Межі в ендокринології

Дослідження кісток

Ця стаття є частиною Теми дослідження

Жирова тканина кісткового мозку: утворення, функціонування та вплив на здоров’я та захворювання Переглянути всі 16 статей

Редаговано
Ен Шварц

Каліфорнійський університет, Сан-Франциско, США

Переглянуто
Ян Я. Степан

Карлів університет, Чехія

Роберто Дж. Фахардо

Науковий центр охорони здоров’я Техаського університету в Сан-Антоніо, США

Приналежності редактора та рецензентів є останніми, наданими в їхніх дослідницьких профілях Loop, і вони можуть не відображати їх ситуацію на момент огляду.

граничні

  • Завантажити статтю
    • Завантажте PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Додаткові
      Матеріал
  • Експортне посилання
    • EndNote
    • Довідковий менеджер
    • Простий текстовий файл
    • BibTex
ПОДІЛИТИСЯ НА

СТАТТЯ Оригінального дослідження

  • 1 Відділ хвороб кісток та мінералів, Медичний факультет, Вашингтонський університет, Сент-Луїс, Міссурі, США
  • 2 Кафедра молекулярної та інтегративної фізіології Мічиганського університету, Ен Арбор, Мічиган, США
  • 3 Кафедра ортопедичної хірургії Мічиганського університету, Ен-Арбор, Мічиган, США
  • 4 Відділ остеопорозу та біології кісток, Інститут медичних досліджень Гарвана, Дарлінгхерст, Сідней, Південна Кароліна, Австралія
  • 5 Відділ дитячої ендокринології, кафедра педіатрії та інфекційних захворювань, Медична школа Університету Мічигану, Ен-Арбор, штат Мічиган, США
  • 6 аспірантура з імунології, Мічиганський університет, Ен-Арбор, штат Мічиган, США

Вступ

За останні два десятиліття поширеність ожиріння зросла в західних країнах (1, 2). В даний час у США

68,6% дорослих і приблизно одна третина (

31,8%) дітей страждають від надмірної ваги або ожиріння (3). Ожиріння асоціюється із супутніми захворюваннями, включаючи серцево-судинні та метаболічні захворювання, аутоімунні розлади та деякі види раку (1, 4–6). Недавня робота припустила, що ожиріння також шкодить здоров’ю кісток (7–11), оскільки зміни скелета можуть зберігатися навіть після схуднення (10, 12).

Раніше передбачалося, що ожиріння суто позитивно впливає на кісткову масу (13–15); збільшена маса тіла забезпечує механічну стимуляцію, що призводить до навантаження на скелет та нарощування кісток. Однак у порівнянні з цим існує нещодавно визнаний метаболічний компонент, оскільки сама жирова тканина може чинити негативний вплив на кістку (14). Дійсно, збільшення індексу маси тіла (ІМТ) було пов’язане зі зниженням мінеральної щільності кісткової тканини (МЩКТ) та підвищеним ризиком переломів у підлітків та дорослих із ожирінням (9, 16) та у дітей із ожирінням (17). Вплив ожиріння на ризик переломів залежить від місця. Наявність м’яких тканин від жиру може сприяти зменшенню ризику переломів в деяких областях (наприклад, стегна), тоді як незахищені ділянки, такі як кінцівки (наприклад, плечова кістка та гомілковостопний суглоб), мають підвищений ризик (18–20).

Поперечний переріз попередніх клінічних досліджень може виявити лише асоціації між ожирінням та кістками, отже, моделі гризунів широко використовуються для вивчення механізмів, що лежать в основі взаємозв'язку ожиріння та скелета. Добре встановлено, що годування мишами з високим вмістом жиру призводить до зменшення маси губчастої кістки (7, 12, 21, 22). Це може бути опосередковано індукованим лептином симпатичним тонусом, який вважався сильним медіатором губкової втрати кісткової тканини (23–25). Для порівняння, кортикальний фенотип у відповідь на дієту з високим вмістом жиру (HFD) у гризунів залишається незрозумілим, деякі дослідження вказують на збільшення (11), відсутність змін (12, 21, 22, 26) або зменшення маси кісткових тканин кори ( 10, 27). У скелеті розташовані адипоцити кісткового мозку; нещодавні дослідження показують, що розширення жирової тканини мозку (МАТ) відбувається під час годування з високим вмістом жиру (28, 29). Чи розширення MAT та втрата кісткової тканини якимось чином пов’язані під час ожиріння, досі незрозуміло; деякі дослідження показують, що ці лінії співвідносяться (29–31), тоді як Doucette et al. нещодавно повідомлялося про розширення MAT під час ожиріння, спричиненого дієтою, яке відбулося незалежно від фенотипу кісток (28).

На додаток до ефекту ожиріння на кістки, також було показано, що втручання для зниження ваги мають шкідливий вплив на метаболізм кісток, як розглядали Бжозовська та співавт. (32). Існує цілий ряд втручань, включаючи дієти з обмеженим вмістом калорій, схеми фізичних вправ, ліки та баріатричну хірургію (32, 33). Кожне з цих втручань спрямоване на зменшення жиру в організмі та поліпшення метаболічних захворювань; повна міра, в якій ці процеси можуть змінити МАТ та кісткову масу в контексті ожиріння, в основному невідома. Хірургічні втручання в баріатричній хірургії (шлунковий шунтування Roux-en Y, лапароскопічна регульована пов’язка шлунка та рукавна гастректомія) були пов’язані зі зниженням кісткової маси, незважаючи на поліпшення метаболічного здоров’я (32). На відміну від хірургічного схуднення, фізичні вправи виявилися досить сприятливими для щільності кісткової тканини через збільшення навантаження на м’язи (34–36). Найбільш поширеним клінічним втручанням є обмеження калорій або “дієта”. Небагато досліджень розглядали питання втрати ваги на моделях гризунів за допомогою втручання "змінної" дієти. Одне дослідження, проведене, показало, що перехід на дієту чау після годування з високим вмістом жиру може врятувати втрату кісткової маси (12); однак реакція MAT та взаємодія MAT з втратою кісткової маси в цих моделях не вивчалася.

Метою цього дослідження було дослідити взаємодію між МАТ і кісткою в контексті годування з високим вмістом жиру та вивчити реакцію цих тканин на втрату ваги під час їжі. Ми демонструємо, що годування з високим вмістом жиру призводить до надмірного ожиріння периферичної системи, розширення МАТ, зменшення кісткової маси та порушення міцності кісток. Втрата ваги призвела до значного зменшення ожиріння всього тіла та блокування розширення МАТ; однак не вдалося повністю усунути дефекти скелетної морфології та біомеханіки. Ця робота починає розглядати потенціал жирової тканини в скелеті впливати на кістку, працюючи, на відміну від периферичного жиру, зсередини назовні.

Матеріали та методи

Тварини

Самці мишей C57Bl6/J (лабораторії Джексона) отримували звичайну дієту чау (ND) (13,5% калорій з жиру; LabDiet 5LOD) або 60% дієту з високим вмістом жиру (HFD) (Research Diets D12492) у віці 6 тижнів на тривалість 12, 16 або 20 тижнів. Третя група мишей отримувала HFD протягом 12 тижнів, а потім - ND протягом 8 тижнів [група втрати ваги (WL)]. Тварин поселяли у специфічному приміщенні, що не містить патогенів, з 12-годинним світловим/12-годинним темним циклом

22 ° C та вільний доступ до їжі та води. Усі способи використання тварин відповідали вимогам Інституту лабораторних досліджень тварин щодо догляду та використання лабораторних тварин та затверджені Університетським комітетом з питань використання та догляду за тваринами Мічиганського університету. Великогомілкова кістка була обрана для наших поздовжніх аналізів, оскільки вона може використовуватися для одночасного моніторингу змін rMAT (проксимальна великогомілкова кістка) та cMAT (дистальна гомілкова кістка) в межах однієї проби (37). Для порівняння змін у кістках у гомілці із змінами в стегновій кістці, як повідомлялося раніше (12), ми також проаналізували стегнові кістки у 20-тижневих групах.

Мікрокомп’ютерна томографія

Гомілки фіксували у формаліні на 48 годин, а потім поміщали у забуференний фосфатом сольовий розчин (PBS). Зразки вбудовували в 1% агарозу і поміщали в трубку діаметром 19 мм, а довжину кістки сканували за допомогою системи мікро-комп’ютерної томографії (microCT) (μCT100 Scanco Medical, Bassersdorf, Швейцарія). Налаштування сканування: розмір вокселя 12 мкм, середня роздільна здатність, 70 кВп, 114 мкА, фільтр AL 0,5 мм та час інтеграції 500 мс. Вимірювання щільності відкалібрували на фантомі гідроксиапатиту виробника. Аналіз проводився за допомогою програмного забезпечення для оцінки виробника.

Стегно видаляли і заморожували після загортання у змочену PBS марлю, а потім аналізували за допомогою мікроКСТ. Стегно сканували у воді за допомогою комп’ютерної томографії з конусовим променем (досліджуйте Locus SP, GE Healthcare Pre-Clinical Imaging, Лондон, Онтаріо, Канада). Параметри сканування включали кут приросту 0,5 °, усереднені чотири кадри, джерело рентгенівського випромінювання 80 кВп та 80 мкА з фільтром ШІ 0,508 мм для зменшення артефактів, що зміцнюють пучок, і випрямляч пучка навколо тримача зразка. Всі зображення були реконструйовані та відкалібровані із ізотропним розміром вокселя 18 мкм на фантом повітря, води та гідроксиапатиту, що постачається виробником (38).

Біомеханічна оцінка

Після сканування microCT стегнові кістки були завантажені до відмови при згинанні чотирьох точок за допомогою сервогідравлічної випробувальної машини (MTS 858 MiniBionix, Eden Prairie, MN, США). Усі зразки утримували гідратованими у змоченій розчином марлевої кільці марлі до механічних випробувань. У тій же області середини діафізи, проаналізованій за допомогою μCT, стегнова кістка була навантажена чотириточковим вигином із задньою поверхнею, орієнтованою під напругою. Відстань між широкими, верхніми опорами становила 6,26 мм, а проміжок між вузькими, нижніми опорами - 2,085 мм. Швидкість вертикального зсуву чотириточкового згинального апарату в передньо-задньому напрямку становила 0,5 мм/с. Силу реєстрували навантажувальна комірка вагою 50 фунтів (Sensotec) і вертикальне переміщення зовнішнім лінійним перемінним диференціальним перетворювачем (LVDT, Lucas Schavitts, Hampton, VA, USA), обидва при частоті 2000 Гц. Спеціальний сценарій MATLAB був використаний для аналізу вихідних даних про зміщення сили та обчислення всіх чотирьохточкових параметрів вигину. Поєднуючи дані інерційного моменту переднього і заднього згинальних даних від μCT з механічною жорсткістю при чотириточкових вигинах, розрахунковий модуль пружності розраховували за допомогою стандартної теорії пучка, як описано раніше (38). Модуль пружності був отриманий на основі попередніх методів з “L”, встановленим на 3,57, і “a” на 0,99 (39).

Кількісне визначення параметрів трабекулярного та кіркового середовища за допомогою microCT

Гомілка. Регіони інтересів (ROI) були визначені як за корковими, так і за трабекулярними параметрами. Аналізи проводили за допомогою програмного забезпечення MicroCT, наданого компанією Scanco Medical (Бассерсдорф, Швейцарія). Визначено, що середній діафізарний коефіцієнт корисної дії на кірку закінчується на 70% відстані між пластиною росту та переходом гомілки/малогомілкової кістки. ROI, що охоплює 360 мкм (30 зрізів), проксимальних до цієї області, аналізували за допомогою стандартних плагінів, використовуючи поріг 280. Трабекулярний ROI визначався як починаючий з 60 мкм (5 зрізів) дистально від пластини росту і закінчуючи після загальної кількості 600 мкм (50 скибочок). Трабекулярний аналіз проводили за допомогою стандартних плагінів Scanco з порогом 180.

Стегнової кістки. Рентабельність інвестицій визначалася як за корковими, так і за трабекулярними параметрами. Діафізарна кіркова рентабельність інвестицій, що охоплює 18% загальної довжини стегнової кістки, розташовувалася посередині між дистальною пластиною росту та третім вертелом. Кортова кістка була виділена з фіксованим порогом 2000 одиниць Хаунсфілда для всіх експериментальних груп. Параметри, включаючи товщину кори, ендостальний та надкістковий периметр, площу поперечного перерізу, площу кісткового мозку, загальну площу, передньо-задній згинальний момент інерції та мінеральну щільність тканини (TMD), визначали кількісно за допомогою комерційного програмного забезпечення (MicroView v2.2 Advanced Bone Analysis Application, GE Healthcare Pre-Clinical Imaging, Лондон, Онтаріо, Канада). Трабекулярний ROI 10% від загальної довжини стегнової кістки знаходився безпосередньо проксимально від дистальної пластинки росту стегна і визначався вздовж внутрішньої поверхні кори за допомогою алгоритму сплайсингу. Трабекулярна метафізарна кістка була виділена з фіксованим порогом 1200 одиниць Хаунсфілда.

Кількісна оцінка жирової тканини кісткового мозку

Обсяг жирової тканини мозку в гомілці оцінювали, як описано раніше (37, 40). Після первинного сканування microCT кістки декальцинировали в 14% розчині ЕДТА, рН 7,4 протягом 14 днів при 4 ° C. Декальциновані кістки фарбували 1% розчином тетроксиду осмію у фосфатному буфері Соренсена рН 7,4 при кімнатній температурі протягом 48 годин. Кістки, забруднені осмієм, були повторно скановані за допомогою описаних вище налаштувань ScanC microCT. Для аналізу МАТ у гомілці було визначено чотири області: (1) проксимальний епіфіз між проксимальним кінцем гомілки та пластиною росту, (2) проксимальний метафіз, починаючи 60 мкм (5 зрізів) дистальніше від пластинка росту і закінчується після загальної кількості 600 мкм (50 зрізів), (3) пластинка росту до переходу гомілки/малогомілкової кістки (GP до T/FJ) та дистальної гомілки між з’єднанням гомілки/малогомілкової кістки кістка. Аналіз обсягу MAT проводили із стандартними плагінами Scanco з порогом 500.

Статистика

Статистичне порівняння проводили в GraphPad Prism (GraphPad Software, Inc., La Jolla, CA, USA). Наступні заплановані порівняння були проведені на графіках на малюнках 1, 2, 3 та 5: 12-тижневий НД проти ВЧД (двосторонній т-тест); 16 тижнів ND проти HFD (двосторонній т-тест); 20-тижнева ND проти HFD проти WL (одностороння ANOVA); 12-, 16-, 20-тижневий НД (одностороння ANOVA); 12-, 16-, 20-тижневий HFD (одностороння ANOVA); 12-тижневий HFD проти 20-тижневого WL (двосторонній т-тест). Ці результати були скориговані для багаторазового порівняння за допомогою процедури Бенджаміні-Хохберга, як описано раніше (41). Для порівняння на малюнках 4, 6 та 7 застосовано односторонню ANOVA з корекцією Тукі. На рисунку 8 застосовано лінійну регресію для перевірки значущості кореляцій. Неопрацьовані дані для скелетної морфології, кількісного визначення жиру в кістковому мозку та біомеханічного тестування доступні в Наборах даних 1–3 у Додатковому матеріалі.

Малюнок 1. Маса тіла і тканин. (A) Контур експерименту. Починаючи з 6-тижневого віку, мишей годували зазначеними дієтами протягом 20 тижнів до аналізу. Сім груп мишей аналізували, як позначають штрихові лінії. ND: нормальна дієта чау; HFD: дієта з високим вмістом жиру; WL: втрата ваги. (B) Маса тіла. N = 7-8 на групу. (C) Тканинна маса на 20 тижні. N = 4-6 на групу. Усі графіки мають середнє значення ± SEM. "А" - значне проти 12-тижневого на тій же дієті. “B” - значне проти 16-тижневого на тій же дієті. "C" - значуще порівняно з 12-тижневим HFD. *стор Ключові слова: ожиріння, кістки, жирова тканина кісткового мозку, жир кісткового мозку, втрата ваги, лептин, дієта з високим вмістом жиру, перелом

Цитата: Scheller EL, Khoury B, Moller KL, Wee NKY, Khandaker S, Kozloff KM, Abrishami SH, Zamarron BF and Singer K (2016) Зміни цілісності скелета та ожиріння мозку під час дієти з високим вмістом жиру та після схуднення. Спереду. Ендокринол. 7: 102. doi: 10.3389/fendo.2016.00102

Отримано: 16 травня 2016 р .; Прийнято: 08 липня 2016 р .;
Опубліковано: 27 липня 2016 р

Ен Шварц, Каліфорнійський університет, Сан-Франциско, США

Ян Йозеф Степан, Карлів університет у Празі, Чехія
Роберто Хосе Фахардо, Техаський університет охорони здоров’я в Сан-Антоніо, США