Гіпертрофія та/або гіперплазія: динаміка росту жирових тканин

Афілійована лабораторія біологічного моделювання, Національний інститут діабету та хвороб органів травлення та нирок, Національний інститут охорони здоров'я, Бетедса, штат Меріленд, Сполучені Штати Америки

Основна лабораторія метаболізму мишей, Національний інститут діабету та хвороб органів травлення та нирок, Національний інститут здоров’я, Бетедса, штат Меріленд, Сполучені Штати Америки

Приналежність GPP/OITE/OIR/OD, Національний інститут охорони здоров’я, Бетесда, Меріленд, Сполучені Штати Америки

Філія клінічної ендокринології, Національний інститут діабету та хвороб органів травлення та нирок, Національний інститут охорони здоров'я, Бетедса, штат Меріленд, Сполучені Штати Америки

Філія відділення діабету, Національний інститут діабету та хвороб органів травлення та нирок, Національний інститут охорони здоров'я, Бетедса, штат Меріленд, Сполучені Штати Америки

Джунгйо Джо,
Оксана Гаврилова,
Стефані Пак,
Вільям Джоу,
Шон Маллен,
Енн Е. Самнер,
Семюель В. Кушман,
Vipul Periwal

Цифри

Анотація

Резюме автора

Цитування: Jo J, Gavrilova O, Pack S, Jou W, Mullen S, Sumner AE та ін. (2009) Гіпертрофія та/або гіперплазія: динаміка росту жирових тканин. PLoS Comput Biol 5 (3): e1000324. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000324

Редактор: Джейсон А. Папін, Університет Вірджинії, Сполучені Штати Америки

Отримано: 15 вересня 2008 р .; Прийнято: 9 лютого 2009 р .; Опубліковано: 27 квітня 2009 р

Це стаття з відкритим доступом, що розповсюджується згідно з умовами декларації Creative Commons Public Domain, яка передбачає, що після розміщення у загальнодоступному доступі цей твір може вільно відтворюватися, розповсюджуватися, передаватися, модифікуватися, створюватися або іншим чином використовувати з будь-якою законною метою.

Фінансування: Ця робота була підтримана за рахунок фінансування програми внутрішньошкільних досліджень NIH, NIDDK. Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Вступ

Ожиріння - це збільшення жирової тканини для накопичення надлишкового споживання енергії. Гіперплазія (збільшення кількості клітин) та гіпертрофія (збільшення розміру клітини) - два можливі механізми росту. На фенотипи ожиріння жирової тканини впливають дієта та генетика, а також їх взаємодія [1] - [4]. Починаючи з досліджень Джонсона та Гірша [5], існує велика література про ріст жирової тканини при нормальному та аномальному розвитку, що характеризує стан тканини з точки зору середнього розміру клітини та кількості клітин. Гіперпластичний ріст з’являється лише на ранніх стадіях розвитку жирової тканини [6], [7]. Гіпертрофія виникає до гіперплазії для задоволення потреби в додатковій здатності до накопичення жиру при прогресуванні ожиріння [8]. Однак виявилося важким зрозуміти, як дієта та генетика конкретно впливають на гіперплазію та/або гіпертрофію жирових клітин через обмежені поздовжні дані про ріст жирової тканини.

Результати

Вплив дієти з високим вмістом жиру на склад тіла у мишей FVB та C57

(А) Вага тіла. (Б) Жирова маса. Склад тіла вимірювали у зазначені моменти часу у 8 мишей на групу, використовуючи МРТ-аналізатор Ехо 3-в-1. Жирне та контрольне годування розпочато у віці 5 тижнів. Вісь X вказує на тижні контрольованого годування. Показаний один із трьох незалежних експериментів. Наведені значення є середніми ± SEM.

(А) Тест на толерантність до глюкози був проведений на 10 тижні контрольованого годування чау та дієтою з високим вмістом жиру. Мишей голодували протягом ночі і вводили глюкозу (2 мг/г, в/в). Кожна група була представлена 8 мишами. (B) Вимірювали окислення олеїнової кислоти у всьому організмі у 10-тижневих самців FVB ad C57 у мишей, які не голодували (8 мишей на групу), як описано у Gautam et al. [47]. (C) Окислення в пальмітинових кислотах вимірювали в м’язі підошви, розсіченому у 10-тижневих мишей FVB та C57, які утримувались на дієті чау (8 мишей на групу). Зразки відбирали о 8 ранку від випадково годували мишей або мишей, що голодували протягом 18 годин [методи Toyoshima et al. [46]]. (D) Кліренс тригліцеридів у мишей-самців FVB та C57 після 11 тижнів контрольованого годування чау та дієтою з високим вмістом жиру. Мишей голодували протягом 4 год, а потім давали 400 мкл арахісової олії маркою. Плазму збирали щогодини протягом 5 год з хвостової вени для вимірювання тригліцеридів. Кожна група була представлена 8 мишами.

Гіпертрофія та гіперплазія зі збільшенням жирової маси

Побудовано один типовий приклад контрольних мишей FVB п’яти тижнів. Кола позначають виміряні точки даних, тоді як лінія представляє криву припасування, яка є сумою однієї гауссової та двох експоненціальних функцій.

(А) та (В): кореляція між масою жирової прокладки епідидимуму та середньозваженим розміром клітин, зваженим за обсягом, забезпечена законом степенів із (А) та (В), який побудований суцільними лініями. (C) та (D): кореляція між масою жирової клітковини епідидиму та загальним числом клітин вбудована в експоненціальну функцію з початковою масою жирової тканини, початковим числом клітин та швидкістю збільшення кількості клітин, нанесеною штриховими лініями (дієта чау) і суцільні лінії (дієта з високим вмістом жиру). Встановлені значення параметрів наведені в таблиці 2.

Генетичний та дієтичний вплив на ріст жирових тканин

Початковий розподіл розмірів клітин контрольних мишей п’яти тижнів наведено в першому рядку кожного стовпця пунктирними лініями. Точки показують експериментальні результати. Зверніть увагу, що результати впорядковуються за масою епідидимальної жирової прокладки, а не за хронологічним часом (тижні контрольованого годування), наведеним у дужках. Суцільні лінії представляють нормалізований розподіл розмірів клітин, що відповідає даній масі епідидимальної жирової прокладки, передбачений моделлю росту жирової тканини.

Тут для цього графіку використовуються середні значення параметрів у таблиці 2. Для порівняння між рядками показано символи.

Обговорення

Розроблена тут модель може дати мікроскопічне уявлення про розмір залежного росту жирових клітин, який неможливо вирішити за допомогою статичних досліджень поперечного перерізу. Наприклад, ми виявили наступні специфічні властивості залежного від розміру росту клітин: нижній критичний розмір, ініціюючи накопичення ліпідів, не залежав від дієти у двох штамів миші, тоді як верхній критичний розмір, обмежуючи ріст клітин від досягнення надзвичайних розмірів, був підвищений на дієті з високим вмістом жиру. Ця залежність росту клітин від розміру є перевіряється гіпотезою. Далі, параметр коливання розміру клітини, відрізнявся між звичайними та жирними дієтами; вона більша за дієти з високим вмістом жиру, коли вона трансформується в одиниці, відповідні зміні одиниці часу, замість зміни маси одиниці жирової прокладки. Таким чином, випадковий процес вивільнення та поглинання жирових клітин відбувається активніше при дієті з високим вмістом жиру, ніж при звичайній дієті. Можливо, цікаво дізнатись, чи можна ці результати узагальнити для інших штамів та організмів.

Підводячи підсумок, ми вивели математичну модель, що описує ріст жирової тканини із збільшенням кількості клітин та їх розміром у залежності від маси епідидимальної жирової тканини. На основі цієї динамічної моделі ми дослідили вплив генетики та дієти на ріст жирової тканини. Порівнюючи розподіл розмірів клітин за двома штамами та двома дієтами, ми дійшли висновку, що зміна розміру клітини залежить від дієти, а кількість клітин залежить від генетики та дієти, а також їх взаємодії.

Матеріали та методи

Тварини

Всі процедури були затверджені Комітетом з догляду та використання тварин Національного інституту діабету та хвороб органів травлення та нирок. Самці мишей FVB та C57 були отримані з лабораторії Джексона (Бар-Харбор, Міссурі). Мишей вирощували по чотири в клітці протягом 12-годинного циклу світло/темрява (світильники працювали з 06:00 до 18:00). У віці 5 тижнів мишей кожного штаму розділили на 2 групи. Половину мишей годували регулярною дієтою чау NIH-07 (далі - REG; Zeigler Brothers, Inc., Gardners, PA), що містить 4,08 ккал/г (11% калорій з жиру, 62% з вуглеводів і 26% з білків). Іншу половину годували дієтою з високим вмістом жиру, F3282 (далі HF; Bio-Serv, Frenchtown, NJ), що містила 5,45 ккал/г (59% жиру, 26% вуглеводів і 15% білка). Вода та дієта забезпечувались за бажанням. Було проведено п’ять незалежних експериментів, кожна з яких використовувала 4 групи мишей: FVB REG, FVB HF, C57 REG і C57 HF. У трьох експериментах мишей тримали на контрольованих дієтах протягом 12 тижнів і використовували для аналізу складу тіла, фізіологічної характеристики та розподілу розмірів клітин. Два додаткові набори мишей були евтаназовані через 2 тижні та 4 тижні жирного та контрольного годування лише для розподілу розмірів клітин.

Експерименти in vivo

Склад тіла, споживання їжі, швидкість метаболізму, толерантність до глюкози, кліренс тригліцеридів та окиснення жирних кислот в ізольованому м’язі підошви вимірювали, як описано раніше [46]. Вимірювали окислення жирних кислот у всьому організмі, як описано в Gautam et al. [47]. Кров для біохімічних досліджень отримували з хвостової вени в неголодному стані. Рівні глюкози вимірювали за допомогою Glucometer Elite (Bayer, Elkhart, IN). Інсулін в сироватці крові аналізували за допомогою радіоімунологічного аналізу (Linco Research, St. Charles, MO). Тригліцериди в сироватці крові, холестерин (Thermo DMA, Louisville, CO) та вільні жирні кислоти (FFA) (Roche Applied Science, Індіанаполіс, Індонезія) вимірювали відповідно до процедур виробників.

Вимірювання розміру клітини в епідидимальній жировій клітці

Кількість гіпертрофії

Зважений за обсягом середній розмір клітини використовувався як міра гіпертрофії, (4) де - розмір клітини контейнера та відносна частота, що відповідає розміру при даній масі жирової прокладки. Ця міра є значущою з функціональної точки зору, що ємність зберігання ліпідів пропорційна об'єму клітини. Зверніть увагу, що зважений за обсягом середній розмір клітин дає середній розмір клітини, зважений за здатністю зберігання ліпідів великих клітин у верхньому піку розподілу бімодальних розмірів клітин (рис. 3). На відміну від цього, звичайний середньозважений за кількістю розмір клітин може давати менший середній розмір клітини через значний внесок малих клітин у нижній пік розподілу бімодальних розмірів клітин. Очевидно, що зважений за обсягом середній розмір клітин є кращим показником ємності зберігання ліпідів.

Кількість гіперплазії

Загальна кількість клітин є прямим показником, що відображає гіперплазію. У цьому дослідженні вимірювали масу епідидимальної жирової прокладки, а також розподіл розмірів клітин. Отже, загальну кількість клітин у жировій подушці епідидимуму можна оцінити на основі співвідношення між масою та обсягом жиру. Тут ми використовували щільність чистого тріолену ρ = 0,915 г/мл як щільність жирових клітин, оскільки щільність подібна до фактичної щільності жирових прошарків [49]. Загальний обсяг жиру - це де загальна кількість клітин і середній об’єм клітин, який можна розрахувати за розподілом за розміром клітини. Отже, загальна кількість клітин або індекс гіперплазії становить (5)

Метод оптимізації

Ми також використовували цей метод для оцінки початкової загальної кількості клітин та швидкості її збільшення із співвідношення маси жиру та загальної кількості клітин (рис. 4C та 4D). Для мінімізації між функцією припасування та експериментальними даними ми використовували обмеження, згідно з яким початкова кількість клітин дорівнює незалежно від умов дієти, тобто регулярних та жирних дієт. Середньою масою жиру чотирьох контрольних мишей перед звичайною дієтою та дієтою з високим вмістом жиру була використана вихідна маса жиру, яка становить 0,34 г та 0,29 г для мишей FVB та C57 відповідно. Ми оцінили невизначеності та, поширюючи 10-відсоткові статистичні коливання, що спостерігаються в експериментальних даних.

Числове розв’язання часткового диференціального рівняння

Ми вирішили наступну дискретну версію нашої моделі, подану як неперервне диференціальне рівняння з частковими частками в рівнянні. (1): (9) з інтервалом маси δm = 0,1 мг та інтервалом розміру δs = 0,73 мкм.

Довідкова інформація

Рисунок S1.

Зміни епідидимальної (A, B), пахової (C, D) та коричневої (E, F) маси жирових відкладень мишей FVB (A, C, E) та C57 (B, D, F) під чау та високо жирова дієта. X-осі вказують на тижні контрольованого годування, розпочаті у віці 5 тижнів. Осі Y на панелі (A – D) показують спільну вагу правої та лівої жирових подушечок. Кожен часовий пункт має чотири зразки на групу, за винятком 12-го тижня (вісім зразків на групу) та 4-тижневий C57 HFD (три зразки на групу). Лінії намальовані для орієнтування.

Рисунок S2.

Зміни в епідидимальній жировій подушці мишей FVB та C57 під час дієти чау та високої жирності. (A) та (B) середньозважений розмір клітини, зважений за обсягом. (C) та (D) Загальна кількість комірок. X-осі вказують на тижні контрольованого годування, розпочаті у віці 5 тижнів. Кожен момент часу має чотири зразки в момент часу, чотири тижні (три доступні зразки). Для підказки проводяться лінії.

Подяки

Ми дякуємо Артуру Шерману за корисні дискусії та критичне прочитання рукопису.

Внески автора

Задумав та спроектував експерименти: JJ OG AES SWC VP. Виконував експерименти: OG SP WJ SM. Проаналізував дані: JJ OG VP. Написав папір: JJ OG SWC VP.

Список літератури

Предметні напрямки

Для отримання додаткової інформації про тематичні області PLOS натисніть тут.

Ми хочемо отримати ваш відгук. Чи мають ці предметні галузі сенс для цієї статті? Клацніть ціль поруч із неправильною темою та повідомте нас. Спасибі за вашу допомогу!

Це тематична область "Жирова тканина" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це тематична область "Дієта" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це тематична область "Адипоцити" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це тематична область "Жири" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це предметна область "Ожиріння" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це тематична область "Ліпіди" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це тематична область "Генетика" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це тематична область "Розподіл тканин" застосовується до цієї статті? так ні