Вплив харчових волокон (пектину) та/або підвищеного вмісту білка (казеїну чи гороху) на ситність, масу тіла, ожиріння та ферментацію сліпої кишки у щурів із ожирінням з високим вмістом жиру, спричинених дієтою

Відділ ожиріння та метаболічного здоров'я, Інститут харчування та здоров'я Роветта, Університет Абердіна, Абердін, Шотландія, Великобританія

Відділ охорони здоров'я кишечника, Інститут харчування та здоров'я Роветта, Університет Абердіна, Абердін, Абердін, Шотландія, Великобританія

Відділ ожиріння та метаболічного здоров'я, Інститут харчування та здоров'я Роветта, Університет Абердіна, Абердін, Шотландія, Великобританія, Відділ охорони здоров'я кишечника, Інститут харчування та здоров'я Роветта, Університет Абердіна, Абердін, Абердін, Шотландія, Великобританія

Клер Л. Адам,
Сільвія В. Грац,
Діана І. Пейнадо,
Лінн М. Томсон,
Карен Е. Сад,
Патрісія А. Вільямс,
Ентоні Дж. Річардсон,
Олександр В. Росс

Цифри

Анотація

Цитування: Адам CL, Gratz SW, Peinado DI, Thomson LM, Garden KE, Williams PA, et al. (2016) Вплив харчових волокон (пектину) та/або підвищеного білка (казеїну чи гороху) на ситість, масу тіла, ожиріння та бродіння сліпої кишки у щурів із ожирінням з високим вмістом жиру. PLoS ONE 11 (5): e0155871. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0155871

Редактор: Міхай Коваса, Західний університет наук про здоров'я, США

Отримано: 16 лютого 2016 р .; Прийнято: 5 травня 2016 р .; Опубліковано: 25 травня 2016 р

Наявність даних: Усі відповідні дані містяться в роботі.

Фінансування: Ця робота фінансувалась урядом Шотландії з питань науки та аналітичних послуг у галузі сільських та екологічних середовищ. Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Вступ

Дієтичні компоненти, здатні посилити ситість і сприяти зниженню ваги, є привабливою пропозицією для лікування ожиріння. Двома макроелементами, які найчастіше асоціюються із підвищеним насиченням, є харчові волокна та білки, однак бракує публікацій, що порівнюють та визначають їх ефективність у пацієнтів із ожирінням. Ці біологічні реакції найбільш корисно та точно визначаються в контрольованих обставинах лабораторних моделей тварин перед тим, як рекомендувати випробування на дієтичному втручанні людини. Таким чином, нещодавно ми продемонстрували, як додавання розчинного ферментованого харчового волокна пектину до дієти з високим вмістом жиру збільшує ситість, зменшує споживання калорій та призводить до втрати ваги (жиру в організмі) у щурів із ожирінням (DIO), викликаних дієтою [1]. У подібній експериментальній парадигмі ми тепер досліджуємо індивідуальні та інтерактивні ефекти додаткового пектину та підвищеного вмісту білка тваринного (казеїну) або рослинного (гороху) походження.

Включення харчових добавок з клітковиною в раціон для людей, які страждають ожирінням, має численні переваги для здоров’я, включаючи підвищену ситість і втрату ваги, але вони не були чітко визначені в літературі [2]. Проте існують вагомі докази збільшення кількості харчових волокон різних типів, що захищають від розвитку гіперфагії та ожиріння у щурів та мишей, які харчуються раціонами з високим вмістом жиру [3–6], і наше попереднє дослідження продемонструвало ефективність добавок харчових волокон пектином для сприяння насиченню., гіпофагія та втрата ваги (жиру) у щурів, які вже страждали ожирінням на початку дієтичного втручання [1]. Збільшення споживання харчових волокон у цих моделях гризунів пов’язане із збільшенням секреції гормонів ситості кишечника, зокрема PYY та GLP-1 [1, 3, 7, 8].

Дієти з високим вмістом білка (тобто з білками, що забезпечують 30–40% харчової енергії) також з’явилися протягом останнього десятиліття як засіб для зниження ваги, причому посилення насичення є ключовим механізмом, що лежить в основі [9–11]. Збільшення споживання дієтичних білків асоціюється із збільшенням вивільнення гормону ситості кишечника PYY у людей та мишей, тоді як екзогенне PYY зменшує гіперфагічне ожиріння, яке спостерігається у мишей-нокаутів PYY [9]. Крім того, щури DIO, яким дієта з високим вмістом білка (52% енергії від білка) протягом 4 тижнів, демонстрували зниження маси тіла та споживання калорій та підвищену концентрацію PYY в циркуляції [12].

Однак нещодавній мета-аналіз виявив стійкі переваги високого вмісту білка для схуднення у людини лише у висококонтрольованих дослідженнях годування, а дорослі дорослі, які живуть вільно, не відповідають дієті [13]. Більше того, тривале надмірне споживання білка шкідливо для здоров'я нирок, як продемонстровано у свиней та щурів, які отримують дієту з 35% енергії з білка [14, 15], і потенційно шкідливо для здоров’я товстої кишки, як показано у щурів [16] та люди [17]. Шкідливий вплив на товсту кишку значною мірою пояснюється зміною режиму бродіння та метаболітів мікробіоти кишечника, коли неперетравлений білок досягає товстої кишки. І навпаки, збільшення споживання харчових волокон сприяє здоровому середовищу товстої кишки, а його протизалежні ефекти пов’язані із сприятливими продуктами бродіння [18]. Отже, існує припущення, що включення достатньої кількості клітковини або стійкого до травлення вуглеводів до дієт для схуднення з високим вмістом білка може протидіяти деяким негативним наслідкам для здоров’я кишечника [17]. У той час як дослідження продуктів ферментації у людей покладається на аналіз фекалій, у цій моделі тварин ми можемо вимірювати концентрації основних продуктів ферментації безпосередньо в товстій кишці, де вони виробляються.

Підводячи підсумок, цей експеримент порівнював окремі та комбіновані ефекти підвищеної харчової розчинної клітковини (пектину) та тваринного (казеїну) або рослинного (горохового) білка у щурів із ожирінням, що спричинені дієтою, молодих дорослих з точки зору споживання їжі, ситості та втрати ваги, склад тіла, циркулюючі гормони ситості та метаболізму та продукти бродіння задніх кишок.

Матеріали і методи

Заява про етику

Усі експериментальні процедури на тваринах відповідали інституційним та національним рекомендаціям щодо догляду та використання тварин. Вони були ліцензовані Законом Великобританії про домашніх служб (наукові процедури), змінений 2012 р., Під ліцензією проекту 60/4282 та затверджені місцевим комітетом з етичного контролю в Університеті Абердіна Роветта, Інститут харчування та здоров'я (номер затвердження 301013CA). Щурів евтаназували декапітацією під загальною інгаляційною анестезією (ізофлуран; IsoFlo, Abbott Animal Health, Maidenhead, Беркшир, Великобританія).

Дієти

Дієти гранулювались у режимі ad libitum на основі очищеного AIN-93 (Американське товариство з питань харчування, Бетесда, Меріленд, США), виготовляли та постачали Special Diet Services Ltd, Witham, Ессекс, Великобританія. Дієта з високим вмістом жиру, дана всім щурам у період вирощування та для однієї групи під час основного експерименту, являла собою стандартну очищену дієту з 45% енергії з жиру (СН). Ця дієта містить 5–6% мас./Нерозчинної харчової клітковини клітковини і забезпечує 20% енергії з білка. В експериментальних дієтах з високим вмістом клітковини, що використовуються тут, целюлоза була замінена на 10% мас./Мас. Розчинного клітковинного пектину (P; Solgar Apple Pectin, Revital Ltd., Ruislip, Middlesex UK), а в експериментальних дієтах з високим вмістом білка вміст білків у харчових продуктах подвоївся, щоб забезпечити 40% енергії їжі (або як стандартний очищений білок казеїну, або як ізолят китайського сирого горохового білка чистотою> 80%, обидва поставляються Special Diet Services Ltd). Були використані наступні 6 очищених експериментальних дієт: дієта з високим вмістом жиру (HF), висока кількість жиру з високим вмістом білка казеїну (HFHC), висока жирність з високим вмістом білка гороху (HFHP), і ці дієти, доповнені пектином (10% мас./Мас. Пектину; HF + P, HFHC + P та HFHP + P відповідно; Таблиця 1).

Тварини та експериментальна процедура

Сорок вісім безпородних самців щурів Sprague Dawley (Charles River Laboratories, Tranent, East Lothian, UK) були вирощені з відлучення до 12-тижневого віку на ВЧ-дієті з метою отримання ДІО. Потім, після 1-тижневої акліматизації в індивідуальному житлі в пластикових клітинах, їм давали експериментальні дієти ad libitum протягом 28 днів (n = 8/група дієти). Експериментальні дієти вводили шляхом змішування 50:50 із СН протягом 1-го дня та збільшення до 100% протягом 3 днів. Вода була доступна за бажанням, режим освітлення був стандартним 12 годин світла і 12 годин темряви, температура була постійною 21 ± 2 ° C, а відносна вологість підтримувалась 55 ± 10%; клітини містили підстилку з кукурудзяного качану, подрібнений папір для гніздування та пластикові тунелі для подальшого збагачення навколишнього середовища. Добровільне споживання їжі вимірювали щодня шляхом зважування з'їденої їжі щоранку, а масу тіла вимірювали двічі на тиждень. Склад тіла вимірювали у свідомих щурів на початку (0-й день) і в кінці (28 днів) експерименту за допомогою магнітно-резонансної томографії (МРТ; EchoMRI 2004, Echo Medical Systems, Х'юстон, Техас, США), яка забезпечувала загальний жир і дані про худу масу.

Після остаточного сканування МРТ щурів евтаназували через 1–3 год після включення світла; їх не постили, а вбивали в природному стані під час світлого періоду, коли їжа не споживалася [26]. Кінцеві (стовбурові) зразки крові збирали в охолоджені пробірки, що містять ЕДТА як антикоагулянт та коктейль з інгібітором пептидази, що містить загальний інгібітор протеази (cØmplete; Roche Diagnostics Ltd, Burgess Hill, Західний Сассекс, Великобританія) та інгібітор дипептидилпептидази-4 (Іле- Pro-Ile; Sigma-Aldrich, Gillingham, Dorset, UK), центрифугували негайно при 3000g протягом 12 хв, потім плазму зберігали при -20 ° C до аналізу. Кишечник розсікали, відразу реєстрували вологу вагу шлунку, тонкої кишки, сліпої кишки та товстої кишки, вимірювали довжини тонкої кишки, сліпої кишки та товстої кишки.

Аналіз плазми

Концентрацію гормону в зразках плазми аналізували комерційними наборами RIA згідно з інструкціями виробника (Merck Millipore, Billerica, MA, США). Загальний GLP-1 вимірювали за допомогою набору GLP1T-36HK, який виявляє всі форми GLP-1 (нижня межа виявлення 3 мкм). Активний GLP-1 не вимірювали, оскільки він має дуже короткий період напіввиведення в плазмі, але вимірювання загального GLP-1 дає точні вказівки загальної секреції GLP-1, оскільки він включає як інтактний гормон, так і його основний метаболіт [27]. . PYY вимірювали за допомогою набору RMPYY-68HK (нижня межа виявлення 15,6 пг/мл), який виявляє обидві циркулюючі біологічно активні форми PYY, а саме PYY (1–36) та PYY (3–36). Лептин вимірювали за допомогою набору RL-83K (нижня межа виявлення 0,6 нг/мл), а інсулін - за допомогою набору RI-13K (нижня межа виявлення 0,08 нг/мл). Концентрації глюкози в плазмі визначали за допомогою автоматизованого аналізатора KONE (метод гексокінази; нижня межа виявлення 0,3 ммоль/л).

Аналіз SCFA сліпої кишки

Концентрації SCFA, що утворюються при бактеріальному бродінні, у вмісті сліпої кишки визначали за допомогою капілярної газової хроматографії, використовуючи метод, розроблений Richardson et al [28]. Коротко кажучи, спочатку зразки розбавляли дистильованою водою (1/4) та додавали 2-етилмасляну кислоту (5 ммоль/л) як внутрішній стандарт. Потім зразки екстрагували в діетиловому ефірі, дериватизували N-трет-бутилдиметилсилил-N-метилтрифторацетамідом та аналізували на капілярних колонках Agilent GC HP-1 для виявлення сукцинату, ацетату, пропіонату, бутирата та жирних кислот з розгалуженим ланцюгом (BCFA). -бутират, валерат та ізо-валерат.

Статистичний аналіз

Вплив дієти на дані про серійну масу тіла та споживання їжі аналізували шляхом повторних вимірювань ANOVA (Загальна лінійна модель (GLM) з часом, дієтою та їх взаємодією як чинниками; Minitab Version 17, Minitab Inc., State College, PA) та ефектами за всіма іншими вимірами двостороннім методом ANOVA (GLM з пектином, білком та їх взаємодією як факторами; Мінітаб 17) з подальшим парним порівнянням Фішера. Кореляція Пірсона була використана для дослідження взаємозв’язків між змінними, де це вказано. P Рис. 1. Маса тіла та споживання їжі.

(a) Вага тіла та (b) щоденний прийом їжі страждаючих ожирінням щурів, що харчуються з високим вмістом жиру (HF), дієтою з високим вмістом жиру з пектином (HF + P), HF з високим вмістом білка казеїну (HFHC), HFHC з пектином (HFHC) + P), СН із високим вмістом горохового білка (HFHP), HFHP з пектином (HFHP + P) протягом 4 тижнів (n = 8 на групу). Статистичний аналіз шляхом повторних вимірювань ANOVA, застосовуваних з 6-го дня і після акліматизації дієти для даних споживання в (b).

Загальний приріст маси тіла та приріст маси жиру зменшувались за допомогою додаткового пектину (як Р Таблиця 2. Вага тіла, склад тіла та споживання їжі 1 .

Щоденне споживання їжі було в порядку зменшення: HF> HFHC> HFHP> HFHP + P = HF + P> HFHC + P (P Таблиця 3. Співвідношення.

Насиченість плазми та метаболічні параметри

Концентрація PYY у плазмі та загальний GLP-1 збільшувались за допомогою додаткового пектину (як Р Рис. 2. Гормони плазми та глюкоза.

Кінцеві плазмові концентрації (a) PYY, (b) загального GLP-1, (c) лептину, (d) інсуліну, (e) глюкози та (f) співвідношення глюкоза/інсулін у щурів DIO, які харчуються з високим вмістом жиру (HF), дієта з високим вмістом жиру з пектином (HF + P), HF з високим вмістом білка казеїну (HFHC), HFHC з пектином (HFHC + P), HF з високим вмістом білка гороху (HFHP), HFHP з пектином (HFHP + P) протягом 4 тижнів (n = 8 на групу). Статистичний аналіз за допомогою двостороннього ANOVA з пектином, білком та їх взаємодією як факторами з подальшим парним порівнянням Фішера. У межах рисунків значення, позначені різними буквами, суттєво відрізняються (P Таблиця 4. Морфологія кишечника 1 .

В цілому вага шлунка позитивно корелював із сукупним споживанням їжі: (g), r = 0,437, P Рис. 3.

Наведені дані не дають однозначних доказів диференціального насичення різними джерелами білка [24, 25]. Прийом їжі пригнічувався гороховим білком, але не казеїном, але жоден з білків не збільшував секрецію гормону ситості PYY. Однак збільшення білка гороху, а не збільшення казеїну, було пов'язано зі зменшенням накопичення жиру в організмі та збільшенням SCFA та BCFA в сліпої кишці. Ці відмінності можна було чітко пояснити різницею в засвоюваності білка, а узагальнення порівняння тваринного та рослинного білків неможливо зробити з цих даних. Казеїн є більш засвоюваним, ніж білок гороху [49], і не було доказів посилення бродіння задніх кишок на дієті з високим вмістом казеїну, тоді як неперетравлений гороховий білок, що досягає товстої кишки, забезпечував субстрат для бродіння.

Дієти, що призвели до посиленого бродіння в цьому дослідженні, мали значний вплив на морфологію кишечника. Таким чином, як дієти з високим вмістом клітковини, так і з білком гороху збільшували розмір сліпої кишки, а комбінація з високим вмістом клітковини та білка гороху мала найбільший (адитивний) вплив на розмір сліпої кишки, ймовірно, відображаючи найбільшу масу ферментуючої мікробіоти. Дієта з високим вмістом клітковини в цьому документі також збільшила розмір тонкої кишки, що може бути пов’язано із зменшенням часу транзиту, оскільки ці ефекти раніше були пов’язані з щурами, які отримували неферментований полісахарид водоростей [50]. Раніше повідомлялося про дозочутливий вплив харчових волокон (пектину) на збільшення очевидно здорової ваги сліпої кишки та тонкої кишки у щурів [31]. Хоча більша вага кишечника сама по собі може бути не обов'язково бажаною, посилене бродіння клітковини в просвіті може створити більш здорове внутрішнє середовище товстої кишки, як обговорювалося раніше. Крім того, вплив діючих дієт на мікробіоти кишечника, безумовно, заслуговує на подальші дослідження, враховуючи відмінності в продуктах бродіння та відомий зв’язок між мікробіотою кишечника та масою тіла [51].

Лептин та інсулін зменшувались відповідно до зменшення відносної маси жиру, що свідчить про поліпшення стану метаболізму, особливо у щурів DIO, що харчуються клітковиною. Однак не було жодних доказів зменшення секреції цих анорексигенних гормонів, що впливає на апетит. Як зазначалося раніше в нашій моделі DIO для щурів, що харчується клітковиною [1], збіг підвищеної секреції анорексигенної PYY, але зниження анорексигенних гормонів лептину та інсуліну вказує на наявність ієрархії впливу. Сигналізація гормону ситості кишечника (PYY) може домінувати над зворотним зв’язком гормону метаболізму з регуляторними шляхами гіпоталамусового апетиту, або може зберігатися центральна стійкість до лептину та інсуліну, пов’язана з DIO [52, 53].

Підводячи підсумок, наші результати вказують на те, що добавки пектину мали найбільш очевидні переваги щодо ситості, маси тіла, складу тіла та бродіння кишечника у щурів із ожирінням, які харчуються дієтою з високим вмістом жиру. Включення горохового білка в дієту з високим вмістом жирів також мало деякі незначні переваги, але поєднання горохового білка та пектину не дало жодної переваги над пектином. Іншими словами, розчинна ферментована клітковина здається ефективнішою, ніж висока кількість білка, для зменшення споживання калорій та ожиріння під час дієти з високим вмістом жиру, а також для створення середовища бродіння, яке, швидше за все, сприятиме здоров’ю задніх кишок. В цілому дані підтверджують концепцію, що багато клітковини може бути кращим, ніж багато білка для здорової втрати ваги при ожирінні.

Подяка

Ми дякуємо співробітникам Університету Абердіна за допомогу MRF за щоденний догляд за експериментальними щурами, масу тіла, споживання їжі та вимірювання МРТ. Ми також дякуємо Аналітичному відділу Інституту харчування та здоров'я Роветта за безпосередній аналіз, визначення глюкози та ГХК SCFA.

Внески автора

Задумав і спроектував експерименти: CLA AWR. Виконував експерименти: CLA SWG DIP LMT KEG PAW AJR AWR. Проаналізовано дані: CLA. Реагенти/матеріали/інструменти для аналізу: CLA SWG DIP LMT KEG PAW AJR AWR. Написав папір: CLA SWG AWR.