Nichole D. Bond 1, Juen Guo 2, Kevin D. Hall 2, Alexandra C. McPherron 1 #

energetice

1. Filiala Genetica Dezvoltării și Bolilor, Institutul Național de Diabet și Boli Digestive și Rinice, Institutele Naționale de Sănătate, Bethesda, Maryland 20892 SUA;
2. Laboratorul de modelare biologică, Institutul Național de Diabet și Boli Digestive și Rinice, Institutele Naționale de Sănătate, Bethesda, Maryland 20892 SUA.
#Adrese curente: MyoTherapeutics, Silver Spring, MD. [email protected]

Citare:
Bond ND, Guo J, Hall KD, McPherron AC. Modelarea dinamicii energetice la șoareci cu hipertrofie musculară scheletică alimentată cu diete bogate în calorii. Int J Biol Sci 2016; 12 (5): 617-630. doi: 10.7150/ijbs.13525. Disponibil de pe https://www.ijbs.com/v12p0617.htm

Cuvinte cheie: Modelare computațională, echilibru energetic, oxidare a grăsimilor, aport alimentar, dietă bogată în grăsimi, miostatină, obezitate, hipertrofie a mușchilor scheletici.

Prevalența obezității și a bolilor metabolice asociate, cum ar fi diabetul zaharat de tip 2 (T2DM), este în creștere la nivel mondial (1). Având în vedere că T2DM este o boală complexă cu mai multe organe, prevenirea ar trebui să fie mai eficientă în reducerea prevalenței diabetului decât în ​​tratamentul bolii stabilite. Rezistența la insulină, o condiție prealabilă pentru dezvoltarea T2DM, a fost detectată mai devreme în mușchiul scheletic decât în ​​alte țesuturi (2). Studiile retrospective și prospective au arătat că masa sau puterea slabă este invers asociată cu mortalitatea cauzată de toate cauzele, sindromul metabolic (un grup de factori de risc care include obezitate centrală, nivel ridicat de glucoză în post, hipertensiune și dislipidemie (3)) sau rezistență la insulină. (4-8). În sprijinul acestor asociații, manipularea masei musculare folosind șoareci modificați genetic demonstrează în mod clar că o masă slabă mai mare previne obezitatea și rezistența la insulină (9-14).

O explicație pentru rezistența la creșterea grăsimii la persoanele cu o masă slabă crescută este cheltuielile de energie ridicate (EE). EE este de obicei măsurată prin calorimetrie indirectă, o tehnică care măsoară volumele de O2 și CO2 prin analiza gazelor în funcție de timp. Calculele utilizate pentru a converti volumul de O2 în calorii arse presupun că toate O2 consumate de subiect sunt utilizate pentru oxidarea substanțelor nutritive. Monitorizarea simultană a activității permite calcularea repausului în raport cu consumul total de O2 sau EE. Cea mai mare componentă a EE totală a individului este rata metabolică bazală, rata minimă de calorii sunt arse pe oră. Țesuturile slabe (sau masa fără grăsimi (FFM)) consumă mai multă energie și, prin urmare, au EE mai mare decât țesutul adipos. Mușchiul scheletic, cea mai mare componentă a masei slabe, se comprimă

40% din masa corpului uman și reprezintă

20% din totalul EE bazal (15). De fapt, cantitatea de masă slabă explică 70-85% din variația EE în repaus între indivizi (16-18). Din aceste motive, diferențele în compoziția corpului între mușchiul scheletic și țesutul adipos afectează foarte mult EE.

În plus față de problemele de normalizare, metodologia calorimetriei indirecte pentru măsurarea cheltuielilor de energie a rozătoarelor a fost pusă sub semnul întrebării (20). Comportamentul de hrănire și activitatea fizică a animalelor din aparatul de calorimetrie indirectă poate să nu reflecte comportamentul lor în cuștile casnice, în special atunci când sunt hrănite cu diete bogate în grăsimi (HF) sau când sunt supuse stresului. Este posibil ca această metodă să nu fie suficient de sensibilă pentru a detecta diferențe minime între genotipuri sau grupuri de tratament care pot duce la diferențe măsurabile în creșterea în greutate atunci când sunt susținute pe perioade lungi de timp. În plus, concluziile sunt de obicei extrase din calorimetria indirectă și din datele privind aportul de energie obținute la intervale scurte de timp, adesea doar zile, mai degrabă decât pe durata de viață. Prin urmare, modificările dinamice pe parcursul ciclului de viață pot fi ratate. Din aceste motive, cheltuielile de energie și măsurătorile aportului la rozătoare nu reușesc adesea să țină seama în mod adecvat de modificările observate ale compoziției corpului în timp (28,29).

Au fost dezvoltate abordări de modelare matematică pentru a evita aceste probleme. Anterior, doi dintre noi, Guo și Hall, au dezvoltat un model de calcul la șoareci care poate explica modificările compoziției corpului la șoarecii WT hrăniți cu diete diferite (30,31). Folosind modificări măsurate cu atenție în aportul de alimente și măsurători repetate ale compoziției corpului, modelul estimează producția de energie, oxidarea grăsimilor și RQ pe o perioadă de luni. Aici, folosim această abordare de modelare pentru a estima acești parametri la șoareci care diferă dramatic în compoziția corpului și ca răspuns la diferite diete. Arătăm că șoarecii musculari sunt capabili să-și regleze puterea de energie și oxidarea grăsimilor pentru a se potrivi cu aportul lor mai bine decât șoarecii WT. În consecință, echilibrul lor energetic este mai aproape de zero și rezistă acumulării de țesut adipos.

Dietele

Dietele au fost după cum urmează: dieta standard chow (NIH-31 Open Formula, Zeigler, East Berlin, PA); dietă bogată în grăsimi (HF) cu 59% din calorii din grăsimi (catalog # F3282, Bio-Serv, Frenchtown, NJ); Ensure®, dieta lichidă Ensure® cu aromă de vanilie (Divizia Produse Ross, Laboratoarele Abbott, Columbus, OH); și dieta HF cu 45% calorii din grăsimi (catalog # D12451, Research Diets, New Brunswick, NJ). Densitatea energetică și compoziția dietei sunt enumerate în Tabelul 1. Dieta Chow sau HF a fost dată în camere închise pentru rozătoare CAFÉ (OYC Americas, Andover, MA) care conțin deversări, cântărite la fiecare două până la două zile și reumplute la nevoie și spălate săptămânal. Assure® a fost dat în două sticle de 20 ml în buncăr și cântărit și schimbat zilnic.

Produse chimice

Oleoylethanolamida (OEA sau oleiletanolamida) a fost obținută de la Tocris Biosciences (Bristol, Marea Britanie), iar Tween 80 a fost obținută de la Sigma-Aldrich (St. Louis, MO).

NIH-31Bio-Serv F3282Ensure®Reearch Diets D12451
Total (kcal/g)3,795.451,064,73
Proteine ​​(% energie)24141420
Carbohidrați (% energie)64276435
Grăsimi (% energie)12592245

Animale

Toate experimentele pe animale au fost aprobate de Comitetul de îngrijire și utilizare a animalelor al NIH, NIDDK. Șoarecii cu mușchi-DN și șoarecii MSTN KO au fost descriși în altă parte (25,32), crescuți la NIH și genotipați ca la Guo și colab (10) și McPherron și colab (33). Șoarecii erau pe un fundal genetic C57BL/6Ncr, iar șoarecii martor erau colegi de litiere non-transgenici. Șoarecii au fost adăpostiți individual, li s-au dat alimente ad libitum și au fost întreținuți pe un ciclu de lumină/întuneric de 12 ore, cu acces gratuit la sticlele de apă în orice moment.

Regimuri de hrănire

Pentru analiza computațională la șoareci Muscle-DN și coechipieri WT, șoarecii masculi au fost plasați pe chow standard, 59% HF dieta sau 59% HF dieta plus Ensure® în camere timp de 15 săptămâni începând cu

Vârsta de 9 săptămâni (Figura 1A, n = 5-8 pe grup). Deoarece șoarecii au ajuns la vârstă în momente diferite, orele de început și de sfârșit au fost eșalonate, astfel încât datele au fost colectate în mai mult de 15 săptămâni pentru a completa grupurile. O dietă HF alimentată cu un șoarece cu mușchi-DN a încetat să mai mănânce în săptămâna 14 din cauza malocluziei și a fost eutanasiată. Pentru șoarecii MSTN KO și colegii de așternut WT, aportul de alimente în camere a fost măsurat zilnic timp de 7 săptămâni la șoarecii femele cu vârsta cuprinsă între 17 și 26 de săptămâni (Figura 1B, n = 8-9 pe grup). Programul de hrănire a fost chow standard timp de 21 de zile, apoi dieta de 59% HF singur timp de 14 zile și apoi chow standard timp de 14 zile.

Pentru experimentele de schimbare a dietei de chow la HF sau chow la Ensure®, șoarecii masculi cu mușchi DN și colegii de litiere WT cu vârsta cuprinsă între 12 și 14 săptămâni au fost acomodați în camerele de rozătoare CAFÉ ™ care conțin chow standard pentru

Cu 2 săptămâni înainte de colectarea datelor. Șoarecii au fost hrăniți cu chow standard, dieta HF de 45% calorii din grăsimi, dieta HF cu 59% din calorii din grăsimi sau Ensure® la momentele indicate. Când Ensure® a fost administrat singur, CAFÉ ™ a fost îndepărtat și două sticle care conțin Ensure® au fost utilizate în plus față de o sticlă de apă. Când s-au administrat simultan două diete solide, au fost furnizate două recipiente curate, cu unul care conțin chow și unul care conține dieta HF. Pentru experimentul prezentat în Figura 6B, după 40 de zile de măsurători ale diferitelor diete în camerele CAFÉ ™, șoarecilor li s-a administrat chow în buncăr între zilele 40-95 și apoi s-au reclimat în camerele CAFÉ ™ cu chow până când măsurătorile au fost reluate din nou în ziua respectivă 111.

Pentru aportul alimentar cumulativ de 4 săptămâni, chow-ul standard a fost măsurat la fiecare două zile în buncăr folosind șoareci masculi Muscle-DN începând cu vârsta de 20 de săptămâni. Pentru măsurătorile de repaus alimentar, aportul zilnic a fost măsurat timp de 3-4 zile la șoareci masculi cu vârsta de 30 de săptămâni. Apoi, șoarecii au fost posti 24 de ore începând cu ora 8 dimineața, iar aportul de alimente a fost măsurat pentru următoarele 24 de ore.

Măsurători ale compoziției corpului pentru analiza computațională

La momentul 0, compoziția corpului șoarecilor treji a fost determinată de RMN într-un EchoMRI 3-in-1 ™ (Echo Medical Systems, Houston, TX). Măsurătorile compoziției corpului au fost repetate săptămânal timp de 15 săptămâni (16 măsurători) pentru șoareci Muscle-DN sau timp de 7 săptămâni (8 măsurători) pentru șoareci MSTN KO în timp ce au fost hrăniți cu diete diferite. Pentru unele animale, s-au pierdut 1-2 săptămâni de măsurare a compoziției corpului (dar nu și a consumului de alimente) din cauza timpului de nefuncționare pe instrument. Au fost adăugate animale suplimentare timp de 3-5 săptămâni cuprinzând punctele de timp pierdute, astfel încât toate punctele de timp au avut măsurători ale compoziției corpului și ale consumului de alimente de la cel puțin 5 animale, cu excepția săptămânilor 14 și 15, când un șoarece Muscle-DN a dezvoltat malocluzie în dieta HF.

Analiza computațională

Intrarea pentru analiza computațională a fost compoziția corpului, aportul de alimente și compoziția alimentelor. Deoarece a existat un punct de timp suplimentar pentru compoziția corpului în comparație cu aportul de energie, datele privind aportul au fost netezite pentru a obține valori pentru timpul 0 și ultima săptămână. Aceste date au fost utilizate pentru a calcula producția de energie, aportul de grăsimi și oxidarea, coeficientul alimentar (FQ) și coeficientul respirator (RQ) așa cum este descris (30,31).

Inhibarea consumului de alimente

OEA a fost dizolvată în Tween 80 și soluție salină sterilă adăugată la 90% (10 mg/ml), sonicată timp de 1 minut, încălzită la 55°C și sonicat din nou chiar înainte de injecție. Șoarecii masculi în vârstă de 30 de săptămâni au fost injectați i.p. zilnic chiar înainte de începerea perioadei întunecate cu vehiculul timp de 3 zile pentru a se acomoda cu protocolul de injecție. Aportul de alimente a fost măsurat la 8 am, 9am, 12pm, 4pm și 8pm. Șoarecii au fost posti 24 de ore în ziua 3. În ziua 4, șoarecii au fost injectați i.p. cu OEA (50 mg/kg greutate corporală) la 8 dimineața și i s-a dat hrană. Aportul de alimente a fost măsurat la 8 am 9am, 12pm, 4pm și 8pm pentru următoarele 24 de ore.

analize statistice

Compoziția corpului și măsurătorile consumului de alimente luate în decurs de 7 sau 15 săptămâni au fost comparate prin măsuri repetate ANOVA așa cum s-a indicat (SPSS versiunea 19). Pentru experimentele de schimbare a dietei, aportul zilnic mediu pe parcursul unui interval de dietă a fost calculat și comparat între genotipuri de către student t test (Excel). Aportul în timpul experimentelor de post/reîncărcare și aportul cumulativ au fost comparate de cele ale elevului t Test. P FQ indică faptul că nu toată energia este utilizată. Modelarea matematică a arătat că RQ a fost în general puțin mai mare decât FQ ​​pentru șoarecii WT hrăniți cu chow sau dieta HF, dar aproximativ egal pentru șoarecii Muscle-DN hrăniți cu aceleași diete (Figura 4B). Pe dieta HF plus Ensure®, RQ a fost mai mare decât FQ ​​la șoarecii WT în primele 7 săptămâni de hrănire până a scăzut pentru a se potrivi cu FQ. Acest lucru este în concordanță cu adaptarea consumului de grăsimi și a ratelor de oxidare (Figura 4A) și platoul de creștere în greutate (Figura 2A) observat la șoarecii WT.

Alegerea mâncării

Am observat o diferență neașteptată în aportul de alimente între genotipurile din dieta HF plus Ensure®, care a afectat FQ calculat prezentat în Figura 4B. Șoarecii WT și Muscle-DN au consumat inițial mai mult Ensure® comparativ cu dieta HF pe baza aportului caloric din fiecare sursă (Figura 5A). Cu toate acestea, Muscle-DN a băut mai mult din dieta Ensure® și a consumat mai puțin din dieta HF decât șoarecii WT. În cele din urmă, șoarecii WT au consumat un număr egal de calorii din Ensure® ca din dieta HF, în timp ce șoarecii Muscle-DN au menținut un decalaj mare între aportul fiecărei surse dietetice. Deși aportul caloric general a fost similar între genotipuri, această diferență a dus la un aport semnificativ mai mare de carbohidrați și un aport mai scăzut de grăsimi la șoarecii Muscle-DN în comparație cu șoarecii WT datorită diferențelor în compoziția macronutrienților dintre dietele HF și Ensure® (Figura 5B și 4A). Această disparitate a însemnat, de asemenea, că FQ pentru șoarecii WT a fost diferit de FQ pentru șoarecii Muscle-DN pentru dieta HF plus Ensure® (Figura 4B). Aportul de proteine ​​a fost similar, deoarece dietele de 60% HF și Ensure® au aceeași cantitate de energie metabolizabilă din proteine ​​(Figura 5B).

Modificări dinamice în utilizarea calculată a energiei grase a șoarecilor Muscle-DN. (A) Aportul de grăsimi a fost calculat din procentul de energie din grăsimi pentru fiecare dietă, iar oxidarea grăsimilor a fost calculată prin modelul de calcul. Rețineți că oxidarea grăsimilor se potrivește mai bine cu consumul de șoareci Muscle-DN decât de șoareci WT. (B) RQ comparativ cu FQ. FQ afișat este media pe parcursul cursului de 15 săptămâni. FQ pentru grupurile HF plus Ensure® diferă între genotipuri, din cauza diferențelor dintre aportul HF și Ensure® (vezi Figura 4). RQ> FQ indică utilizarea glucozei și creșterea în greutate.

(Faceți clic pe imagine pentru a mări.)

Aportul nutrienților de HF plus dieta Ensure® la șoarecii Muscle-DN. (A) Aport caloric brut pe sursă dietetică, dietă HF de 59% sau Ensure®, din datele utilizate pentru modelarea computerizată a aportului prezentate în Figura 2A. (B) Aport caloric total, carbohidrați, grăsimi sau proteine ​​din dietele combinate HF plus Ensure®. Rețineți că, deși aportul total este similar, șoarecii mutanți consumă relativ mai multe calorii din Ensure® și mai puțin din dieta HF decât la șoarecii WT. Acest lucru determină o diferență în aportul de carbohidrați și grăsimi între genotipuri. n = 5-6 pe grup. Semnificație statistică prin măsurători repetate ANOVA între genotipuri pentru aportul total de HF sau Ensure® (A) așa cum este indicat sau pentru aportul de macronutrienți (B) unde *P

Primit 2015-8-11
Acceptat în 2016-2-17
Publicat 2016-4-1