Modelarea dinamicii energetice la șoareci cu hipertrofie musculară scheletică alimentată cu diete bogate în calorii

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

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).