Subiecte

Abstract

Individul cu greutate mică la naștere (LBW) a avut un risc mai mare de a dezvolta disfuncție metabolică la vârsta adultă. Scopul acestui studiu a fost de a testa dacă individul LBW este mai predispus la intoleranță la glucoză pe o dietă bogată în nutrienți (HND) și de a investiga expresiile genelor hipotalamice asociate folosind porcii ca model. Aportul de aport digestiv de energie, dacă este calculat pe baza greutății corporale, a fost mai mare la porcii LBW decât cel al porcilor cu greutate normală la naștere (NBW). Porcii LBW hrăniți cu dieta HND au avut un aport digestiv mai mare de energie decât cei hrăniți cu dieta NND la vârsta adultă, ceea ce nu a apărut la porcii NBW. În special, expresia receptorului hipotalamic hipotalamic 4, interleukina 6 și expresiile fosfo-NFκB p65 și expresiile modificate ale receptorului hipotalamic de leptină, supresorul citokinei de semnalizare 3, proteina asociată agouti și proopiomelanocortina au prezis consumul excesiv de aport și dezvoltare de energie de intoleranță la glucoză la porcii LBW hrăniți cu dieta HND. Colectiv, porcii născuți cu LBW au avut o leptină hipotalamică distinctă care semnalizează o dietă bogată în nutrienți, ceea ce a contribuit la un aport mai mare de energie și la intoleranță la glucoză.

Introducere

Greutatea redusă la naștere (LBW), o consecință a transferului insuficient de nutrienți în timpul fazei intrauterine, afectează mai multe procese fiziologice importante implicate în metabolismul energetic, semnalizarea celulară, echilibrul redox și răspunsul la stres într-o varietate de țesuturi, inclusiv intestin, ficat și mușchi 1, contribuind la creșterea morbidității și mortalității în timpul fazei neonatale și la rate slabe de creștere postnatală și starea de sănătate pe tot parcursul vieții 2.3 .

Reglarea aportului de nutrienți și a metabolismului energetic are loc în principal în hipotalamus ca cea mai interesantă zonă datorită coexprimării neuropeptidei orexigenice Y (NPY), a neuronilor proteinelor asociate agouti (AGRP), a proopiomelanocortinei anorexigenice (POMC) și a cocainei. și neuronii transcriși reglementați de amfetamină, care sunt regulatori cheie ai aportului de energie 12. Leptina, o adipokină majoră secretată în principal de adipocite mari, poate pătrunde în creier și poate regla acei neuroni și, astfel, aportul de alimente prin legarea sa la receptorul leptinei de formă lungă (LEPR), localizat predominant în neuronii ARC hipotalamici 13. Rolul semnalizării leptinei în programarea nutrițională a primit un interes din ce în ce mai mare, deoarece semnalizarea centrală a leptinei s-a dovedit a fi organizată diferențial în funcție de greutatea la naștere la porcii 14 și la animalele rozătoare 15,16,17 și poate duce foarte probabil la creșterea timpurie a recuperării și la dezvoltarea diabetului zaharat de tip 2.

Porcii au prezentat similitudine fiziologice în mărimea corpului, dimensiunea celulelor grase, digestia nutrienților, absorbția și metabolismul, ceea ce ar putea oferi mai multe avantaje în studiul bolilor cardiovasculare, dinamica sângelui, nutriția, funcțiile metabolice generale, tulburările legate de digestie, bolile respiratorii, diabetul, boli ale rinichilor și vezicii urinare, toxicitate organică specifică, dermatologie și sechele neurologice folosind porci ca model animal pentru nutriția umană 18,19,20,21. În plus, în producția modernă de porcine, cazuri de restricție de creștere intrauterină naturală (IUGR) apar la scroafe foarte prolifice datorită ratelor ridicate de ovulație și a înghesuirii uterine ulterioare 22, oferind astfel modele naturale pentru investigarea biologiei la sugarul uman care se naște cu IUGR . Prin urmare, în studiul de față, porcii LBW și NBW au fost hrăniți cu o dietă normală sau bogată în nutrienți, pentru a testa ipoteza conform căreia dacă genele și proteinele hipotalamice au fost exprimate diferențial la porcii LBW pentru a-și modifica nivelul de aport postnatal de energie și toleranța la glucoză.

Materiale și metode

Proiectare experimentală, diete și animale

Toate procedurile experimentale utilizate în acest studiu au fost în conformitate cu Ghidul Consiliului Național de Cercetare pentru Îngrijirea și Utilizarea Animalelor de Laborator și au fost aprobate de Comitetul de Îngrijire și Utilizare a Animalelor din Academia Chineză de Științe Agricole și au respectat legile actuale ale animalelor protecţie.

22 ° C, cu excepția temperaturii mai ridicate la 22

28 ° C de la d 1 la 30 din experiment.

Înregistrări ale performanței de creștere

De la începutul experimentului până la d 90 din experiment, doi porci au fost crescuți într-un singur stilou, iar datele privind aportul de nutrienți, creșterea în greutate corporală și eficiența hranei au fost calculate folosind stiloul drept unitate experimentală. Ulterior, porcii au fost crescuți individual și datele au fost înregistrate folosind fiecare porc ca unitate experimentală. Greutatea corporală a fiecărui porc a fost înregistrată la d 30, 60, 90, 120 și 150 din experiment, iar aportul mediu zilnic de hrană, creșterea în greutate corporală și eficiența hranei au fost calculate la fiecare 30 de zile.

Test de toleranță la glucoză

Testul de toleranță la glucoză intravenos (IGTT) pentru toți porcii a fost efectuat pe 30, 83 și 143 din experiment. După post peste noapte, probele de sânge bazale au fost colectate la 10 minute înainte de administrare. Un bolus de dextroză (500 g • L-1) a fost perfuzat în puncția venoasă a urechii la o doză de 0,5 g • kg-1 greutate corporală. O serie de probe de sânge a fost colectată la 5, 10, 20, 30, 45, 60, 90 și 120 de minute după perfuzia de glucoză. Concentrațiile glicemiei au fost măsurate imediat folosind un glucometru portabil, Esprit (Bayer, Newbury, Berkshire, Marea Britanie). Aria sub curbă (ASC) a concentrației de glucoză a fost calculată folosind Prism 6 (GraphPad Software Incorporated, La Jolla, CA, SUA).

Colectarea probelor de țesut

Hipotalamus, țesuturi hepatice, mușchi scheletic (Longissimus mușchiul) și țesuturile adipoase (grăsimea abdominală) au fost colectate la d 90 (n = 8) și 150 (n = 8) de experiment în stare alimentată. În special, țesutul hipotalamic a fost colectat după cum urmează, după sacrificare prin injecție intraperitoneală de 90 mg · kg -1 sodiu tiopental, creierele au fost îndepărtate rapid din craniu și eliberate de țesuturile în exces. Țesuturile hipotalamice au fost colectate dintr-un bloc de țesut delimitat rostral de chiasma optică, caudal de corpul mamilar, lateral de sulcii hipotalamici și dorsal printr-o tăietură de 5 mm adâncime de 24,25. Toate probele de țesut au fost înghețate în azot lichid și depozitate la -80 ° C pentru analiză ulterioară.

Măsurarea metaboliților și a hormonilor

Sângele tuturor porcilor a fost colectat la începutul și la 30, 60, 90, 120 și 150 din experiment. Concentrațiile de trigliceride și colesterol total au fost analizate cu kituri comerciale respective (Nanjing Jiancheng Institute of Bioengineering, Jiangsu, China) folosind metode enzimatice de către un Hitachi 7160 Automatic Biochemical Analyzer (Tokyo, Japonia) conform instrucțiunilor producătorului. Concentrațiile circulante de leptină au fost măsurate cu un kit ELISA comercial (Elabscience, Wuhan, China). Sensibilitatea de detecție a fost de 0,168 ng/ml, iar coeficienții de variație inter-test și intra-test pentru testul leptinei au fost de 10,6% și respectiv 8,5%.

Expresia genelor

Expresia proteinelor

analize statistice

Pe parcursul întregii perioade, toți porcii folosiți în acest studiu au păstrat sănătatea și niciunul dintre ei nu a fost sacrificat din cauza bolii sau a altor factori de management. De la începutul experimentului până la d 90 din experiment, doi porci au fost crescuți într-un singur stilou, iar datele au fost analizate folosind stiloul drept unitate experimentală. Greutatea corporală a celor doi porci din fiecare stilou a fost destul de similară între ei la 30, 60 și 90 din experiment, așa că am presupus că porcii au fost sub același tratament. De la d 91 până la sfârșitul experimentului, porcii au fost cușcați individual și datele au fost analizate folosind porcul individual ca unitate experimentală. Datele au fost analizate folosind procedura MIXED a software-ului SAS (SAS Institute, Cary, NC, SUA). Efectul principal al greutății la naștere (NBW sau LBW) și al densității nutrienților (NND sau HND) au fost testate folosind ANOVA bidirecțional ca efecte fixe în modelul statistic, iar interacțiunile dintre greutatea la naștere × nivelul nutrițional au fost, de asemenea, considerate ca efecte fixe. Stiloul (înainte de d 90) sau porcul (după) au fost incluse ca efect aleatoriu, respectiv. Toate datele sunt prezentate ca mijloace. Testul Tukey a fost utilizat pentru a compara diferențele dintre grupurile de tratament. Diferențe cu probabilități de P

Rezultate

Consum dinamic de energie

Așa cum se arată în FIG. 1A, aportul de energie digerabilă a fost semnificativ mai mare la porcii NBW comparativ cu porcii LBW în diferite perioade experimentale (P figura 1

dens

Aportul relativ de energie digerabilă, calculat pe baza greutății corporale, a fost prezentat în Fig. 1B. Porcii cu greutate redusă la naștere au avut un aport relativ mai mare de energie digestibilă în diferite perioade de experiment (P 0,05). Câștigul mediu zilnic a fost mai mic la porcii LBW decât cel al porcilor NBW în perioada de la 1 la 30, 31 la 60, 61 la 90 și 91 la 120 din experiment (P 0,05). Raportul hrană/câștig a fost mai mare la porcii LBW decât cel la porcii NBW de la 1 la 30 din experiment (P Tabelul 2 Influența greutății la naștere și a dietei asupra trăsăturilor de creștere a porcilor la diferite momente ale experimentului.

Metaboliți circulanți și secreții hormonale

Așa cum se arată în Tabelul 3, concentrațiile circulante de trigliceride au fost mai mari la porcii hrăniți cu dieta HND decât la porcii hrăniți cu dieta NND la d 30, 60 și 90 din experiment (P 0,05).

Concentrațiile de leptină nu au fost afectate de dietă, greutatea la naștere sau interacțiunea dintre dietă și greutatea la naștere la începutul, 30, 60, 90 și 120 din experiment (P > 0,05; Tabelul 3). Cu toate acestea, concentrația de leptină a fost semnificativ afectată de interacțiunea dintre dieta și greutatea la naștere la d 150 din experiment (P 0,05, FIG. 2D). La d 143 din experiment, concentrația de glucoză a fost afectată la 10 minute de greutatea la naștere (P = 0,005, Fig. 2E), la 20 de minute prin dietăP = 0,025, FIG. 2E) și interacțiunea dintre greutatea la naștere și dietă (P = 0,048, FIG. 2E) și la 30 de minute prin interacțiunea dintre greutatea la naștere și dietă (P = 0,032, FIG. 2E) după IGTT. ASC a glucozei în ziua 143 a experimentului a fost afectată de greutatea la naștere (P Figura 2

Expresii genetice

La d 90 al experimentului, expresiile ARNm ale LEPR în țesutul hipotalamic au fost afectate de greutatea la naștere (P 0,05, FIG. 3B), SOCS3 Expresiile ARNm au fost reglate în sus la porcii LBW prin dieta HND comparativ cu alte grupuri (P 0,05, FIG. 3D), dar SOCS3 Expresia ARNm a fost reglată în jos la porcii LBW prin dieta HND comparativ cu porcii hrăniți cu dietele NND (P Figura 3

Nivelul de expresie al ARNm-ului anorexigenic POMC și orexigen NPY și AGRP în hipotalamus au fost prezentate în Fig. 4. Expresiile ARNm ale POMC au fost scăzute cu greutatea redusă la naștere la d 90 și 150 din experiment (P 0,05, FIG. 4E și F).

Expresia ARNm a TLR4 în hipotalamus, dar nu și în ficat, țesut adipos sau mușchi scheletic, au fost afectate de greutatea la naștere (P Figura 5

Expresia proteinelor

Expresiile proteice ale SOCS3 au fost prezentate în Fig. 6 și Fig. Suplimentare. S1. Expresia proteinei SOCS3 din hipotalamus a fost semnificativ afectată de dietă (P 0,05; FIG. 6A), dar expresia proteinei SOCS3 a fost reglată în sus la porcii LBW prin dieta HND comparativ cu porcii hrăniți cu dietele NND (P Figura 6

Expresiile proteice ale NFκB și fosforilarea acestuia au fost prezentate în Fig. 7 și Fig. Suplimentare. S2. Raportul dintre p-NFκB p65 și NFκB p65 au fost afectate de dietă (P Figura 7

Discuţie

În studiul de față, porcii LBW nu au atins greutatea corporală similară cu porcii NBW, ceea ce nu a fost de acord cu cercetătorii anteriori care au raportat că porcii născuți cu LBW au putut atinge greutăți corporale similare la vârsta adultă 14,28,29. Motivul s-ar putea datora diferenței dintre aportul de energie din dietă între studii. Madsen și colegul 29 au constatat că aportul absolut de energie între porcii LBW și NBW au fost similari în diferite perioade de experiment, rezultând o creștere zilnică mai mare în greutate. Cu toate acestea, în prezentul studiu, aportul de energie a fost mai mic pentru porcii LBW decât porcii NBW înainte de 60 de ani din experiment. Creșterea în greutate corporală nu a fost afectată de dieta HND la porcii născuți cu NBW, cu toate acestea, între d 121 și 150 din experiment, greutatea corporală a fost mai mare la porcii LBW hrăniți cu dieta HND comparativ cu cei hrăniți cu dieta NND, sugerând că porcii născuți cu greutate corporală variată a avut răspunsuri diferențiate la densitatea nutrienților din dietă.

Porcii LBW au avut un consum mai mic de hrană și consum de energie decât omologii lor NBW, cu toate acestea, atunci când aportul de hrană și energie au fost calculate pe baza greutății corporale, aportul relativ de furaje și consumul de energie au fost mai mari la porcii LBW decât la porcii NBW, iar dieta HND a amplificat această diferență între diferitele grupuri de tratament. Prin urmare, această cantitate mai mare de aport nutritiv permite o posibilă acumulare mai mare a țesutului corporal și formează o bază pentru creșterea de recuperare a porcilor LBW. Acesta ar putea fi motivul pentru care porcii LBW hrăniți cu dieta HND au cel mai scăzut raport hrană-câștig dintre cele patru grupuri dietetice. Aportul de energie al porcilor NBW a fost similar între grupul HND și grupul NND. Cu toate acestea, aportul de energie și aportul relativ de energie au fost mai mari la porcii LBW hrăniți cu dieta HND comparativ cu dieta NND, sugerând că porcii LBW au un model distinct de mecanisme care controlează comportamentul de aport al energiei.

Leptina, un hormon derivat din adipocite care poate pătrunde în creier pentru a regla consumul de alimente și consumul de energie, a fost mai mare în circulația porcilor LBW hrăniți cu dieta HND decât alte grupuri. Împreună cu aportul mai mare de energie, porcii LBW hrăniți cu dieta HND au prezentat simptome de rezistență la leptină. A scăzut SOCS3 expresia genelor și proteinelor ar putea juca un rol în acest proces, pe baza cercetărilor anterioare, care au arătat că reducerea SOCS3 în hipotalamus ar putea induce rezistența la leptină și ar putea modifica echilibrul energetic 34,35 .

Răspunsul inflamator cronic a fost recunoscut ca fiind o cauză comună care poate induce un echilibru energetic neregulat și boli metabolice 36, astfel, pro-inflamatorii TLR4 și IL6 expresia genică a fost investigată în hipotalamus, ficat, adipos și mușchi scheletic. Interesant este că hipotalamicul TLR4 și IL6 Expresia ARNm sa schimbat mai repede la porci în funcție de greutatea la naștere și diete, iar porcii LBW hrăniți cu dieta HND au avut o semnificativ TLR4 și IL6 Expresiile ARNm decât celelalte grupuri de la d 90 sau d 150 din experiment, implicând puternic că răspunsul inflamator hipotalamic a fost implicat în modificările comportamentului de hrănire a porcilor LBW hrăniți cu dieta HND. În plus, expresiile proteice ale NFκB p65 și fosforilarea acestuia, care joacă un rol esențial în răspunsurile inflamatorii și imune, au fost crescute la porcii LBW hrăniți cu dietele HND, confirmând în continuare că porcii LBW au avut un răspuns inflamator mai mare la o dietă HND.

Recent, inflamația hipotalamică a fost propusă ca un nou mecanism de bază care reglementează activitatea neuronală arcuată și comportamentul de hrănire 36,37, iar SOCS3 a fost observat că joacă un rol important în reglarea infecției și inflamației 38. În conformitate cu răspunsul precoce al inflamației hipotalamice, testul IGTT a relevat, de asemenea, că porcii LBW hrăniți cu dieta HND au prezentat o intoleranță mai mare la glucoză decât celelalte grupuri încă din d 83 din experiment, care a fost în acord cu cercetările anterioare care au arătat că inflamația hipotalamusul poate fi activat în condiții obezogene pentru a promova dezechilibrul energetic, corporal și al glucozei 39,40. Aceste dovezi, împreună cu rezultatele acestui studiu, implică faptul că semnalizarea LEPR și SOCS3 se coordonează cu răspunsul inflamator hipotalamic pentru a modifica comportamentul de hrănire și eliminarea postnatală a glucozei la porcii LBW hrăniți cu diete cu densitate nutritivă diferită.

Concluzie

În mod colectiv, aceste rezultate demonstrează că, comparativ cu porcii cu greutate normală la naștere, porcii cu greutate mică la naștere au avut o leptină hipotalamică diferită și un răspuns inflamator la o dietă bogată în nutrienți, ceea ce a contribuit la un aport mai mare de energie și la intoleranță la glucoză.