Тази конференция ще говори за окисляването на мазнините в скелетните мускули, как този процес се променя при затлъстяване и какъв тип интервенции могат да бъдат извършени за подобряването му.

метаболизма

Феноменът на метаболитна гъвкавост

Поглъщането на глюкоза от скелетната мускулатура е изследвано с PET технология (позитронна емисионна томография), която показва, че има метаболитна гъвкавост при използването на глюкоза, с минимални темпове на усвояване и натрупване на гликоген по време на гладно и голямо увеличение на тези нива в отговор на инсулин. На гладно скелетната мускулатура има много високо усвояване на мастни киселини: фракцията, която се извлича при едно преминаване през скелетния мускул, е около 40%, което е много високо в сравнение с 1% екстракция на глюкоза при същите условия; Тази зависимост от мазнини в скелетната мускулатура позволява на тялото да пести глюкоза в полза на мозъка и да избягва хипогликемия по време на гладуване и упражнения.

Голямата мускулна зависимост от окисляването на мазнините като източник на енергия при нормално гладуване се отразява в стойностите на дихателния коефициент (CR), който е резултат от връзката между производството на въглероден диоксид и консумацията на кислород и показва което Това е горивото, което тялото използва в даден момент. Стойността му е ниска при нормално гладуване, което показва, че изгаряте предимно мазнини; От друга страна, при лица със захарен диабет тип 2, въпреки факта, че повечето от тях са с наднормено тегло и имат високи нива на циркулиращи мастни киселини, коефициентът е висок, поради дефект в окисляването на мазнините.

Фигура 1 илюстрира какво се случва при нормални физиологични условия при слаби индивиди с измерена CR в крака (LegRQ) с техниката на RQ (скоба), това ще рече, промени в CR по време на скоба. CR е много нисък на гладно, което представлява зависимост от окисляването на мазнините, но тъй като инсулинът се влива, стимулира се усвояването на глюкоза, потиска се окисляването на мазнините и мускулите започват да зависят почти изключително от окисляването. Глюкоза, така че CR се измества от начална стойност от 0,8 до приблизителна стойност от 1,0.

При диабет тип 2 се наблюдават две аномалии: първо, по време на гладуване няма зависимост от окисляването на мазнините, феномен, който е очарователен, именно защото има голямо количество мазнини за изгаряне, което предполага, че трябва да има някои дефект в тъканите, или за получаване на мазнини от плазмата, което всъщност не е така, или за постигане на вътреклетъчно разпределение на мазнините за окисляване. На второ място, този дефект в усвояването на мазнините продължава да съществува в лицето на инсулиновата стимулация. Фигура 2 илюстрира загубата на адаптация, хомеостазата и отзивчивостта към условията на гладно и инсулинова стимулация, наблюдавани при диабет.

При затлъстелите има метаболитна гъвкавост, която е илюстрирана на фигура 3, където е показано, че нормалният мускул има голям капацитет да премине от своя модел на окисляване на горивото, в зависимост от това дали субектът току-що е ял или е гладувал, докато в затлъстяване този хомеостатичен капацитет се губи. Интернистът винаги мисли за хроничните заболявания като образувания, при които настъпва загуба на физиологични резерви: както застойна сърдечна недостатъчност, така и емфизем или хронична бъбречна недостатъчност се характеризират с критична загуба на хомеостатичен капацитет; В този контекст трябва да се мисли и за инсулиновата резистентност, която се появява при затлъстяване, като загуба на физиологичен резерв, по отношение на способността да превключвате между различните горива.

Фигура 4 показва резултатите от хистологични изследвания, извършени чрез оцветяване с маслено червено O (ORO), което оцветява мазнината и позволява тя да се разглежда като червени капки вътре в мускулните влакна, което може да се наблюдава и с компютърна томография, под формата неинвазивна или с магнитно-резонансна спектроскопия, сред много други техники, които могат да бъдат използвани. Всички те показват, че съдържанието на мазнини в мускулите е повишено при инсулинова резистентност, затлъстяване и диабет. Вижда се, че съдържанието на мазнини в мускулните влакна е няколко пъти по-високо при затлъстяване и диабет тип II; белите ленти показват, че умерената загуба на тегло, между 10 и 15%, е свързана с намаляване на мускулната мастна тъкан.

Изчислителният анализ на изображенията позволява да се определи количествено съдържанието на мазнини; от влакна тип I се очаква да имат повече мазнини от влакна тип II и точно това се наблюдава, но във всеки тип влакна индивидите, които са с наднормено тегло и имат диабет тип II, имат повече мазнини във влакна тип I, тип II и тип IIb . По отношение на митохондриалната активност, по дефиниция се очаква влакна от тип I да имат висока степен на активност в сравнение с тип II и точно това се наблюдава, но хората със затлъстяване и диабет тип II са намалили митохондриалната активност във всеки тип от фибри (Фигура 6).

Това доведе до по-подробен анализ на митохондриалната активност, за да се види дали има разлика между затлъстяването и диабета тип 2. Фигура 7 показва електронен микроскоп на митохондрия между миофибрилите на скелетната мускулатура, заедно с малка капка мазнина, което е важно гориво; Тази морфология е съвсем различна при диабетните мускулни влакна тип 2, вдясно, при които митохондриите са по-малки и мазнините са по-обилни.

Доказано е, че по-малкият размер на митохондриите корелира с тежестта на инсулиновата резистентност. Графиката на фигура 8 показва способността на инсулина да стимулира метаболизма на мазнините в тялото; Както се вижда, хората с висока инсулинова чувствителност са склонни да имат по-големи митохондрии от тези с инсулинова резистентност.

По същия начин, когато се определя активността на NADH-оксидазата в изолирани митохондрии от скелетната мускулатура, се наблюдава, че по-малкият размер на митохондриите е свързан с по-ниска активност на този ензим. Известно е, че това е отражение на активността на електронната транспортна верига, която намалява значително при затлъстяване, дори повече, ако се добави диабет тип 2 (вж. Фигура 9). Тази степен на намаляване не е това, което обикновено се наблюдава при наследствени заболявания на митохондриите, при които дефектите са много по-изразени, тоест това не са големи автозомно-рецесивни или доминиращи наследствени дефекти, характерни за митохондриалната болест; но тези дисфункции от 20% до 30% излагат мускула на натрупването на мазнини с течение на времето.

През последните години се опитахме да изследваме инсулиновата резистентност от гледна точка на клетъчната биология, за да разберем естеството на увреждането на митохондриално ниво. Една от възможностите е, че има намаляване на броя на митохондриите, което може да се определи чрез измерване на съдържанието на митохондриална ДНК по отношение на съдържанието на ядрена ДНК в мускула, индекс, който изглежда значително намален, около 30% . Въпреки това, когато се анализира функционалната активност на митохондриите, се наблюдава по-голямо намаляване от това, съответстващо на намаляването на съдържанието на митохондриална ДНК; следователно, освен намаляване на броя на митохондриите, би имало и митохондриална дисфункция (Ritov et al., Диабет 2005).

Друг подход е да се направи анализ на генетичното подреждане (ДНК микрочипове). През последните години се появиха няколко важни публикации за връзката между моделите на генетична експресия в скелетните мускули при лица с диабет тип 2 и при лица, които са изложени на риск от развитие на това заболяване. Едно от интересните открития, получени от тези анализи, е, че най-последователният модел е в съответствие с промяна в експресията на гените за окислително фосфорилиране, което потвърждава концепцията, че инсулиновата резистентност е свързана с енергиен дисбаланс (Vamsi K Mootha и др. Nature Genetics, юни 2003). В този случай в мускула се появяват някои фини аномалии, които след дълго време на излагане на тъканта на натрупване на мазнини генерират инсулинова резистентност.

Въздействие на интервенциите

Разбира се, работата на лекаря е не само да постави добра диагноза и да разбере патофизиологията, но и да се намеси и да разработи ефективно лечение. В този контекст нашата група е извършила някои допълнителни проучвания, за да определи ефектите от загубата на тегло самостоятелно, без физическа активност и загуба на тегло, съчетана с физическа активност, използвайки програма, подобна на тази, използвана в Програмата за профилактика на диабета, проведена в САЩ и състоящ се от упражнения с умерена интензивност и постигане на загуба на тегло от 5 до 10% от първоначалното тегло. Освен това беше анализирана трета група, която се намеси само с упражнения.

Това последно проучване беше проведено от Goodpaster при възрастни хора и показа много добри ефекти върху скелетните мускули, тъй като съдържанието на митохондриална ДНК се увеличи с 60%, както и активността на електронната транспортна верига и кардиолипина. Необходимо е да се помни, че кардиолипинът е уникален фосфолипид на вътрешната митохондриална мембрана, по такъв начин, че съдържанието му отразява количеството на вътрешната митохондриална мембрана, която е тази, която съдържа електронната транспортна верига и компонентите, които произвеждат енергия; това е добър начин за количествено определяне на броя на митохондриите в проба от мускулна биопсия. В това проучване хората увеличават окисляването на мазнини по време на тренировка и проявяват митохондриална пролиферация, отговор, който е вероятно важен за загуба на тегло и още по-важен за поддържане на загуба на тегло.

Изправени само срещу загуба на тегло, без свързана физическа активност, се случват няколко интересни неща от гледна точка на общия метаболизъм на тялото, но по отношение на способността за окисляване на мазнините въздействието не е толкова голямо. Намалява съдържанието на вътремиоцелуларни липиди, като част от общата загуба на тегло, тъй като подобрява метаболизма на глюкозата и отговора на инсулина; но няма промяна в броя на митохондриите или в способността за окисляване на мазнините (Фигура 11). Това означава, че ако тези индивиди не могат да поддържат ограничен калориен прием, много вероятно е да съхраняват отново мазнините в мускулите; тоест те имат значителен риск да възстановят загубеното тегло. Както вече споменахме, те подобряват окисляването на глюкозата в отговор на инсулин, тоест подобряват глюкозния толеранс и хипергликемията.

В друга група се извършваше същия вид интервенция, но този път хората бяха помолени да ходят половин до час с умерена скорост, в допълнение към опитите да отслабнат. Тази интервенция беше успешна, тъй като субектите увеличиха аеробния си капацитет с 15%, загубиха теглото си със 7% в сравнение с първоначалното тегло и увеличиха чувствителността си към инсулин с 40%, наистина забележителна цифра, тъй като няма лекарства, които да имат такива мощен ефект върху инсулиновата резистентност. Важното е, че се наблюдава повишаване на CR в отговор на инсулин и намаляване на този параметър в отговор на гладно, което означава, че подобрява способността за изгаряне на мазнини в гладно състояние. Това се вижда на Фигура 12, в която променливите инсулинова чувствителност и метаболитна гъвкавост са нанесени в CR диапазон от гладно до инсулинова стимулация и се наблюдава, че тези две променливи са силно свързани. Тъй като метаболитната гъвкавост се възстановява, това върви ръка за ръка с връщането на инсулиновата чувствителност.

Впоследствие беше направен опит да се определи кои са най-добрите предиктори за подобряване на инсулиновата чувствителност: висцерално затлъстяване, генерализирано намаляване на мастната маса или промяна в максималната консумация на кислород (аеробен капацитет); и беше установено, че всички тези параметри корелират с промените в инсулиновата чувствителност, но най-силният фактор е повишеното окисление на мазнините в началото, засилвайки факта, че физическата активност е изключително важна при лечението на затлъстяването, тъй като това ще доведе до увеличаване на способността за окисляване на мазнини. Фигура 13 показва как митохондриите са се увеличили по размер след физическа активност с умерена интензивност, което е свързано с подобряване на чувствителността към инсулин.

По отношение на функционалния капацитет на митохондриите, се очакваше, че митохондриалната ДНК ще се увеличи в отговор на интервенцията, но това не се случи; Това вероятно е, защото митохондриалният контрол не се упражнява изключително от митохондриална ДНК, тъй като информационната РНК, получена от митохондриална ДНК, обикновено съществува в десет пъти по-голямо количество от получената информационна РНК на гените в ядрото, които кодират за окисляване. С други думи, митохондриите живеят в мускулната клетка, те колонизират тази клетка, но контролът върху тях се осъществява от ядрото. За разлика от тях, активността на цитрат синтетазата, матричния ензим, който участва в цикъла на Кребс, се е увеличила значително и е имало голямо увеличение на съдържанието на кардиолипин и в активността на NADH оксидаза и SDh, ензими от транспортната верига на електроните. Може да се каже, че митохондриите са представили всички тези адаптации, за да подобрят окисляването на мазнините.

Много интересна област на изследване е изучаването на биологията на тези липидни капчици. В копие на Наука От 2006 г. беше посочено, че липидните капки, които преди се считаха за просто натрупване на мазнини в определени области, са може би най-активните ендокринни органели в тялото, тъй като изглежда, че участват в синтеза на холестерол и в много други процеси. Възможно е тези малки капчици мазнини вътре в клетките да съдържат много информация и специфични места за регулиране; и че когато това се изясни, ще бъдат намерени нови цели за намеса. В този контекст може да е важно да се знае, че не само количеството мазнини в мускула се променя в зависимост от вида на заболяването, но и размера на мастните капчици, който е малко по-голям при диабет и затлъстяване в сравнение с тънкия физически лица.

И накрая, много интересно е да се анализира разпределението на митрохондриите в мускула и връзката му с инсулиновата резистентност, по отношение на увеличаване на транспорта на глюкоза в отговор на сигнала, подаван от този хормон, който определя способността на мускула да абсорбира глюкозата и определя инсулиновата чувствителност. Е, начинът, по който митохондриите могат да участват в инсулиновата резистентност, е чрез натрупване на мазнини в мускула, натрупване, което би повлияло на инсулиновия сигнал.

От друга страна, тъй като глюкозата навлиза в клетката като свободна глюкоза, тя трябва да бъде уловена, за да се трансформира в глюкозо-6 фосфат; в противен случай ще бъдете свободни да напуснете килията през същата врата, през която сте влезли. Хексокиназата, която е свързана с митохондрията точно в поринския канал, е много важна за биоенергетиката на митохондриите, тъй като поддържа това състояние без окислително фосфорилиране, ефективно между сдвоените митохондрии. Тази хексокиназа обикновено е намалена в скелетните мускули на хора с диабет; Отново, ако има недостиг на митохондрии в близост до клетъчната повърхност, където се случва транспортирането на глюкоза, това също може да попречи на усвояването на глюкозата. В тази хипотеза работим в нашата лаборатория през последната година.