Ожиріння: Вплив на приймаючі системи, що впливає на мобільність та навігацію через навколишнє середовище

1. Факультет кінезіології та лабораторії людської діяльності, Університет Калгарі, Калгарі, Канада
2. Кафедра хірургії Університету Калгарі, Калгарі, Канада
3. Інститут досліджень кісток та суглобів Маккейга, Університет Калгарі, Калгарі, Канада
4. Служба охорони здоров’я Альберти, Стратегічна клінічна мережа кісток та суглобів у галузі охорони здоров’я, Калгарі, Канада
5. Кафедра біохімії та молекулярної біології Університету Калгарі, Калгарі, Канада
6. Кафедра ортопедичної хірургії Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, Сент-Луїс, штат Міссурі, США
* Листування на [email protected]

Автори не заявляють про конфлікт інтересів.

Дослідження в лабораторіях авторів були підтримані Програмою стратегічної клінічної мережі Альберти з питань охорони здоров’я, Канадськими інститутами досліджень здоров’я, Програмою канадських дослідницьких кафедр, Фондом Кіллама та Міністерством освіти-Бразилія (Грант Фонду CAPES).

Отримано: 19.02.18 Прийнято: 19.10.18 Цитування

Кожна стаття доступна на умовах ліцензії Creative Commons Attribution-Non Commercial 4.0.

Анотація

Як відомо, ожиріння вражає високий відсоток як дорослих, так і дітей у розвинених країнах. Особи, що страждають ожирінням, ризикують розвинути ряд супутніх захворювань, а також метаболічний синдром, який може створити низькоякісний системний запальний стан, що ще більше посилює ризик розвитку супутніх захворювань. Дві системи, сприйнятливі до наслідків ожиріння, - це опорно-руховий апарат, що сприяє рухливості через кістки, м’язи, сухожилля та суглоби, та око, що сприяє мобільності завдяки вірності навігації через навколишнє середовище. Згодом втрата цілісності в цих системах може призвести до сидячої поведінки, нездатності до фізичних вправ та підвищеного ризику розвитку серцево-судинних та респіраторних захворювань, втрати пізнання та падінь. Цей огляд зосереджується на впливі ожиріння на елементи опорно-рухового апарату та ока, з особливим акцентом на участі запалення та тому, як це може вплинути на рухливість та навігацію. Нарешті, використання пребіотиків для зміни запального стану, пов’язаного з ожирінням, через мікробіом кишечника обговорюється як один із підходів до вирішення питань, пов’язаних з рухливістю та навігацією.

ВСТУП

На думку багатьох, ожиріння стало епідемією, і в розвинених країнах світу> 35% людей визначено страждають ожирінням або ожирінням. 1 Ця епідемія вражає дорослих, а також дітей та підлітків, і все більша кількість постраждалих людей призвела до того, що стан офіційно визнано хворобою. Однак це дуже гетерогенна хвороба, оскільки велика кількість генів пов'язана з ожирінням або ризиком ожиріння. 2-5 Хоча корінь цієї епідемії, яка з'явилася і набула популярності протягом останніх 40 років, не є чіткою, дієти з високим вмістом жиру та цукру мають місце, а також сидяча поведінка, генетика та епігенетика. 1,6,7

Основною проблемою, пов’язаною з ожирінням, є не саме ожиріння, а наслідки цього стану для багатьох хост-систем; Сюди входять резистентність до інсуліну та цукровий діабет 2 типу (T2DM), підвищений ризик серцево-судинних захворювань, підвищений ризик остеоартриту (ОА) та пошкодження суглобів, зниження когнітивної цілісності, саркопенія, жирова хвороба печінки та втрата цілісності кишечника. 1,7,8 Реалізація цих ризиків, пов’язаних із ожирінням, часто також залежить від інших генетичних або епігенетичних ризиків, пов’язаних із певними тканинами чи органами. 9-12

Потім виникає запитання, чи всі або більшість згаданих ризиків, пов’язаних із ожирінням, є незалежними факторами ризику, чи існують загальні елементи, пов’язані з ожирінням, які можуть впливати на різноманітний набір тканин або органів-мішеней для опосередкування більшої частини цього ризику. Хоча це не остаточне, одним із можливих пояснень є розвиток метаболічного синдрому, пов’язаного з ожирінням (MetS), з супутнім низьким ступенем запального стану. 7,8 Цей запальний стан може полягати у змінах регулятора системними запальними процесами та активації жирових відкладень через надмірне споживання енергії або жиру з раціону, але це також може бути наслідком змін, спричинених дієтою мікробіому кишечника, з вивільненням медіаторів, таких як бактеріальний ліпополісахарид (LPS), які в результаті дієти транслокуються до системного кровообігу через „негерметичну” кишку. 7,8 Отже, запальний стан людини з хронічним ожирінням є результатом комбінації безпосереднього дієтичного впливу на системи господаря, на додаток до його впливу на мікробіом та пов’язані з ним тканини кишечника.

Ці два фактори, що сприяють порушенню запальної регуляції, можна розділити за допомогою доклінічних моделей, в яких можна оцінити короткочасну реакцію на середовище, що спричиняє ожиріння. Таким чином, дуже короткочасний вплив на щурів дієти з високим вмістом жиру з високим вмістом сахарози (HFS) може призвести до запальних змін у деяких м’язах протягом днів, 13 до того, як можна буде виявити зміни концентрації LPS у плазмі крові. З часом параметри кишечника та параметри господаря можуть сприяти хронічному стану зміненої запальної регуляції. Чи є цей останній стан повністю оборотним, залишається відкритим питанням, оскільки разом із хронічністю також виникає ризик епігенетичних змін, які можуть уникнути повної оборотності.

Оскільки ожиріння та пов'язане з ним порушення регуляції запальних процесів є складним, порушення деяких систем може бути інтерактивним та мати синергетичні наслідки з часом (наприклад, T2DM та запалення під час відновлення м’язів або серцево-судинної системи), і не у всіх порушені однакові компоненти MetS. 7,8 Однак вирішення всіх можливих проблемних сфер виходить за рамки цього огляду. Тому цей огляд зосереджений на тих системах, на які впливає запалення, пов’язане із ожирінням і пов’язане із загальним та фундаментальним процесом людського життя: мобільністю та навігацією через навколишнє середовище. Таким чином, втрата цілісності м’язів, кісток, серцево-судинної системи, суглобових суглобів та пізнання спричинені як ризики неефективної рухливості. З втратою рухливості прискорюється втрата цілісності цих систем, неможливість схуднути і відновити функції за допомогою фізичних вправ, а для багатьох - спіраль до ранньої смерті. Люди стали дуже рухливими видами, і сидяча поведінка та втрата рухливості шкодять всім системам. Отже, для боротьби з цією епідемією ожиріння потрібно бути активним, рухливим та досягти метаболічної регуляції або контролю та відновлення функції.

МЕШКОВА ЦІЛІСТЬ З ОЖИРІННЯМ

Хронічно ожирілі люди часто демонструють пошкодження та втрату м’язів, що називають саркопенією ожиріння. 14-16 М'язи є основною мішенню для метаболізму глюкози, і поєднання T2DM та накопичення жиру в м'язах з подальшим фіброзом та втратою скорочувального матеріалу може призвести до втрати специфічної функції м'язів, особливо нижніх кінцівок, з наслідками для цілісність сегментів руху, відповідальних за рухливість.

Інше питання, що стосується ожиріння, запалення та цілісності м’язів, пов’язане з тим, впливає запалення прямо чи опосередковано на цілісність нервово-м’язових систем контролю. Оскільки м’язи потребують нервового введення, щоб впливати на функцію, порушення цього контролю може призвести до атрофії, а у випадку ожиріння - до системної втрати цілісності. Втрата нервової складової м’язової функції за допомогою ін’єкцій ботулотоксину безпосередньо в м’язи квадрицепсового комплексу призводить до втрати м’язової цілісності з розвитком жирових відкладень та фіброзом. 19,20 Отже, необхідні додаткові дослідження, пов’язані з нервовим впливом асоційованого із ожирінням запалення на функцію.

ЗМІНИ КІСТКІВ І сухожиль при ожирінні

Ожиріння може призвести до проникнення жиру в кістки як моделей гризунів, так і людей, 21-24, що може сприяти втраті цілісності кісток. Цікаво, що сидяча поведінка, така як тривалий постільний режим, також може призвести до жиру в кістковому мозку, що можна запобігти фізичними вправами, 25,26 навіть за відсутності ожиріння. Подібним чином жир може накопичуватися в кістковому мозку космонавтів на Міжнародній космічній станції, і, отже, тривалий вплив мікрогравітації може також призвести до змін у відсутності ожиріння, можливо, через диференціацію мезенхімальних стовбурових клітин кісткового мозку за замовчуванням. 27 Тому ожиріння впливає на кістки; однак точна роль запалення в процесі у людей все ще залишається уточненою. 7,22

У доклінічних моделях ожиріння, спричиненого дієтою, було виявлено відкладення та активацію жиру в межах субхондральної кістки. 21 Таким чином, цілісність кістки піддається ризику в результаті змін та змін тканин, тісно пов'язаних з кісткою (наприклад, кісткового мозку). Ожиріння, ймовірно через системне запалення низького рівня, може також впливати на здоров'я кісток шляхом розвитку таких захворювань, як остеопороз. 23,28 Отже, через прямий вплив жиру в кістці та порожнині мозку або опосередковано через запалення, пов’язане з ожирінням та супутньою експресією адипокінів та цитокінів, які можуть полегшити резорбцію кісток, ожиріння може впливати на здоров’я кісток різними способами. Оскільки жінки більше схильні до розвитку остеопорозу за відсутності ожиріння, ця популяція може зазнати більш несприятливого впливу, ніж чоловіча. По-друге, після остеопорозу є ризик падінь та переломів, і, якщо проблеми з порушенням, пов’язані з контролем ходи, 29,30 цей ризик може складатися.

Сухожилля відіграють найважливішу роль у рухливості, передаючи м’язові сили для переміщення кісток, а цілісність сухожиль при ожирінні також є важливою для підтримки функції сегмента руху. Дослідження, проведені на людях, показали, що сухожилля гомілковостопного суглоба тих, у кого рівень ожиріння вищий, виявляють більше особливостей, пов'язаних з тендинопатіями. 31 Нещодавно було повідомлено, що на основі ультразвукового аналізу безсимптомні порушення цілісності ахіллового сухожилля можуть корелювати з ожирінням. 32 Фейрлі та ін. 33 повідомляли про зв’язок між тендінопатією надколінка та ожирінням, і дійшли висновку, що зв’язок був механічним, оскільки він корелював з ІМТ, а не з масою жиру. Однак ці автори не оцінювали пацієнтів на наявність MetS. Таким чином, пов’язане з ожирінням порушення цілісності багатьох компонентів рухового сегмента (м’язів, сухожиль та кісток) може сприяти порушенню рухливості та стабільності.

РОЗВИТОК СПІЛЬНОГО ШКОДА ПРИ ОЖИРІННІ

Особи, що страждають ожирінням, мають вищий ризик розвитку захворювань суглобів, таких як артроз колінного суглоба, ніж люди, які не страждають ожирінням. 7,34,35 Цей ризик може полягати в підвищеному механічному навантаженні на суглоби, як коліна, в нерегульованому запальному стані або в поєднанні обох факторів. Однак деякі звіти вказують на підвищений ризик розвитку ОА кисті у осіб із ожирінням, і рука може не зазнавати підвищеного навантаження, тому, можливо, ризик ожиріння більше пов'язаний із запальною дисрегуляцією. 7,8

ПОТЕНЦІАЛЬНІ ЗМІНИ БАЧЕННЯ З ОЖИРЕННЯМ

Повідомляється, що особи, що страждають ожирінням, мають ризик розвитку деяких очних захворювань, 45, таких як дегенерація жовтої плями, 46,47 катаракта, 48,49 захворювання сітківки 50 (можливо, пов’язані із споживанням цукру), 51 та інші. 52 Що стосується ожиріння та ризику катаракти, результати все ще є суперечливими, оскільки деякі звіти вказують на негативну кореляцію для корейського населення. 53

Також незрозуміло, чи пов’язаний цей ризик із прямим впливом жиру, порушенням регульованого запального стану чи вторинними наслідками ожиріння, пов’язаного з T2DM та споживанням рафінованого цукру. Око є привілейованим місцем імунітету, 54,55, і порушення гомеостазу через нерегульовану запальну систему може сприяти втраті такої привілеї та дозволити неадекватну запальну чи імунну діяльність в оці (наприклад, через склоподібне тіло [VH]), а також на рівні рогівки. Нещодавно автори повідомили, що після індукції ожиріння, спричиненого дієтою, закономірності експресії генів змінюються в клітинах VH, і що на основі методології білкової маси, білковий гомеостаз цієї рідини порушується при підвищеній присутності медіаторів запалення. 56 Хоча ці результати ще не співвідносяться з очними змінами, пов’язаними з явними процесами захворювання в доклінічній моделі або порушенням навігації, це область активних досліджень.

Крім того, поки що неможливо безпосередньо пов'язати зміни VH щурів із ожирінням, спричинених дієтою, до виявлених системних запальних змін. Такі зміни також можуть бути непрямим наслідком пошкодження суглобів, що виникає після індукції ожиріння, спричиненого дієтою. 21,41 Крім того, оскільки останні дослідження на щурах використовували лише 12-тижневий час ожиріння, спричиненого дієтою, для оцінки пошкодження суглобів та змін VH, поки невідомо, чи пошкодження суглоба передувало змінам VH очей, чи розвивалися вони паралельно, чи зміни очей передували пошкодженню суглоба. Вирішення цього питання є предметом постійних досліджень.

Це питання залучення очей до ожиріння, ймовірно, буде клінічно значущим, оскільки люди використовують свої очі для навігації навколишнім середовищем. Таким чином, мобільність є критично важливою, але навігація, можливо, навіть більше. Однак поки невідомо, чи призводить травма щиколотки або стегна до змін в оці, чи існує конкретна вісь коліно-око або рухливість – навігація. 57 Це область активних досліджень, оскільки визначається, чи є ця потенційна вісь односпрямованою (від коліна до ока) або двонаправленою (також від ока до коліна). Таким чином, мобільність невід’ємно інтегрована з навігацією. Крім того, як скелетно зрілі дорослі, люди визначають, де вони перебувають у просторі, поки вони мобільні, не відверто замислюючись про це, але можуть вимагати більш активного мислення, навчаючись бути мобільними як маленька дитина, або в старшому віці, коли інтегровані системи занепадають цілісність. Цікаво, що на постуральний контроль у людей похилого віку негативно впливають погіршення зору. 58 Цей останній аспект мобільності, ймовірно, також включає елементи мозку, пов’язані з пам’яттю, або певні ділянки мозку, такі як гіпоталамус 59 чи інші центри. 60

РЕШЕННЯ ПОТРЕБИ ЕФЕКТИВНИХ ВМІСТЕЙ ДЛЯ ПОПЕРЕДЖЕННЯ ТА ЗАБОРОНЕННЯ РИЗИКУ, ВІДБУДАНОГО ОТВІРНЮ, ВТРАТИ МОБІЛЬНОСТІ І НАВІГАЦІЙНОЇ ВІРНОСТІ

З попереднього обговорення ясно, що ожиріння та пов'язаний із ним запальний стан (тобто MetS), ймовірно, впливають на тканини господаря, що сприяє ефективній та енергоефективній мобільності та навігації. Сюди входять тканини, безпосередньо задіяні в рухливості (м’язи, сухожилля та кістки), а також інші, що сприяють вірності рухливості, такі як очі та периферична нервова система/мозок (за допомогою контролю пам'яті руху, нервового контролю м’язів та інтеграція функціонування різноманітних тканин, що беруть участь у русі, через пропріоцепцію, двосторонню координацію та уникнення ризику).

Потенційні заходи з відновлення метаболічного контролю включають втрату ваги за допомогою дієти або баріатричної хірургії; фізичні вправи, самостійно або в поєднанні зі зміною режиму харчування та харчування; або використання пребіотиків (субстратів, які вибірково використовуються мікроорганізмами-господарями, що приносять користь для здоров’я), 68 окремо або в поєднанні з іншими способами. Деякі варіанти можуть працювати краще для деяких пацієнтів, ніж інші, ймовірно, через різницю факторів, що сприяють ризику. Висновок про відсутність "швидкого виправлення" ожиріння підтверджується великою кількістю генів, які були причетними до ожиріння, а також тим фактом, що епігенетичні механізми також відіграють певну роль у розвитку та прогресуванні ожиріння та запалення, пов'язаного з MetS. 9-12 Також незрозуміло, якою мірою пошкодження та зміни, спричинені ожирінням або MetS, є оборотними в опорно-руховому апараті та/або очних тканинах. Таким чином, ожиріння, ймовірно, є складним у боротьбі з різними рівнями, і, як такий, можуть знадобитися більш індивідуальні підходи.

Зрозуміло також, що використання пребіотичних сполук (зазвичай олігофруктози та інуліну) може допомогти відновити метаболічну регуляцію. 69-72 Такі пребіотики не метаболізуються людиною, а використовуються мікробіотою кишечника для переорієнтації мікробної спільноти шляхом зміни наявних видів бактерій та корекції синдрому негерметичного кишечника, що дозволяє бактеріальним ЛПС проникати в хазяїна. 68,73 Оскільки LPS є прозапальною молекулою, такі зміни можуть впливати безпосередньо на запальний компонент MetS. Такий вплив може відновити цілісність м’язів, резистентність до інсуліну та кращий контроль рухливості. Залишається визначити, чи можуть такі пребіотики вплинути на повернення VH до більш нормального стану та потенційно відновити цілісність навігації. По-друге, використання пребіотиків бактеріями призводить до утворення коротколанцюгових жирних кислот, які можуть поглинатись і впливати на системи господаря, 74-76, і чи можуть такі метаболіти впливати на око чи пропоновану схему, ще потрібно з'ясувати. Таким чином, цей пребіотичний підхід має відносно низьку вартість і може бути корисним засобом для вирішення деяких аспектів впливу ожиріння.