Інтегроване розуміння молекулярних механізмів впливу метаболізму жирових тканин на тривале підтримання маси тіла

Анотація

Втручання, спрямоване на спосіб життя, часто демонструє довгострокову неефективність та відновлення ваги. Необхідно терміново визначити основні механізми та прогностичні фактори для виявлення суб'єктів, які отримають користь від стратегій схуднення на основі способу життя. Ми проаналізували 143 дорослих у рандомізованому дослідженні Maintain (Maintain-Adults) після передбачуваної втрати ваги, щоб виявити механізми, що сприяють регулюванню підтримки маси тіла. Неупереджена послідовність РНК біопсій жирових та скелетних м’язів виявила метаболізм жирних кислот як ключовий шлях, модифікований втратою ваги. Варіабельність ключових ферментів цього шляху, оцінки субстратного окислення та специфічні види сироваткового ацилкарнітину (АС), що представляють системний знімок потоку субстрату in vivo, прогнозоване підтримання маси тіла (визначене як безперервне або дихотомізоване [2) були включені до попереднього судового розгляду. фаза схуднення, і 143 учасники (Додаткова таблиця 1А), які втратили щонайменше 8% своєї маси тіла під час фази схуднення, були рандомізовані.

Подібне дослідження проводилось у дітей та підлітків (Maintain-Children) між 2009 і 2015 роками. Дітей та підлітків (n = 137) у віковому діапазоні від 10 до 17 років рандомізували після керованої програми зниження ваги на втручання з підтримання ваги або контрольна група протягом 12 місяців (Додаткова таблиця 1B). Деталі, включаючи протоколи обох випробувань, вже повідомлялися (12,13) і містяться в Додаткових даних.

Вивчати дизайн

Характеристики обох випробувань показані на додаткових рис. 1А та В.

Досудова фаза схуднення

Всі учасники Maintain-Adults проходили стандартизовану програму зниження ваги протягом 12 тижнів. Обмеження калорій було реалізоване стратегією заміни їжі, дієтологічним консультуванням та фізичними вправами. Це втручання передбачало втрату ваги щонайменше на 8%, оскільки, як відомо, це пов’язано зі значними змінами гормональної та метаболічної функцій у людей (11,14,15). Програма зниження ваги «Maintain-Children» проводилася в поєднанні амбулаторних та стаціонарних умов із використанням спеціалізованого центру для схуднення (AHG-Klinik für Kinder und Jugendliche-Beelitz-Heilstätten) з використанням дієтичних рекомендацій, збільшення фізичної активності та психологічної підтримки.

Дванадцятимісячний рандомізований етап підтримки ваги

Суб'єкти, які підтримували дорослих (n = 143; втрата ваги ≥8%), були зараховані до періоду збереження ваги та були розділені на групу втручання та контролю. Суб'єкти контрольної групи більше не брали участі в жодних формах консультування. На відміну від них, протягом наступних 12 місяців у групі втручання проводилося безперервне мультимодальне консультування, присвячене обмеженню калорій, харчуванню, фізичним вправам та психологічній підтримці. Подальші подробиці втручання повідомлялися раніше (3) та містяться в додаткових даних.

Випробовувані діти, які досягли втрати ваги на -0,2 бала BMI SD (BMI-SDS), були рандомізовані у 12-місячну групу втручання (n = 65) або контрольну (n = 72) групу. Учасники інтервенційної групи відвідували 10 модулів інтервенції протягом 12-місячного періоду. Дієтологи та психологи звернулись до питання здорового харчування та здорового способу життя. Модулі втручання були пов’язані з концепцією карти моніторингу способу життя BABELUGA (16). Крім того, всім учасникам було рекомендовано збільшити фізичну активність у спеціалізовані фітнес-студії (Fidelio), які є місцевими постачальниками різнобічних занять та фізичних вправ для дітей та підлітків із зайвою вагою та ожирінням. Учасники контрольної групи отримували звичайну медичну допомогу без будь-якої подальшої підтримки протягом усього року.

Період подальшого спостереження

Після 12-місячного періоду рандомізованого втручання послідував період вільного життя 6 місяців без подальшого активного втручання у всіх суб’єктів. Це подальше спостереження проводилось як утримання дорослих, так і утримання дітей.

Процедура

Комплексне фенотипування проводили до (Т-3) та після (Т0) втрати ваги, через 12 місяців (Т12) після рандомізації та ще через 6 місяців без активного втручання (Т18). Кожен випробовуваний брав участь у 5-денному протоколі. Це включало антропометричну, гормональну та метаболічну оцінки, пероральний тест на толерантність до глюкози та непряму калориметрію (за допомогою Vmax ENCORE; CareFusion Germany 234 GmbH, Höchberg, Німеччина) у стані голодування. Крім того, при Т-3 і Т0 проводили 24-годинний збір сечі, гіперинсулінеміко-еуглікемічні затискачі та біопсії з підшкірної жирової тканини та скелетних м’язів. Усі учасники отримали дієтичну рекомендацію щодо збалансованого споживання енергії протягом 3 днів до фенотипування. Фенотипування "Maintain-Children" включало антропометричну, гормональну та метаболічну оцінки та пероральний тест на толерантність до глюкози. Процедури фенотипування докладно описані в Додаткових даних.

Лабораторні випробування

Лабораторні аналізи проводились із застосуванням усталених методів. Детальна інформація, включаючи коефіцієнти варіації між- та внутрішньоаналітичного аналізу, наведена у додатку. Види ацилкарнітину (АС) оцінювали у зразках плазми за допомогою рідинної хроматографії - тандемної мас-спектрометрії з використанням комерційно доступного набору MS (амінокислоти MassChrom та ацилкарнітини; Chromsystems, Мюнхен, Німеччина), як описано раніше (17,18).

Зразки тканин аналізували шляхом секвенування РНК із використанням системи HiSeq 2000 (TruSeq SBS Kit-Hs 200 циклів; Illumina, Сан-Дієго, Каліфорнія) (детальніше див. Додаткові дані).

Статистичний аналіз

Зміни, характерні для тканин під час схуднення

Безстороннє цілісне транскриптомне профілювання проводили в підшкірній жировій тканині 75 учасників та скелетних м’язах 87 учасників до та після періоду схуднення. Цей аналіз виявив зміни, спричинені втратою ваги, 8388 транскриптів у жировій тканині та 134 транскриптів у скелетних м’язах (рис. 1). Десатураза жирних кислот 1 була найбільш суттєво зміненим геном жирової тканини, і особливо 4 з 10 найкращих диференційовано експресованих жирових генів брали участь у метаболізмі жирних кислот (Таблиця 1).

Індуковані втратою ваги зміни експресії генів у скелетних м’язах (A) та жировій тканині (B). Диференціально експресовані гени скелетних м’язів (А) та жирової тканини (В) протягом 12-тижневого періоду схуднення. Зміна часового згину вказує на зміну часового згину диференційовано виражених генів (червоні точки), а logCPM вказує журнал підрахунків на мільйон. Чорні точки вказують на гени, які не були диференційовано виражені.

Індуковані втратою ваги зміни експресії жирового гена (топ 10)

Ієрархічна кластеризація експресії генів після втрати ваги генів, сильно змінених втратою ваги, виявила значну кластеризацію декількох стенограм (рис. 2). Це явище чітко не спостерігалося в скелетних м'язах. Оскільки спостережувана кластеризація може відображати зміни конкретних шляхів, спричинені втратою ваги, ми прагнули виявити шляхи, модифіковані за рахунок зменшення маси тіла. Тому був проведений аналіз збагачення наборів генів із використанням повного набору даних про експресію. Відповідно до вищезазначених результатів аналізу одного гена, шлях KEGG «біосинтез ненасичених жирних кислот» входив до п’ятірки змінених шляхів жирової тканини (часові зміни складки = −0,45; P = 2,53 × 10 −11) (Таблиця 2). Відомо, що інші шляхи, виявлені цим аналізом, не беруть участь в енергетичному обміні, і що більш важливо, жоден кластер окремих генів, що беруть участь у цих шляхах, не може бути ідентифікований за допомогою аналізу одного гена. Примітно, що ми не виявили суттєво змінених шляхів у скелетній м’язовій тканині за допомогою аналізу збагачення наборів генів.

Ієрархічна кластеризація кореляційних зв’язків Спірмена між парами жирових (A) та м’язових (B) транскриптів після зменшення ваги (T0), які були модифіковані за рахунок втрати ваги. Розшифровки впорядковуються відповідно до виконаної кластеризації. Синій (позитивний) та червоний (негативний) кольори вказують на силу та напрямок кореляції транскрипт-транскрипт. У жировій тканині для поліпшення візуалізації відбирали лише гени із зміною часової складки> 0,5. Ієрархічна кластеризація була застосована до групових стенограм на основі подібності їх профілю виразу у цьому наборі даних.

Індуковані втратою ваги зміни шляхів KEGG (п’ятірка)