Nutukimas, atsparumas insulinui ir skeleto raumenų funkcija

27 213 m. Žmogiškųjų išteklių pl tros veiksmų programos 3 prioriteto Tyr jų geb jimų stiprinimas VP1-3.1-ŠMM-5-K priemon s MTTP tematinių tinklų, asociacijų veiklos stiprinimas projektas Lietuvos biochemikų draugijos potencialo kurti žinių visuomenę didinimas (NR. VP1-3.1-ŠMM-5-K-1-22) Nutukimas, atsparumas insulinui ir skeleto raumenų funkcija 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. Priežastys: Susilpn jęs insulino poveikis periferiniuose audiniuose (i.e. atsparumas insulinui). Negaminamas insulinas. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 1

Cukrinis diabetas Skiriami du tipai: I tipo (~1%) Paprastai autoimunin liga, sunaikinamos insuliną gaminančios kasos β-ląstel s. Liga pasireiškia ankstyvame amžiuje. II tipo (~9%) lemiantys veiksniai: genetiniai, gyvenimo būdo (mažas fizinis aktyvumas, dieta nutukimas), kultūriniai. Paprastai išsivysto vyresnio amžiaus žmon ms (tendecija jaun ti). Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 2

II tipo diabeto epidemiologija Diabetu sergančių in ndividų skaičius (Milijon nai) Išsivysčiusios šalys Amžiaus grup (Metai) 171 milijonas 2 m. 366 milijonai 23 m. Besivystančios šalys Wild et al. (24) Diabetes Care. 27(5):147-153. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 3

Gliukoz s homeostaz Gliukoz s homeostaz s sutrikimas lemia cukrinio diabeto išsivystymą Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 4

Gliukoz s homeostaz Priežastys, d l kurių skeleto raumenys vaidina svarbų vaidmenį gliukoz s homeostaz s palaikyme: Skeleto raumenys sudaro 4-5% suaugusio žmogaus kūno mas s. Skeleto raumenys sunaudoja ~5% su maistu gautos gliukoz s. (Basu et al. (21) Diabetes 5:1351-1362) Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 5

Skeleto raumens struktūra Raumuo Aktinas Miozinas Raumeninių skaidulį pluoštelis Storasis filamentas Plonasis filamentas Miofibril Miofilamentai Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 6

Raumeninių skaidulų tipai L tos oksidacin s Greitos oksidacin s-glikolitin s Greitos glikolitin s Skaidulų tipai I II A II X II B Metabo olin s Mechanin s Oksidacinis paj gumas Didelis Didelis Vidutinis Mažas Glicolitinis paj gumas Mažas Didelis Didelis Didelis 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 Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 7

Skeleto raumens atsparumas insulinui Lowell BB & Shulman GI. Science 25 37:384-387. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 8

Skeleto raumens atsparumas insulinui Modelin tyrimų sistema - graužikai (žiurk s, pel s). Ypač dažnai naudojama tiriant su nutukimu susijusio atsparumo insulinui atsiradimo mechanizmus. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 9

Skeleto raumens atsparumas insulinui Ankstyvi daug riebalų turinčios dietos sukelti pokyčiai graužikų skeleto raumenyse: Riebalų rūgščių β-oksidacijos stimuliacija mitochondrijose. (Turner et al. (27) Diabetes 56:285-92; van den Broek et al. (21) FASEB J. 24:1354-64) Mitochondrijų biogenez s stimuliacija. (Hancock et al. (28) PNAS. 15:7815-2; van den Broek et al. (21) FASEB J. 24:1354-64) Padid jęs mitochondrijų oksidacinio fosforilinimo sistemos fermentų raiškos lygis. (De Wilde et al. (28) Physiol.Genom. 32:36-9) Padid jęs miozino sunkiosios grandin s l tos izoformos raiškos lygis. (De Wilde et al. (28) Physiol.Genom. 32:36-9) Daug riebalų turinčios dietos sukelia raumeninių skaidulų kompozicijos pokytį (glikolitin s oksidacin s)? Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 1

Tyrimų tikslas Nustatyti skirtingų daug riebalų turinčių dietų poveikį skeleto raumens susitraukimo rodikliams. Nustatyti ar šis poveikis yra susijęs su raumeninių skaidulų kompozicijos pokyčiu. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 11

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). 21 Mar 27;7:24.) Mažai riebalų turinti dieta (; 1 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)) Stearato (C18:) koncentracija dietose: HFD L 15.% HFD PO 4.4% HFD POS 13.9% Tristearinas (glicerolio tristearatas) Trukm : 5 savait s Atsparumas insulinui periferiniuose audiniuose (S. van den Berg et al. Nutr Metab (Lond). 21 Mar 27;7:24.) Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 12

Metodai: Tiriami raumenys Musculus Extensor digitorum longus (EDL) Sudarytas iš greitų-glikolitinių (II tipo) skaidulų. LaFramboise et al. J Mol Cell Cardiol. 23 35:137 1318. Musculus Soleus (SOL) Mišrus raumuo, sudarytas iš l tų-oksidacinių ir greitų-glikolitinių ( I / II tipo) skaidulų. Jackaman et al. Cell Motil Cytoskeleton. 27, 64: 914 925; LaFramboise et al. J Mol Cell Cardiol. 23, 35:137 1318. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 13

Metodai: Miografija Duomenys (LabVIEW) J gos Force matuoklis Harvard transducer Aparatus Elektrinis Electrical stimulas stimulus Platinos elektodas Platinum electrode Eksperimento sąlygos: Oksigenuotas (95% O 2 / 5% CO 2 ) Krebso-Ringerio tirpalas ph 7.4 T = 2 C Krebso-Ringerio Tissue Bath tirpalas Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 14

Metodai: Stimuliacijos protokolas Vieno pulso stimuliacija sukelianti vienkartinį (angl. twitch) susitraukimą (vienas veikimo potencialas vienas susitraukimas). Stimuliacijos sąlygos: maksimali įtampa (52 V), pulso trukm 2 ms. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 15

Metodai Raumens susitraukimo rodikliai 3 Maksimali j ga 2.5 2 Jëg ga 1.5 1.5 Susitraukimo trukm.2.4.6.8 1 1.2 Laikas Atsipalaidavimo trukm Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 16

Rezultatai HFD (L) HFD (PO) HFD (POS) Kūno mas (g) (t = ) 25.3 ±.4 25.8 ±.3 25.1 ±.4 24.7 ±.3 Kūno mas (g) (t = 5 savait s) 26.1 ±.5 3.2 ±.4** 31.1 ±.6** 31.6 ±.8** Suvartotas maistas (kcal) 536.1 ± 1.4 455. ± 3.8** 479.1 ± 8.3* 511.9 ± 7.3 EDL raumens mas (mg) 1.4 ±.4 1.2 ±.2 1.8 ±.2 1.7 ±.2 SOL raumens mas (mg) 7. ±.2 7.7 ±.2* 7.6 ±.2 8.1 ±.2* Gliukoz kraujyje (mm) 4.5 ±.3 7.3 ±.4* 7.3 ±.2* 7.4 ±.2* Insulinas plazmoje (pm) 66.1 ± 12.9 123. ± 1.6* 127.2 ± 12.2* 123.7 ± 11.7* Trigliceridai plazmoje (mm).68 ±.4.94 ±.2*.86 ±.1* 1. ±.1* Laisvos riebalų rūgštys plazmoje (mm).31 ±.2.55 ±.7*.42 ±.4*.43 ±.4* Duomenys: Vidurkiai ± SEM; n=16 grup je Rodikliai palzmoje n=8 grup je *P<.5 vs. **P<.1 vs. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 17

Rezultatai Daug riebalų turinčios dietos sukelia nutukimą ir sutrikdo gliukoz s homeostazę HFD (L) HFD (PO) HFD (POS) Kūno mas (g) (t = ) 25.3 ±.4 25.8 ±.3 25.1 ±.4 24.7 ±.3 Kūno mas (g) (t = 5 savait s) 26.1 ±.5 3.2 ±.4** 31.1 ±.6** 31.6 ±.8** Suvartotas maistas (kcal) 536.1 ± 1.4 455. ± 3.8** 479.1 ± 8.3* 511.9 ± 7.3 EDL raumens mas (mg) 1.4 ±.4 1.2 ±.2 1.8 ±.2 1.7 ±.2 SOL raumens mas (mg) 7. ±.2 7.7 ±.2* 7.6 ±.2 8.1 ±.2* Gliukoz kraujyje (mm) 4.5 ±.3 7.3 ±.4* 7.3 ±.2* 7.4 ±.2* Insulinas plazmoje (pm) 66.1 ± 12.9 123. ± 1.6* 127.2 ± 12.2* 123.7 ± 11.7* Trigliceridai plazmoje (mm).68 ±.4.94 ±.2*.86 ±.1* 1. ±.1* Laisvos riebalų rūgštys plazmoje (mm).31 ±.2.55 ±.7*.42 ±.4*.43 ±.4* Duomenys: Vidurkiai ± SEM; n=16 grup je Rodikliai palzmoje n=8 grup je *P<.5 vs. **P<.1 vs. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 18

Rezultatai: EDL raumens susitraukimo rodikliai Maksimali j ga Susitraukimo trukm Atsipalaidavimo trukm Tension (N/g) 8 7 6 5 4 3 2 1 Contraction time (m ms) 3 25 2 15 1 5 Relaxation time (m ms) 16 14 12 1 8 6 4 2 * * * Vienkartinis susitraukimas Duomenys: Vidurkis ± SEM; n=8 grup je P<.5 vs. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 19

Rezultatai: EDL raumens susitraukimo rodikliai Daug riebalų turinčios dietos ilgina EDL atsipalaidavimo trukmę Maksimali j ga Susitraukimo trukm Atsipalaidavimo trukm Tension (N/g) 8 7 6 5 4 3 2 1 Contraction time (m ms) 3 25 2 15 1 5 Relaxation time (m ms) 16 14 12 1 8 6 4 2 * * * Vienkartinis susitraukimas Duomenys: Vidurkis ± SEM; n=8 grup je P<.5 vs. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 2

Rezultatai: SOL raumens susitraukimo rodikliai Maksimali j ga Susitraukimo trukm Atsipalaidavimo trukm Tension (N/g g) 6 5 4 3 2 1 $ * * Contraction time (ms) 6 5 4 3 2 1 (ms) Relaxation time 6 5 4 3 2 1 $ * Vienkartinis susitraukimas Duomenys: Vidurkis ± SEM; n=8 grup je P<.5 vs. ; $ P=.6 vs. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 21

Rezultatai: SOL raumens susitraukimo rodikliai Daug riebalų turinčios dietos mažina maksimalią susitraukimo j gą ir trumpina atsipalaidavimo trukmę soleus raumenyje Maksimali j ga Susitraukimo trukm Atsipalaidavimo trukm Tension (N/g g) 6 5 4 3 2 1 $ * * Contraction time (ms) 6 5 4 3 2 1 (ms) Relaxation time 6 5 4 3 2 1 $ * Vienkartinis susitraukimas Duomenys: Vidurkis ± SEM; n=8 grup je P<.5 vs. ; $ P=.6 vs. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 22

Tyrimų tikslas Nustatyti skirtingų daug riebalų turinčių dietų poveikį skeleto raumens susitraukimo rodikliams. Nustatyti ar šis poveikis yra susijęs su raumeninių skaidulų kompozicijos pokyčiu. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 23

L tos oksidacin s Greitos oksidacin s-glikolitin s Greitos glikolitin s Skaidulų tipai I II A II X II B Metabolin n s Oksidacinis paj gumas Didelis Didelis Vidutinis Mažas Glicolitinis paj gumas Mažas Didelis Didelis Didelis 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 Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 24

L tos oksidacin s Greitos oksidacin s-glikolitin s Greitos glikolitin s Skaidulų tipai I II A II X II B Metabolin n s Oksidacinis paj gumas Didelis Didelis Vidutinis Mažas Glicolitinis paj gumas Mažas Didelis Didelis Didelis 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 Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 25

Rezultatai: Oksidacinio fosforilinimo sistemos fermentai EDL raumenyje Daug riebalų turinčios dietos didina kv pavimo grandin s fermentų ir ATP sintaz s raiškos lygį Complex I Complex II Complex III Complex IV ATP synthase ANT GAPDH HFD(L) HFD(PO) HFD(POS) Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 26 Protein expre ession (A.U.) 2.5 2 1.5.5 3 1 Complex I * ** * * Tai greičiausiai yra susiję su mitochondrjų β-oksidacijos stimuliacija, bet ne su mitochondrijų tankio pokyčiu. Complex II Complex III * Complex IV * * ATP synthase ** A ANT

Rezultatai: Oksidacinio fosforilinimo sistemos fermentai Soleus raumenyje Oksidacinio fosforilinimo sistemos fermentų raiškos lygis nepakito Mitochondrijų tankis nepakito HFD(L) HFD(PO) HFD(POS) Complex I Complex II Complex III Complex IV ATP synthase ANT Protein express sion (A.U.) 1.6 1.4 1.2 1.8.6.4.2 B GAPDH Complex I Complex II Complex III Complex IV ATP synthase ANT Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 27

L tos oksidacin s Greitos oksidacin s-glikolitin s Greitos glikolitin s Skaidulų tipai I II A II X II B Metabolin s Oksidacinis paj gumas Didelis Didelis Vidutinis Mažas Glicolitinis paj gumas Mažas Didelis Didelis Didelis 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 Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 28

Rezultatai: Citrato sintaz s aktyvumas Citrato sintaz s aktyvumas nepakito mitochondrijų tankis nepakito CS activity (nmol..min -1.mg protein -1 ) 25 2 15 1 5 EDL SOL Citrato sintaz : - Trikarboksilinių rūgščių ciklo fermentas; - Jos aktyvumas atspindi mitochondrijų tankį. Duomenys: Vidurkia ± SEM; n=6 grup je Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 29

L tos oksidacin s Greitos oksidacin s-glikolitin s Greitos glikolitin s Skaidulų tipai I II A II X II B Metabolin s Oksidacinis paj gumas Didelis Didelis Vidutinis Mažas Glicolitinis paj gumas Mažas Didelis Didelis Didelis 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 Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 3

Rezultatai: Miozino sunkiųjų grandinių kompozicija Daug riebalų turinčios dietos nekeičia miozino sunkiųjų grandinių kompozicijos IIa/x IIb I EDL Soleus HFD(L) HFD(PO) HFD(POS) HFD(L) HFD(PO) HFD(POS) 1 8 B 1 8 C 6 6 4 4 2 2 IIa/x IIb I MHC isoform IIa/x IIb I MHC isoform Duomenys: Vidurkia ± SEM; n=6 grup je Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 31

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, Miozino sukiųjų grandinių raiškos profilis. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 32

Rezultatai Kaip paaiškinti dietų poveikį maksimaliai susitraukimo j gai soleus raumenyje? EDL Soleus Maksimali j ga Maksimali j ga Tension (N/ /g) 8 7 6 5 4 3 2 1 Tension (N N/g) 6 5 4 3 2 1 $ * * Vienkartinis susitraukimas Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 33

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. 276:1162-7) Kūno svoris ir mityba gali moduliuoti TnT izoformų raiškos lygį ir kompoziciją. (Marden et al. (28) J. Exp. Biol. 211:3653-6) Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 34

Rezultatai: Troponinas T EDL TnT FS HFD(L) HFD(PO) HFD(POS) TnT expression (A A.U.) TnT SS 2.5 2 1.5 1.5 * A TnT FS TnT SS TnT FS greita skeleto raumenų izoforma TnT SS l ta skeleto raumenų izoforma Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 35

Rezultatai: Troponinas T Daug riebalų turinčios dietos mažina TnT FS, bet didina TnT SS raiškos lygį soleus raumenyje EDL Soleus HFD(L) HFD(PO) HFD(POS) HFD(L) HFD(PO) HFD(POS) TnT FS TnT FS TnT SS TnT SS TnT expression (A A.U.) 2.5 2 1.5 1.5 * A TnT expression (A A.U.) 2.5 2 1.5 1.5 * * * * * B TnT FS TnT SS TnT FS TnT SS TnT FS greita skeleto raumenų izoforma TnT SS l ta skeleto raumenų izoforma Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 36

Rezultatai: Troponinas T TnT izoformų raiškos lygio pokytis gal tų lemti maksimalios susitraukimo j gos sumaž jimą soleus raumenyje Soleus Tension (N/g) 6 5 4 3 2 1 Soleus Maksimali j ga $ * * TnT FS TnT SS TnT expression (A A.U.) 2.5 2 1.5 1.5 HFD(L) HFD(PO) HFD(POS) * * * * * B TnT FS TnT SS TnT FS greita skeleto raumenų izoforma TnT SS l ta skeleto raumenų izoforma Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 37

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 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. Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 38

Pad ka Eindhoven University of Technology Department of Biomedical Engineering Biomedical NMR group Jeroen Jeneson Biomodeling group Willemijn Groenendaal Joep Vanlier Leiden University Medical Center Department of Human Genetics Ko Willems van Dijk Sjoerd van den Berg Biomedical NMR 15-3-211 PAGE 42