Влияние высокофруктозной диеты на уровень фибронектина в сыворотке крови крыс

Резюме

В течение последних лет резко увеличилось потребление рационов, содержащих большое количество фруктозы, что связывают с наблюдаемым ростом заболеваемости ожирением, сахарным диабетом, метаболическим синдромом, сердечно-сосудистыми заболеваниями. В частности изменения в липидном и углеводном обмене на фоне повышенного потребления фруктозы можно отнести к причинам деструктивных процессов в тканях и клетках организма, одним из маркеров которых может быть адгезивный и регуляторный белок межклеточного матрикса - фибронектин.

Цель работы - изучение влияния высокофруктозной диеты на уровень фибронектина в сыворотке крови крыс.

Материал и методы. Эксперимент проводили на 50 беспородных крысах-самцах в возрасте 5-6 мес. Крысы из контрольной группы (n=25) получали сбалансированную диету вивария. Животные опытной группы (n=25) в течение 35 дней получали диету, содержащую 60% фруктозы, 20% белка, 14% клетчатки, 6% жира. С 36-го по 60-й день все крысы находились на обычном рационе вивария. На 60-й день оценивали сформированность метаболических изменений в отдаленный период. Животных каждой группы взвешивали до начала и при выведении из эксперимента на 21, 35 и 60-й день. Из образцов крови, собранной при декапитации натощак под кратковременным эфирным наркозом, получали сыворотку, в которой определяли концентрацию холестерина, липопротеинов высокой и низкой плотности, триглицеридов, глюкозы, инсулина и фибронектина. Индекс атерогенности и индексы инсулинорезистентности рассчитывали по соответствующим формулам.

Результаты и обсуждение. В результате эксперимента у животных опытной группы выявили статистически значимое увеличение концентрации глюкозы с 6,52±0,35 (в контроле) до 7,74±0,73, 7,97±1,91 и 7,87±0,65ммоль/л и инсулина с 1,6±0,6 до 2,3±0,4, 2,6±0,6 и 3,1±0,9 мкЕд/мл соответственно на 21, 35 и 60-й день эксперимента, что, возможно, связано с резким подъемом концентрации свободных жирных кислот вследствие особого метаболизма фруктозы и возникающим окислительным стрессом, который вызывает повреждение клеток и формирование инсулинорезистентности. Это отражают отличные от контроля индексы инсулинорезистентности: HOMA на 42,3, 49,2 и 81,3% выше, CARO на 13,3, 16,0 и 28,8% меньше контроля в динамике эксперимента. Отмечалась тенденция роста концентрации холестерина с достоверным увеличением на 35-й день эксперимента на 58,9% относительно контроля. Также наблюдали статистически значимое возрастание содержания липопротеинов низкой плотности на 158, 141 и 229% в сравнении с контролем по дням эксперимента. Такой подъем может быть связан как с усиленным образованием свободных жирных кислот, так и с липогенетической активностью инсулина. Кроме того, нами выявлено достоверное повышение содержания фибронектина на 21,35и 60-й день эксперимента соответственно с 56,5±2,8 (в контроле) до 74±8,1, 79±3,8 и 98±2,1 мкг/мл. Фибронектин играет значительную роль в процессах репарации тканей, обеспечивая миграцию и адгезию клеток. Его содержание в крови может коррелировать со степенью деструктивных и репаративных процессов в клетках печени и сосудистого эндотелия.

Заключение. Высокофруктозная диета у крыс вызывает рост изучаемых биохимических показателей углеводного и липидного обмена, а также увеличение концентрации в крови основного регуляторного белка межклеточного матрикса - фибронектина.

Ключевые слова:фибронектин, фруктоза, глюкоза, инсулин, инсулинорезистентность, липопротеины

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов.

Для цитирования: Гилева О.Г, Бутолин Е.Г, Терещенко М.В., Оксузян А.В. Влияние высокофруктозной диеты на уровень фибронектина в сыворотке крови крыс // Вопросы питания. 2020. Т. 89, № 2. С. 46-51. DOI: 10.24411/0042-8833-2020-10015

Среди основных причин смертности населения на сегодняшний день выделяются сердечно-сосудистые заболевания, играющие существенную роль в развитии метаболического синдрома (МС) [1]. Основными биохимическими признаками МС являются инсулинорезистентность, гипергликемия, гиперинсулинемия, гипертриглицеридемия и дислипопротеинемия. Животные модели были и остаются решающими в понимании этиологии метаболических заболеваний у людей [2]. Одним из способов моделирования нарушений углеводного и липидного обмена является кормление грызунов рационом с повышенным содержанием фруктозы. Данные изменения могут оказывать атерогенное действие на стенки сосудов, что повлечет за собой формирование различного рода метаболических сдвигов. Функциональное состояние сосудистого эндотелия характеризуется как эндотелийзависимой релаксацией, так и содержанием эндотелиальных вазоактивных факторов в сыворотке крови.

Фибронектин, неколлагеновый структурный гликопротеин, является одним из ключевых белков межклеточного матрикса, который способен связывать коллаген, гиалуроновую кислоту, протеогликаны, углеводы плазматических мембран, гепарин, а также активировать трансглутаминазу. Кроме того, фибронектин способствует адгезии и распространению эндотелиальных и мезенхимальных клеток, стимулирует пролиферацию и миграцию клеток, контролирует дифференцировку и поддержание цитоскелета клеток, активно участвует в воспалительных и репаративных процессах, опосредуемых наличием в его структуре последовательности Арг-Гли-Асп, с помощью которой он может присоединяться к клеточным рецепторам (интегринам) [3]. Содержание фибронектина в сыворотке крови может быть одним из маркеров эндотелиальной активации, отражающих изменения межклеточного матрикса и сосудистой стенки при патологических состояниях.

Цель данной работы - изучение влияния высокофруктозной диеты на уровень фибронектина в сыворотке крови крыс.

Материал и методы

Работа была проведена на 50 беспородных крысах-самцах в возрасте 5-6 мес. Животных содержали в клетках при 21±3 °С и режиме освещения 12/12 ч. Работу с грызунами выполняли в соответствии с приказом Минздрава России от 01.04.2016 № 193н "Об утверждении правил надлежащей лабораторной практики". Животные были разделены на 2 группы - контрольную и опытную, по 25 особей в каждой. Крысы контрольной группы получали сбалансированную диету вивария. Животным опытной группы в течение 35 дней была назначена диета, содержащая 60% фруктозы, 20% белка, 14% клетчатки, 6% жира [4]. С 36-го по 60-й день все крысы находились на стандартном рационе вивария. На 60-й день оценивали сформированность метаболических изменений со стороны липидного, углеводного обмена в отдаленный период [5]. Крыс опытной и контрольной групп взвешивали и выводили из эксперимента на 21, 35 и 60-й день опыта натощак путем декапитации под кратковременным эфирным наркозом. Из образцов крови путем центрифугирования получали сыворотку, в которой определяли концентрацию холестерина (ХС), липопротеинов высокой (ЛПВП) и низкой (ЛПНП) плотности, триглицеридов, глюкозы на автоматическом биохимическом анализаторе AU-480 (Beckman Coulte, США) с использованием соответствующих тест-систем. Концентрацию инсулина определяли с помощью набора реактивов (ООО "Вектор-бест", РФ). Определение концентрации фибронектина проводили иммуноферментным методом с использованием тест-системы (ООО "Имтек", РФ). Следующие показатели рассчитывали по формулам: индекс атерогенности = (ХС -ЛПВП)/ЛПВП, индексы инсулинорезистентности: HOMA (Homeostasis Model Assessment) = (глюкоза х инсулин)/ 22,5; CARO (F. Caro, 1991 г.) = глюкоза/инсулин [6].

Таблица 1. Масса тела (г) крыс до начала и на момент выведения из эксперимента (М±т)

Table 1. The body weight (g) of rats at the beginning and at withdra wal from the experiment (M±m)

Для статистического анализа использовали критерий Стьюдента для результатов, имеющих нормальное распределение (масса тела животных), и непараметрический критерий Манна-Уитни. Различия считали статистически значимыми при р<0,05.

В связи с отсутствием статистически значимых различий в результатах определения биохимических показателей животных контрольной группы в разные сроки для расчетов использовали их среднее арифметическое.

Результаты и обсуждение

На протяжении всего эксперимента наблюдалось незначительное (p>0,05, критерий Стьюдента) увеличение массы тела животных опытной группы по сравнению с показателем крыс контрольной группы (табл. 1). Данные литературы об изменении массы тела грызунов, содержащихся на рационе, богатом фруктозой, противоречивы [4]. Ряд ученых отмечали незначительное увеличение массы тела, другие исследователи не наблюдали изменения массы тела крыс ни после 4-недельного кормления, ни в более отдаленные сроки [7].

Потребление корма с высоким содержанием фруктозы вызывало статистически значимое увеличение концентрации глюкозы с 6,52±0,35 (средняя величина в контроле) до 7,74±0,73, 7,97±1,91 и 7,87±0,65 ммоль/л и инсулина с 1,6±0,6 до 2,3±0,4, 2,6±0,6 и 3,1±0,9 мкЕд/мл соответственно на 21, 35 и 60-й день эксперимента. Метаболические превращения фруктозы могут способствовать активации глюконеогенеза с образованием глюкозы. Кроме того, рост концентрации глюкозы, вероятно, связан с формированием инсулинорезистентности в результате избыточного потребления фруктозы. Об этом свидетельствуют отличные от контроля индексы инсулинорезистентности (табл. 2).

Таблица 2. Биохимические показатели в сыворотке крови крыс [Ме (Q1; Q3)]

Table 2. Biochemical parameters of rats' blood serum [Me (Q1; Q3)]

П р и м е ч а н и е. * - статистически значимое различие (p<0,05) при сравнении с контролем.

N o t e. * - statistically significant difference (p<0.05) when compared with the control.

Включение фруктозы в метаболизм через фруктозо-1-фосфат минует стадию, катализируемую фосфо-фруктокиназой, которая является регуляторным ферментом гликолиза. В результате образуется большое количество ацетил-КоА, который может поступать на синтез ХС, свободных жирных кислот, кетоновых тел, а также вступать в цикл Кребса, результатом которого является получение энергии в виде молекул адено-зинтрифосфата. В случае синтеза необходимого для организма количества энергетических эквивалентов избыток ацетил-КоА расходуется на синтез жирных кислот.

Изменение концентрации фибронектина, глюкозы и инсулина в течение эксперимента у крыс опытной группы

The change in the concentration of fibronectin, glucose and insulin during the experiment in rats of the experimental group

Свободные жирные кислоты в печени утилизируются двумя путями: либо активируют глюконеогенез, способствуя увеличению продукции глюкозы и снижению активности фосфатидилинозитол-3-киназы инсулинового рецептора, нарушая транспорт глюкозы внутрь клеток (эффект липотоксичности), усиливая тем самым гипер-инсулинемию; либо, взаимодействуя с углеводородным остовом, полученным из молекул углеводов, образуют молекулы триглицеридов [8-10]. В нашем случае мы наблюдали увеличение концентрации триглицеридов на 12,5; 32,5 и 30% в динамике эксперимента. Часть ацетил-КоА поступала на синтез ХС, рост концентрации которого у крыс опытной группы мы также наблюдали (см. табл. 2).

Известно, что инсулин повышает активность липогенетических процессов. Усиление синтеза ХС и триглицеридов в печени способствует формированию липопротеинов очень низкой плотности в большем количестве. Данные липопротеины, попадая в кровяное русло, подвергаются действию липопротеинлипазы, приводя к образованию частиц ЛПНП, обладающих повышенной атерогенностью, о чем также свидетельствует увеличение индекса атерогенности на 45,6% на 60-й день опыта (см. табл. 2).

Кроме того, нами выявлено статистически значимое повышение концентрации фибронектина в сыворотке крови крыс опытной группы на 21, 35 и 60-й день эксперимента соответственно с 56,5±2,8 (в контроле) до 74±8, 79±4 и 98±2 мкг/мл (см. рисунок).

Фибронектин - гликопротеин, находящийся в плазме, межклеточном матриксе, на поверхности клеток. Большая его часть синтезируется в печени. Он состоит из двух сходных субъединиц, молекулярная масса которых составляет около 250 кДа. Каждая субъединица содержит 9 различных в функциональном отношении областей, включающих 2 фибронектин-связывающих сайта, 2 гепарин-связывающих сайта и по одному связывающему сайту для коллагена, ДНК и клеточных поверхностей [11]. Фибронектин способствует взаимодействиям клетка-клетка, клетка - экстрацеллюлярный матрикс, а также принимает участие в формировании и реконструкции тканей [12]. Основная функция заключается в регуляции клеточных процессов, поддержании и контроле организации тканей и компонентов межклеточного матрикса. Являясь адгезивным гликопротеином, фибронектин совместно с интегринами также принимает непосредственное участие в образовании и созревании коллагеновых волокон [13], поддерживая тем самым гомеостаз внеклеточного матрикса.

Существуют плазменная и клеточная формы фибронектина. Плазменный фибронектин синтезируется гепатоцитами, циркулирует в плазме крови в растворимой, но неактивной форме. Было показано, что уровень фибронектина в плазме увеличивается вследствие патологических процессов, приводящих к повреждению сосудистой ткани, воспаления и при таких заболеваниях, как атеросклероз, ишемическая болезнь сердца и инсульт [14, 15]. Клеточный фибронектин синтезируется многими типами клеток, включая фибробласты, эндотелиальные клетки, хондроциты, синовиальные клетки и миоциты [16].

Ранее было показано, что резистентность к инсулину и гипергликемия могут способствовать дисфункции артериальной стенки [17]. Механизмом данного процесса является усиленное образование жирных кислот, их свободнорадикальное окисление, последующий окислительный стресс и модификация инсулиновых рецепторов и клеточных мембран, что блокирует нормальную передачу сигнала в клетку и вызывает повреждение эндотелиальных клеток. Одним из маркеров эндотелиальной дисфункции и активации может являться фибронектин, увеличение количества которого наблюдалось уже на 21-й день избыточного потребления фруктозы (см. рисунок).

Данный механизм лежит в основе развития стеатогепатоза, некроза и фиброза клеток печени [18], на что также указывает рост концентрации фибронектина в динамике эксперимента, учитывая его преимущественный синтез в гепатоцитах. Поэтому содержание фибронектина в крови можно использовать в диагностике заболеваний печени и оценке степени деструктивных процессов в эндотелиоцитах, а также в других клетках и тканях в дальнейшем.

Заключение

Высокофруктозная диета не влияет на увеличение массы тела грызунов. Тем не менее она вызывает изменение биохимических показателей липидного и углеводного обмена, характерное для метаболического синдрома, следствием чего является нарушение целостности эндотелия сосудов и гепатоцитов, о чем может свидетельствовать повышенный уровень фибронектина.

Литература

1. Сяоян Чу, Киргизова О.Ю. Метаболический синдром: некоторые итоги и перспективы решения проблемы // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. 2016. Т. 1, № 5. С. 187-194.

2. Pellizzon M.A., Ricci M.R. The common use of improper control diets in diet-induced metabolic disease research confounds data interpretation: the fiber factor // Nutr. Metab. (Lond.). 2018. Vol. 15, N 3. URL: https://doi.org/10.1186/s12986-018-0243-5.

3. Лыков А.П., Бондаренко Н.А., Ким И.И. Эффект фибронектина на миграционный потенциал клеток эндотелиальной линии EA.Hy926 // Бюллетень СО РАМН. 2014. Т. 34, № 4. С. 5-10.

4. Лещенко Д.В., Костюк Н.В., Белякова М.Б., Егорова Е.Н., Миняев М.В., Петрова М.Б. Диетически индуцированные животные модели метаболического синдрома // Верхневолжский медицинский журнал. 2015. Т. 14, № 2. С. 34-39.

5. Kawasaki T., Igarashi K., Koeda T., Sugimoto K., Nakagawa K., Hayashi S. et al. Rats fed fructose-enriched diets have characteristics of nonalcoholic hepatic steatosis // J. Nutr. 2009. Vol. 139. P. 2067-2071. URL: https://doi.org/10.3945/jn.109.105858

6. Долгов В.В. Клиническая лабораторная диагностика : национальное руководство. В 2 т. Москва : ГЭОТАР-Медиа. 2013. 808 с.

7. Решетняк М.В., Хирманов В.Н., Зыбина Н.Н. Модель метаболического синдрома, вызванная кормлением фруктозой: патогенетические взаимосвязи обменных нарушений // Медицинский академический журнал. 2011. Т. 11, № 3. С. 23-27.

8. Бутолин Е.Г., Данилова О.В., Канунникова О.М. Исследование эффективности применения воды, пересыщенной воздухом, для снижения тяжести последствий окислительного стресса у лабораторных животных. III. Сахароснижающее действие артезианской воды с нанопузырьковой газовой фазой: исследования на лабораторных крысах в условиях гиперкалорийной диеты и экспериментального сахарного диабета // Уральский медицинский журнал. 2018. № 12. С. 150-154.

9. Денисов Н.Л., Гриневич В.Б., Чернецова Е.В. Неалкогольная жировая болезнь печени как новая компонента метаболического синдрома в свете современных методов диагностики // Вестник Северо-Западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова. 2017. № 9 (1). С. 34-41.

10. Мисникова И.В. Нарушение углеводного обмена в рамках метаболического синдрома: диагностика и лечение // Поликлиника. 2016. Т. 1, № 2. С. 17-20.

11. Могильницкая Л.А. Содержание фибронектина в сыворотке крови больных сахарным диабетом 1-го типа с микроангиопатиями, болеющих с детства, и у лиц с ожирением // Проблемы эндокринологии. 2015. № 1. С. 36-40.

12. Hynes R.O. Fibronectins // Sci. Am. 1986. Vol. 254, N 6. P. 42-51.

13. Singh P., Carraher C., Schwarzbauer J.E. Assembly of fibronectin extracellular matrix // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2010. Vol. 26, N 1. P. 397-419.

14. Peters J.H., Loredo G.A., Chen G., Maunder R. Plasma levels of fibronectin bearing the alternatively spliced EIIIB segment are increased after major trauma // J. Lab. Clin. Med. 2003. Vol. 141. P. 401-410.

15. Castellanos M., Leira R., Serena J., Blanco M. Plasma cellular-fibronectin concentration predicts hemorrhagic transformation after thrombolytic therapy in acute ischemic stroke // Stroke. 2004. Vol. 35. P. 1671-1676.

16. Mao Y., Schwarzbauer J.E. Fibronectin fibrillogenesis, a cell-mediated matrix assembly process // Matrix Biol. 2005. Vol. 24. P. 389-399.

17. Bornfeldt K.E., Tabas I. Insulin resistance, hyperglycemia, and atherosclerosis // Cell Metab. 2011. Vol. 14, N 5. P. 75-85.

18. Сучкова Е.В. Неалкогольная жировая болезнь печени: клинические и лабораторно-инструментальные особенности функции печени и желчевыводящих путей, эффективность комбинированной терапии : автореф. дис. - д-ра мед. наук. Ижевск, 2017.


Журналы «ГЭОТАР-Медиа»