Метаболомика: сравнение метаболической реакции двух фенотипов ожирения на высококалорийную нагрузку

Введение

Так называемая «западная» диета с избытком жиров и рафинированных углеводов является одной из определяющих причин исключительных темпов распространения ожирения.

Ранее было установлено, что:

• Ожирение – гетерогенное в отношении риска сердечно-сосудистых осложнений (ССО) состояние.
• В зависимости от наличия биохимических маркеров метаболического синдрома выделяют 2 фенотипа: метаболически здоровое (МЗО) и метаболически нездоровое (МНЗО) ожирение.
• Люди с МЗО, «защищены» от развития типичных осложнений ожирения: сахарного диабета 2 типа (СД2) и сердечно-сосудистых  заболеваний (ССЗ)
• МЗО и МНЗО различаются по конкретным молекулярным и метаболическим параметрам (а именно профили аминокислот (АК) и жирных кислот (ЖК) натощак)
• Показатели АК, ЖК и воспалительного профилей для МЗО занимали промежуточное положение между таковыми в группах людей с нормальной массой тела (НМТ) и МНЗО
• Площадь под кривой (AUC) для инсулина и глюкозы после ОГТТ в группе МЗО была меньше, чем в группе МНЗО
• После оральной нагрузки липидами, постпрандиальное увеличение триглицеридов (ТГ) (т.е. AUC для ТГ) и показатели воспалительного статуса были ниже у МЗО, чем у МНЗО

Эти данные свидетельствуют за то, что у людей с МЗО:

• сохранна чувствительность к инсулину,
• а значит выше адаптированность к пищевым нагрузкам по сравнению с МНЗО.

Метаболомика – изучает метаболические профили и их изменения в ответ на внешние воздействия.

Важно, что постпрандиальный подъем

• ТГ считается фактором риска развития сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ)
• глюкозы и инсулина считается фактором риска развития сахарного диабета 2 типа (СД2)

Актуальность исследования:

• В свете осознания механизмов, определяющих кардиометаболическое благополучие, изучение реакций организма на пищевую нагрузку представляет собой зону повышенного интереса.
• Большую часть времени современный человек пребывает в состоянии сытости, поэтому изучение метаболических реакций организма именно в ответ на пищевую нагрузку позволит сформулировать представление о состоянии метаболической функции в каждом конкретном случае.
  • Ещё информативнее рассматривать эти адаптационные процессы в динамике.

Цели

1. Выявить отличается ли метаболический ответ на стандартизированный прием пищи в группах НМТ, МЗО и МНЗО;
2. Определить существуют ли конкретные метаболиты (относящиеся к АК или ЖК профилю), которые могут служить предикторами индивидуальной реакции глюкозы и инсулина на пищевую нагрузку.

Материалы и методы

Критерии включения:

1. участники исследования «Оценка риска развития диабета» (Clinicaltrials.gov ID #NCT01884714).
2. возраст от 35 до 70 лет
3. наличие подписанного добровольного согласия

Критерии исключения:

1. наличие хронического аутоиммунного, инфекционного (в частности вирусного) заболевания или рака
2. регулярное потребление алкоголя свыше 2 порций/день (1 порция = 10 г этилового спирта)
3. прием гипогликемических препаратов

30 человек разделены на 3 группы:

• 10 человек с нормальной массой тела (НМТ)
• 10 метаболически здоровых людей с ожирением (МЗО)
• 10 метаболически нездоровых людей с ожирением (МНЗО)

В каждой группе

• 7 женщин
• 3 мужчины

Группы были подобраны с учетом:

• возраста,
• ИМТ и содержания (%) жировой ткани (для групп МЗО и МНЗО).

Метаболический статус оценивался согласно критериям, предложенным Karelis и соавторами, но с учетом половых различий и приема лекарств.

«Метаболическое здоровье» = не менее 3 из нижеперечисленных критериев:

• Общий холестерин < 5.2 ммоль/л
• ЛПНП < 2.6ммоль/л
• ЛПВП > 1.0 ммоль/л для мужчин / > 1.3 ммоль/л для женщин
• ТГ< 1.7 ммоль/л (без приема гиполипидемических препаратов)
• индекс HOMA< 1.95 (без приема гипогликемических препаратов)

Оценка статуса ожирения проводилась на основании пересмотренных значений предложенных Shah и Braverman:

• НМТ < 28кг/м²для мужчин < 24кг/м² для женщин
• Ожирение ≥ 28кг/м² для мужчин ≥ 24кг/м² для женщин

Таблица1. Сравнительная характеристика групп

• Данные представлены в виде значения ± стандартная ошибка.
  • НМТ, группа с нормальной массой тела
  • МЗО, группа метаболически здорового ожирения
  • МНЗО, группа метаболически не здорового ожирения
  • ИМТ, индекс массы тела
  • САД, систолическое артериальное давление
  • ДАД, диастолическое артериальное давление
  • Общ.холест., общий холестерин
  • ЛПНП, липопротеины низкой плотности
  • ЛПВП, липопротеины высокой плотности
  • ТГ, триглицериды
  • HbA1c, гликированный гемоглобин
  • HOMA-IR, гомеостатическая модель оценки резистентности к инсулину
  • HOMA%B, гомеостатическая модель оценки функции β-клеток.

• Для исключения факторов, связанных с образом жизни, участников просили избегать за 48 часов до эксперимента:
  • тяжелых физических нагрузок
  • приема гомеопатических препаратов, препаратов растительного происхождения, БАДов, витаминов
• За 12 часов участники получили стандартизированный замороженный ужин:
  • 1 пшеничная/зерновая булочка,
  • 1 овощное блюдо на выбор (кукуруза, горох, брокколи, морковь, тыква, цуккини, стручковая фасоль),
  • 1 фрукт (яблоко, апельсин, банан, персик, виноград или дыня)
  • 500 мл бутилированной воды.

• Пищевая нагрузка после 12 часового ночного голодания — завтрак из:
  • 2 сосисок
  • 1 яйца
  • Английского маффина
  • Слойки с яблоком
  • ~370мл апельсинового сока
  • Суммарная калорийность ~1330 ккал (жир — 66 г, углеводы 141 г, белок – 42г, клетчатка -5 г).
  • Продолжительность приема пищи до 20 мин.

Взятие крови для определения:

• глюкозы и инсулина: натощак и через 15, 30, 60, 90 и 120 мин после приема пищи
• АК и ЖК натощак и через 120 мин после приема пищи

Биохимический анализ крови:

• Аминокислотный профиль крови определялся электрофорезом в капиллярах и масс-спектрометрией
• Профиль жирных кислот определялся газовой хроматографией (ГХ)
• Для всех метаболитов были рассчитаны постпрандиальные (ПП%) изменения между 0 и 120 минутой

Анализ стандартизированной пищевой нагрузки:

• Определение содержания аминокислот в еде проводилось методом гидролиза в кислой среде гомогенизированного продукта.
• Определение содержания жирных кислот проводилось методом ГХ гомогенизированного продукта.
• Данные по АК и ЖК в продуктах выражались в относительном содержании

Статистический анализ:

• осуществлялся с помощью программы GraphPad Prism 6 (La Jolla, CA, USA).
• Для определения значимой разницы между группами применялись критерий Манна-Уитни и односторонний дисперсионный анализ Краскела — Уоллиса (p<0.05).
• AUC_{суммарная}рассчитывалась по формуле трапеции
• Для всех измеряемых метаболитов и показателей чувствительности к инсулину применялся раздельный регрессионный анализ в прогрмме JMP 11 (SAS, Institute, Cary, NC) с учетом пола, возраста и ИМТ
• Значимость оценивалась после внесения поправки Бонефорри для множественного тестирования (p ≤ 0.01).

Результаты

Реакция АК и их производных

Среди АК в стандартизированном завтраке большую часть составляли

• АК с разветвленной боковой цепью (лейцин, изолейцин, валин), глютаминовая
• килсота+глютамин
• пролин

Концентрация большей части АК (аланин, пролин) и их производных при измерении на 120 минуте увеличилась во всех 3 группах, но некоторых – снизилась (ацетилкарнитин, цитруллин).

При оценке ПП% изменений были получены значимые различия (p < 0.05) по 3 группам для:

• Аспарагина и глютамина — было максимально в группе с НМТ, минимально — в группе МНЗО, для группы МЗО занимали промежуточное значение;
• Цистеина и серина — значимо выше в группе НМТ по сравнению с группами ожирения (разницы между МЗО и МНЗО не получено)
• Соотношения карнитин/ацетилкарнитин значительно увеличилось во всех группах, при этом ПП% изменение было более выражено в группе НМТ. Промежуточные значения были получены для группы МНЗО, минимальные – для МЗО.

Реакция ЖК

Содержание ЖК в стандартизированном завтраке:

• ~38% насыщенные ЖК (преимущественно пальмитиновая (16:0) и стеариновая (18:0))
• ~29% мононенасыщенные ЖК (преимущественно олеиновая (18:1n-9))
• ~17% полиненасыщенные ЖК (преимущественно линолевая (18:2n-6))

В крови определялось 27 ЖК, из них лишь для 4 ПП% изменение  значимо (p < 0.05) отличалось между группами:

• Пальмитолеиновая (16:1n-7) – была значительно ниже в группах ожирения по сравнению с группой НМТ,
• Пальмитолеиновая (18:2n-6) и арахидоновая (20:4n-6) – были значительно ниже в группе МЗО, с максимальным значением в МЗО и промежуточным в НМТ,
• γ-линоленовая (18:3n-6) выше в группах НМТ и МЗО по сравнению с МНЗО.

Связь между начальным уровнем метаболитов и чувствительностью к инсулину

Оценивалась связь между метаболитами и маркеры чувствительности к инсулину

• Натощак (инсулин и глюкоза, HOMA-IR)
• После приема пищи (AUCs для инсулина и глюкозы)

Ни для одной из АК (со значимым ПП% изменением) не было получено данных за наличие корреляции с маркерами чувствительности к инсулину, но выявлены:

• Положительная корреляция между тощаковым изолейцином и тощаковым/постпрандиальным инсулином, а также AUC для инсулина
• Положительная связь между уровнями пролина, лейцина и тощаковым инсулином и тощаковым/постпрандиальным HOMA-IR
• Положительная связь между уровнями пролина, креатина и тощаковой глюкозой

Для ЖК 18:2n-6 (ПП% изменение которой значимо различалось между группами) было получено наличие значимой обратной связи с тощаковой глюкозой.

Для всех прочих ЖК были показаны:

• Для насыщенной ЖК 14:0 – положительная связь с тощаковой глюкозой;
• Для насыщенной ЖК 16:0 с AUC для инсулина;
• Как для 14-и так и 16-углеводные насыщенных ЖК (миристиновые (14:0) и 16:0) – положительная корреляция с HOMA-IR, тощаковым инсулином и AUC для глюкозы;
• Для длинноцепочечных ЖК 18:0 – обратная связь с тощаковой глюкозой
• Для  ЖК (14:1n-5) – положительная корреляция с HOMA-IR, тощаковой глюкозой и AUC для глюкозы;
• Для ЖК 18:1n-9 – положительная связь с тощаковой глюкозой.

Обсуждение

1. Постпрандиальная реакция (т.е., площадь под кривой, AUC) глюкозы и инсулина на пищевую нагрузку не отличалась в группах НМТ и МЗО и была значительно ниже, чем в группе МНЗО (p < 0.05).
2. Были обнаружены небольшие различия в постпрандиальной реакция АК-профиля между людьми с МЗО и с МНЗО
3. Изменение сывороточного уровня полиненасыщенных жирных кислот (линолиновая, γ-линоленовая, арахидоновая кислоты) после пищевой нагрузки было менее выражено в группе МЗО, чем в МНЗО
4. Тощаковые уровни различных АК (особенно аминокислоты с разветвленной боковой цепью) и ЖК (насыщенные миристиновая и пальмитиновая кислоты) коррелировали с AUC глюкозы и инсулина.

Преимущества исследования:

• Высококалорийная пищевая нагрузка намного ближе к реальному характеру питания, чем стандартные нагрузочные тесты
• Точная клиническая характеристика участников, стандартизация пищевой нагрузки, дает высокую степень уверенности в результатах

Ограничения исследования:

• Небольшая выборка
• Ограниченный период наблюдения — 2 часа (возможно необходимо более длительное наблюдение и дополнительные временные точки забора крови для формирования более полного представления о реакции липидного профиля)

Заключение

• У людей с МЗО сохранна чувствительность к инсулину, более того они лучше переносят высококалорийные нагрузки, чем люди с МНЗО.
• Ценность определения постпрандиальных изменений метаболитов состоит в том, что они позволят выявить людей из группы риска, тех, для кого коррекция питания может принести максимальную пользу.
• Необходимы дальнейшие исследования, по изучению состоятельности метаболитов (в особенности АК с разветвлённой боковой цепью), в качестве независимых предикторов индивидуальных постпрандиальной реакции и кардиометаболического риска.

Источник:

1. Badoud F, Lam KP, Perreault M, Zulyniak MA, Britz-McKibbin P, Mutch DM. Metabolomics Reveals Metabolically Healthy and Unhealthy Obese Individuals Differ in their Response to a Caloric Challenge. PLoS One. 2015;10(8):e0134613. doi:10.1371/journal.pone.0134613.