло. Поглъщането на фруктоза причинява най-голямо увеличение, докато тютюнопушенето е свързано с най-малко увеличение на наддаването на тегло. Увеличаването на теглото на животните, разпределени към групите Smoke и Smoke + Fructose, е значително по-ниско от теглото на котилото, съответно на контролните и фруктозните групи (фиг. 1).

консумацията

Прием на храна, вода и калории

Излагането на CS или на фруктоза променя приема на храна, течности и калории. Групата Smoke поглъща по-малко храна от контролната група (фиг. 2А), докато групата на фруктозата намалява приема на храна в сравнение с контролната група или групата дим (фиг. 2А). Приемът на храна е бил по-нисък в групата Smoke + Fructose, отколкото при лечението самостоятелно (Фиг. 2А). Приемът на вода е по-висок в групата на фруктозата в сравнение с групите за контрол, дим или дим + фруктоза (фиг. 2Б). За разлика от тях групата дим поглъща по-малко вода от контролната група (фиг. 2Б). И двете групи дим и фруктоза показват намален прием на калории в сравнение с контролната група (фиг. 2С). Приемът на калории е бил по-нисък в групата Smoke + Fructose, отколкото всяко друго лечение (Фиг. 2C).

Дихателна механика

Групата на фруктозата показва увеличение на суровината в сравнение с групата дим (фиг. 3А) и намаляване на Htis в сравнение с контролната група (фиг. 3Б). Няма значителни разлики в Gtis между лекуваните групи (Фиг. 3С).

Цитологичен профил на BALF и белодробна тъкан

Излагането на CS увеличи броя на възпалителните клетки в BALF. Общият брой на възпалителните клетки се увеличава както в групите Smoke, така и в Smoke + Fructose в сравнение с контролната група (фиг. 4А). Това увеличение се дължи на макрофагите, което беше увеличено в групата Smoke и в групата Smoke + Fructose (Фиг. 4B). Няма значителни разлики в броя на неутрофилите или лимфоцитите в BALF в групите (данните не са показани). Излагането на фруктоза не променя броя на възпалителните клетки в BALF. Излагането на CS или фруктоза увеличава броя на мононуклеарните клетки в белодробния паренхим (фиг. 5А). Няма значителни разлики в броя на PMN клетките в белодробния паренхим сред групите (Фиг. 5В).

Хистология на белите дробове

Излагането на CS или фруктоза води до увеличаване на Lm. И двете групи дим и фруктоза показват увеличение на Lm в сравнение с контролната група (фиг. 6). Комбинацията от CS и фруктоза увеличава още повече Lm (фиг. 6). Излагането на фруктоза намалява съдържанието на колагенови влакна в белите дробове. И двете групи Fructose и Smoke + Fructose показват намаляване на съдържанието на колагенови влакна в сравнение с контролните и димните групи (Фиг. 7А). Групата Smoke + Fructose също показва намаляване на съдържанието на еластични влакна в белите дробове (фиг. 7Б).

Анализи на цитокини в BALF

Групите за дим и фруктоза показват увеличение на нивата на лептин BALF в сравнение с контролната група (Таблица 1). Излагането на фруктоза, самостоятелно или в комбинация с CS, повишава нивата на адипонектин (Таблица 1). Групата Smoke + Fructose показва увеличение на нивата на IL-1ra в сравнение с контролната група (Таблица 1). Няма статистически значими разлики в нивата на IL-10, IL-6, IL-1β и TNF-α в BALF сред групите (Таблица 1).

Анализи на цитокини в кръвната плазма

Плазмените нива на лептин в групата Smoke + Fructose са намалени в сравнение с контролната група и групата Fructose (Таблица 1). Поглъщането на фруктоза, с експозиция на CS или не, е свързано с повишени нива на IL-10 (Таблица 1). Излагането на фруктоза също повишава нивата на IL-6 (Таблица 1). Групата на фруктозата показва увеличение на нивата на IL-1β в сравнение с всички останали групи (таблица 1) и намаляване на нивата на IL-1ra в сравнение с контролната група (таблица 1). Няма статистически значими разлики в нивата на адипонектин и TNF-α в кръвната плазма сред групите (Таблица 1).

Анализи на цитокини в мускулния хомогенат

Излагането на фруктоза повишава нивата на лептин и адипонектин в мускулния хомогенат, независимо от експозицията на CS (Таблица 1). Нивата на IL-10 бяха увеличени както в групите Fructose и Smoke + Fructose в сравнение с контролната група и групата Smoke (Таблица 1). Храненето с фруктоза, независимо от експозицията на CS, повишава нивата на IL-6 в мускулния хомогенат (Таблица 1). И двете групи фруктоза и дим + фруктоза показват увеличение на нивата на IL-1β в сравнение с контролните групи или групите дим (таблица 1). Групата на фруктозата показва повишаване на нивата на TNF-α в сравнение с групата Smoke (Таблица 1). Групата Smoke + Fructose показва повишаване на нивата на TNF-α в сравнение с групите Control и Smoke (Таблица 1). Няма статистически значими разлики в нивата на IL-1ra в мускулния хомогенат между групите (Таблица 1).

Дискусия

Нараняването на белите дробове, представено от нашите натоварени с фруктоза животни, има прилики с емфизема, причинено от излагане на CS, тъй като и двете се характеризират с повишен Lm и Htis. Въпреки това, за разлика от мишките, изложени на CS в това проучване, нашите мишки, изложени на фруктоза, показват повишено съпротивление на дихателните пътища и намалено съдържание на колагенови влакна в техните алвеоларни прегради. Предишна работа от нашата група показа, че мишките C57BL/6, изложени на CS, развиват белодробен емфизем, без да показват значителни промени в съпротивлението на дихателните пътища 23. Също така, проучване, използващо образци от човешка белодробна тъкан 24 и наблюденията на нашата група, използващи миши модели на експериментално индуциран емфизем 23,25, показват, че индуцираният от CS емфизем е придружен от увеличаване на съдържанието на колаген в алвеоларната стена. Тези специфични характеристики на свързаната с фруктоза белодробна лезия предполагат, че натоварването с фруктоза и експозицията на CS разчитат на различни патофизиологични механизми за производството на алвеоларна лезия.

Освен разликата в съпротивлението на дихателните пътища и съдържанието на колаген в алвеоларните прегради, нашите натоварени с фруктоза мишки представят отличителен профил на левкоцитите в BALF и белодробния паренхим в сравнение с изложени на CS littermates. Излагането на CS увеличава броя на възпалителните клетки в BALF поради увеличен брой макрофаги без значителна промяна в броя на неутрофилите и лимфоцитите. За разлика от това, натоварването с фруктоза не променя броя или състава на клетките в BALF. Забележително е, че както излагането на CS, така и натоварването с фруктоза причиняват увеличаване на броя на мононуклеарните клетки, които инфилтрират белодробния паренхим. Разликата между експозицията на CS и фруктоза в цитологичния модел на BALF може да се обясни с разликите в това как CS и експозицията на фруктоза причиняват възпалението в белодробния паренхим. При първата дразненето, причинено от CS върху епитела на дихателните пътища и алвеоларната повърхност, набира възпалителни клетки към белодробния паренхим и алвеоларното пространство, докато при второто поглъщането на фруктоза причинява възпалителна реакция другаде, която се разпространява до белодробния паренхим, причинявайки натрупването на мононуклеарни клетки само в тази тъкан.

С изключение на повишената концентрация на лептин при BALF мишки, изложени на CS, нямат значителни промени в цитокиновия профил. За разлика от тях, хранените с фруктоза мишки проявяват множество промени в цитокиновия профил. Повишените концентрации на IL-10, IL-6, IL-1β и TNFα в мускулния хомогенат вероятно са маркери за възпаление на скелетната мускулатура, причинено от хронично претоварване с фруктоза, докато повишеното натрупване на лептин и адипонектин в този материал може да се разглежда като защитна отговор за ограничаване на вредните ефекти от метаболитно претоварване, предизвикано от фруктоза 26. По подобен начин повишената концентрация на IL-10, IL-6, IL-1β и намалената концентрация на IL-1ra в кръвната плазма може да са маркери за индуцирано от фруктоза системно възпалително състояние. И накрая, високата концентрация на лептин и адипонектин в BALF на изложени на фруктоза мишки може да има връзка с натрупването на колаген в алвеоларните прегради, тъй като се съобщава, че и двете модулират ремоделирането на извънклетъчния матрикс в сърдечно-съдовите тъкани 27,28 .

В обобщение показахме, че приемът на хронична фруктоза насърчава разрушаването и ремоделирането на белодробния паренхим и увреждането на дихателната механика, което е свързано с отличителни цитокинови профили в BALF, кръвна плазма и скелетни мускули. Пряката връзка между хроничния прием на макронутриент и хроничното респираторно заболяване, докладвано в това проучване, илюстрира значението на по-задълбоченото разбиране на връзката между хранителните навици и неинфекциозната болест.

Методи

Работа с животни и експериментален протокол

Шест до осем седмици мъжки мишки C57BL/6J са осигурени от Училището за медицински услуги на Университета в Сао Пауло. Животните бяха разпределени на случаен принцип в една от четирите експериментални групи (n = 8-10 на група): Контрол; Дим; Фруктоза и дим + фруктоза и се лекуват съответно в продължение на 12 седмици. Животните бяха държани в клетки с четири до пет животни в рамките на 12-часов цикъл светлина/тъмнина и бяха дадени ad libitum достъп до храна и вода. Стандартната чау (2990 kcal/kg) се дава като твърда диета. На мишките, назначени за лечение с фруктоза, се дава 20% (тегло/обем) фруктоза (Lowçucar®, PR, Бразилия) като разтвор за пиене. Излагането на фруктоза или цигарен дим (CS) започва в същия ден.

Телесното тегло (g) се записва за всяка мишка веднъж месечно. Храната (g · ден -1) и приема на вода (ml · ден -1) се оценяват ежеседмично. Общият прием на калории (kcal · ден -1) се изчислява от теглото на храната и обема на поетата течност.

Това проучване беше одобрено от Комитета по етика на Медицинския факултет на Университета в Сао Пауло (Сао Пауло, Бразилия, протокол 001/14) и всички манипулации с животни и експерименти бяха извършени съгласно процедурите, одобрени в нашата институция.

Излагане на цигарен дим

Животните, назначени към групите Smoke или Smoke + Fructose, са били изложени на CS в продължение на 30 минути, два пъти дневно, 5 дни · седмично, в продължение на 12 седмици, като се използва специално изработена машина за пушене в съответствие с предварително публикуван протокол 23. В това проучване животните са били изложени на 11 (± 1) филтрирани в търговската мрежа цигари (0,8 mg никотин, 10 mg CO и 10 mg катран на цигара) на сесия. Контролните и фруктозните групи бяха изложени на стаен въздух.

Дихателна механика

Двадесет и четири часа след края на протоколите за експозиция, животните бяха обезболени (50 mg · kg -1 интраперитонеален тиопентал) трахеостомизирани и механично вентилирани (FlexiVent, Scireq, Монреал, QC, Канада). Усилията за дишане бяха премахнати от панкурониум (0,2 mg · kg -1 интраперитонеално). Техниката на принудително трептене и моделът с постоянна фаза бяха използвани за получаване на параметри на съпротивлението на дихателните пътища (Raw), затихване на тъканите (Gtis) и еластичност на тъканите (Htis) 39. Стойностите на Gtis и Htis са нормализирани по телесно тегло 40 .

Събиране на кръвна плазма

Животните бяха обезкървени чрез пункция на коремната аорта веднага след измерванията на дихателната механика. Кръвта се събира и центрофугира при 3000 g в продължение на 10 минути при 5 ° С. Плазмата се съхранява при -80 ° C за по-нататъшен анализ.

Бронхоалвеоларна промивна течност

Проби от бронхоалвеоларна промивна течност (BALF) се събират след измиване на белите дробове с 3 х 0,5 ml стерилен 0,9% физиологичен разтвор и се центрофугират при 900 g в продължение на 10 минути при 5 ° С. Супернатантата се събира и съхранява при -80 ° С за по-нататъшен анализ и клетъчната утайка се ресуспендира в 300 μL 0.9% физиологичен разтвор. Клетките бяха преброени с използване на камера за хемоцитометър на Neubauer (Carl Roth, Karlsruhe, Германия) и цитологичното изследване беше извършено чрез изследване на 300 клетки на предметно стъкло под увеличение 1000X след приготвяне на проби от BALF в цитоцентрифужни стъкла и оцветяване с Diff Quick (Medion Diagnostics, Dündingen, Швейцария) 41 .

Хистология на белите дробове

За хистологични изследвания белите дробове бяха отстранени и фиксирани при постоянно налягане от 20 cm H2O за 24 часа. Пет микрометра дебели участъци от белодробна тъкан бяха оцветени с хематоксилин и еозин, за да се оцени плътността на полиморфонуклеарните (PMN) и мононуклеарни клетки в белодробния паренхим 42 и да се измери средното линейно пресичане (Lm), както е описано по-рано 43. Съдържанието на колагенови и еластични влакна се оценява съответно след оцветяване със Sirius-Red или Oxidate Weigert’s Resorcin-Fuchsin. Площите, които са положителни към петна от колаген или еластични влакна, са измерени, както е описано по-горе и изразени като процент от общата площ на паренхима 44 .

Ензимно-свързан имуносорбентен анализ (ELISA)

Тумор некротизиращият фактор алфа (TNF-α), интерлевкин (IL) -6), IL-10, IL-1β, IL-1ra, лептин и адипонектин бяха изследвани в BALF супернатант, кръвна плазма и скелетни мускули (квадрицепс бедрена кост) хомогениране с помощта на комплекти ELISA (eBioscience, Сан Диего, Калифорния, САЩ), съгласно инструкциите на производителя, както е описано по-горе. Интензитетът на колориметричната реакция се измерва чрез абсорбция при 450 nm и резултатите се изразяват в pg/mL 45 .

Статистически анализ

Двупосочен вариационен анализ беше използван за оценка на ефектите на CS или фруктоза, а методът на Holm-Sidak беше използван за двойно многократно сравнение. Анализите бяха извършени с помощта на софтуер Sigma Stat 11 (Systat Software, Inc., Сан Хосе, Калифорния, САЩ). Стойност на стр

Наличност на данни

Всички данни, генерирани или анализирани по време на това проучване, са включени в тази публикувана статия.