Харчування матері та ризик ожиріння у нащадків: Троянський кінь пластичності розвитку

Анотація

Вступ

Пластичність під час розвитку ссавців допомагає оптимізувати фенотип до середовища

Хвороба виникає, коли існує невідповідність між пренатальним та постнатальним середовищами

Баркер та його колеги припустили, що фенотипова пластичність може стати неадаптивною та спричинити захворювання у довгостроковій перспективі, якщо існує невідповідність середовища, в якому організм розвивається, та середовища, в якому він виникає [9–12]. Відповідно, миші, що зазнали дієти з низьким (10%), середнім (18%) або високим (36%) білком у внутрішньоутробному періоді та через лактацію, мають нижчі показники виживання через два роки, якщо їх відлучити від дієти, яка відрізнялася від дієти їх матері [ 5]. Баркер назвав цю концепцію "витоками здоров'я та хвороб у розвитку" [9–12].

Фенотипова пластичність та розвиток ожиріння

Хоча в даний час не є поширеною проблемою в індустріальних країнах, нестача їжі була дуже поширеною протягом більшої частини людської історії. Отже, обмеження поживних речовин, як вважають, було потужною силою для людської еволюції, надаючи перевагу людям, які ефективно зберігали калорії в періоди надлишку. Тому вважається, що пластичність органів, що розвиваються, особливо в часи обмеження харчування, сприяла економному метаболічному фенотипу [13, 14]. Походження захворювання, що розвивається, передбачає, що внутрішньоутробне середовище, що сприяє метаболічній ощадливості, в поєднанні з надлишком поживних речовин у дорослого середовища, спричиняє дисфункцію в метаболічних системах, що контролюють прийом і зберігання їжі, і призводить до ожиріння. В останні роки епідеміологічні, клінічні та фундаментальні дослідження встановили взаємозв'язок між харчуванням плода, розвитком жирової тканини, центральним контролем енергетичного балансу та схильністю до ожиріння у дорослому житті.

Використовуючи пластичність розвитку та походження розвитку захворювання як концептуальну основу, ми досліджуємо в цьому огляді, як вплив потомства на обмеження поживних речовин або надлишок внутрішньоутробно та/або через лактацію впливає на розвиток ожиріння в подальшому житті. Ожиріння внаслідок пластичності розвитку, як видається, поширюється на наступні покоління, що викликає занепокоєння з огляду на зростання рівня ожиріння у всьому світі [22, 23]. Незважаючи на те, що в поточному огляді будуть обговорюватися наслідки харчування матері з точки зору виключно білої жирової тканини та порушення метаболізму, Symonds et al [24] пропонують елегантний огляд внутрішньоутробного програмування коричневої жирової тканини.

А) Епідеміологічні докази розвитку людського ожиріння

i. Голландський голод: недоїдання матері під час вагітності впливає на ймовірність розвитку ожиріння у зрілому віці

З жовтня 1944 р. По травень 1945 р. Міста в західних Нідерландах, включаючи Амстердам, страждали від сильного голоду внаслідок ембарго на продовольчі товари, запровадженого нацистським режимом, і неможливості транспортувати їжу замерзлими водними шляхами. Раціон зменшився з 1800 калорій на душу населення в день у грудні 1943 р. До рівня нижче 800 калорій у розпал голодомору з грудня 1944 р. По квітень 1945 р. [25]. Хоча спочатку вагітним і годуючим жінкам давали додаткову їжу, в основі голоду це не могло бути забезпечено. Таким чином, при 800 калоріях жінки отримували приблизно

ii. Вага при народженні плода та ожиріння у дорослих мають J- або U-подібну залежність

Використовуючи вагу при народженні щодо розміру батьків як показник обмеженого або надмірного харчування плода, Парсонс та ін. [32] виявив лінійну залежність між вагою при народженні та ІМТ у віці семи, одинадцяти, шістнадцяти та двадцяти трьох років. У віці тридцяти трьох років, однак, відносини зміщуються у бік J-подібної кривої, при якій як низька, так і висока вага при народженні слабо корелюють з подальшим ожирінням [32]. J- або U-подібна залежність між вагою при народженні та пізніше ІМТ, співвідношенням талії та стегон та відсотком жиру в тілі також була виявлена ​​в численних незалежних дослідженнях (рис. 1) [33–40]. Тим не менше, цей зв’язок не позбавлений суперечок: мета-аналіз п’ятнадцяти епідеміологічних та клінічних досліджень із загальною кількістю

22 000 осіб виявили, що більша, але не нижча вага при народженні пов'язана з підвищеним ризиком зайвої ваги або ожиріння [41]. Враховуючи, що дефіцит харчування має протилежні наслідки для ожиріння дорослих, залежно від строків його вагітності [29], розбіжності в епідеміологічній літературі можуть бути пов'язані з різницею в початку, тривалості та типі дефіциту поживних речовин, а не від самого дефіциту.

харчування

Епідеміологічні дослідження описували J- або U-подібну залежність між вагою при народженні (маркером надмірного харчування плоду) та схильністю до розвитку ожиріння у зрілому віці.

iii. Постнатальний компенсаторний ріст впливає на ожиріння дорослих людей

Розширюючи свої висновки, пов’язані з низькою вагою при народженні та ожирінням [32], Парсонс та його колеги відзначають, що для чоловіків із низькою масою тіла при народженні плода та більшим відсотком їх дорослого зросту до семи років ризик розвитку ожиріння у 33 роки підвищений порівняно з чоловіками з низькою масою тіла при народженні [32]. Ці результати свідчать про те, що ріст плоду в поєднанні з швидким компенсаторним ростом у дитинстві схиляє дітей до ожиріння як дорослих [32]. Відповідно, діти з низькою вагою при народженні та швидким компенсаторним зростанням від нуля до двох років мають більш централізовану жирову тканину у віці п’яти років у порівнянні з іншими дітьми [42]. Подібні результати, пов’язані із швидким компенсаторним ростом та підвищеною сприйнятливістю до діабету 2 типу, були незалежно задокументовані [43, 44]. Можливо, розбіжності, виявлені в літературі [41], пов’язані з низькою вагою при народженні та ожирінням дорослих, можуть бути пов’язані з варіацією компенсаційного зростання «наздоганяючого» або біологічними, соціально-економічними та демографічними факторами, не врахованими в методах дослідження.

Тим не менше, епідеміологічні та клінічні дані спільно підтримують розвиток ожиріння, коли люди піддаються глобальному обмеженню поживних речовин внутрішньоутробно та більш калорійній дієті у зрілому віці [33–40]. Взаємозв'язок між великою вагою при народженні, яка корелює з внутрішньоутробним впливом надлишкової енергії, та ожирінням дорослих суперечить захисному впливу на ожиріння, який може передбачити пластичність розвитку. Швидше, це передбачає, що на додаток до невідповідного середовища внутрішньоутробного та внутрішньоутробного розвитку, аберрантне висококалорійне внутрішньоутробне середовище може поєднуватися з подібним висококалорійним післяпологовим середовищем, викликаючи ожиріння.

Б) Походження ожиріння в моделях на тваринах

i. Глобальне обмеження поживних речовин матері та низький вміст білка під час гестації спричиняють внутрішньоутробне обмеження росту, погіршуючи плацентарний перенос амінокислот

Гіпотрофія матері, включаючи хронічну недостатність енергії та мікроелементів, залишається поширеною у незахідному світі (наприклад, Африка на південь від Сахари), де понад 20% жінок мають ІМТ нижче 18,5 [45]. Низький ІМТ матері пов’язаний з обмеженням внутрішньоутробного росту, і, таким чином, новонароджені часто народжуються меншими для гестаційного віку [46]. Щоб з'ясувати довгострокові наслідки обмеження поживних речовин матері на ожиріння нащадків, у гризунів можна змоделювати внутрішньоутробне обмеження росту, обмеживши споживання під час вагітності збалансованим харчуванням або годуючи повноцінним раціоном з низьким вмістом білка. Хоча ці експериментальні підходи не будуть включені в поточний огляд, обмеження внутрішньоутробного росту також можна моделювати за допомогою фармакологічних (наприклад, підвищений рівень глюкокортикоїдів) або хірургічних (перев'язка маткових артерій) (див. [47] для огляду різних моделей).

Плацента служить харчовим інтерфейсом між циркуляцією матері та плоду через широкий спектр систем транспортування поживних речовин, включаючи плацентарний транспортер глюкози (GLUT3) та нейтральні амінокислотні транспортери (система А). Отже, зміни в плацентарному біологічному бар’єрі можуть впливати на харчовий транспорт і, отже, на розвиток плода. Зокрема, ріст плода сильно залежить від материнської поживності амінокислот, необхідних для синтезу білків під час розвитку [48–52]. Відповідно, щенята гризунів, народжені у матерів на дієті з низьким вмістом білка, обмежували ріст внутрішньоутробно через зменшення транспорту амінокислот через плаценту, що з’являється до самого обмеження [53–55]. Система А також знижується у людей із обмеженим ростом [48–52]. Навпаки, транспорт глюкози, головного джерела енергії для зростаючого плоду, не змінюється ні в низькобілкових [53], ні в глобальних моделях гризунів, обмежених поживними речовинами [56], ні у людей [52]. Відповідно, порушення росту внаслідок обмеження поживних речовин матері в основному пов’язане із зміненим перенесенням амінокислот [48, 49–52].

ii. Внутрішньоутробне обмеження росту через загальний дефіцит поживних речовин або білків у матері викликає ожиріння у дорослих тварин

Таблиця 1

Огляд впливу харчових речовин на жировий фенотип дорослих нащадків

Модель тварин Період впливу харчових речовин на матері Потомство після відлучення жирового фенотипу дорослих порівняно з відповідним статевим контролемPregravidGestationLactationМужчіЖінки
Миші, Щури, Вівцематки, Мавпи ХудийХудий
↑ AT та гіпертрофія адипоцитів [109–111, 113, 132]↑ AT та гіпертрофія адипоцитів [109, 112, 113, 132]
Щури ↑ AT та гіпертрофія адипоцитів [114, 115]↑ AT та гіпертрофія адипоцитів [114, 115, 133]
Миші, Щури ↑ AT та гіпертрофія адипоцитів [116–118, 139]↑ AT [117, 118]
Щури Худий [113, 118]Худий [113, 118]
Щури ↑ AT [118, 137]↑ AT [118, 137]
Щури, Вівцематки, Миші ↑ AT [62, 68–70]↑ AT [68–70]
Миші ↑ AT та гіпертрофія адипоцитів [57, 58, 66, 68, 69, 73, 78]Тенденція/↑ АТ та гіпертрофія адипоцитів [58, 66, 68–70, 73]
Худий [57, 68, 69]Худий [68, 69]
Худий [57, 68, 69]Худий [68, 69]

Контрольна дієта: чорна; Кбезогенна дієта: червона; Дієта з обмеженим вмістом поживних речовин або білка: зелена; AT, жирова тканина