Ця конференція розповість про окислення жиру в скелетних м’язах, про те, як цей процес змінюється при ожирінні та про те, які втручання можна проводити для його поліпшення.

порушення

Феномен метаболічна гнучкість

Поглинання глюкози скелетними м’язами вивчали за допомогою технології PET (позитронно-емісійна томографія), яка показала, що при застосуванні глюкози існує метаболічна гнучкість, з мінімальними показниками засвоєння та накопичення глікогену під час голодування та великим збільшенням ці показники у відповідь на інсулін. У стані голодування скелетні м’язи мають дуже високе поглинання жирних кислот: частка, що витягується за один прохід через скелетний м’яз, становить близько 40%, що є дуже високим порівняно з 1% екстракцією глюкози за тих самих умов; Ця залежність від жиру скелетних м’язів дозволяє організму зберігати глюкозу на користь мозку та уникати гіпоглікемії під час голодування та фізичних вправ.

Велика м’язова залежність від окислення жиру як джерела енергії при нормальному голодуванні відображається на значеннях дихального коефіцієнта (CR), що є результатом взаємозв’язку між виробництвом вуглекислого газу та споживанням кисню і вказує який Це паливо, яке організм використовує в даний момент часу. Його значення низьке при звичайному голодуванні, що свідчить про те, що ви спалюєте переважно жир; З іншого боку, у осіб із цукровим діабетом 2 типу, незважаючи на те, що більшість із них мають надлишкову вагу і мають високий рівень циркулюючих жирних кислот, коефіцієнт є високим через дефект окислення жиру.

Рисунок 1 ілюструє, що відбувається в нормальних фізіологічних умовах у худорлявих осіб із вимірюванням КР в нозі (LegRQ) з технікою RQ (затискач), інакше кажучи, зміни CR під час затиску. CR дуже низький натщесерце, що представляє залежність від окислення жиру, однак при введенні інсуліну стимулюється поглинання глюкози, пригнічується окислення жиру, а м’язи починають залежати майже виключно від окислення глюкози, так що CR змінюється від початкове значення 0,8 до приблизного значення 1,0.

При цукровому діабеті 2 типу спостерігаються дві аномалії: по-перше, під час голодування не існує залежності від окислення жиру, явище, яке є захоплюючим, саме тому, що для згоряння доступна велика кількість жиру, що означає, дефект всередині тканини, або для отримання жиру з плазми, що насправді не так, або для внутрішньоклітинного розподілу жиру для окислення. По-друге, цей дефект у використанні жиру зберігається перед стимуляцією інсуліном. Рисунок 2 ілюструє втрату адаптації, гомеостазу та реагування на стан голодування та інсулінової стимуляції, які спостерігаються при цукровому діабеті.

У ожиріння спостерігається метаболічна негнучкість, що проілюстровано на малюнку 3, де показано, що нормальний м’яз має велику здатність переходити від свого режиму окислення палива, залежно від того, що суб’єкт щойно з’їв або перебуває у стані голодування., тоді як при ожирінні ця гомеостатична здатність втрачається. Інтерніст завжди розглядає хронічні захворювання як сутності, при яких відбувається втрата фізіологічних резервів: як застійна серцева недостатність, так і емфізема або хронічна ниркова недостатність характеризуються критичною втратою гомеостатичної здатності; У цьому контексті слід також думати про резистентність до інсуліну, яка з’являється при ожирінні, як про втрату фізіологічного резерву, з точки зору здатності перемикатися між різними видами палива.

На малюнку 4 показані результати гістологічних досліджень, проведених шляхом фарбування олійно-червоним O (ORO), який забарвлює жир і дозволяє його розглядати як червоні краплі всередині м’язових волокон, що також можна спостерігати за допомогою комп’ютерної томографії у вигляді неінвазивна, або з магнітно-резонансною спектроскопією, серед багатьох інших методів, які можна використовувати. Усі вони показують, що вміст жиру в м’язах збільшується при інсулінорезистентності, ожирінні та діабеті. Видно, що вміст жиру в м’язових волокнах у кілька разів вищий при ожирінні та цукровому діабеті ІІ типу; білі смужки показують, що помірне зниження ваги, від 10 до 15%, пов’язане зі зменшенням внутрішньом’язового жиру.

Обчислювальний аналіз зображень дозволяє кількісно визначити вміст жиру; Очікується, що волокна типу I мають більше жиру, ніж волокна типу II, і саме це спостерігається, але в межах кожного типу клітковини особи, які страждають ожирінням і мають діабет II типу, мають більше жиру в волокнах типу I, типу II та типу IIb . Що стосується мітохондріальної активності, за визначенням волокна типу I повинні мати високий ступінь активності порівняно з волокнами II, і це саме те, що спостерігається, але особи з ожирінням та діабетом II типу знижують активність мітохондрій у кожному тип волокна (рисунок 6).

Це призвело до більш детального аналізу мітохондріальної активності, щоб з’ясувати, чи є різниця між ожирінням та діабетом типу 2. На рисунку 7 представлений електронний мікроскоп на зображенні мітохондрії між міофібрилами скелетного м’яза, а також невеликою краплею жиру, що є важливим паливом; Ця морфологія зовсім інша для діабетичного м’язового волокна типу 2 праворуч, коли мітохондрій менше, а жиру більше.

Показано, що менші розміри мітохондрій корелюють із вираженістю резистентності до інсуліну. Графік на малюнку 8 показує здатність інсуліну стимулювати метаболізм жиру в організмі; Як бачимо, особи з високою чутливістю до інсуліну мають, як правило, більші мітохондрії, ніж ті, що мають резистентність до інсуліну.

Таким же чином при визначенні активності NADH-оксидази в ізольованих мітохондріях від скелетних м'язів спостерігається, що менший розмір мітохондрій пов'язаний з меншою активністю цього ферменту. Відомо, що це відображає активність ланцюга транспорту електронів, який значно знижується при ожирінні, навіть більше, якщо додати діабет 2 типу (див. Малюнок 9). Цей ступінь зменшення не є тим, що зазвичай спостерігається при спадкових захворюваннях мітохондрій, при яких дефекти значно помітніші, тобто це не є основними аутосомно-рецесивними або домінантними спадковими дефектами, типовими для мітохондріальної хвороби; але ці дисфункції від 20% до 30% піддають м’язи накопиченню жиру з часом.

В останні роки ми намагалися вивчити резистентність до інсуліну з точки зору клітинної біології, щоб зрозуміти природу пошкодження на мітохондріальному рівні. Одна з можливостей полягає в тому, що спостерігається зменшення кількості мітохондрій, яке можна визначити шляхом вимірювання вмісту ДНК мітохондрій по відношенню до вмісту ядерної ДНК у м’язі, показник, який, як видається, значно знижений, близько 30% . Однак при аналізі функціональної активності мітохондрій спостерігається більше зменшення, ніж відповідне зменшенню вмісту мітохондріальної ДНК; отже, крім зменшення кількості мітохондрій, існувала б мітохондріальна дисфункція (Ritov et al., Діабет 2005).

Інший підхід полягає в аналізі генетичного впорядкування (Мікрочипи ДНК). В останні роки з’явилося кілька важливих публікацій про взаємозв’язок між закономірностями генетичної експресії скелетних м’язів у хворих на цукровий діабет 2 типу та у осіб, які мають ризик розвитку цього захворювання. Одне з цікавих висновків, отриманих під час цих аналізів, полягає в тому, що найбільш послідовна закономірність узгоджується із зміною експресії генів окисного фосфорилювання, що підтверджує концепцію, що резистентність до інсуліну пов'язана з енергетичним дисбалансом (Vamsi K Mootha та ін. Nature Genetics, червень 2003). У цьому випадку в м’язі виникають деякі незначні відхилення, які після тривалого впливу тканини на накопичення жиру генерують резистентність до інсуліну.

Вплив втручань

Звичайно, робота лікаря полягає не тільки в тому, щоб поставити хороший діагноз і зрозуміти патофізіологію, але також втрутитися та розробити ефективні методи лікування. У цьому контексті наша група провела деякі додаткові дослідження, щоб визначити наслідки втрати ваги самостійно, без фізичної активності, та втрати ваги в поєднанні з фізичною активністю, використовуючи програму, подібну до тієї, що використовується в Програмі профілактики діабету, що проводиться в США. і складається з вправ середньої інтенсивності та досягнення втрати ваги на 5-10% від початкової ваги. Крім того, була проаналізована третя група, яка втручалася лише вправами.

Це останнє дослідження було проведено Goodpaster у людей похилого віку і показало дуже хороший вплив на скелетну мускулатуру, оскільки вміст ДНК мітохондрій збільшився на 60%, як і активність електронно-транспортного ланцюга та кардіоліпіну. Необхідно пам’ятати, що кардіоліпін - це унікальний фосфоліпід внутрішньої мітохондріальної мембрани, таким чином, що його вміст відображає кількість внутрішньої мітохондріальної мембрани, яка є тією, що містить електронно-транспортний ланцюг та компоненти, що виробляють енергію; це хороший спосіб кількісно визначити кількість мітохондрій у зразку м’язової біопсії. У цьому дослідженні люди посилювали окислення жиру під час фізичних вправ і виявляли проліферацію мітохондрій, відповідь, яка, ймовірно, важлива для схуднення і ще важливіша для підтримки втрати ваги.

Зіткнувшись лише з втратою ваги, без пов’язаних фізичних навантажень, з точки зору загального метаболізму в організмі відбувається кілька цікавих речей, але з точки зору здатності окислення жиру вплив не такий великий. Це зменшує вміст внутрішньоклітинних ліпідів як частину загальної втрати ваги, оскільки покращує метаболізм глюкози та реакцію на інсулін; але кількість мітохондрій або здатність до окислення жиру не змінюється (рис. 11). Це означає, що, якщо ці люди не зможуть підтримувати обмежене споживання калорій, вони з великою часткою ймовірності будуть накопичувати жир всередині м’язів; тобто вони мають значний ризик повернути втрачену вагу. Як уже зазначалося, вони покращують окислення глюкози у відповідь на інсулін, тобто покращують толерантність до глюкози та гіперглікемію.

В іншій групі проводився такий самий тип втручання, але цього разу людям пропонувалося ходити від півтора до години з помірною швидкістю, крім того, що вони намагалися схуднути. Це втручання було успішним, оскільки випробовувані збільшили свою аеробну здатність на 15%, втратили вагу на 7% порівняно з початковою вагою та підвищили чутливість до інсуліну на 40%, що є справді приголомшливим показником, оскільки немає ліків, які б мали такі потужний вплив на інсулінорезистентність. Важливим є те, що збільшення CR спостерігалося у відповідь на інсулін та зменшення цього параметра у відповідь на голодування, що означає, що це покращило здатність спалювати жир у стані голодування. Це спостерігається на малюнку 12, на якому змінні чутливість до інсуліну та гнучкість метаболізму побудовані в межах CR в межах від голодування до стимуляції інсуліном, і спостерігається, що ці дві змінні сильно пов'язані. Коли метаболічна гнучкість відновлюється, це йде рука об руку з відновленням чутливості до інсуліну.

Згодом було зроблено спробу визначити, які найкращі прогнозують поліпшення чутливості до інсуліну: ожиріння вісцеральної системи, загальне зменшення маси жиру або зміна максимального споживання кисню (аеробна здатність); і було встановлено, що всі ці параметри корелюють із змінами чутливості до інсуліну, але найсильнішим фактором було посилене окислення жиру на початковому рівні, підкріплюючи той факт, що фізична активність надзвичайно важлива при лікуванні ожиріння, оскільки це призведе до збільшення здатності до окислення жиру. На малюнку 13 показано, як мітохондрії збільшувались в розмірах після фізичної активності середньої інтенсивності, що корелюється із покращенням чутливості до інсуліну.

Щодо функціональної спроможності мітохондрій, очікувалося, що мітохондріальна ДНК збільшиться у відповідь на втручання, але цього не відбулося; Можливо, це пов’язано з тим, що контроль над мітохондріями здійснюється не виключно мітохондріальною ДНК, оскільки індукційна РНК, отримана з мітохондріальної ДНК, як правило, існує в десять разів більшою кількістю, ніж похідна РНК-гендерних генів в ядрі, кодуючих окислення. Іншими словами, мітохондрії живуть усередині м’язової клітини, вони колонізують цю клітину, але контроль над ними здійснює ядро. На відміну від них, активність цитрат-синтетази, матричного ферменту, який бере участь у циклі Кребса, значно зросла, і відбулося значне збільшення вмісту кардіоліпіну та активності NADH-оксидази та SDh, ферментів транспортного ланцюга електронів. Можна сказати, що мітохондрії представили всі ці пристосування для поліпшення окислення жирів.

Дуже цікавим напрямком досліджень є вивчення біології цих крапель ліпідів. В копії Наука З 2006 року було зазначено, що ліпідні краплі, які раніше розглядалися як просто накопичення жиру в певних районах, є, мабуть, найактивнішими ендокринними органелами в організмі, оскільки вони, як видається, беруть участь у синтезі холестерину та в багатьох інші процеси. Цілком можливо, що ці крихітні крапельки жиру всередині клітин містять велику кількість інформації та конкретні ділянки регуляції; і що коли це проясниться, будуть знайдені нові цілі для втручання. У цьому контексті може бути важливим знати, що не тільки кількість жиру в м’язі змінюється залежно від типу захворювання, але і розмір крапель жиру, який при цукровому діабеті та ожирінні трохи більший, ніж у тонких фізичні особи.

Нарешті, дуже цікаво проаналізувати розподіл мітрохондрій у м’язі та його взаємозв’язок з резистентністю до інсуліну з точки зору збільшення транспорту глюкози у відповідь на сигнал, поданий цим гормоном, який визначає здатність м’яза поглинати глюкозу та визначає чутливість до інсуліну. Ну, мітохондрії можуть брати участь в інсулінорезистентності через накопичення жиру в м’язі, накопичення, яке заважає інсуліновому сигналу.

З іншого боку, коли глюкоза надходить у клітину як вільна глюкоза, вона повинна бути захоплена, щоб перетворитися на глюкозо-6 фосфат; інакше ви могли б вільно вийти з камери через ті самі двері, через які ви увійшли. Гексокіназа, яка пов'язана з мітохондрією прямо в поринному каналі, дуже важлива для біоенергетики мітохондрій, оскільки вона підтримує такий стан, вільний від окисного фосфорилювання, ефективний між парними мітохондріями. Ця гексокіназа, як правило, знижується в скелетних м’язах людей, хворих на діабет; Знову ж таки, якщо бракує мітохондрій поблизу клітинної поверхні, де відбувається транспорт глюкози, це також може перешкоджати засвоєнню глюкози. За цією гіпотезою ми працюємо в нашій лабораторії останній рік.