nutukimas, atsparumas insulinui ir skeleto raumenų funkcija · • priežastys, d÷l kurių...

Nutukimas, atsparumas insulinui ir skeleto raumenų funkcija

Jolita Čiapait÷, PhD

2007–2013 m. Žmogiškųjų išteklių pl÷tros veiksmų programos 3 prioriteto „Tyr÷jų geb÷jimų stiprinimas“ VP1-3.1-ŠMM-05-K priemon÷s „MTTP tematinių tinklų, asociacijų veiklos stiprinimas“projektas „Lietuvos biochemikų draugijos potencialo kurti žinių visuomenę didinimas“

(NR. VP1-3.1-ŠMM-05-K-01-022)

Jolita Čiapait÷, PhD

Biomedicininio BMR katedra, Biomedicinin÷s Inžinerijos Fakultetas, Eindhoveno Technologijos Universitetas, Eindhovenas, Olandija

Cukrinis diabetas

• Vienas iš klinikinių požymių – padid÷jusi gliukoz÷s koncentracija kraujyje.

• Komplikacijos:

• Kraujagyslių ir nervų pažeidimai.

Biomedical NMR PAGE 115-3-2011

• Priežastys:

• Susilpn÷jęs insulino poveikis periferiniuose audiniuose (i.e. atsparumas insulinui).

• Negaminamas insulinas.

Cukrinis diabetas

• Skiriami du tipai:• I tipo (~10%)

− Paprastai autoimunin÷ liga, sunaikinamos insuliną gaminančios kasos ββββ-ląstel÷s.

− Liga pasireiškia ankstyvame amžiuje.

• II tipo (~90%)


• II tipo (~90%)− lemiantys veiksniai:

− genetiniai,

− gyvenimo būdo (mažas fizinis aktyvumas, dieta →→→→nutukimas),

− kultūriniai.

− Paprastai išsivysto vyresnio amžiaus žmon÷ms (tendecija jaun÷ti).

II tipo diabeto epidemiologijaD

iab

etu

serg

an

čių

in

div

idų

skaič

ius

(Mil

ijo

nai)

Išsivysčiusios šalys Besivystančios šalys


Wild et al. (2004) Diabetes Care. 27(5):1047-1053.

Amžiaus grup÷ (Metai)

Dia

betu

serg

an

čių

in

div

idų

skaič

ius

(Mil

ijo

nai)

171 milijonas 2000 m.366 milijonai 2030 m.

Gliukoz÷s homeostaz÷


Gliukoz÷s homeostaz÷s sutrikimas lemia cukrinio diabeto išsivystymą

Gliukoz÷s homeostaz÷

• Priežastys, d÷l kurių skeleto raumenys vaidina svarbų vaidmenį gliukoz÷s homeostaz÷s palaikyme:

• Skeleto raumenys sudaro 40-50% suaugusio žmogaus kūno mas÷s.

• Skeleto raumenys sunaudoja ~50% su maistu gautos


• Skeleto raumenys sunaudoja ~50% su maistu gautos gliukoz÷s. (Basu et al. (2001) Diabetes 50:1351-1362)

Skeleto raumens struktūra

Raumuo

Raumeninių skaidulįpluoštelis Storasis filamentas

Aktinas

Miozinas


Miofibril÷Miofilamentai

Plonasis filamentas

Raumeninių skaidulų tipai

Skaidulų tipai I II A II X II B

Oksidacinis paj÷gumas Didelis Didelis Vidutinis Mažas

Glicolitinis paj÷gumas Mažas Didelis Didelis Didelis

Meta

bo

lin

÷s

Greitosoksidacin÷s-glikolitin÷s

L÷tosoksidacin÷s

Greitosglikolitin÷s


Substratų atsargos Trigliceridai Glikogenas Glikogenas Glikogenas

Mitochondrijų tankis Didelis Didelis Vidutinis Mažas

Miozino sunkiosios grandin÷s(miozino ATFaz÷s aktyvumas)

MYHCB MYHC-IIa MYHC-2X/D MYHC-IIb

Susitraukimo j÷ga Maža Vidutin÷ Didel÷ Labai didel÷

Susitraukimo greitis L÷tas Vidutiniškas Greitas Labai greitas

Atsipalaidavimo greitis L÷tas Vidutiniškas Greitas Labai greitas

Atsparumas nuovargiui Didelis Gana didelis Vidutinis Mažas

Meta

bo

lin

÷s

Mech

an

in÷s

Skeleto raumens atsparumas insulinui


Lowell BB & Shulman GI. Science 2005 307:384-387.


• Modelin÷ tyrimų sistema - graužikai (žiurk÷s, pel÷s).

• Ypač dažnai naudojama tiriant su nutukimu susijusio atsparumo insulinui atsiradimo mechanizmus.



• Ankstyvi daug riebalų turinčios dietos sukelti pokyčiai graužikų skeleto raumenyse:• Riebalų rūgščių ββββ-oksidacijos stimuliacija mitochondrijose. (Turner

et al. (2007) Diabetes 56:2085-92; van den Broek et al. (2010) FASEB J. 24:1354-64)

• Mitochondrijų biogenez÷s stimuliacija. (Hancock et al. (2008) PNAS.105:7815-20; van den Broek et al. (2010) FASEB J. 24:1354-64)


• Padid÷jęs mitochondrijų oksidacinio fosforilinimo sistemos fermentų raiškos lygis. (De Wilde et al. (2008) Physiol.Genom. 32:360-9)

• Padid÷jęs miozino sunkiosios grandin÷s l÷tos izoformos raiškos lygis. (De Wilde et al. (2008) Physiol.Genom. 32:360-9)

• Daug riebalų turinčios dietos sukelia raumeninių skaidulų kompozicijos pokytį (glikolitin÷s →→→→ oksidacin÷s)?

Tyrimų tikslas

• Nustatyti skirtingų daug riebalų turinčių dietų poveikį skeleto raumens susitraukimo rodikliams.

• Nustatyti ar šis poveikis yra susijęs su raumeninių skaidulų kompozicijos pokyčiu.


Metodai: Eksperimento planas

• Tyrimų objektas• 12 savaičių vyriškos gimin÷s C57BL/6J pel÷s• n=32 (4 x 8)

• Dietos (S. van den Berg et al. Nutr Metab (Lond). 2010 Mar 27;7:24.)

• Mažai riebalų turinti dieta (LFD; 10 En% riebalų (palmių aliejus))• Daug riebalų turinti dieta (HFD L; 45 En% riebalų (kaiul÷s taukai))• Daug riebalų turinti dieta (HFD PO; 45 En% riebalų (palmių aliejus))• Daug riebalų turinti dieta (HFD POS; 45 En% riebalų (palmių aliejus + tristearinas))


• Daug riebalų turinti dieta (HFD POS; 45 En% riebalų (palmių aliejus + tristearinas))

• Stearato (C18:0) koncentracija dietose:− HFD L 15.0%− HFD PO 4.4%− HFD POS 13.9%

• Trukm÷:• 5 savait÷s• Atsparumas insulinui periferiniuose audiniuose (S. van den Berg et al. Nutr Metab

(Lond). 2010 Mar 27;7:24.)

Tristearinas(glicerolio tristearatas)

Metodai: Tiriami raumenys

• Musculus Extensor digitorum longus (EDL)

− Sudarytas iš greitų-glikolitinių (II tipo) skaidulų.

LaFramboise et al. J Mol Cell Cardiol. 2003 35:1307–1318.

• Musculus Soleus (SOL)


− Mišrus raumuo, sudarytas iš l÷tų-oksidacinių ir greitų-glikolitinių ( I / II tipo) skaidulų.

Jackaman et al. Cell Motil Cytoskeleton. 2007, 64: 914–925;

LaFramboise et al. J Mol Cell Cardiol. 2003, 35:1307–1318.

Metodai: Miografija

ForceForceForceForce

Duomenys(LabVIEW)

J÷gos matuoklis


Eksperimento sąlygos:Oksigenuotas (95% O2/ 5% CO2)Krebso-Ringerio tirpalaspH 7.4T = 20°C

ElectricalElectricalstimulusstimulus

ForceForcetransducertransducer

Platinum electrode

Tissue Bath

ElectricalElectricalstimulusstimulus

ForceForcetransducertransducer

Platinum electrode

Tissue Bath

Platinos elektodas

J÷gos matuoklisHarvard Aparatus

Elektrinisstimulas

Krebso-Ringeriotirpalas

Metodai: Stimuliacijos protokolas

• Vieno pulso stimuliacija sukelianti vienkartinį (angl. twitch) susitraukimą (vienas veikimo potencialas → vienas susitraukimas).


• Stimuliacijos sąlygos: maksimali įtampa (52 V), pulso trukm÷ 20 ms.

1.5

2

2.5

3

Jëg

a

Metodai

Maksimali j÷ga

Raumens susitraukimo rodikliai


0

0.5

1

1.5

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Jëg

a

Laikas

Atsipalaidavimo trukm÷

Susitraukimo trukm÷

Rezultatai

LFD HFD (L) HFD (PO) HFD (POS)

Kūno mas÷ (g) (t = 0) 25.3 ± 0.4 25.8 ± 0.3 25.1 ± 0.4 24.7 ± 0.3

Kūno mas÷ (g) (t = 5 savait÷s) 26.1 ± 0.5 30.2 ± 0.4** 31.1 ± 0.6** 31.6 ± 0.8**

Suvartotas maistas (kcal) 536.1 ± 10.4 455.0 ± 3.8** 479.1 ± 8.3* 511.9 ± 7.3

EDL raumens mas÷ (mg) 10.4 ± 0.4 10.2 ± 0.2 10.8 ± 0.2 10.7 ± 0.2

SOL raumens mas÷ (mg) 7.0 ± 0.2 7.7 ± 0.2* 7.6 ± 0.2 8.1 ± 0.2*


Duomenys: Vidurkiai ± SEM; n=16 grup÷jeRodikliai palzmoje n=8 grup÷je*P<0.05 vs. LFD**P<0.001 vs. LFD

Gliukoz÷ kraujyje (mM) 4.5 ± 0.3 7.3 ± 0.4* 7.3 ± 0.2* 7.4 ± 0.2*

Insulinas plazmoje (pM) 66.1 ± 12.9 123.0 ± 10.6* 127.2 ± 12.2* 123.7 ± 11.7*

Trigliceridai plazmoje (mM) 0.68 ± 0.04 0.94 ± 0.2* 0.86 ± 0.01* 1.00 ± 0.01*

Laisvos riebalų rūgštys plazmoje (mM) 0.31 ± 0.02 0.55 ± 0.07* 0.42 ± 0.04* 0.43 ± 0.04*

Rezultatai

LFD HFD (L) HFD (PO) HFD (POS)

Kūno mas÷ (g) (t = 0) 25.3 ± 0.4 25.8 ± 0.3 25.1 ± 0.4 24.7 ± 0.3

Kūno mas÷ (g) (t = 5 savait÷s) 26.1 ± 0.5 30.2 ± 0.4** 31.1 ± 0.6** 31.6 ± 0.8**

Suvartotas maistas (kcal) 536.1 ± 10.4 455.0 ± 3.8** 479.1 ± 8.3* 511.9 ± 7.3

EDL raumens mas÷ (mg) 10.4 ± 0.4 10.2 ± 0.2 10.8 ± 0.2 10.7 ± 0.2

SOL raumens mas÷ (mg) 7.0 ± 0.2 7.7 ± 0.2* 7.6 ± 0.2 8.1 ± 0.2*

Daug riebalų turinčios dietos sukelia nutukimą ir sutrikdo gliukoz÷s homeostazę


Duomenys: Vidurkiai ± SEM; n=16 grup÷jeRodikliai palzmoje n=8 grup÷je*P<0.05 vs. LFD**P<0.001 vs. LFD

Gliukoz÷ kraujyje (mM) 4.5 ± 0.3 7.3 ± 0.4* 7.3 ± 0.2* 7.4 ± 0.2*

Insulinas plazmoje (pM) 66.1 ± 12.9 123.0 ± 10.6* 127.2 ± 12.2* 123.7 ± 11.7*

Trigliceridai plazmoje (mM) 0.68 ± 0.04 0.94 ± 0.2* 0.86 ± 0.01* 1.00 ± 0.01*

Laisvos riebalų rūgštys plazmoje (mM) 0.31 ± 0.02 0.55 ± 0.07* 0.42 ± 0.04* 0.43 ± 0.04*

Rezultatai: EDL raumens susitraukimo rodikliai

Susitraukimo trukm÷ Atsipalaidavimo trukm÷Maksimali j÷ga

25

30LFDHFD LardHFD Palm oilHFD Palm oil + Tristearin

Co

ntr

ac

tio

n t

ime

(m

s)

120

140


Re

laxa

tio

n t

ime (

ms

)

6

7


Biomedical NMR PAGE 1915-3-2011Duomenys: Vidurkis ± SEM; n=8 grup÷jeP<0.05 vs. LFD

0

5

10

15

20

Co

ntr

ac

tio

n t

ime

(m

s)

0

20

40

60

80

100

120

Re

laxa

tio

n t

ime (

ms

)

* * *

0

1

2

3

4

5

6

Te

ns

ion

(N

/g)

Vienkartinis susitraukimas

Rezultatai: EDL raumens susitraukimo rodikliai

Daug riebalų turinčios dietos ilgina EDL atsipalaidavimo trukmę

25


Co

ntr

ac

tio

n t

ime

(m

s)

120

140


Re

laxa

tio

n t

ime (

ms

)

6

7




0

5

10

15

20

Co

ntr

ac

tio

n t

ime

(m

s)

0

20

40

60

80

100

120

Re

laxa

tio

n t

ime (

ms

)

* * *

0

1

2

3

4

5

6

Te

ns

ion

(N

/g)


Duomenys: Vidurkis ± SEM; n=8 grup÷jeP<0.05 vs. LFD

Rezultatai: SOL raumens susitraukimo rodikliai

500


Re

lax

ati

on

tim

e (

ms

)

50


Co

ntr

ac

tio

n t

ime

(m

s)

5


Te

ns

ion

(N

/g)



0

100

200

300

400

Re

lax

ati

on

tim

e (

ms

)

*$

Duomenys: Vidurkis ± SEM; n=8 grup÷jeP<0.05 vs. LFD; $P=0.06 vs.LFD

0

10

20

30

40C

on

tra

cti

on

tim

e (

ms

)

0

1

2

3

4

Te

ns

ion

(N

/g)

* *

$


Rezultatai: SOL raumens susitraukimo rodikliai

500


Re

lax

ati

on

tim

e (

ms

)

50


Co

ntr

ac

tio

n t

ime

(m

s)

5


Te

ns

ion

(N

/g)


Daug riebalų turinčios dietos mažina maksimalią susitraukimo j÷gą

ir trumpina atsipalaidavimo trukmę soleus raumenyje


0

100

200

300

400

Re

lax

ati

on

tim

e (

ms

)

*$

0

10

20

30

40C

on

tra

cti

on

tim

e (

ms

)

0

1

2

3

4

Te

ns

ion

(N

/g)

* *

$

Duomenys: Vidurkis ± SEM; n=8 grup÷jeP<0.05 vs. LFD; $P=0.06 vs.LFD


Tyrimų tikslas

• Nustatyti skirtingų daug riebalų turinčių dietų poveikį skeleto raumens susitraukimo rodikliams.

• Nustatyti ar šis poveikis yra susijęs su raumeninių skaidulų kompozicijos pokyčiu.





Meta

bo

lin

÷s


L÷tosoksidacin÷s








Meta

bo

lin

÷s

Rezultatai: Oksidacinio fosforilinimo sistemos fermentai EDL raumenyje

1.5

2

2.5

3 LFDHFD LardHFD Palm oilHFD Palm oil + Tristearin

Pro

tein

ex

pre

ss

ion

(A

.U.) A

**

* *

*

** *

Complex I

Complex II

Complex III

LFD HFD(L) HFD(PO) HFD(POS)

Daug riebalų turinčios dietos didina kv÷pavimo grandin÷s fermentų

ir ATP sintaz÷s raiškos lygį


0

0.5

1

1.5

Co

mp

lex

I

Co

mp

lex

II

Co

mp

lex

III

Co

mp

lex

IV

AT

P s

yn

tha

se

AN

T

Pro

tein

ex

pre

ss

ion

(A

.U.)

****** *

Complex IV

ATP synthase

ANT

GAPDH

Tai greičiausiai yra susiję su mitochondrjų ββββ-oksidacijos stimuliacija,bet ne su mitochondrijų tankio pokyčiu.

Rezultatai: Oksidacinio fosforilinimo sistemos fermentai Soleus raumenyje

1

1.2

1.4

1.6LFDHFD LardHFD Palm oilHFD Palm oil + Tristearin

Pro

tein

exp

res

sio

n (

A.U

.) B


Complex I

Complex II

Complex III

Oksidacinio fosforilinimo sistemos fermentų raiškos lygis nepakito→→→→ Mitochondrijų tankis nepakito


0

0.2

0.4

0.6

0.8

Co

mp

lex

I

Co

mp

lex

II

Co

mp

lex

III

Co

mp

lex

IV

AT

P s

yn

tha

se

AN

T

Pro

tein

exp

res

sio

n (

A.U

.)

Complex IV

ATP synthase

ANT

GAPDH



Meta

bo

lin

÷s


L÷tosoksidacin÷s








Meta

bo

lin

÷s

Rezultatai: Citrato sintaz÷s aktyvumas

Citrato sintaz÷s aktyvumas nepakito →→→→ mitochondrijų tankis nepakito

1500

2000

2500LFD

HFD Lard

HFD Palm oil

HFD Palm oil + TristearinC

S a

cti

vit

y (

nm

ol.m

in-1

.mg

pro

tein

-1)


Citrato sintaz÷:- Trikarboksilinių rūgščių ciklo fermentas;- Jos aktyvumas atspindi mitochondrijų tankį.

0

500

1000

EDL SOL

CS

ac

tivit

y (

nm

ol.m

in

Duomenys: Vidurkia ± SEM; n=6 grup÷je



Meta

bo

lin

÷s


L÷tosoksidacin÷s








Meta

bo

lin

÷s

Rezultatai: Miozino sunkiųjų grandinių kompozicija

SoleusEDL

80

100

LFDHFD LardHFD Palm oilHFD Palm oil + Tristearin

C80

100

LFDHFD LardHFD Palm oil

B

LFD HFD(L) HFD(PO) HFD(POS) LFD HFD(L) HFD(PO) HFD(POS)

IIa/x IIb I

Daug riebalų turinčios dietos nekeičia miozino sunkiųjų grandinių kompozicijos


Duomenys: Vidurkia ± SEM; n=6 grup÷je

0

20

40

60

80

IIa/x IIb I

HFD Palm oil + Tristearin

MHC isoform

0

20

40

60

80

IIa/x IIb I

HFD Palm oilHFD Palm oil + Tristearin

MHC isoform

Apibendrinimas

• Daug riebalų turinčių dietų sukelti skeleto raumens susitraukimo rodiklių pokyčiai n÷ra nulemti raumeninių skaidulų kompozicijos pokyčio, nes nepakito:

• Mitochondrijų tankis,

• Raumens oksidacinis paj÷gumas,


• Raumens oksidacinis paj÷gumas,

• Miozino sukiųjų grandinių raiškos profilis.

Rezultatai

4

5


Te

ns

ion

(N

/g)

Maksimali j÷ga

5

6

7


Te

ns

ion

(N

/g)

Maksimali j÷ga

EDL Soleus

Kaip paaiškinti dietų poveikį maksimaliai susitraukimo j÷gai soleus raumenyje?


0

1

2

3

4

Te

ns

ion

(N

/g)

* *

$

0

1

2

3

4

5

Te

ns

ion

(N

/g)


Rezultatai: Troponinas T

• Troponinas T (TnT) reguliuoja j÷gos generavimą susitraukimo metu.


− TnT izoformų kompozicija turi įtakos raumens susitraukimo j÷gos dydžiui. (Ozgut et al. (1999) Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 276:1162-70)

− Kūno svoris ir mityba gali moduliuoti TnT izoformų raiškos lygį ir kompoziciją. (Marden et al. (2008) J. Exp. Biol. 211:3653-60)


2


Tn

T e

xp

res

sio

n (

A.U

.)

A


TnT FS

TnT SS

EDL


TnT FS – greita skeleto raumenų izoformaTnT SS – l÷ta skeleto raumenų izoforma

0

0.5

1

1.5

TnT FS TnT SS


Tn

T e

xp

res

sio

n (

A.U

.)

*


EDL

2


Tn

T e

xp

res

sio

n (

A.U

.)

A


TnT FS

TnT SS

2


Tn

T e

xp

res

sio

n (

A.U

.)

B


TnT FS

TnT SS

Soleus

Daug riebalų turinčios dietos mažina TnT FS, bet didina TnT SS raiškos lygįsoleus raumenyje



0

0.5

1

1.5

TnT FS TnT SS


Tn

T e

xp

res

sio

n (

A.U

.)

*

0

0.5

1

1.5

TnT FS TnT SS


Tn

T e

xp

res

sio

n (

A.U

.)

* *

* * *


2


Tn

T e

xp

res

sio

n (

A.U

.)

B


TnT FS

TnT SS

Soleus

TnT izoformų raiškos lygio pokytis gal÷tų lemti maksimalios susitraukimo j÷gossumaž÷jimą soleus raumenyje

5


Te

ns

ion

(N

/g)

Maksimali j÷ga

Soleus



0

0.5

1

1.5

TnT FS TnT SS


Tn

T e

xp

res

sio

n (

A.U

.)

* *

* * *

0

1

2

3

4

Te

ns

ion

(N

/g)

* *

$

Išvados

• Dietų poveikis skeleto raumes susitraukimo parametrams priklauso nuo raumens skaidulų kompozicijos:• EDL (greitame-glikolitiniame) raumenyje atsipalaidavimo trukm÷

pailg÷jo, o kiti parametrai liko nepakitę.• Soleus (mišriame oksidaciniame-glikolitiniame) raumenyje

maksimali susitraukimo j÷ga sumaž÷jo, atsipalaidavimo trukm÷ sutrump÷jo, o susitraukimo trukm÷, kaip ir EDL, nepakito.

• Skeleto raumes susitraukimo parametrų pokyčiai nebuvo nulemti


• Skeleto raumes susitraukimo parametrų pokyčiai nebuvo nulemti raumeninių skaidulų kompozicijos pokyčio.

• Maksimalios susitraukimo j÷gos sumaž÷jimas soleus raumenyje yra susijęs su Troponino T izoformų raiškos pokyčiu.

• Maistinių riebalų kilm÷s svarba išlieka neaiški. Dietos su palmių aliejumi tur÷jo šiek tiek stipresnį neigiamą poveikį nei dieta su kiaulių taukais, kas galbūt gal÷tų būti susiję su atitinkamu šių dietų poveikiu skeleto raumens jautrumui insulinui.

Išvados









Pad÷ka

Eindhoven University of Technology• Department of Biomedical Engineering

• Biomedical NMR groupJeroen Jeneson

• Biomodeling groupWillemijn Groenendaal


Willemijn Groenendaal

Joep Vanlier

Leiden University Medical Center• Department of Human Genetics

Ko Willems van Dijk

Sjoerd van den Berg

nutukimas, atsparumas insulinui ir skeleto raumenų funkcija · • priežastys, d÷l kurių...

Documents