Довготривале споживання дієти з високим вмістом білка впливає на фенотип тіла, метаболізм та гормони плазми у мишей

Розкриття інформації про автори: JPV, LL, WFP, SO, DS, AG, JRP та PMG, відсутні конфлікти інтересів. JRBL є президентом і головним технологічним директором компанії Sable Systems International, яка створила систему метаболічного фенотипування, що використовується в дослідженні.

John P Vu, Leon Luong, William F Parsons, Suwan Oh, Daniel Sanford, Arielle Gabalski, John RB Lighton, Joseph R Pisegna, Patrizia M Germano. Гормони у мишей, The Journal of Nutrition, том 147, випуск 12, грудень 2017 року, сторінки 2243–2251, https://doi.org/10.3945/jn.117.257873

Анотація

Передумови: Дієти з високим вмістом білка (HPD) нещодавно використовуються для отримання маси тіла та втрати жирової маси та збільшення м’язової маси. Кілька досліджень зафіксували, що HPD зменшують апетит та споживання їжі.

Завдання: Нашою метою було визначити довгостроковий вплив HPD на масу тіла, споживання та витрату енергії та метаболічні гормони.

Методи: Самців мишей C57BL/6 (віком 8 тижнів) годували 12 тижнів або HPD (60% енергії у вигляді білка), або контрольної дієти (CD; 20% енергії у вигляді білка). Було визначено склад тіла та споживання їжі, а також концентрацію гормонів у плазмі крові вимірювали у мишей після годування та після позбавлення корму протягом ночі протягом декількох часових точок.

Результати: Миші HPD мали значно нижчу масу тіла (в середньому ± SEM; 25,73 ± 1,49 порівняно з 32,5 ± 1,31 г; P = 0,003) та жирову масу (9,55% ± 1,24% порівняно з 15,78% ± 2,07%; P = 0,05) протягом перші 6 тижнів порівняно з CD-мишами, а вища худорлява маса протягом усього дослідження, починаючи з 2-го тижня (85,45% ± 2,25% порівняно з 75,29% ± 1,90%; P = 0,0001). Споживання енергії, загальні витрати енергії та коефіцієнт дихання були значно нижчими для HPD порівняно з мишами CD, як це показує сукупне споживання енергії та норма їжі. Водна пара була значно вищою у мишей HPD як у темну, так і в світлу фази. У мишей HPD концентрації лептину [позбавлений корму: 41,31 ± 11,60 порівняно з 3041 ± 683 пг/мл (Р = 0,0004); після їжі: 112,5 ± 102,0 порівняно з 8273 ± 1415 пг/мл (P

Вступ

Методи

Тварини та дієти.

Для вивчення довгострокових наслідків HPD на фенотип організму, калориметричні змінні та метаболічні гормони мишей дикого типу C57BL/6, що відповідають віку, індивідуально утримували під контрольованим освітленням світлового циклу (0600–1800) та температурою (21– 23 ° C) умови. Їжа та вода забезпечувались за бажанням протягом періоду експерименту, якщо не вказано інше. Потім мишей розділили на 2 різні дієтичні групи ( Додаткова таблиця 1 ). Дієти купували у Research Diets, а дієтичну їжу зберігали герметичною при 4 ° C до вживання. Протокол експериментального дослідження був схвалений Інституційним комітетом з догляду та використання тварин Великої системи охорони здоров’я у справах ветеранів (Вікторія).

Експериментальний дизайн.

Мишей у віці 10–12 тижнів ділили на 2 різні групи, одноразово утримувались у стандартних клітках і годували за бажанням або HPD (60% енергії у вигляді білка; n = 8), або CD (20% енергії як білок; n = 10). Вагу тіла вимірювали на початковому рівні та з тижневими інтервалами протягом 12-тижневого періоду дослідження. Споживання їжі та води контролювали щотижня. Жир і худою масу тіла оцінювали раз на тиждень. Значення маси тіла, жирової маси та нежирної маси виражали у відсотках змін від початкових вимірювань, проведених на вихідному рівні. Наприкінці досліджуваного періоду всіх мишей одноразово утримували в метаболічних клітинах (Promethion; Sable Systems International) протягом 5 днів для звикання, а потім 3 дні моніторингу поведінки годування, споживання води, витрат енергії, та фізичні навантаження.

Аналіз маси тіла та складу.

Склад маси мишачого тіла оцінювали щотижня і виражали у відсотках від загальної маси тіла нетто за допомогою системи кількісного аналізу ЯМР (EchoMRI-700 4 in 1 композиційний аналізатор; Echo Medical Systems). Під час сканування миші були у свідомості та злегка стримані (~ 2 хв).

Визначення поведінки споживання їжі.

Аналіз споживання їжі проводили за допомогою системи контролю споживання їжі BioDAQ для мишей (BioDAQ; Research Diets, Inc.), як описано раніше (33).

Оцінка непрямої калориметрії за допомогою метаболічної системи Promethion.

Панель гормонів плазми.

Зразки плазми крові отримували в кінці 12-тижневого періоду дослідження від кожної миші в умовах позбавленого корму (позбавлений корму: 1800–0900) та в умовах після їжі (позбавлений корму протягом ночі: 1800–0900), а потім 1- h післягодовування (0900–1000). Зразки гормонів плазми вимірювали, як описано раніше (33). Всі зразки були оброблені в одній партії та прочитані через зчитувач Luminex 100 (Luminex).

Аналіз даних.

За допомогою багаторазового порівняльного t-тесту оцінювали значущість маси тіла та складу маси тіла між двома різними досліджуваними групами харчування протягом усього дослідження. Ми використовували пост-тест Sidak у наших порівняльних тестах. Сукупне споживання їжі та всі змінні BioDAQ були розраховані на значущість, використовуючи 2-факторну ANOVA з пост-тестом Sidak для множинних порівнянь. Для оцінки змінних показників метаболічної поведінки використовували 2-факторну ANOVA для порівняння середнього значення темної або світлової фази між кожною групою дієти. Факторами, включеними в 2-факторний аналіз ANOVA, були RQ, VO2, VCO2, утворення водяної пари (VH2O), загальні витрати енергії (TEE), індекс загальної активності, індекс грубої активності, індекс тонкої активності, а також середня швидкість руху та час день (темна і світла фази). Змінні метаболічного гормону для HPD - порівняно з мишами, що годувались компакт-диском, в умовах, позбавлених корму та після їжі, аналізували за допомогою непарного t-тесту. Всі аналізи та графіки були проведені та створені за допомогою програмного забезпечення GraphPad Prism 6.

Результати

Вплив тривалого лікування HPD на масу тіла, жир та нежирну масу.

Миші, що годувались HPD, порівняно з мишами, що годувались компакт-диском, втрачали значну кількість маси тіла з 2 по 6 тиждень [на 2 тижні: 25,20 ± 0,36 порівняно з 30,23 ± 1,04 г (Р = 0,05); на 4 тижні: 25,87 ± 1,37 порівняно з 31,79 ± 1,22 г (Р = 0,01); а на 6 тижні: 25,73 ± 1,49 порівняно з 32,5 ± 1,31 г (Р = 0,003)]; однак з 8 по 12 тиждень миші, що годувались HPD, відновлювали вагу, і значення їх маси тіла не суттєво відрізнялись від показників мишей, що годувались CDD (рис. 1А). Аналіз маси жиру в організмі показав суттєві відмінності між двома групами, як показано на малюнку 1B: Миші, що годували HPD, мали менший відсоток маси жиру на 4 тижні (8,46% ± 1,27% порівняно з 14,95% ± 1,84%; P = 0,04) та на 6 тижні (9,55% ± 1,24% порівняно з 15,78% ± 2,07%; Р = 0,05). Однак з 8 по 12 тиждень не спостерігалося значної різниці в масі жиру в організмі мишей, що харчувалися HPD та CD (Рисунок 1B). У мишей, що годувались HPD, відсотки м’язової маси тіла були значно вищими, ніж у групі, що годувалась CD, протягом 12-тижневого періоду дослідження, починаючи з 2-го тижня (88,30% ± 0,92% порівняно з 81,59% ± 1,68%; P = 0,02 ), на 4 тижні (87,08% ± 1,30% порівняно з 80,95% ± 1,74%; P = 0,04), на 6 тижні (85,36% ± 1,16% порівняно з 79,31% ± 1,83%; P = 0,05), на 10 тижні ( 83,52% ± 1,72% порівняно з 77,01% ± 1,63%; P = 0,03), а на 12 тижні (85,45% ± 2,25% порівняно з 75,29% ± 1,90%; P = 0,0001) (Рисунок 1C).

Аналіз споживання їжі між мишами, що харчуються HPD та CD. (A) Дані про споживання їжі для мишей, що харчуються HPD та CD, виражаються як середні значення за 24 години протягом 48 годин безперервного запису; сукупне споживання їжі обчислювали з використанням інтервалів у 2 години. (B) Тривалість сутичок, (C) частота сутичок, (D) тривалість їжі, (E) частота їжі, (F) розмір їжі та (G) швидкість прийому їжі, аналізовані між темним та світлим циклами. Ми використовували непарні t-тести для порівняння даних про споживання їжі. Ми використовували 2-факторний аналіз ANOVA для порівняння тривалості сутичок, частоти сутичок, тривалості прийому їжі, частоти їжі, розміру їжі та показників норми їжі протягом темної та світлої фаз між мишами, що харчувалися HPD та CD. Значення є середніми ± SEM; Група HPD, n = 8; Група CD, n = 10. * P Рисунок 3A). Середнє споживання води суттєво зросло у мишей, що годувались HPD, порівняно з мишами, що годувались компакт-диском, у світлий час (0,06 ± 0,01 порівняно з 0,03 ± 0,01 г; Р = 0,003) та темний (0,06 ± 0,003 порівняно з 0,04 ± 0,005 г; Р = 0,034) фази (рисунок 3B). Не було знайдено значущої різниці в кількості нападів (Рисунок 3С) та в часі, витраченому на пиття (Рисунок 3D) між двома групами під час темної та світлової фаз.

Змінені концентрації метаболічних гормонів без плазми та після їжі.

У мишей, що годувались HPD, у порівнянні з мишами, що годувались компакт-диском, концентрація лептину, GLP-1 та глюкагонових гормонів у плазмі крові суттєво змінювалась: миші, що годувались HPD, мали нижчий рівень лептину як під час позбавлення корму (41,31 ± 11,60 порівняно з 3041 ± 683 пг/мл; Р = 0,0004) та після їжі (112,5 ± 102,0 порівняно з 8273 ± 1415 пг/мл; Р Малюнок 5B). Миші, що годувались HPD, мали значно нижчий GLP-1, ніж миші, що годувались CD, під час позбавлення корму (5,664 ± 1,44 порівняно з 21,31 ± 1,26 пг/мл; P = малюнок 5D). Крім того, концентрація глюкагону після їжі була значно вищою у мишей, що годувались HPD, ніж у мишей, що годувались CD (102,3 ± 35,8 порівняно з 30,99 ± 6,58 пг/мл; P = 0,043) (рис. 5Е). Нарешті, концентрації активного греліну, інсуліну та PYY не показали суттєвих відмінностей між двома експериментальними групами мишей ні в умовах, позбавлених корму, ні в умовах після їжі (рис. 5A, C, F).

Аналізи орексигенних та анорексигенних метаболічних гормональних гормонів плазми активного греліну (A), лептину (B), інсуліну (C), GLP-1 (D), глюкагону (E) та PYY (F) у плазмі крові, виміряні або у відсутності корму, або у умови після їжі між мишами, що харчуються HPD та CD. Значення є середніми ± SEM; Група HPD, n = 8; Група CD, n = 10. * P 1–6). Стратегії HPD також часто використовуються у пацієнтів, які перебувають на баріатричній хірургії, щоб підтримувати худу масу тіла та запобігати набору ваги (36). Однак раніше опубліковані дослідження повідомляли, що HPD викликають фенотипові ефекти у людей, які обмежуються початковим періодом ~ 6 міс, після чого суб'єкти відновлюють масу тіла (15, 16). Наскільки нам відомо, наслідки тривалого лікування HPD на споживання енергії, витрати енергії, фізичну активність та метаболічні гормони ніколи не оцінювались. Отже, ми проаналізували 2 різні групи мишей, які відповідали віку, яких годували ізокалорійним HPD або CD протягом 12 тижнів, щоб з’ясувати їх метаболічні реакції на довготривалий режим HPD.

Наші результати показали, що тривале лікування HPD викликало початкове зменшення маси тіла та маси жиру лише на 2–6 тижнів, протягом цього часу спостерігалося зниження споживання енергії мишами при збереженні м’язової маси тіла. Кілька опублікованих досліджень (4, 7, 8, 11, 23, 32, 37–39), в яких використовувались короткочасні методи лікування ВПЛ, також продемонстрували схожі тенденції у зниженні маси тіла у гризунів та у людей. Повідомлялося, що худою масу тіла потенційно можна зберегти за рахунок підвищених концентрацій амінокислот у плазмі, які можуть сприяти росту та збереженню м’язів (40–44). HPD зменшували деградацію м’язового білка на мишачій моделі м’язової дистрофії (40), одночасно збільшуючи м’язову витривалість, особливо після фізичних вправ, у людей (42, 44, 45). Однак не виявлено, що фізична активність збільшується у групі мишей, що годується HPD, як було описано раніше (31). Раніше спостереження на щурах, що годувались HPD, свідчили про те, що головним фактором, що визначає зменшення споживання енергії, була погана смакові якості (46); однак ці дослідження досліджували ефекти перемикача HPD лише протягом кількох годин. Інші дослідження на гризунах та собаках, які використовували тестування смаку, послідовність поведінки ситості та реакцію смаку, показали, що зменшення споживання енергії зумовлене специфічним механізмом, за допомогою якого білкова їжа посилює ситість і пригнічує споживання їжі (8, 10, 20, 22, 47 ).

Ми спостерігали значне збільшення загального споживання води та середнього споживання води в групі мишей HPD. HPD є ацидогенними і збільшують вироблення розчинених аміаку речовин, які виводяться з водою (55, 56). Попередні дослідження на людях показали, що збільшення споживання води може сприяти насиченню, тим самим зменшуючи споживання енергії та викликаючи втрату маси тіла (57, 58). Збільшення споживання води, виміряне у мишей, що харчуються HPD, може бути пов’язане з підвищеними показниками сечовини та креатиніну, як передбачалося раніше (59). Наші результати узгоджуються з іншими дослідженнями, проведеними на мишах, які повідомляли про подібне збільшення споживання води під час збільшення харчового білка (60–62).

На закінчення, це дослідження показує, що 12-тижнева терапія HPD суттєво зменшила споживання енергії, збільшила масу тіла та змінила метаболічний гормон у мишей. HPD індукував зміни у фенотипі організму, які були пов’язані зі значним збільшенням насичення та споживання води та зменшенням споживання кисню, вироблення діоксиду вуглецю, RQ та TEE. Крім того, у мишей, що годували HPD, були значно нижчі концентрації лептину та постпрандіального лептину та GLP-1 без їжі, хоча концентрації глюкагону після їжі були підвищені. Однак необхідні майбутні дослідження для з’ясування основних механізмів, за допомогою яких харчові білки регулюють споживання кисню, вироблення вуглекислого газу та витрати енергії. Аналіз генів або транскриптомів, що беруть участь у метаболізмі ліпідів та адипогенезі, може з'ясувати механізми, що лежать в основі коригування енергетичних витрат, що призводить до посиленого фенотипу нежирної маси, що спостерігається у мишей, що харчуються HPD протягом усього дослідження.

Подяки

Відповідальність авторів полягала в наступному - JPV та LL: розробляли дослідження (концепція проекту, розробка загального плану дослідження та нагляд за дослідженням), проводили дослідження (практичне проведення експериментів та збір даних), аналізували дані або проводили статистичний аналіз, писали рукопис і несли основну відповідальність за остаточний зміст; МПП та СО: проводили дослідження (практичне проведення експериментів та збір даних), аналізували дані або проводили статистичний аналіз та надавали необхідні реагенти або необхідні матеріали; DS та AG: аналізували дані або проводили статистичний аналіз; JRBL: редагував розділи вимірювання метаболізму рукопису; JRP та PMG: розробляли дослідження (концепція проекту, розробка загального плану дослідження та нагляд за дослідженням), брали участь у написанні рукопису та несли головну відповідальність за остаточний зміст; та всі автори: прочитали та затвердили остаточний рукопис.