Fructose-fed model of the metabolic syndrome: pathogenetic relationships between metabolic disorders

Abstract


The results of modeling of metabolic syndrome in 25 male Wistar rats (140-180 g), fed a standard diet and 10% fructose solution in drinking water for 6 weeks, are presented. Animals in control group (n = 14) consumed standard diet and plain water. It is shown, that fructose feeding in rats for 6 weeks contributes to development of the initial stages of the metabolic syndrome (hyperglycemia and visceral obesity). Nonesterified fatty acids and uric acid play a certain role in pathogenesis of the metabolic syndrome. Presumably, it is necessary to use higher doses of fructose for a longer time for the development of classic fructose-induced metabolic syndrome with hyperuricemia.

Еще полвека назад в эксперименте было замечено, что пероральное или внутривенное введение в организм больших количеств фруктозы способствует развитию гиперурикемии [16]. Позднее оказалось, что при этом также развивается ожирение, гипертриглицеридемия, гипергликемия и нарушение толерантности к глюкозе, инсулинорезистентность, гиперинсулинемия, повышение артериального давления, т. е. все характерные компоненты метаболического синдрома [5, 11, 14, 15], которые являются патогенетической основой типичных сердечно-сосудистых заболеваний. В то же время за последние три десятилетия резко увеличилось употребление людьми в пищу фруктозы. прежде всего в виде сахарозы и кукурузных сиропов, содержащих большое количество фруктозы (от 55 до 92% по массе), что связывают с наблюдаемым ростом заболеваемости ожирением, сахарным диабетом, метаболическим синдромом, сердечно-сосудистыми заболеваниями [3, 8, 9]. Каким именно образом избыточное употребление фруктозы может приводить к развитию инсули-норезистентности и метаболического синдрома - не совсем ясно. Сравнительно недавно группа ученых во главе с T. Nakagawa и R.J. Johnson высказала идею о том, что главным патогенетическим звеном МЕДИЦИНСКИЙ АКАДЕМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ. ТОМ 11. № 3. 2011 23 ФУНДА МЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНА в развитии фруктозо-индуцированной инсулиноре-зистентности и метаболического синдрома является гиперурикемия [9, 13, 14]. С другой стороны, избыточное употребление фруктозы приводит к усилению синтеза жирных кислот [10], которые, как известно, нарушают передачу сигнала инсулина в клетку и способствуют развитию инсулинорезистентности [12]. Чтобы лучше понять причины, механизмы развития и особенности фруктозо-индуцированного метаболического синдрома возникла необходимость в разработке экспериментальной модели этого патологического состояния. Целью исследования было смоделировать в эксперименте фруктозо-индуцированный метаболический синдром и оценить взаимосвязь между концентрацией фруктозы, неэтерифицированных жирных кислот (НЭЖК), мочевой кислоты в сыворотке крови и другими метаболическими нарушениями. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Эксперимент был выполнен на 39 крысах-самцах породы Wistar массой 140-180 г (возраст - 5-6 нед). Условия содержания были стандартными: световой режим 12 ч : 12 ч (включение света в 08.00 ч), температура 19-21 °С. Животные в течение 6 нед получали стандартную пищу (комбикорм + овес) и имели свободный доступ к питьевой воде. Крысы из контрольной группы (п = 14) употребляли в качестве питьевой воды обычную водопроводную воду, а крысы из опытной группы (п = 25) - 10% раствор фруктозы. Через 6 нед кормления измерена масса тела. После 8-10 ч голодания крысы были наркотизированы (нембутал 40 мг/кг, внутрибрюшинно), после чего обезглавлены. Собраны образцы крови из магистральных сосудов, измерена окружность живота (на уровне середины туловища) и масса висцеральных органов (печень, почки, селезенка, яички) с абдоминальной жировой клетчаткой (сальник, паранефральная клетчатка). Из образцов крови была получена сыворотка, в которой определены концентрации фруктозы, мочевой кислоты, неэтерифицированных жирных кислот (НЭЖК), общего холестерина, холестерина липопротеинов высокой плотности (ЛПВП), триглицеридов, глюкозы. Определение концентрации фруктозы в сыворотке проводилось колориметрическим методом на многофункциональном фотометре «УісЮг2тм» (Perkin Elmer, Финляндия) с использованием набора для определения фруктозы (jY° К619-100, BioVision, США). Определение концентрации НЭЖК в сыворотке проводилось колориметрическим методом на полуавтоматическом биохимическом анализаторе «BTS330» (BioSystems, Испания) с использованием набора для определения НЭЖК (№ FA115, Randox, Великобритания). Определение концентрации остальных биохимических показателей проводилось на биохимическом анализаторе «Synchron СХ9 Pro» (Beckman Coulter International, США) с использованием оригинальных наборов. Для статистического анализа использовался критерий Манна-Уитни, коэффициент корреляции Пирсона (при нормальном распределении) и ранговой корреляции Спирмена (при других видах распределения). Данные представлены в виде среднего арифметического значения ± стандартного отклонения (М ± о). Различия считались достоверными при р < 0,05. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Через 6 нед у крыс опытной группы по сравнению с контрольной наблюдалась достоверно большая масса висцеральных органов и клетчатки (р < 0,01), более высокие концентрации холестерина ЛПВП (р < 0,05) и глюкозы (р < 0,005) в сыворотке крови, причем последний параметр значительно превышал норму (8,05 ммоль/л) для крыс данного возраста [19]. Имелась тенденция к увеличению массы тела, концентрации общего холестерина и триглицеридов, а также к снижению концентрации НЭЖК в сыворотке крови в опытной группе (р > 0,05). Окружность живота, концентрации в сыворотке крови фруктозы и мочевой кислоты в группах не различались (р > 0,05) (табл. 1). Выявлена положительная корреляционная связь между концентрацией НЭЖК в сыворотке крови и окружностью талии в контрольной (г = 0,693; р < 0,05) и опытной (г = 0,627; р < 0,01) группах. В опытной группе в отличие от контрольной выявлена положительная корреляционная связь между концентрацией НЭЖК в сыворотке крови и массой висцеральных органов и жировой клетчатки (г = 0,449; р < 0,05), массой тела (г = 0,603; р < 0,01), концентрацией мочевой кислоты (г = 0,466; р < 0,05), глюкозы (г = 0,420; р < 0,05) в сыворотке крови; а также положительная корреляционная связь между концентрацией мочевой кислоты и глюкозы в сыворотке крови (г = 0,473; р < 0,05). В контрольной группе в отличие от опытной наблюдается положительная корреляционная связь между концентрацией мочевой кислоты и концентрацией триглицеридов в плазме крови (г = 0,563; р < 0,05), массой тела (г = 0,743; р < 0,01) и окружностью талии (г = 0,730; р < 0,05). Достоверной взаимосвязи между концентрацией фруктозы в сыворотке крови и другими исследуемыми метаболическими параметрами не обнаружено (іабл. 2). 24 МЕДИЦИНСКИЙ АКАДЕМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ. ТОМ 11. № 3. 2011 фуНДЛ МЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНА Таблица / Морфометрнческие и биохимические показатели через 6 пел н контрольной и опытной группах Показатель Контрольная группа (11 = 14) Опытная группа (п = 25) Масса тела, г 282*18 302*38 Окружность живота, см 16.5*1.1 16.4*1,3 Масса висцеральных органов и клетчатки, г 40,5±5.3 48.7*7,5** Фруктоза, мкмоль/л 253*63 254*76 Глюкоза, ммоль/л 8,18*0,95 9,93*1,97** Общий холестерин, ммоль/л 123*0,32 1,39*0,27 Холестерин лппопротеинов высокой плотности, ммоль/л 0,88*0,26 1,11*0,24* Триглицериды, ммоль/л 0,96*0,42 1,08*0,70 Мочевая кислота, мкмоль/л 82.4*26,5 80,8*29,7 Неэтерифицированные жирные кислоты, ммоль/л 0,56*0,17 0,48*0.20 Примечание. *р < 0,05, **р < 0,01 по сравнению с контрольной группой. Таблица 2 Корреляции концентраций мочевой кислоты и иеэтерифицироианных жирных кислот с исследуемыми метаболическими параметрами в контрольной и опытной группах Показатель Мочевая кислота (ммоль/л) НЭ7КК (ммоль/л) Контрольная группа Опытная группа Контрольная группа Опытная группа Коэффициент корреляции (г) Масса тела (кг) 0,743** -0,315 0,243 0.603** Окружность живота (см) 0,730* 0.143 0.693* 0.627** Масса висцеральных органов и клетчатки (г) 0.437 0,078 0.513 0,449* Фруктоза (мкмоль/л) -0,109 0.175 0,127 -0,017 Глюкоза (ммоль/л) 0,052 0.473* -0,301 0,420* Общий холестерин (ммоль/л) 0,178 -0,016 -0,051 0.139 Холестерин лиопротеинов высокой плотности (ммоль/л) 0.211 -0,105 0,127 0,328 Триглицериды (ммольАп) 0,563* -0,017 0,431 0.300 Мочевая кислота (мкмоль/л) - - 0,391 0,466* Неэтерифицированные жирные кислоты (ммоль/л) 0,391 0.466* - - Примечание. *р < 0,05: **р < 0,01. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Результаты исследования свидетельствуют о развитии ключевых признаков метаболического синдрома (гипергликемия, висцеральное ожирение) у крыс опытной группы по сравнению с крысами контрольной группы. Кроме того, у животных из опытной группы наблюдалась тенденция к увеличению массы тела, окружности живота, концентрации в сыворотке крови общего холестерина и триглицеридов по сравнению с контрольной фуппой животных, однако различия не достигли статистической значимости. Во многих исследованиях при кормлении крыс (массой 120-200 г) фруктозой, составляющей 60-65% рациона, уже через 4 нед наблюдается повышение концентрации триглицеридов [1, 14], а также тенденция к увеличению концентрации общего холестерина [1]. При этом увеличения массы тела в большинстве исследований не наблюдалось ни через 4 нед кормления, ни в более отдаленные сроки [4, 14, 18]. При использовании 10% раствора фруктозы, как правило, требуется более длительный период кормления для развития признаков метаболического синдрома [17]. Установлено, что у крыс Wistar с целью моделирования метаболического синдрома более эффективно использовать твердые корма, на 60% состоящие из фруктозы, чем 10% раствор фруктозы в качестве питьевой воды. Кроме того, имеет значение возраст: чем старше крысы, тем быстрее развивается метаболический синдром [6]. По-видимому, отсутствие достоверного повышения концентрации триглицеридов и общего холестерина в сыворотке у крыс опытной группы обусловлено умеренным (по сравнению с другими исследованиями) содержанием фруктозы в рационе крыс, а также недостаточной длительностью экспе- МЕДИЦИНСКИЙ АКАДЕМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ. ТОМ 11. № 3. 2011 25 Фундаментальная медицина римента, что привело к развитию неполного метаболического синдрома. Такая картина более характерна для начальных этапов развития этого заболевания. Об этом, вероятно, свидетельствует компенсаторное повышение концентрации холестерина ЛПВП у животных опытной группы по сравнению с контрольной группой. Следует отметить, что измерить артериальное давление и определить концентрацию инсулина в сыворотке крови крыс не представлялось возможным, кроме того, унифицированных критериев диагностики метаболического синдрома у крыс не существует. Поэтому о последствиях употребления фруктозы можно было судить по наличию достоверных различий между классическими компонентами метаболического синдрома в опытной и контрольной группах животных. Более высокие концентрации глюкозы у крыс опытной группы могут быть обусловлены образованием глюкозы из фруктозы за счет активации глюко-неогенеза [2], а также развитием инсулинорезистент-ности на фоне длительного употребления фруктозы [4], на наличие которой указывает увеличение массы висцеральных органов и жировой клетчатки. Определенную роль в развитии метаболического синдрома на ранних его стадиях могут играть как НЭЖК, способствующие нарушению передачи сигнала инсулина в клетку [12], так и мочевая кислота. Повышение концентрации мочевой кислоты (гипер-урикемия) приводит к снижению биодоступности оксида азота (N0), развитию эндотелиальной дисфункции и, как следствие, инсулинорезистентности [13, 14]. На основании этого некоторые ученые относят гиперурикемию к основным критериям метаболического синдрома. Косвенным подтверждением влияния этих метаболитов на развитие инсулинорезистентности и гипергликемии может служить наличие положительной корреляционной связи между концентрацией НЭЖК и глюкозы и концентрацией мочевой кислоты и глюкозы в сыворотке крови крыс опытной группы. Наличие положительной корреляционной связи между концентрациями в сыворотке крови НЭЖК и мочевой кислоты у крыс опытной группы может быть обусловлено общими патобиохимическими взаимосвязями, обусловленными особенностями метаболизма фруктозы [7]. Однако достоверных различий между концентрациями НЭЖК и мочевой кислоты в опытной и контрольной группах не выявлено. По всей видимости, эти изменения на ранних стадиях не столь выражены и могут проявляться в более долгосрочной перспективе. Кроме того, развитию гиперурикемии за такой относительно небольшой срок может препятствовать наличие уриказ - ферментов, катализирующих окис ление мочевой кислоты до аллантоина. отсутствующих у человека. Отсутствие достоверных различий между концентрациями фруктозы в сыворотке крови крыс контрольной и опытной группы, так же как и отсутствие связи концентрации фруктозы в сыворотке крови с исследуемыми метаболическими параметрами, по всей видимости, обусловлено быстрым включением фруктозы в метаболизм и непродолжительным периодом гиперфруктоземии [7]. Поэтому концентрация фруктозы в сыворотке крови у крыс не всегда достоверно отражает количество поглощаемой фруктозы, соответственно, использовать этот показатель для оценки взаимосвязи между избыточным употреблением фруктозы и исследуемыми метаболическими параметрами нецелесообразно. В заключение стоит отметить, что кормление крыс в течение 6 нед фруктозой способствует развитию начальных стадий метаболического синдрома (гипергликемия и висцеральное ожирение), в патогенезе которого определенное значение имеют НЭЖК и мочевая кислота. По-видимому, для развития классического фруктозо-индуцированного метаболического синдрома с гиперурикемией необходимо использовать более высокие дозы фруктозы в течение более длительного времени. Результаты исследования, свидетельствующие о неблагоприятном влиянии на гомеостаз глюкозы употребления больших количеств фруктозы, должны послужить поводом для дальнейших исследований с целью пересмотра общераспространенного мнения об относительной безопасности фруктозы, что особенно важно для больных сахарным диабетом, которые зачастую бесконтрольно употребляют продукты с фруктозой. Литература

M V Reshetnyak

The Federal State Institute of Public Health «The Nikiforov Russian Center of Emergency and Radiation Medicine», St. Petersburg; Institute of Cytology Russian Academy of Science, St. Petersburg

Email: reshetnyak.m@mail.ru

V N Khirmanov

The Federal State Institute of Public Health «The Nikiforov Russian Center of Emergency and Radiation Medicine», St. Petersburg; Institute of Cytology Russian Academy of Science, St. Petersburg

N N Zybina

The Federal State Institute of Public Health «The Nikiforov Russian Center of Emergency and Radiation Medicine», St. Petersburg; Institute of Cytology Russian Academy of Science, St. Petersburg

M Y Frolova

The Federal State Institute of Public Health «The Nikiforov Russian Center of Emergency and Radiation Medicine», St. Petersburg; Institute of Cytology Russian Academy of Science, St. Petersburg

G A Sakuta

The Federal State Institute of Public Health «The Nikiforov Russian Center of Emergency and Radiation Medicine», St. Petersburg; Institute of Cytology Russian Academy of Science, St. Petersburg

B N Kudryavtsev

The Federal State Institute of Public Health «The Nikiforov Russian Center of Emergency and Radiation Medicine», St. Petersburg; Institute of Cytology Russian Academy of Science, St. Petersburg

  1. Bezerra R.M., Ueno М., Silva M.S. et al. A high fructose diet affects the early steps of insulin action in muscle and liver of rats // J. Nutr. 2000. Vol. 130. № 6. P. 1531-1535.
  2. Blakely S.R., Hallfrisch J., Reiser S., Prather E.S. Long-term effects of moderate fructose feeding on glucose tolerance parameters in rats // J. Nutr. 1981. Vol. 111. №2. P. 307-314.
  3. Bray G.A., Nielsen S.J., Popkin B.M. Consumption of high-fructose com syrup in beverages may play a role in the epidemic of obesity // Am. J. Clin. Nutr. 2004. Vol. 79. № 4. P. 537-543.
  4. D’Angelo G., Elmarakby A.A., Pollock D.M., Stepp D.W. Fructose Feeding Increases Insulin Resistance but Not Blood Pressure in Sprague-Dawley Rats ii Hypertension. 2005. Vol. 46. № 4. P. 806-811.
  5. Dai S., Todd M.E., Lee S., McNeill J.H. Fructose loading induces cardiovascular and metabolic changes in nondiabetic and diabetic rats // Can. J. Physiol. Pharmacol. 1994. Vol. 72. № 7. P. 771-781.
  6. de Moura R.F., Ribciro C., de Oliveira J.A. et al. Metabolic syndrome signs in Wistar ras submitted to different high-fructose ingestion protocols // Br. J. Nutr. 2009. Vol. 101. № 8. P. 1178-1184.
  7. Hallfrisch J. Metabolic effects of dietary fructose // Faseb. J. 1990. Vol. 4. № 9. P. 2652-2660.
  8. Johnson R.J., Segal M.S., Sautin Y. ct al. Potential role of sugar (fructose) in the epidemic of hypertension, obesity and the metabolic syndrome, diabetes, kidney disease, and cardiovascular disease //Am. J. Clin. Nutr. 2007. Vol. 86. № 4. P. 899-906.
  9. Johnson R.J., Perez-Pozo S.E., Sautin Y.Y. et al. Hypothesis: Could Excessive Fructose Intake and Uric Acid Cause Type 2 Diabetes? // Endocr. Rev. 2009. Vol. 30. № 1. P. 96-116.
  10. Kazumi T., Odaka H., Hozumi T. et al. Effects of dietary fructose or glucose on triglyceride production and lipogenic enzyme activities in the liver of Wistar fatty rats, an animal model of NIDDM // Endocr. J. 1997. Vol. 44.№ 2. P. 239-245.
  11. Lê K., Faeh D., Stettler R. et al. A 4-wk high fructose diet alters lipid metabolism without affecting insulin sensitivity or ectopic lipids in healthy humans // Am. J. Clin. Nutr. 2006. Vol. 84. № 6. P. 1374-1379.
  12. Lewis G.F., Carpentier A., Adeli K., Giacca A. Disordered fat storage and mobilization in the pathogenesis of insulin resistance and type 2 diabetes // Endocr. Rev. 2002. Vol. 23. № 2. P. 201-229.
  13. Nakagawa T., Tuttle K.R., Short R.A., Johnson R.J. Hypothesis: fructose-induced hyperuricemia as a causal mechanism for the epidemic of the metabolic syndrome // Nat. Clin. Pract. Nephr. 2005. Vol. I. № 2. P. 80-86.
  14. Nakagawa T., Hu H., Zharikov S. et al. A Causal Role for Uric acid in Fructose-induced Metabolic Syndrome // Am. J. Physiol. Renal. Physiol. 2006. Vol. 290. № 3. P. F625- F631.
  15. Perez-Pozo S.E., Schold J., Nakagawa T. et al. Excessive fructose intake induces the features of metabolic syndrome in healthy adult men: role of uric in the hypertensive response // Int. J. Obes. (Lond.). 2010. Vol. 34. №3. P. 454-461.
  16. Perheentupa J., Raivio K. Fructose-induced hyperuricaemia // Lancet. 1967. Vol. 290. № 7515. P. 528- 531.
  17. Sanchez-Lozada L.G., Tapia E., Jimenez A. et a I. Fructose-induced metabolic syndrome is associated with glomerular hypertension and renal microvascular damage in rats // Am. J. Physiol. Renal. Physiol. 2007. Vol. 292. № 1. P. F423-F429.
  18. Song D., Arikawa E., Galipeau D. et al. Androgens Are Necessary for the development of fructose-induced hypertension // Hypertension. 2004. Vol. 43. № 3. P. 667-672.
  19. Research models: Wistar [Электронный ресурс] / Harlan Laboratories. - Электрон, дан. - Режим доступа: http://www.harlan.com/online_Iiterature/research_ models.hl, свободный. - Загл. с экрана.

Views

Abstract - 27

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2011 Reshetnyak M.V., Khirmanov V.N., Zybina N.N., Frolova M.Y., Sakuta G.A., Kudryavtsev B.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies