Диет-индуцированные модели метаболических нарушений. Сообщение 2: экспериментальное ожирение

Введение

В настоящее время повсеместно увеличивается число людей с ожирением, что опасно не только само по себе, но и как фактор риска развития сердечно-сосудистых заболеваний, сахарного диабета типа 2, артериальной гипертензии, некоторых видов рака, неалкогольной жировой болезни печени. Существующие в настоящее время лекарства для лечения ожирения недостаточно эффективны и имеют множество серьезных побочных эффектов [1]. В связи с этим поиск средств профилактики и лечения ожирения – чрезвычайно актуальная задача, диктующая необходимость создания и использования адекватных экспериментальных моделей на животных. При этом важную роль приобретает подбор как наиболее подходящих видов животных, так и методов индуцирования ожирения. Существенно также применение адекватных показателей для оценки эффективности исследуемых лечебно-профилактических мероприятий у животных с ожирением.

Характеристика ожирения

Ожирение называют пандемией XXI века – уже более 2 млрд людей на планете имеют избыточную массу тела и ожирение [2]. Как указывалось ранее, ожирение наряду с инсулинорезистентностью приводит к патогенетическим изменениям в организме при метаболическом синдроме [3], а также является одной из основных причин смерти населения. Известна тесная связь ожирения с неалкогольной жировой болезнью печени [4, 5]. При этом основными этиологическими факторами самого ожирения являются избыточное питание и недостаточная физическая активность как у людей, так и у животных в том числе у домашних питомцев (кошек, собак и др.) [6]. Замечено, что с возрастом число животных с ожирением так же, как и людей, увеличивается [7]. Возрастное ожирение, связанное со снижением интенсивности метаболических процессов на фоне прежнего объема потребления пищи, близко по механизмам развития к диет-индуцированному ожирению [8].

Рационы питания и виды животных, используемые для индукции ожирения

Имеется множество экспериментальных моделей ожирения: генетические, нейроэндокринные, хирургические, диет-индуцированные и др. При этом именно диет-индуцированные модели наиболее сопоставимы по своей этиологии и механизмам развития с ожирением у человека. Среди диет-индуцированных моделей выделяют высокожировые, высокоуглеводные и комбинированные с высоким содержанием и жиров, и углеводов, а также такие разновидности последних, как «диета кафетерия» и «западная диета» [8, 9].

Для индукции ожирения чаще всего часто используются высокожировые рационы, в которых содержание жира составляет от 30–40 до 60% от общей энергоценности рациона питания [10, 11] (табл. 1). При этом в качестве источника жира используются в основном животные жиры – говяжий, свиной (лярд) и сливочное масло, богатые насыщенными жирными кислотами. Насыщенные жирные кислоты вызывают более выраженную прибавку массы тела, чем полиненасыщенные при их одинаковом количестве [12, 13]. Контрольных животных обычно содержат на рационах питания с содержанием жира (в основном соевого масла) в пределах 5–14% от общей калорийности рациона. В качестве источника углеводов обычно используют кукурузный крахмал, белка – казеин [11]. Существующие в настоящее время корма промышленного производства (в основном для грызунов) содержат 30, 45 или 60% жировых калорий, а для контрольных животных выпускаются изокалорийные рационы, содержащие около 10% жира от общей энергоценности корма [14].

Несколько менее эффективны модели с высоким содержанием жиров и углеводов (см. табл. 1), а на высокоуглеводных моделях с малым количеством жира ожирение развивается медленно [12]. При этом исследователи отмечают более быстрое развитие ожирения при избытке фруктозы по сравнению с таким же количеством глюкозы [13], хотя на конечные значения показателей обмена веществ и антропометрии характер углеводов существенного влияния не оказывает [15].

Применяемая иногда «диета кафетерия», в которой избыточная калорийность рациона питания достигается за счет широкого разнообразия вкусных блюд и продуктов питания человеческой пищи (жареного мяса, макарон, сала, пирожных, сиропов и т.п.), также позволяет обеспечить развитие ожирения. Однако она может существенно отличаться от рациона питания контрольных животных, получающих корм с заранее заданным количеством нутриентов, особенно в отношении витаминов и минеральных веществ. Это не позволяет четко дифференцировать нарушения в организме животных с ожирением, которые могут быть связаны не только с высококалорийным питанием, но и с дефицитом витаминов и минералов [11]. «Западная диета», включающая около 45% жировых килокалорий, а также смесь фруктозы и сахарозы (55/45%) в питьевой воде (в частности для мышей), также относится к комбинированному типу рационов питания со всеми их недостатками в отношении сравнения с контролем [4].

Большинство исследователей считают важным такой показатель, как энергетическая плотность рациона питания, то есть количество килокалорий на 1 г корма [16]. Доказано, что, чем выше энергетическая плотность пищи, зависящая от количества жировых калорий, тем больше энергии потребляют с ней животные [16]. Подробная характеристика некоторых рационов, в том числе и их энергетическая плотность, представлена в табл. 1.

Для индуцирования ожирения, кроме полусинтетических рационов, которые готовят сами исследователи, широко используются готовые стандартные рационы промышленного производства: высокожировые рационы (ВЖР), содержащие около 60% ккал за счет жира и по 20% – углеводов и белка; высокоуглеводные рационы, в которых углеводы составляют 70% от энергоценности корма, жиры – 10%, белки – 20%, а также комбинированные рационы с 40% ккал за счет жира, 40% ккал – углеводов, 20% ккал – за счет белков.

Модели ожирения на грызунах

Наиболее часто для моделирования ожирения используются грызуны (обычно мыши и крысы), которые подобно человеку всеядны и имеют сходные вкусовые рецепторы и системы идентификации и переваривания пищи, а также близки нейроанатомически в отношении областей мозга, контролирующих потребление пищи [20]. Диет-индуцированные модели ожирения используются в основном для быстрой оценки системных и органоспецифических нарушений, вызываемых избыточной массой тела [14] для последующей их коррекции. По мнению большинства исследователей, диет-индуцированные модели на диких линиях ближе к патогенезу ожирения человека, чем модели на генетически модифицированных животных, у которых ожирение может развиваться на обычных рационах [6]. При этом чаще используют мышей линии C57BL/6, особенно для моделирования диет-индуцированного ожирения [10, 17, 21], крыс линий Wistar, Sprague-Dawley и Long Evans [18, 21, 22].

Для ускорения развития ожирения у диких линий грызунов рекомендуется содержать в клетке ≤4 животных при более высокой температуре воздуха в помещении, чем обычно, а также при увеличении темного периода по сравнению со светлым [22], так как повышение температуры окружающей среды способствует снижению энергозатрат на поддержание температуры тела, а увеличение периода темноты способствует более активному потреблению пищи (70–80% рациона), так как грызуны – ночные животные [12, 16]. Кроме того, рекомендуется проводить исследования по использованию высококалорийных рационов на взрослых животных, у которых обмен веществ менее интенсивный, чем у молодых растущих грызунов [22]. Определенное значение имеет и пол животных – самцы мышей более восприимчивы к диет-индуцированному ожирению, оно обширнее и развивается быстрее [13]. У крыс развитие и прогрессирование диет-индуцированного ожирения протекает примерно одинаково у самцов и самок [13].

Модели ожирения на кроликах

Кролики редко используются для моделирования ожирения; данные по массе тела и другим показателям, характерным для ожирения, чаще можно встретить в работах по изучению метаболического синдрома, сахарного диабета и др. Так, при моделировании диет-индуцированного метаболического синдрома у кроликов на комбинированном рационе (15,7% белка, 43,1% жира и 41,2% углеводов, 3,7 ккал/г энергетическая плотность), по сравнению с контрольными (23,4% белка, 11,1% жира и 65,5% углеводов, 2,7 ккал/г энергетическая плотность) к 28-й неделе развивается достоверное увеличение массы тела, окружности живота и индекса массы тела, а также наблюдается выраженная тенденция к увеличению систолического (САД) и диастолического (ДАД) артериального давления [23] (табл. 2).

Модели ожирения на крупных животных

Кроме грызунов, для моделирования ожирения используют таких крупных животных, как свиньи, в том числе мини-свиньи, собаки, а также нечеловекообразные обезьяны. Модели ожирения на крупных животных позволяют проводить длительные биохимические и физиологические исследования обмена веществ, в том числе с регулярным отбором крови. Многие из крупных животных, особенно свиньи и нечеловекообразные обезьяны, близки человеку как анатомически, физиологически, так и генетически. Свиньи (мини-свиньи) и собаки всеядны, подобно человеку, что позволяет моделировать сходные условия индукции ожирения; немаловажный фактор также высокая плодовитость собак и мини-свиней [21, 13]. Однако крупные животные гораздо более дороги в обслуживании, чем грызуны, поэтому их используют в малом количестве, что недостаточно для оценки статистической достоверности; у них медленнее, чем у грызунов, развивается избыточный вес [13]. Не стоит забывать и об этических проблемах в отношении собак, а также обезьян (из-за их внешнего сходства с человеком).

В настоящее время отмечается рост применения моделей ожирения на мини-свиньях, причем наиболее часто – на мини-свиньях линий Ossabaw, Yucatan и Göttingen; модели на собаках используются несколько реже; еще реже для изучения ожирения применяют обезьян, преимущественно макак-резус (Macaca mulatta), бабуинов (Papio species), африканских зеленых мартышек (Chlorocebus species) и некоторых других [13]. Макак, кстати, часто рассматривают как объект изучения возрастного ожирения, которое развивается у них между 10 и 15 годами. К этому возрасту потребность в энергии у них уменьшается на 30–40%, а привычка поедать определенное количество пищи у макак пожилого возраста приводит к ожирению, что наблюдается и у людей [8].

Показатели для оценки развития ожирения у разных видов животных

Для оценки развития ожирения в условиях эксперимента в первую очередь используются антропометрические показатели (длина и масса тела, окружность живота, длина голени и др.), на основании которых рассчитываются различные коэффициенты (индекс массы тела, соотношение окружности живота к длине тела и др.); исследуются также масса органов (особенно – масса жира в отдельных органах) масса абдоминального и перитонеального жира, гистология и гистохимия органов и тканей [10]. При этом увеличение массы тела на 10–25% оценивается как умеренное ожирение, а на 40% и более – как выраженное (тяжелое) ожирение [12]. Степень ожирения у крыс оценивают также с помощью индекса Ли – корень кубический из массы тела в граммах, деленный на длину тела (расстояние от ануса до носа) и умноженный на 1000; показатель выше 310 указывает на наличие ожирения [12]. Отмечается, что масса жировой ткани является более чувствительным критерием степени ожирения, чем масса тела [12]: так, при увеличении массы тела на 10% общая масса жира может возрастать на 35–40%. Антропометрические, физиологические и биохимические показатели, характерные для различных животных при диет-индуцированных моделях ожирения, представлены в табл. 2.

О причине ожирения у исследуемых животных – избыточном питании – можно судить по энергоценности потребляемого ими рациона питания за 1 сут. Важна именно энергоценность, а не количество съедаемого корма. Поэтому подопытные животные на высокожировом рационе питания могут употреблять меньше корма в граммах, чем контрольные из-за большей энергетической плотности их рациона [14].

Кроме того, для оценки эффективности исследуемых лечебно-профилактических мер рекомендуется определять такие показатели, тесно связанные с ожирением, как лептин, грелин, инсулинорезистентность, адипонектин и др. [5, 10, 12, 14, 24]. Так, на ВЖР у мышей отмечается существенное увеличение содержания адипонектина (32,06+0,85), по сравнению с животными на стандартном рационе (16,82+2,79) [24]. Аналогичные изменения происходят и в отношении инсулинорезистентности (см. табл. 2) [10].

Различные породы мини-свиней по-разному реагируют на высококалорийные рационы. Так, например, у мини-свиней породы Göttingen рацион с 40% жировых килокалорий уже в течение 3 мес вызывал существенное увеличение массы тела (32,6±2,4 кг) по сравнению с таковым у контрольных животных (24,9±0,5 кг) [28]. Для породы Ossabaw характерно более медленное развитие ожирения на ВЖР (43% ккал), значительно масса тела у них изменяется лишь через 16 нед – 82,5±15,6 кг по сравнению с 58,1±5,2 кг у контрольных [29]. На высококалорийном рационе у мини-свиней Ossabaw отмечается увеличение окружности грудной клетки до 99,3±1,3 см по сравнению с 85,6±1,3 см у контрольных, а также окружности живота – до 102,9±1,3 см в сравнении с 87,1±1,3 см у животных на обычном рационе питания [30]. Кроме того, существенно различаются и биохимические показатели: рост уровня глюкозы – до 4,37±0,28 по сравнению с 3,28±0,15 ммоль/л у контрольных животных, инсулина – соответственно 163,19±18,05 и 83,33±16,00 пмоль/л; лептина – соответственно 19,8±1,1 и 6,6±1,1 нг/мл [31].

Заключение

Для моделирования ожирения широко используются мыши и крысы, причем лучше всего подходят дикие породы грызунов. Что касается крупных животных, то в настоящее время стали чаще применять мини-свиней, организм которых по многим параметрам схож с организмом человека; однако их обслуживание дорого обходится, что ограничивает их привлечение к экспериментам для получения достоверных статистических результатов.

Наиболее близки по этиологии и механизмам развития к ожирению у человека диет-индуцированные модели ожирения, позволяющие как получать новые данные по патофизиологии ожирения, так и проводить оценку лечебных и профилактических мероприятий. Среди диет-индуцированных моделей наиболее эффективны высокожировые, менее эффективны комбинированные модели с высоким содержанием и жира и углеводов; модели с высокой долей углеводов и низкой долей жиров малоэффективны. Рационы питания для исследования диет-индуцированного ожирения на животных должны содержать достаточное количество белка, минеральных веществ и витаминов, чтобы исключить возможность чрезмерного переедания для удовлетворения потребностей в этих питательных веществах. Для ускорения развития ожирения наряду с высококалорийными рационами необходимо использовать и другие этиологические факторы: гипокинезию, увеличение темного периода в виварии, поддержание особого теплового режима, применение половозрелых животных и др.

Оценивать эффективность исследуемых лечебно-профилактических мероприятий у животных с ожирением рекомендуется по антропометрическим показателям (длина и масса тела, окружность живота, длина голени и др.), массе органов и жира в них, а также по ряду физиологических (артериальное давление и др.) и биохимических показателей (лептин, грелин, инсулинорезистентность, адипонектин и др.).