Lucrare de cercetare

  • Articol complet
  • Cifre și date
  • Referințe
  • Suplimentar
  • Citații
  • Valori
  • Reimprimări și permisiuni
  • PDF

ABSTRACT

Abrevieri: AL: ad libitum; ANOVA: analiza varianței; CR: restricție de calorii; E2: 17-ß estradiol; GNX: gonadectomie sau gonadectomizată; IGF-1R: receptor al factorului de creștere 1 asemănător insulinei; POA: zona preoptică; P4: progesteron; RM: măsuri repetate; SD: deviație standard; SEM: eroare standard a mediei; Tb: temperatura corpului central; WT: tip sălbatic; 5-α DHT: 5-α dihidrotestosteron.

complet

Introducere

Aportul de calorii și consumul de energie sunt principalele componente ale homeostaziei energetice. Integrarea lor este fundamentală pentru supraviețuirea organismelor vii, permițându-le să-și regleze funcția fiziologică pentru a supraviețui în condiții de mediu extreme și contribuind la sănătatea și durata lor de viață [1 - 6]. Atunci când resursele de energie sunt limitate, cum ar fi în timpul restricționării caloriilor controlate (CR), endotermele limitează cheltuielile de energie prin scăderea temperaturii corpului (Tb) [7, 8]. Se crede că acest răspuns se află sub control genetic și a evoluat ca un mecanism de economisire a energiei, prelungind supraviețuirea până când mai multe alimente devin disponibile [8, 9]. Moleculele și semnalele implicate în reglarea acestei adaptări fiziologice încep să fie identificate [10 - 14].

Am raportat recent că calea de semnalizare a receptorului factorului de creștere insulinic 1 (IGF-1R) este unul dintre factorii care reglează Tb în timpul CR și că o face într-un mod specific sexului și dozei [15]. De fapt, în timp ce ablația genetică completă a IGF-1R a redus răspunsul hipotermic la RC în mod egal la șoareci masculi și femele, doza sa genetică afectată de Tb doar la șoareci femele a prezentat, de asemenea, o hipotermie tranzitorie și specifică estrului atunci când este hrănită ad libitum. Hormonii sexuali sunt cunoscuți pentru capacitatea lor de a afecta Tb în special la femei, unde nivelurile lor fluctuante de-a lungul zilelor reprezintă diferențe subtile, dar semnificative în Tb în timpul ciclului estral [16-18]. Am demonstrat anterior că gonadectomia a eliminat diferențele specifice sexului în profilul circadian al Tb al șoarecilor hrăniți ad libitum [19]. Aici am măsurat efectele pe care gonadectomia și înlocuirea hormonală le-au avut asupra răspunsului hipotermic la RC la șoareci femele și masculi.

Rezultate

Gonadectomia a îmbunătățit răspunsul hipotermic la restricția calorică

Pentru a testa ipoteza că hormonii gonadici contribuie la reglarea Tb în timpul CR, am comparat profilul Tb al șoarecilor femele de tip sălbatic (WT) (Figura 1 (a)) și mascul (Figura 1 (b)) supuși CR progresiv înainte și după gonadectomie (GNX). La GNX, șoarecii femele și-au scăzut semnificativ Tb începând cu ziua 2 cu 75% CR. Acest răspuns hipotermic profund la CR este consistent pe tot parcursul regimului CR, atingând cel mai mic Tb de

24,4 ° C comparativ cu

31,3 ° C înainte de îndepărtarea gonadică. Gonadectomia a afectat, de asemenea, Tb la șoarecii masculi (Figura 1 (b)), unde a îmbunătățit răspunsul hipotermic încă din ziua 1 cu 75% CR. Cantitatea de reducere a Tb a crescut odată cu progresul regimului CR, atingând cea mai mică valoare de

26,8 ° C comparativ cu

33,9 ° C înainte de GNX. Luate împreună, aceste date indică faptul că atât gonadele feminine cât și cele masculine și potențialele molecule produse de gonade contribuie la reglarea răspunsului hipotermic la CR.

Publicat online:
Publicat online:

Figura 2. Aportul de alimente și greutatea corporală a șoarecilor tratați cu GNX. Consumul mediu de alimente de 3 zile ad libitum hrănire pentru șoareci femele (a) și masculi (c). Măsurători ale greutății corporale pe tot parcursul protocolului de restricție calorică pentru șoareci femele (b) și masculi (d). *p Figura 2. Aportul de alimente și greutatea corporală a șoarecilor tratați cu GNX. Consumul mediu de alimente de 3 zile ad libitum hrănire pentru șoareci femele (a) și masculi (c). Măsurători ale greutății corporale pe tot parcursul protocolului de restricție calorică pentru șoareci femele (b) și masculi (d). *p Hormonii gonadici influențează temperatura corpului în timpul restricționării caloriilor

Publicat online:

Figura 3. Progesteronul singur previne parțial hipotermia indusă de CR. Profilul de temperatură al șoarecilor femele GNX înlocuit hormonal cu progesteron (P4 10 mg/21 d) sau Placebo (10 mg/21 d) în timpul a patru zile de hrănire ad libitum (a) urmată de restricție calorică (b). Liniile negre orizontale reprezintă luminile stinse (ZT 12-23; faza activă a zilei) în timp ce liniile galbene reprezintă luminile aprinse (ZT 0-11; faza inactivă a zilei), iar liniile verzi reprezintă perioada hipotermică a zilei (ZT23 .5–7.5). n = 6-7 animale pe grup, *p Figura 3. Progesteronul singur previne parțial hipotermia indusă de CR. Profilul de temperatură al șoarecilor femele GNX înlocuit hormonal cu progesteron (P4 10 mg/21 d) sau Placebo (10 mg/21 d) în timpul a patru zile de hrănire ad libitum (a) urmată de restricție calorică (b). Liniile negre orizontale reprezintă luminile stinse (ZT 12-23; faza activă a zilei) în timp ce liniile galbene reprezintă luminile aprinse (ZT 0-11; faza inactivă a zilei), iar liniile verzi reprezintă perioada hipotermică a zilei (ZT23 .5–7.5). n = 6-7 animale pe grup, *p 20]. Comparativ cu placebo, estrogenul a scăzut Tb cu 0,3-0,5 ° C în timpul fazei active a zilei și cu

0,5 ° C în timpul fazei inactive a zilei (Figura 4 (a) și Tabelul suplimentar 1). Acest efect a fost independent de consumul de alimente, deoarece ambele grupuri consumau similar ad libitum cantitatea de alimente (placebo, 4,9 ± 0,2 g vs E2, 4,6 ± 0,3 g, n = 7, 6, t (11) = 0,9658, p = 0,3549; Figura 2 (a)). Această reducere ușoară a Tb a fost, de asemenea, observată după CR până în prima zi de 75% CR (Figura 4 (b)). Cu toate acestea, până în ziua 1 cu 60% CR, răspunsul hipotermic observat în grupul placebo a fost prevenit în mod semnificativ în grupul E2 (Figura 4 (b)). Respectiv, grupurile placebo și E2 au redus Tb la un minim de

31,5 ° C (Tabelul suplimentar 2). CR a afectat greutatea corporală a ambelor grupuri placebo și E2 într-un mod similar; excluderea posibilității ca prevenirea hipotermică observată în grupul E2 să se fi datorat diferențelor de masă între grupuri în loc de înlocuirea hormonului [21] (Figura 2 (b)).

Publicat online:

Figura 4. 17-ß estradiol singur previne pe deplin hipotermia indusă de CR. Profilul de temperatură al șoarecilor femele GNX înlocuit hormonal cu 17-ß estradiol (E2 0,5 mg/21 d) sau Placebo (10 mg/21 d) în timpul a patru zile de hrănire ad libitum (a) urmată de restricție calorică (b). Liniile negre orizontale reprezintă luminile stinse (ZT 12-23; faza activă a zilei) în timp ce liniile galbene reprezintă luminile aprinse (ZT 0-11; faza inactivă a zilei), iar liniile verzi reprezintă perioada hipotermică a zilei (ZT23 .5–7.5). n = 6-7 animale pe grup, *p Figura 4. 17-ß estradiol singur previne pe deplin hipotermia indusă de CR. Profilul de temperatură al șoarecilor femele GNX înlocuit hormonal cu 17-ß estradiol (E2 0,5 mg/21 d) sau Placebo (10 mg/21 d) în timpul a patru zile de hrănire ad libitum (a) urmată de restricție calorică (b). Liniile negre orizontale reprezintă luminile stinse (ZT 12-23; faza activă a zilei) în timp ce liniile galbene reprezintă luminile aprinse (ZT 0-11; faza inactivă a zilei), iar liniile verzi reprezintă perioada hipotermică a zilei (ZT23 .5–7.5). n = 6-7 animale pe grup, *p Hormonii gonadici influențează temperatura corpului în timpul restricționării caloriilor

Publicat online:

Figura 5. P4 + 17-ß estradiol previne dezvoltarea hipotermiei în timpul CR. Profilul de temperatură al șoarecilor femele GNX înlocuit hormonal cu progesteron (P4 10 mg/21 d) și 17-ß estradiol (E2 0,5 mg/21 d) sau cu placebo (10 mg/21 d) pe parcursul a patru zile de ad libitum (a) hrănire urmată de restricție de calorii (b). Liniile negre orizontale reprezintă luminile stinse (ZT 12-23; faza activă a zilei) în timp ce liniile galbene reprezintă luminile aprinse (ZT 0-11; faza inactivă a zilei), iar liniile verzi reprezintă perioada hipotermică a zilei (ZT23 .5–7.5). n = 5-7 animale pe grup, *p Figura 5. P4 + 17-ß estradiol previne dezvoltarea hipotermiei în timpul CR. Profilul de temperatură al șoarecilor femele GNX înlocuit hormonal cu progesteron (P4 10 mg/21 d) și 17-ß estradiol (E2 0,5 mg/21 d) sau cu placebo (10 mg/21 d) pe parcursul a patru zile de ad libitum (a) hrănire urmată de restricție de calorii (b). Liniile negre orizontale reprezintă luminile stinse (ZT 12-23; faza activă a zilei) în timp ce liniile galbene reprezintă luminile aprinse (ZT 0-11; faza inactivă a zilei), iar liniile verzi reprezintă perioada hipotermică a zilei (ZT23 .5–7.5). n = 5-7 animale pe grup, *p Hormonii gonadici influențează temperatura corpului în timpul restricționării caloriilor

Publicat online:

29,4 ° C, care a fost evident încă din ziua 2, la 75% CR comparativ cu șoarecii masculi cu un răspuns hipotermic de

33,2 ° C (Figura 1 (a-b)). Înlocuirea hormonală a furnizat primul indiciu că moleculele gonadice pot influența această acțiune. Dintre cei doi hormoni testați la femei, estrogenul a fost cel mai eficient în antagonizarea efectelor CR asupra reducerii Tb, în ​​timp ce progesteronul a avut doar acțiuni parțiale. La bărbați, testosteronul a avut doar efecte minore și tranzitorii asupra prevenirii hipotermiei induse de CR. Mecanismele prin care acești hormoni contribuie la răspunsul hipotermic la CR nu au fost investigate aici. Cu toate acestea, este probabil ca acestea să includă o acțiune directă asupra circuitelor neuronale care reglează temperatura homeostaziei la nivel central. Hormonii sexuali traversează cu ușurință bariera hematoencefalică și s-a propus anterior impactul Tb acționând direct asupra neuronilor din zona preoptică hipotalamică (POA). POA primește informații despre temperatura ambiantă și locală și coordonează răspunsul fiziologic adecvat pentru menținerea homeostaziei temperaturii (revizuită în [23]).

Restricția calorică nu numai că reduce Tb, ci și suprimă reproducerea, ceea ce este puțin probabil să aibă succes dacă nutrienții sunt limitați [9, 33 - 36]. Acest lucru poate fi realizat simultan prin reducerea producției de estrogen [36]. Astfel de efecte sunt opuse doar rolului deja cunoscut al progesteronului în menținerea atât a sarcinii, cât și a Tb crescut care caracterizează prima perioadă de gestație [31, 37 - 39]. Speculăm că progesteronul și estrogenul acționează ca semnale metabolice care integrează homeostazia și reproducerea nutrienților și a temperaturii. Progesteronul are capacitatea de a ridica Tb atunci când nutrienții sunt abundenți, așa cum sa văzut în timpul ad libitum hrănire și gestație, în timp ce reducerea estrogenului contribuie la reducerea Tb în timpul consumului redus de alimente, promovând astfel conservarea energiei.

5-α DHT este principalul hormon sexual gonadal masculin activ. Având în vedere efectele puternice pe care gonadectomia masculină le-a avut asupra Tb, am emis ipoteza că acestea au fost mediate de 5-α DHT. Cu toate acestea, înlocuirea hormonală a avut doar efecte minore asupra Tb și nu a salvat răspunsul hipotermic. Deși sa raportat că testosteronul are efecte termogene la expunerea la căldură [32], acest lucru nu a fost observat la CR. Aceste rezultate indică faptul că răspunsul hipotermic la CR la bărbați este influențat de alte molecule gonadice, altele decât 5-α DHT. Astfel de molecule rămân de identificat, dar pot include precursori ai testosteronului, cum ar fi androstendiona, care este, de asemenea, redusă prin gonadectomie bilaterală [40] sau estrogen care poate fi sintetizat în testicul și își exprimă receptorii în POA [24, 41] . S-ar putea aștepta ca la șoarecii masculi GNX, administrarea E2 să aibă rezultate similare cu cele obținute la șoarecii femele GNX, reducerea Tb în timpul ad libitum hrănirea și prevenirea hipotermică în timpul CR. În cele din urmă, POA este cea mai dimorfică regiune a creierului. Astfel, este de asemenea posibil să existe diferențe specifice sexului în compoziția celulară sau moleculară a circuitelor neuronale care reglează Tb [19, 42, 43].

În total, datele noastre au arătat că gonadele și hormonul gonadal estrogen sunt regulatori importanți ai Tb în timpul restricției de calorii. Contribuind la reducerea Tb în timpul CR, estrogenul participă la integrarea homeostaziei nutrienților și a temperaturii. Scăderea Tb este o modalitate eficientă de a reduce cheltuielile de energie atunci când aportul de calorii este redus. Rolul hormonilor sexuali în acest răspuns fiziologic important nu este doar fundamental pentru supraviețuirea organismului, ci poate ajuta la explicarea de ce, mai ales la femei, creșterea în greutate corporală este mai frecventă la vârsta post-reproducere și eficacitatea dietei pentru a reduce greutatea corporală. este limitat. De fapt, nivelurile reduse de estrogen la femeile aflate în postmenopauză pot contribui la un răspuns hipotermic sporit la dietă, care ar limita cheltuielile de energie și pierderea în greutate corporală [44].

Materiale și metode

Șoareci și creștere

Toate procedurile au fost aprobate de TSRI IACUC. Șoareci de tip sălbatic 129/SvPas au fost folosiți în experimentele prezentate în Figura 1. Restul experimentelor au folosit șoareci C57BL/6 femele și masculi. Animalele au fost plasate în cuști individual în lumină standard 12:12 h: întuneric (se aprinde la ora 23:00; ora Zeitgeber 0 sau ZT0) la o temperatură ambiantă controlată de 22 ± 0,5 ° C. Apa a fost disponibilă AL în timpul experimentelor CR. Alimentele (Lab Diet 5053 Pico Lab iradiat conținând 3,41 kcal/g, 20,0% proteine, 52,9% carbohidrați, 10,6% grăsimi, 4,7% fibre brute și 6,1% cenușă) au fost furnizate AL sau restricționate în timpul experimentelor CR conform specificațiilor.

Implant radiotelemetric

Radiotelemetria pentru măsurarea Tb și a fost efectuată folosind un transmițător (TA10TA-F10; Data Sciences, Inc.) implantat chirurgical în cavitatea peritoneală, așa cum este descris [45]. Animalelor li s-a permis un timp de recuperare de 14 zile postchirurgie și 2 zile de obișnuință cu mediul experimental înainte de începerea experimentelor. Datele au fost înregistrate prin plasarea unei cuști care conține un animal implantat cu un transmițător radio pe o placă de recepție (RPC-1; DataScience, Inc.). Colectarea datelor și analiza offline au fost efectuate folosind DATAQUEST A.R.T. software (DataScience, Inc.).

Gonadectomie

Gonadectomia la bărbați a fost efectuată așa cum s-a descris anterior [19, 46, 47]. Pe scurt, animalul anesteziat cu izofluran a fost plasat în culcare dorsală, iar zona scrotală a fost rasă cu atenție. Înainte de a acoperi locul, s-a plasat tifon steril peste locul inciziei. O mică incizie (aproximativ 1 cm) a liniei mediane a fost făcută în scrot și ulterior prin tunică. Testiculul a fost exteriorizat și o clemă a fost plasată peste vasele spermatice, care a fost ligată și tăiată în partea superioară, permițând îndepărtarea testiculului. Vasele ligate au fost lăsate să treacă înapoi prin incizia tunicii închise ulterior cu una sau două suturi simple întrerupte de 5-0. Procedura a fost repetată pentru îndepărtarea celui de-al doilea testicul și s-a administrat flunixina așa cum s-a menționat mai sus la finalizarea procedurii.

Înlocuirea hormonală

Înlocuirea hormonală a fost efectuată la 14 zile după gonadectomie în timpul hrănirii ad libitum. Peletele sterile cu eliberare lentă disponibile în comerț au fost achiziționate de la Innovative Research of America (Sarasota, FL, SUA): 17β-estradiol (0,5 mg/21 d), 5α-dihidrotestosteron (5 mg/21 d) și progesteron (10 mg/21 d). Doza de pelete a fost determinată în urma studiului nostru anterior și a fost implantată subcutanat așa cum s-a descris anterior [19]. Pe scurt, a fost făcută o incizie de-a lungul liniei medii dorsale imediat posterioară scapulelor, suficient de mare pentru a permite trecerea dispozitivului. Peleta sterilă a fost plasată sub piele în regiunea subcutanată. Suturile absorbabile au fost folosite pentru a închide incizia dorsală, iar pielea a fost închisă cu suturi neabsorbabile. Pentru a minimiza incidența infecției, au fost aplicate tratamente antibiotice topice (Bacitracin Zinc Unguent) după finalizarea procedurilor chirurgicale.

Restricție de calorii

CR a fost efectuat prin furnizarea unui procent din cantitatea medie de alimente consumate în ultimele 3 zile de dietă AL la înlocuirea hormonilor. Animalelor li s-a administrat 100% din dieta AL timp de 2 zile pentru a se obișnui cu rațiile zilnice de alimente, urmate de 75% AL pentru 4 zile, 60% AL pentru 4 zile și 50% AL pentru 5 zile. Hrana a fost furnizată zilnic la o fereastră de o oră înainte ca luminile să fie stinse (ZT11 la ZT12). Toate animalele au mâncat întreaga cantitate de alimente furnizate în timpul experimentelor CR. În grafice prezentăm zilele impare ale protocolului CR, deoarece în unele zile pare ale protocolului, animalele au fost recuperate și manipulate pentru o perioadă mai lungă de timp de 5 minute pentru a lua alți parametri fiziologici, afectând astfel înregistrările continue Tb.

Răspuns hipotermic

Tb-ul hipotermic mediu constă în cel mai mic Tb în decurs de 8 ore ale zilei. De la 22:30 la 6:30 (ZT23.5 până la ZT7.5). Această fereastră de timp, denumită hipotermie indusă de CR a fost determinată utilizând media Tb a grupului placebo. Când media Tb a acestui grup scade sub 34,0 ° C [19]. Pe scurt, șoarecele a fost ridicat ușor ținându-l de coadă și vaginul a fost spălat cu 5 μL de soluție salină sterilă folosind un vârf de micropipetă neted și conic. Probele colectate au fost plasate pe un diapozitiv și au fost lăsate să se usuce, apoi colorate și fixate pentru examinarea ulterioară folosind un microscop cu lumină de laborator standard cu o mărire totală de 100 ×. abundența fiecărui tip de celulă (procentul parabazal, intermediar, cornificat și neutrofil).

analize statistice

GraphPad Prism 7 a fost utilizat pentru analiza datelor. RM ANOVA bidirecțională urmată de corecția de comparație multiplă a lui Bonferroni a fost utilizată pentru a analiza diferența dintre tratamentele pe Tb și greutatea corporală pe mai multe puncte de timp colectate în timpul regimului AL, CR. Diferențele de aport alimentar au fost analizate de două cozi nepereche t-Test.