Reyhan Westbrook

1 Departamentul de Medicină Internă, Divizia de Cercetări Geriatrice și

2 Departamentul de Microbiologie și Imunologie Medicală, Programul de absolvire a biologiei celulare, Școala de Medicină a Universității Southern Illinois, Springfield, Illinois.

Michael S. Bonkowski

1 Departamentul de Medicină Internă, Divizia de Cercetări Geriatrice și

3 Adresa actuală: Massachusetts Institute of Technology, Cambridge.

Oge Arum

1 Departamentul de Medicină Internă, Divizia de Cercetări Geriatrice și

Aprilie D. Strader

4 Departamentul de Fiziologie, Școala de Medicină a Universității Southern Illinois, Carbondale, Illinois.

Andrzej Bartke

1 Departamentul de Medicină Internă, Divizia de Cercetări Geriatrice și

Abstract

Mutații, care reduc semnalizarea somatotrofă (hormonul de creștere [GH] și factorul de creștere asemănător insulinei-1) (1), precum și regimuri dietetice bazate pe reducerea aportului caloric [restricție calorică [CR] și zilnic [EOD] dietă) (2,3), se știe că întârzie îmbătrânirea și crește durata de viață la șoareci. Șoarecii cu durată lungă de viață ai receptorilor GH/proteinei care leagă GH (eliminarea receptorului hormonului de creștere [GHRKO]) sunt rezistenți la acțiunea GH și au un factor seric de creștere asemănător insulinei serice-1 și au redus dimensiunea și greutatea corpului, în ciuda creșterii adipozității, scăderea glucozei și insulinei serice și creșterea sensibilității la insulină (4). De asemenea, s-a demonstrat că regimurile de hrănire CR și EOD cresc sensibilitatea la insulină, scad nivelul glucozei și insulinei serice și cresc durata de viață a rozătoarelor (3,5,6).

Scăderea aportului caloric și mutația GHRKO pot acționa prin mecanisme suprapuse pentru a crește durata de viață. Dovezi pentru acest lucru provin din experimente în care regimurile identice CR (7) și EOD (8) au produs creșteri atât ale sensibilității la insulină, cât și ale duratei de viață la șoareci normali, dar nu au produs modificări ale sensibilității sau longevității insulinei la șoarecii GHRKO.

Înțelegerea modificărilor metabolice, care însoțesc creșterea duratei de viață, poate oferi câteva indicii mecaniciste privind modul în care se realizează extinderea duratei de viață. Am arătat anterior că scăderea semnalizării GH este asociată cu un consum crescut de oxigen (VO2) pe unitate de masă corporală și cu un coeficient respirator scăzut (RQ) la șoareci adulți tineri (9); cu toate acestea, nu se știa dacă acest efect persistă până la vârste înaintate. Aici, examinăm VO2 și RQ la șoarecii în vârstă aproape de sfârșitul duratei lor de viață. Au existat multe studii care au examinat impactul RC asupra metabolismului (5); cu toate acestea, impactul dietei EOD asupra VO2 și RQ nu a fost explorat la șoareci. Acest studiu este, de asemenea, unul dintre puținele (6,10) care compară în mod direct efectele regimurilor dietetice CR și EOD la animale din aceeași tulpină. Important, în acest studiu, vom examina, de asemenea, efectul interacțiunii de semnalizare scăzută GH cu dietele CR și EOD.

Materiale și metode

Animale

Șoarecii masculi GHRKO (-/-) și normali (+/−) au fost produși în colonia noastră de reproducere prin împerechere -/- masculi cu +/− femele derivate de la animale GHRKO (4) oferite cu amabilitate de Dr. J. J. Kopchick (Universitatea Ohio, Atena, Ohio). Animalele au fost adăpostite în condiții de temperatură și lumină controlate (21 ° C - 23 ° C și ciclu de întuneric de 12 ore de lumină/12 ore) și au fost hrănite cu Formula de dietă de laborator 5001 (23,4% proteine, 4,5% grăsimi și 5,8% fibra; Ralston Purina). Toate protocoalele pentru animale pentru acest studiu au fost aprobate de comitetul de îngrijire și utilizare a animalelor de la Southern Illinois University.

Șoarecii utilizați în acest experiment aveau 29-33 de luni, ceea ce pentru șoarecii AL normali este aproape de durata medie de viață. Șoarecii de această vârstă au fost selectați pentru a investiga diferențele metabolice în îmbătrânirea biologică cauzate de interacțiunile dietetice și genotipice la șoareci de vârstă cronologică avansată similară. De asemenea, am arătat că semnalizarea GH scăzută este asociată cu creșterea VO2 per unitate de masă corporală și scăderea RQ la șoarecii tineri adulți (9). Aici, am explorat dacă acest efect persistă până la vârste înaintate.

Dietele

Calorimetrie indirectă

Calorimetria indirectă a fost efectuată folosind AccuScan Instruments, Inc. Sistemul metabolic PhysioScan. Acest sistem utilizează senzori de zirconiu și infraroșu pentru a monitoriza oxigenul (O2) și respectiv dioxidul de carbon (CO2), în interiorul camerelor respiratorii în care au fost testați șoareci individuali. Toate comparațiile se bazează pe animale studiate simultan în opt camere diferite conectate la aceiași senzori de O2 și CO2 într-un efort de a minimiza efectul variațiilor de mediu și al calibrării asupra datelor. După o perioadă de 24 de ore de aclimatizare (zi de post pentru șoareci EOD), șoarecii au fost monitorizați în camerele metabolice timp de 24 de ore cu acces la doza lor dietetică respectivă (CR/EOD [alimentat ziua AL]/AL) și apă, și apoi pentru o a doua perioadă de 24 de ore fără alimente. Probele de gaz au fost colectate și analizate la fiecare 5 minute pe animal, iar datele au fost calculate pentru fiecare oră. Parametrii de ieșire includ VO2 (mL/kg/min) și RQ (VCO2/VO2). Analiza bidirecțională a varianței și analiza statistică bidirecțională a măsurilor repetate au fost efectuate folosind IBM SPSS Statistics 19.

R rezultate

Greutățile corporale ale șoarecilor în momentul calorimetriei indirecte sunt prezentate în (Figura 1). Consumul total de alimente și consumul de alimente pe gram de greutate corporală pentru șoareci în timpul aclimatizării și al zilelor hrănite de calorimetrie indirectă sunt prezentate în (Figura 2). Consumul total de alimente a fost redus de ambele diete la șoarecii normali (Figura 2a); cu toate acestea, atunci când consumul de alimente este exprimat pe gram de greutate corporală, diferențele sunt eliminate (Figura 2b). Consumul total de alimente al șoarecelui GHRKO a fost, de asemenea, redus prin dieta CR și EOD (Figura 2c); cu toate acestea, șoarecii GHRKO au consumat mai puține alimente pe gram de greutate corporală și atunci când au urmat diete CR sau EOD (Figura 2d). Interesant este faptul că, atunci când este exprimată în procente de masă slabă (masă fără grăsimi - greutate osoasă), nu au existat diferențe semnificative între GHRKO și șoarecii martori normali (Figura suplimentară 1b).

modificări

Greutatea corporală a șoarecilor înregistrată chiar înainte de începerea zilei de aclimatizare a calorimetriei indirecte (n = 6-9 pe genotip per grup de dietă).

Consumul de oxigen (VO2; ml/kg/min) în ziua alimentată cu calorimetrie indirectă reprezentată la intervale de 1 oră de eliminare a receptorului hormonului de creștere (GHRKO) și AL normalăA) restricție calorică (CR) - (B) și în fiecare zi (EOD)C) șoareci alimentați și comparație intergenotipică a efectelor dietetice în mod normal (D) și GHRKO (E) șoareci.

Consumul de oxigen (VO2; ml/kg/min) în ziua postită de calorimetrie indirectă reprezentată grafic la intervale de 1 oră de eliminare a receptorilor hormonului de creștere (GHRKO) și AL normalăA) restricție calorică (CR) - (B) și în fiecare zi (EOD)C) șoareci hrăniți și comparație intergenotipică a efectelor dietetice în mod normal (D) și GHRKO (E) șoareci.

Coeficientul respirator

Consumul minim de oxigen (VO2) pentru normalA) și eliminarea receptorilor hormonului de creștere (B) șoareci.

Discuție

Studiile care examinează interacțiunea genelor care conferă longevitate cu dietele care conferă longevitate oferă oportunități de identificare a mecanismelor candidate prin care se realizează o durată de viață crescută. Dietele CR și EOD cresc sensibilitatea și longevitatea insulinei la șoarecii normali, dar nu reușesc să facă acest lucru la șoarecii GHRKO deja sensibili la insulină și de lungă durată. Aici, am examinat modificările metabolice care însoțesc interacțiunile dintre genotip și dietă, precum și diferențele genotipice și dietetice comparate direct utilizând calorimetria indirectă.

Interesant este că șoarecii GHRKO vechi de pe oricare dintre regimurile dietetice nu au prezentat o scădere semnificativă a greutății corporale, indicând faptul că compoziția corpului acestor șoareci a rămas similară cu martorii. De fapt, constatările autopsiei și studiile asupra compoziției corpului efectuate anterior confirmă faptul că șoarecii GHRKO CR nu sunt epuizați din țesutul adipos (11). Acest lucru ar sugera că șoarece GHRKO nu ar afișa o scădere relativă a VO2 după normalizarea pe masă slabă în condiții CR. Lipsa unei scăderi a VO2 în GHRKO hrănit fie cu CR, fie cu EOD în acest studiu implică faptul că capacitatea șoarecilor GHRKO de a crește eficiența metabolică (13) este împinsă și mai mult de o scădere a caloriilor totale, deoarece activitatea locomotorie a șoarecilor GHRKO pe CR este nu a scăzut (RM Westbrook, dr., date nepublicate, 2010).

Modest 30% CR de-a lungul duratei de viață nu a modificat semnificativ VO2 exprimat per gram de greutate corporală la șoareci normali sau GHRKO atunci când a fost măsurat la bătrânețe. Acest rezultat este de acord cu studiile care arată că CR provoacă o scădere tranzitorie pe termen scurt a ratei metabolice la șobolani (25), dar rata metabolică revine la normal, indicând faptul că rata metabolică scăzută nu este necesară pentru beneficiile de lungă durată ale CR (25). Deoarece activitatea locomotorie nu este scăzută de CR (26), este probabil ca după scăderea tranzitorie a metabolismului ca răspuns la CR, să apară o creștere a eficienței metabolice pentru a compensa deficiența calorică în timp ce rata metabolică este menținută (27). Această creștere a eficienței metabolice este susținută de date care arată că CR poate crește proliferarea și densitatea mitocondrială, reducând în același timp potențialul membranei mitocondriale și VO2 al mitocondriilor individuale. În același timp, producția de adenozin trifosfat a fost menținută și producția dăunătoare de radicali liberi a fost redusă in vitro (28). De asemenea, s-a demonstrat că CR crește biogeneza mitocondrială, producția de adenozin trifosfat și VO2 in vivo (29).

Cu toate acestea, există o posibilitate rezonabilă ca această concluzie să necesite modificări dacă datele despre compoziția corpului pentru acești șoareci ar fi disponibile pentru a normaliza datele VO2 per gram de masă slabă. În ciuda acestei limitări, putem deduce că cauza probabilă a reducerii observate a greutății corporale totale la șoareci normali cu 70% CR (Figura 1) se datorează probabil unei pierderi de masă grasă corporală, deoarece reducerea grăsimii corporale este un semn distinctiv al CR (30). Prin urmare, procentul de masă corporală slabă este probabil crescut la șoarecii normali pe CR comparativ cu normalul. Deoarece un divizor mai mare ar aduce valoarea VO2 în jos față de controalele AL normale, exprimarea rezultatelor VO2 obținute pentru șoareci CR normali pe gram de masă slabă poate arăta că acești șoareci experimentează de fapt o scădere a VO2 comparativ cu controalele normale, așa cum au făcut unele studii prezentat (31). Acest lucru ar sugera că, pe lângă creșterea eficienței metabolice, șoarecii CR normali scad rata metabolică pentru a face față aportului caloric mai scăzut. Acest lucru susține teoriile care leagă restricția calorică de o „reprogramare metabolică” care poate influența efectele fiziologice la nivel celular, țesut și organism pentru a afecta rata îmbătrânirii (32).

Măsurătorile RQ au produs o pereche de descoperiri noi în acest studiu. Prima este dovada că RQ redus găsit la șoarecii mai tineri GHRKO (9) este prezent și la vârste mai în vârstă. Scăderea RQ este indicativă a oxidării crescute a acizilor grași și a fost asociată cu îmbătrânirea întârziată, protecția împotriva obezității și diabetului și a longevității crescute (9,33-35). Al doilea este că regimul alimentar EOD a provocat o abrogare a unei fluctuații diurne semnificative a RQ atât la șoarecii normali cât și la șoarecii GHRKO în ziua hrănită de testare, care au revenit la normal, asemănându-se cu RQ la șoarecii din AL și CR în ziua de post. Pierderea unei diferențe semnificative în alegerea combustibilului de la întuneric la lumină arată posibil că tiparul normal de hrănire în care se consumă majoritatea caloriilor pe timp de noapte este modificat într-un model de masă mai frecvent. Dacă acest lucru are vreun impact asupra sensibilității la insulină sau a duratei de viață ar trebui să se studieze în continuare.

O diferență importantă între șoarecii normali hrăniți fie cu dietă CR, fie cu EOD este impactul acestor diete asupra greutății corporale pe toată durata vieții. Similar cu descoperirile din experimentele anterioare, în acest studiu, șoarecii normali în vârstă pe CR au avut o reducere numerică a greutății corporale (7), în timp ce reducerea greutății corporale afișată de șoarecii mai tineri hrăniți cu EOD dispare la bătrânețe . Acest lucru este deosebit de interesant, deoarece cantitatea de alimente consumate atunci când este normalizată pe gram de greutate corporală nu a fost modificată semnificativ în niciun grup dietetic din AL. Se pare că accesul la alimentarea cu AL timp de 50% din timp permite șoarecilor hrăniți cu EOD luxul de a depune grăsime, în timp ce șoarecii CR nu primesc niciodată suficiente calorii suplimentare pentru a adăuga cu succes grăsime corporală. În plus, șoarecii hrăniți cu EOD reduc drastic VO2 pentru a apăra greutatea corporală, în timp ce pentru șoarecii CR nu este necesar un control homeostatic suplimentar prin reducerea VO2.

O altă constatare notabilă din acest studiu este concordanța datelor VO2 cu datele de longevitate colectate anterior din cercetări care examinează aceleași interacțiuni genotipice și dietetice studiate aici. Așa cum nici CR (7), nici EOD (8) nu au prelungit durata de viață la șoarecii GHRKO, nici o dietă nu a modificat semnificativ VO2 al șoarecilor GHRKO. În plus, șoarecii normali au înregistrat o creștere a duratei de viață din dieta CR și EOD și o reducere semnificativă a VO2 exprimată pe masa corporală din dieta EOD și o scădere proiectată a VO2 exprimată pe masă fără grăsimi din dietele EOD și CR. Din aceste rezultate, putem concluziona că șoarecii normali scad metabolismul pentru a se potrivi cu deficitul caloric, în timp ce șoarecii GHRKO cresc eficiența metabolică pentru a face față deficitelor calorice. De ce absența semnalizării GH și reducerea ulterioară a factorului de creștere asemănător insulinei-1 determină acest răspuns alternativ și dacă acest lucru are vreun impact asupra longevității sunt întrebări care necesită studii suplimentare.

Calorimetria indirectă este un instrument util pentru evaluarea neinvazivă a funcțiilor metabolice, care pot fi legate de longevitate. Pe măsură ce sunt colectate mai multe informații cu privire la fenotipurile metabolice ale longevității, calorimetria indirectă poate fi utilizată mai fiabil ca măsură de corelare predictivă pentru intervențiile menite să îmbunătățească starea de sănătate. Acest lucru poate fi aplicat studiilor preliminare pe suspecți de mutanți de lungă durată sau studiilor care implică compuși care generează longevitate, cum ar fi mimetici CR.