РОЛЬ ОЖИРЕНИЯ В ЭТИОПАТОГЕНЕЗЕ РАКА ЭНДОМЕТРИЯ

И.И. Фролова

Госпиталь для ветеранов войн № 2 г. Москвы (тел.: 8 499 940 97 31)

В обзоре литературы представлен взгляд на ожирение как на один из основных факторов риска рака эндометрия первого патогенетического варианта.

Ключевые слова: рак эндометрия, ожирение, индекс массы тела, андрогены, эстрогены, ароматазы, лептин.

Рак эндометрия (РЭ) является самой распространенной онкогинекологической патологией в экономически развитых странах и занимает 7-е место среди причин смертности от злокачественных новообразований в Западной Европе [20]. В Европейском Союзе ежегодно заболевают 81500 женщин. В Российской Федерации в 2009 году у 18523 женщин диагностирован РЭ, стандартизованная заболеваемость составляет 15,53 на 100 000 женского населения. Многие годы РЭ занимает второе место среди онкологической патологии женщин, уступая лишь раку молочной железы, и первое место среди опухолей женской половой сферы [5].

Средний возраст возникновения РЭ равен 60 годам, но 90% женщин заболевает в возрасте старше 50 лет [31]. Отмечается тенденция роста заболеваемости среди женщин репродуктивного и перименопаузального возраста: до 40% от общего числа [5].

Разные факторы риска, гистопатологические варианты и молекулярные механизмы развития опухоли приводят к двум патогенетическим вариантам РЭ. Традиционный или гормонозависимый патогенетический вариант характеризуется возникновением и развитием опухоли на фоне хронической гиперэстрогении из предшествующей гиперплазии эндометрия. Альтернативный или гормононезависимый патогенетический вариант – развитие опухолей эндометрия при отсутствии гиперплазии и хронической гиперэстрогении, по течению и прогнозу он наиболее агрессивный.

Одним из факторов риска РЭ первого патогенетического варианта считается ожирение, более 40% случаев РЭ развиваются на его фоне. Ожирение повышает риск РЭ в любом возрасте, вне зависимости от применения КОК, курения, длительности менопаузы и наличия сахарного диабета [36, 37]. Умеренно повышают риск РЭ избыточный вес в пубертатном периоде и в молодом возрасте. Но в зрелом возрасте высокий индекс массы тела (ИМТ) уже достоверно повышает риск РЭ [40].

Ожирение – хроническое заболевание, характеризующееся избыточным накоплением жира в организме, при котором ИМТ составляет 30 кг/м² и выше.

Ожирение рассматривается как ведущая среди потенциально устранимых причин смертности, уступая только табакокурению. К концу ХХ века по данным ВОЗ избыточную массу тела имело около 30% жителей нашей планеты, а это в абсолютных цифрах около 1,7 млрд. человек. Заболеваемость ожирением на планете за последнее десятилетие увеличилась на 75%, во всех регионах мира прогнозируется сохранение этой тенденции [33].

Несмотря на отсутствие широкомасштабных эпидемиологических исследований, в настоящее время в России не менее трети трудоспособного населения имеют избыточную массу тела, и четверть страдают ожирением. По данным эпидемиологов, у жителей мегаполисов ожирение встречается чаще, чем в сельской местности [4]. Ожирение поражает женщин на 20% чаще мужчин, и в 2 раза чаще у женщин регистрируется III степень. Пик развития ожирения приходится на возраст 45-55 лет. В 3-4 раза чаще ожирение встречается в возрасте 40-60 лет, чем в возрасте 15-20 лет [6].

К сожалению, не существует единой патогенетической классификации ожирения. Информативным показателем степени ожирения считается ИМТ, который рассчитывается делением показателя массы тела в килограммах на квадрат показателя роста в метрах. По классификации массы тела по ИМТ, утверждённой ВОЗ в 1999 г., нормальным считается ИМТ в пределах 18,5-24,9, когда риск сопутствующих заболеваний для популяции в пределах среднего. ИМТ менее 18,5 говорит о дефиците массы тела, риск, соответственно, низкий. Предожирение и повышенный риск сопутствующей патологии вероятен при ИМТ 25,0-29,9. Ожирение I степени (ИМТ 30,0-34,9) уже существенно повышает риск сопряжённой с ним патологии. При ожирении III степени (ИМТ выше 40) степень риска квалифицируется как крайне высокая.

Кроме самого факта наличия ожирения и его степени, для оценки риска ассоциированных с ожирением заболеваний существенное значение имеет характер распределения жира. Оценка типа распределения жира проводится по результатам измерения окружности талии (ОТ) и окружности бедер (ОБ), а также соотношения этих показателей (ОТБ). Выделяют андроидный и гиноидный типы ожирения.

Для андроидного (мужского, висцерального, абдоминального) типа характерно отложение жира в верхних отделах туловища, особенно в области живота. При андроидном типе ОТБ превышает 0,85 для женщин и 0,95 для мужчин.

Гиноидное (женское, ягодичное) ожирение характеризуется преимущественным отложением жира в нижних отделах туловища. При нём ОТБ распределения жира менее 0,85 для женщин и менее 0,95 для мужчин. Нарушения углеводного обмена, сердечно-сосудистые заболевания регистрируются значительно чаще при андроидном типе ожирения. Характер распределения жировой клетчатки влияет и на степень риска РЭ: при андроидном типе распределения жировой клетчатки риск развития РЭ увеличивается в 6 раз. Риск РЭ даже при нормальном весе в 3,2 раза выше при андроидном типе [17].

У женщин старшего возраста избыточная прибавка в весе ассоциирована с отсутствием или малым числом родов, ранним возрастом первых родов, патологической прибавкой веса во время беременности и коротким периодом грудного вскармливания [23].

В перименопаузе 60% женщин отмечает быстрое нарастание массы тела [27]. По данным специалистов Питсбургского университета, здоровые женщины в течение первых 3-х лет постменопаузы прибавляют в весе в среднем 2,5 кг, 20% набирают 5 кг и более. К 8-му году постменопаузы прибавка в весе в среднем на всю когорту составляет около 6-ти кг [39]. Увеличение массы тела на каждые 5 килограмм повышает риск РЭ в 1,2 раза; прибавка веса на 30 и более килограмм увеличивает риск РЭ в 3-4 раза. Кроме того, снижение собственного веса не снижает риска РЭ до величин, характерных для женщин никогда не страдавших ожирением [36].

У женщин с ожирением в 4 раза чаще отмечаются различные нарушения менструального цикла, по сравнению с женщинами нормального веса. Ожирением страдают 45% пациенток с аменореей [19]. Прямая связь ановуляции с ожирением установлена в исследовании S. Franks [14]. В то же время только у 9-13% женщин с нормальным менструальным циклом зарегистрирован избыток веса [19, 28].

Обращает на себя внимание совпадение возрастных пиков заболеваемости ожирением и РЭ, оба развиваются чаще всего в пре- и постменопаузе. По мнению ряда авторов для развития РЭ возможно большее значение имеет абсолютная масса жировой ткани, нежели относительный вес женщины [1, 8, 12].

ЭТИОПАТОГЕНЕЗ ОЖИРЕНИЯ

Ожирение – результат дисбаланса между получаемой и потребляемой энергией. Три пути расходования энергии организма: затраты на поддержание основных физиологических функций в стандартных условиях – основной обмен; специфическое динамическое действие пищи: дополнительный расход энергии на пищеварение и стимуляцию метаболизма, обусловленный притоком нового субстрата – термогенный эффект и физическая активность – наибольший расход. Нарушение баланса между интенсивностью липогенеза и липолиза с относительным преобладанием процессов липогенеза – основное звено патогенеза ожирения. Избыточная калорийность пищи с преобладанием вечернего её приема в сочетании со снижением энергозатрат при недостаточной физической активности – самая частая причина ожирения. Остальные этиологические факторы, такие как генетическая предрасположенность, церебральные и эндокринные причины, а также ятрогенное ожирение, встречаются существенно реже.

Известны такие функции жировой ткани как депонирование энергии и воды в организме; участие в процессах обмена жировых кислот и углеводов, в синтезе жира из углеводов, в регуляции фосфорно-кальциевого обмена (начальные этапы синтеза витамина D), в метаболизме половых стероидов. Сравнительно недавно установлено, что жировая ткань является так же источником синтеза ряда факторов, обладающих эндокринным, паракринным и аутокринным действиями.

Обсуждается непосредственная роль самой жировой ткани в генезе ожирения. Установлено, что преимущественно при ожирении происходит гипертрофия адипоцитов, однако при тяжелых формах заболевания наблюдается также увеличение и количества жировых клеток. Существует «критическая жировая масса», являющаяся триггером для образования новых адипоцитов, и это подтвердил эксперимент.

Роль нарушения регуляции энергетического баланса в предрасположенности к развитию ожирения, в частности дисбаланса различных пептидов (лептина, грелина и др.) и нейропептидов (нейропептида Y и др.) также обсуждается. Полипептидный гормон лептин, синтезируемый и секретируемый жировыми клетками, участвует в регуляции энергетического обмена, уменьшая аппетит и повышая расход энергии путем механизма обратной связи между его уровнем и выработкой участвующего в формировании чувства голода гипоталамического нейропептида Y [6]. Ведущая функция лептина – регуляция внутриклеточного гомеостаза жирных кислот, предотвращение развития эктопического отложения жира в тканях, в норме не депонирующих жир, в периоды переедания – липотоксикоза [41].

У подавляющего большинства тучных людей уровень лептина повышен. С увеличением тучности уровень лептина в крови возрастает и снижается при уменьшении количества жировой ткани. Однако при наступлении так называемой «точки липостаза», когда за короткий период времени человек теряет более 30 кг, лептин запускает цикл противодействия снижению веса, и аппетит растёт, а человек вновь набирает массу. Продукция лептина в подкожной жировой клетчатке выше, чем в жировых депо. Лептин циркулирует в связанном с транспортным белком виде, резистентность к нему объясняется аномалиями в структуре лептин-связывающего белка – «лептинорезистентность». Возможной причиной лептинорезистентности является аномалия рецепторов гипоталамуса. Согласно теории, выдвинутой E. Petridou [29], в секреторную фазу менструального цикла лептин ингибирует синтез прогестерона. Показано, что высокие концентрации лептина у женщин с ожирением снижают протекторное действие прогестерона на эндометрий [18]. Установлена корреляция уровня лептина и повышения риска РЭ [29]. Но не ясно, связано ли повышение риска РЭ только с высоким уровнем лептина или в совокупности с наличием ожирения.

Изучена роль серотонина в формировании пищевого поведения: повышение его уровня в гипоталамических структурах в эксперименте вызывает чувство сытости. Подобным действием обладает и дофамин – при повышении активности катехоламинов потребность в еде снижается [6]. Увеличение содержания белка грелина также усиливает чувство голода [6]. Нарушения обмена серотонина и рецепции эндорфинов влекут изменения в психоэмоциональной сфере, что напрямую отражается и на пищевом поведении. В данном контексте употребление углеводистых продуктов является своеобразным допингом, а ожирение имеет сходство с такими болезнями, как алкоголизм и наркомания.

Не вызывает сомнений наличие генетической предрасположенности к ожирению. При избытке массы тела у одного из родителей, ожирение развивается у 40% детей. Часто обсуждается вопрос о доминирующем значении семейного стереотипа питания, однако исследования с раздельно живущими однояйцовыми близнецами подтверждают именно роль наследственного фактора. Наследственный фактор в настоящее время рассматривается как полигенный – открыто множество генов, отвечающих за развитие ожирения [6]. Выявлены мутации в гене липопротеинлипазы у больных с ожирением и сахарным диабетом II типа, изучается роль рецептора, активирующего пролифератор пероксисом PPAR.

Возрастное повышение активности регуляторных центров гипоталамуса и снижение их чувствительности к стимулирующим или тормозящим влияниям с периферии, играет значимую роль в формировании ожирения. Процесс старения организма сопровождается изменением соотношения между гормонами, способствующими мобилизации жира, и гормонами, активирующими липогенез в пользу преобладания гормонов, способствующих концентрации жира в висцеральных депо [13]. Снижение скорости основного обмена в постменопаузе у женщин выражено в большей степени, чем у мужчин того же возрастного периода. В менопаузу изменяется и соотношение пептидов и нейромедиаторов, участвующих в регуляции центра голода и насыщения: уровень анорексигенных факторов (лептина, дофамина, холецистокинина) значительно ниже, чем у женщин в пременопаузе. В то же время, содержание орексигенных факторов (нейропептида Y, галанина, норадреналина) повышено [7].

Результаты ряда клинических и экспериментальных исследований демонстрируют и участие эстрогенов в регуляции пищевого поведения. Известно, что такие нарушения пищевого поведения, как булимия, анорексия и пищевые эксцессы встречаются преимущественно у женщин [16].

ОЖИРЕНИЕ В ЭТИОПАТОГЕНЕЗЕ РАКА ЭНДОМЕТРИЯ

При ожирении в жировой ткани увеличивается конверсия андрогенов в эстрогены, что повышает риск развития РЭ. Яичники пременопаузальных женщин в норме продуцируют прогестерон. В пременопаузе, особенно у тучных женщин, превалируют ановуляторные циклы, и эстрогены остаются не уравновешенными эндогенным прогестероном, что и ведёт к повышению риска РЭ [22]. В норме в постменопаузе яичники не продуцируют ни эстрогены, ни прогестерон; эстрогены образуются из андростендиола, секретируемого надпочечниками. При посредстве ароматаз происходит конверсия андростендиола в эстрон, а превращение эстрона в эстрадиол происходит в периферической жировой ткани. Поскольку яичники в постменопаузе не вырабатывают прогестерон, концентрация эстрадиола сыворотки крови очень высока. Повышение риска РЭ в постменопаузе в 5-10 раз связывают именно с отсутствием выработки овариального прогестерона [21]. У женщин нормальной массы тела только 1% андростендиона конвертируется в эстрон, в то время как при ожирении конверсия достигает уже 10% [2, 9]. Уровень эстрогенемии у постменопаузальных женщин в большей степени определяется именно массой тела, второстепенны возраст и продолжительность менопаузы [2].

Сопровождающие ожирение нарушения энергетического баланса, повышение ИМТ и снижение уровня белка, связывающего половые стероиды (БСПС), – факторы, повышающие риск развития РЭ. БСПС – гликопротеин, имеющий специфическое сродство к эстрогенам и андрогенам, к снижению уровня БСПС приводит повышение ИМТ [21]. При изменении ИМТ у женщин в пременопаузе при возрастании массы тела более чем на 30 кг, снижается уровень БСПС и соответственно повышается количество свободного эстрадиола в циркулирующей крови. Исследование N. Potischman и соавт. [30] подтверждает ассоциацию ожирения с повышением уровня сывороточного эстрадиола как следствия снижения концентрации БСПС, связывающего эстрогены.

Таким образом, ожирение способствует развитию гиперпластических и неопластических процессов в эндометрии. При этом роль ожирения рассматривается в нескольких ракурсах: как источник эндогенного образования эстрогенов из андрогенов и как комплекс метаболических сдвигов, потенцирующих вероятность развития опухолей [5, 32]. Дисрегуляция эндогенных стероидов и факторов роста является отправной точкой для нарушения баланса между процессами клеточной пролиферации и апоптозом. Хроническое, не уравновешенное эндогенным прогестероном или его синтетическими аналогами, воздействие эстрогенов на эндометрий приводит к повышению митотической активности клеток эндометрия и, в свою очередь, повышению репликации ДНК и накоплению соматических мутаций с формированием гиперплазии и малигнантного фенотипа [10].

Атипическая гиперплазия эндометрия может расцениваться как облигатный предрак только в сочетании с комплексом обменно-эндокринных нарушений [5, 35]. Группа исследователей, изучавших инциденты РЭ агрессивного клинического течения, пришла к выводу, что риск РЭ высокой степени агрессии достоверно выше у женщин с ожирением, родивших менее двух детей, принимающих более 8 лет ЗГТ эстрогенными препаратами, с сопутствующим сахарным диабетом [38]. При сочетании ожирения и сахарного диабета, троекратно увеличивается риск РЭ по сравнению с не страдающими диабетом женщинами [7]. Сахарный диабет повышает риск РЭ только у женщин с ожирением [11]. Установлено, что ожирение способствует манифестации генетически детерминированной гиперинсулинемической инсулин-резистентности [9]. E. Weiderpass и соавт. показали, что только у тучных женщин артериальная гипертония является фактором риска РЭ [37].

ПРОФИЛАКТИКА ОЖИРЕНИЯ КАК ПРОФИЛАКТИКА РАКА ЭНДОМЕТРИЯ

Несомненна роль санитарно-просветительной работы и превентивных мероприятий среди находящихся в группе риска по развитию ожирения детей и взрослых в профилактике ожирения. Развитию и закреплению устойчивой мотивации к предупреждению и лечению избыточного веса не только с эстетической целью, но и с целью профилактики опасного для жизни заболевания будет способствовать внедрение в массы знаний об ожирении как об одном из основных факторов риска развития РЭ.

Учитывая тот факт, что в основе ожирения всегда лежит дисбаланс между количеством потребляемой с пищей энергии и энергозатратами организма, основной целью коррекции питания является создание энергетического дефицита. Исследование A.J. Littman и соавт. [25] подтверждают достоверное снижение риска РЭ у женщин, придерживающихся низкокалорийной диеты с высоким содержанием овощей и фруктов. При возрастании физической активности уменьшается количество висцерального жира и предотвращается снижение мышечной массы при похудании [34]. Расходование энергии важно для поддержания оптимального веса.

«Проект здорового образа жизни» изучал возможности профилактики прибавки веса у 535 здоровых пременопаузальных женщин среднего возраста 47 лет, с ИМТ от 20 до 34 [24]. В основной группе из 275 человек проводилась коррекция образа жизни: снижение общей калорийности пищи, ограничение употребления жиров до 25% суточного рациона, повышение физической активности. 260 женщин контрольной группы не получали подобных рекомендаций. К концу периода наблюдения в 54 недели 35% женщин находились в постменопаузе. Уменьшение употребления жиров, особенно насыщенных, и холестерина с пищей у женщин в пременопаузе способствует статически значимому снижению массы тела, индекса ОТ/ОБ, а также темпов прироста триглицеридов, глюкозы и инсулина. Отмечена также корреляция снижения массы тела с повышением физической активности.

Анализ 13-ти исследований показал достоверную редукцию риска РЭ (на 30-40%) среди физически активных женщин [15]. C.E. Matthews с соавторами показали, что риск РЭ снижается и при интенсивных занятиях спортом (упражнения на тренажерах, бег и т.п.), и при умеренных физических нагрузках (пешеходные прогулки, танцы, садоводство, работа по дому) [26].

Подтверждение прямой связи ожирения с высоким риском РЭ свидетельствует о необходимости включения в государственные и международные программы профилактики РЭ положений, предупреждающих ожирение.

Литература

1. Бохман Я.В. Руководство по онкогинекологии. – СПб: «ООО Издательство Фолиант», 2002. – С.195-229.
2. Берштейн Л.М. Внегонадная продукция эстрогенов (роль в физиологии и патологии). – СПб.: Наука, 1998. – 172 с.
3. Берштейн Л.М. Гормональный канцерогенез. – СПб.: Наука, 2000, – 200 с.
4. Мельниченко Г.А., Романцева Т.И. Ожирение: эпидемиология, классификация, патогенез, клиническая симптоматика и диагностика.\ В кн. «Ожирение: этиология, патогенез, клинические аспекты» под ред. Дедова И.И., Мельниченко Г.А. – М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2006. – С.17-43.
5. Под ред. Чиссова В.И., Старинского В.В., Петровой Г.В. Злокачественные новообразования в России в 2009 году (заболеваемость и смертность)/ М.: ФГУ «МНИОИ им. П.А. Герцена Минздравсоцразвития России», 2011.- С. 260
6. Ожирение (клинические очерки) / Под ред. проф. Барановского А.Ю., проф. Ворохбиной Н.В. – СПб.: Издательство «Диалект», 2007. – 240 с.
7. Романцева Т.И. Особенности патогенеза и лечения менопаузального метаболического синдрома./ В кн. «Ожирение: этиология, патогенез, клинические аспекты» под ред. Дедова И.И., Мельниченко Г.А. – М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2006. – С.219-236.
8. Сафина Н.С. Оценка липидного обмена и иммуногенетических факторов у больных раком эндометрия. // Автореф. дисс. канд. мед. наук. – СПб. – 1999. – 38 с.
9. Чернуха Г.Е. Аденоматозная и железистая гиперплазия эндометрия в репродуктивном возрасте (патогенез, клиника, лечение). // Автореф. дисс. д-ра мед. наук. – М. – 1999. – 42 с.
10. Akhmedkhanov A., Zeleniuch-Jacquotte A., Toniolo P. Role of Exogenous and Endogenous Hormones in Endometrial Cancer. // Ann. NY Acad. Sci. – 2001; 943: 296-315.
11. Anderson K.E., Anderson E., Mink P.J. et al. Diabetes and endometrial cancer in lowa women’s health study. // Canc. Epidemiol. Biomarc. Prevent. – 2001; 10 (6): 611-6.
12. Baanders van Halewyn E.A., Blankenstein M.A., Thijssen J.H. et al. A comparative study of risk factors for hyperplasia and cancer of the endometrium. // Eur. J. Cancer. Prev. – 1996. – 5 (2): 105-112.
13. Bjurntorp P. The regulation of adipose tissue distribution in humans. // Int. J. Obes. – 1997; 20: 291-302.
14. Franks S., Willis D.S. et al. The effects of ovarian steroids, epidermal growth factor, insulin and insulin-like factor-1 on ovarian stromal growth. // Proceedings of Endocrine Society, 79th Annual Meeting, June 11-14, 1997. – San Diego: Endocrine society Press 1997; 389.
15. Friednreich C., Orenstein M. Physical Activity and Cancer Prevention: Etiologic Evidence and Biological Mechanisms. // J. Nutrition. – 2002; 132: 3456-3464.
16. Geary N. The effect of estrogen on appetite. // Medscape Woman’s Health J. – 1998; 3: 1-11.
17. Elliot E.A., Matanoski G.M., Rosenshein N.B. Body fat patterning in women with endometrial cancer. // Gynecol. Oncol. – 1990; 39: 253.
18. Hale G.E., Hughes C.L., Cline J.M. Endometrial Cancer: Hormonal Factors, The Premenopausal “Window of Risk”, and Isoflavones. // J. Clin. Endocr. Metab. – 2002; 87: 3-15.
19.  Hartz E.J., Borboriak P.N. et al. The association of obesity with infertility and related menstrual abnormalities in women. // Int. J. Obes. Relat. Metab. Disord. – 1979; 3: 57-73.
20. Под редакцией Тюляндина С. А., Носова Д. А., Переводчиковой Н. И. Минимальные клинические рекомендации Европейского Общества Медицинской Онкологии (ЕSМО)/ М.: Издательская группа РОНЦ им. Н. Н. Блохина, 2010.— 436 с.
21. Key T., Allen N., Verkasalo P., Banks E. Macronutrient Metabolism Group Symposium on “Energy Flux and Cancer.” Energy Balance and Cancer: The Role of Sex Hormones. // Proceed. Nutrit. Societ. – 2001; 60: 81-89.
22. Key T.J., Pike M.C. The dose-effect relationship between “unopposed” oestrogens and endometrial: central role in explaining and predicting endometrial cancer risk. // Br. J. Cancer. – 1988; 57 (2): 20-24.
23. Kirchengast S., Gruber D., Sator M. et al. Postmenopausal weight status, body composition and fat distribution in relation to parameters of menstrual and reproductive history.// Maturitas. – 1999; 33: 117-26.
24. Kuller L.H., Simkin-Silwerman L.R., Wing R.R. et al. Women’s Healthy Lifestyle Project: a randomized clinical trial. Results at 54 months. / Circ. Am. Heart Assoc. – 2001; 2 (9): 32-7.
25. Littman A.J., Berestford S.A., White E. The association of dietary fat and plant foods with endometrial cancer (United Stated).// Cancer Caus. Control. – 2001; 12 (8): 691-702.
26. Matthews C.E., Xu W.X., Zheng W. et al. Physical Activity and Risk of Endometrial Cancer: A Report from the Shanghai Endometrial Cancer Study. // Canc. Epidemiol. Biomarc. Prevent. – 2005; 14: 779-85.
27. Milewicz A., Bidzinska B., Sidorovicz A. Perimenopausal obesity. // Gynecol. Endocrinol. – 1996; 10: 285-91.
28. Norman R.J., Clark A.M. Lifestyle factors in the aetiology and management of polycystic ovary syndrome. In: Polycystic ovary syndrome. Ed. By Gabor T. Kovacs. // Cambridge University Press. – 2000; 98-116.
29. Petridou E., Belechri M., Dessypris N. et al. Leptin and Body mass Index in Relation to Endometrial Cancer Risk. // Ann. Nutrit. Metab. – 2002; 46: 147-51.
30. Potischman N., Hoover R., Brinton L. et al. Case Control Study of Endogenous Steroid Hormones and Endometrial Cancer. // J. Nat. Cancer Inst. – 1996; 88: 1127-1135.
31. Purdie D., Green A. Epidemiology of Endometrial Cancer. // Best Pract. Res. Clin. Obstet. Gynecol. – 2001; 15: 341-354.
32. Qie M., Peng Z., Wang S. et al. Evaluation on ISGP classification of endometrial hyperplasia in clinical application. // Hua Hsi I Ko Ta Hsuch Pao. – 1997; 28 (1): 95-7.
33. Seidell J.S. The Worldwide epidemic of obesity. / In: Progress in obesity research. 8-th International congress on obesity. B. Guy-Grand, G. Aithhaud, London: John Libbey & Company Ltd. 1999; 661-8.
34. Shaw K., Gennat H., O’Rourke P., Del Mar C. Exercise for overweight or obesity. //Cochrane Database Syst. Rev. – 2006. – 18; (4): 321-3.
35. Tabata T., Yamawaki T. at al. Clinical value of dilatation and curettage for abnormal uterine bleeding. // Arch. Gynecol. Obstet. – 2001; 264 (4): 174-6.
36. Trentham-Dietz A., Nichols H.B., Hampton J.M., Newcomb P.A. Weight change and risk of endometrial cancer. // Int. J. Epidemiol. – 2006; 35 (1): 166-8.
37. Weiderpass E., Persson I., Adami H.O. et al. Body size in different periods of life, diabetis mellitus, hypertension, and of postmenopausal endometrial cancer (Sweden). // Cancer Causes Control. – 2000; 11 (2): 185-92.
38. Weiss J.M., Saltzman B.S., Doherty J.A. et al. Risk factors for the incidence of endometrial cancer according to the aggressiveness of disease. // Am. J. Epidemiol. – 2006; 164 (1): 56-62.
39. Wing R., Matthews K., Kuller L. et al. Weight gain at time of menopause. // Ann. Int. Med. – 1991; 151: 97-102.
40. Xu W.H., Xiang Y.B., Zhang X. et al. Weight history and risk of endometrial cancer among Chinese women. // Int. J. Epidemiol. – 2005; 35(1): 166-8.
41. Unger R.H. Lipotoxic Diseases. // Annu. Rev. Med. – 2002; 53: 319-36.

synlab: Гиперплазия эндометрия

К гиперпластическим процессам эндометрия относят различные варианты гиперплазии эндометрия и полипы эндометрия.
Гиперпластические процессы эндометрия возможны в любом возрасте, но их частота значительно возрастает к периоду перименопаузы. Гиперпластические процессы эндометрия, по данным большинства ученых, относят к предшественникам рака эндометрия. Простая гиперплазия эндометрия без атипии переходит в рак в 1% случаев, полиповидная форма без атипии — в 3 раза чаще. Простая атипическая гиперплазия эндометрия без лечения прогрессирует в рак у 8% больных, сложная атипическая гиперплазия — у 29% больных.
Наиболее частый вид гиперпластического процесса эндометрия — полипы, встречающиеся у гинекологических больных с частотой до 25%. Чаще полипы эндометрия выявляют в пре- и постменопаузе. Полипы эндометрия озлокачествляются примерно в 2–3% наблюдений.
Согласно гистологической классификации ВОЗ (1975) выделяют 3 основных вида ГПЭ: эндометриальные полипы, эндометриальная гиперплазия, атипическая гиперплазия эндометрия.
Причины развития гиперпластических процессов эндометрия:
Эндометрий является органом-мишенью для половых гормонов из-за присутствия в нем специфических рецепторов. Ведущее место в патогенезе ГПЭ отводится относительной или абсолютной гиперэстрогении, отсутствии антиэстрогенного влияния прогестерона или недостаточном влиянии. 
Причины гиперэстрогении: ановуляция; гиперпластические процессы в яичниках или гормонопродуцирующие опухоли яичников; нарушение гонадотропной функции гипофиза; гиперплазия коры надпочечников; неправильное использование гормональных препаратов (эстрогены, антиэстрогены). 
Однако ГПЭ могут развиваться и при ненарушенных гормональных соотношениях. В развитии таких патологических процессов ведущая роль отводится нарушениям тканевой рецепции. Инфекционно-воспалительные изменения в эндометрии могут приводить к развитию ГПЭ у 30% больных. 
В патогенезе ГПЭ большое место занимают также обменно-эндокринные нарушения: изменения жирового обмена, метаболизма половых гормонов при патологии гепатобилиарной системы и желудочно-кишечного тракта, иммунитета, функции щитовидной железы. Хорошо известен факт частого сочетания гиперплазии и рака эндометрия с ожирением, гипертонической болезнью, диабетом, изменением функции печени. 
Нередко наблюдается сочетание патологии эндометрия с пролиферативными изменениями в молочной железе  с миомой матки, что указывает на общность патологических процессов. 
Симптомы гиперпластических процессов эндометрия:

• маточные кровотечения, чаще ациклические
• контактные кровяные выделения (при половом акте)
• при больших полипах эндометрия могут быть схваткообразные боли внизу живота
  бесплодие, как правило, первичное (чаще из-за отсутствия овуляции)

Иногда полипы эндометрия остаются бессимптомными, особенно в постменопаузе, что крайне опасно.
Основные методы диагностики ГПЭ — трансвагинальное УЗИ и гистероскопия. Однако окончательный диагноз с указанием вида ГПЭ устанавливают после гистологического исследования соскоба эндометрия. 

Трансвагинальное ультразвуковое сканирование. УЗИ с трансвагинальным сканированием высокоинформативно, неинвазивно, безвредно для пациентки. Информативность метода варьирует в зависимости от вида патологии эндометрия и возраста женщины. Точность диагностики ГПЭ при УЗИ составляет 60-70%. Информативность трансвагинального УЗИ при полипах эндометрия составляет 80-98% 

Гистероскопия. Информативность гистероскопии в диагностике ГПЭ составляет 63-97%. Гистероскопия необходима как перед выскабливанием слизистой матки, для верификации характера и локализации патологии, так и после него для контроля за тщательностью проведенной операции.
Лечение ГПЭ зависит от патоморфологической характеристики эндометрия, возраста пациентки, причин  заболевания, сопутствующей гинекологической и экстрагенитальной патологии.
Терапия в различные возрастные периоды складывается из:
—   остановки кровотечения; 
—   восстановления менструальной функции в репродуктивном периоде или 
—   восстановление стойкой менопаузы в более старшем возрасте; 
—   профилактики рецидива гиперпластического процесса.

Ведение пациенток репродуктивного возраста с ГПЭ. Традиционным методом лечения ГПЭ является гормональная терапия. В репродуктивном возрасте она преследует цель как профилактики рецидива ГПЭ, так и восстановления овуляторного менструального цикла.
Контроль эффективности лечения осуществляется путем аспирационной биопсии эндометрия (пайпель-биопсии) и УЗИ через 3, 6 и 12 мес. В сомнительных случаях или при подозрении на патологический процесс эндометрия целесообразно проводить гистероскопию с раздельным диагностическим выскабливанием слизистой оболочки матки. 

Врачи-гинекологи СИНЛАБ помогут провести необходимое Вам лабораторное и инструментальное обследование и лечение.

причины, диагностика, лечение. Лечение поликистоза яичников в Москве – Гинеко – клиника гинекологии

Поликистоз яичников (СПКЯ или синдром поликистозных яичников) — доброкачественное новообразование на поверхности или внутри этих женских половых желез. Данное патологическое разрастание представлено многочисленными кистами, возникшими из-за эндокринных нарушений в организме и сбоя синтеза половых гормонов. СПКЯ отмечается примерно у 5% женщин детородного возраста. На сегодняшний момент это одна из основных причин развития женского бесплодия. Поликистоз опасен и тем, что может приводить к невынашиванию беременности.

Различают два вида синдрома поликистозных яичников:

• Первичная форма является самостоятельным заболеванием, возникающим во время полового созревания. В некоторых случаях она носит врожденный характер.
• Вторичная форма возникает в детородном возрасте под действием гормональных и эндокринных патологий, воспалительных явлений в репродуктивных органах.

Симптомы

Первые проявления СПКЯ редко отмечаются у женщин старше 20 лет, обычно они развиваются во время подросткового периода.

Основные симптомы СПКЯ следующие:

• чрезмерный вес
• мужской вариант оволосения тела (гирсутизм)
• формирование кист и увеличение яичников
• у женщин репродуктивного возраста выраженным поликистоза является неспособность зачать ребенка
• сбои в месячных, проявляющиеся гипоменструальным синдромом, аменореей, ановуляторными циклами
• маточные кровотечения

Гирсутизм представляет собой наиболее выраженный признак СПКЯ. Ожирение отмечается примерно у 30% пациенток, оно зачастую протекает одновременно с гипоталамо-гипофизарными патологиями.

В основном диагностировать поликистоз можно только на ультразвуковом обследовании. Медицинский центр «Гинеко» оснащен необходимым для точной диагностики оборудованием. Мы поможем вовремя обнаружить заболеванием и не допустим его развитие.

Причины

В настоящий момент специалисты расходятся во мнениях относительно механизмов развития СПКЯ. Существует теория, что первопричина этой болезни заключается в сбое биосинтеза андрогенов (мужских половых гормонов) в надпочечниках женщины, что приводит к разбалансировке эндокринных функций и обменных процессов. Приверженцы другой теории утверждают, что существует генетическая предрасположенность к СПКЯ.

Медики единодушны в том, что причины развития поликистоза яичников напрямую связаны с избытком жировых отложений. Исследования показали, что ожирение может провоцировать и усиливать поликистоз. И сам поликистоз может приводить к развитию ожирения и даже усугублять его. У 4 из 10 пациенток, страдающих от СПКЯ, обнаруживается ожирение, являющееся результатом нарушений жирового обмена, вызванных повышенным уровнем андрогенов. Поликистоз яичников зачастую присутствует при развитии инсулинорезистентности.

Диагностика

Диагностика поликистоза яичников в «Гинеко» основана на следующих видах лабораторного и инструментального обследования:

• прием у гинеколога, включающий бимануальное исследование, которое позволяет выявить уплотнение и увеличение женских половых желез, и физикальный осмотр для оценки степени и характера оволосения и других проявлений СПКЯ
• УЗИ малого таза необходимо для установления степени укрупнения и уплотнения яичников, выявления фолликулярных кист
• анализ содержания половых гормонов в плазме крови является важным индикатором состояния эндокринной системы пациентки
• концентрация инсулина в плазме важна для выявления сопутствующих нарушений жирового обмена
• МРТ яичников делается для исключения рисков злокачественного новообразования
• диагностическая лапароскопия является наиболее эффективным методом выявление СПКЯ, также она позволяет наиболее точно оценить стадию заболевания

Лечение

Начальная терапия синдрома поликистозных яичников обычно является консервативной. При ее неэффективности может быть применено хирургическое воздействие.

При ожирении консервативная терапия в обязательном порядке предваряется нормализацией веса. Иначе она может оказаться неэффективной. Соответственно, первый этап терапии включает разработку индивидуального рациона, характеризующегося пониженным содержанием калорий, а также программы регулярных физических нагрузок. Подобная терапия нацелена не только на уменьшение веса, но и на увеличение восприимчивости клеток к инсулину.

Второй этап консервативного лечения основан на медикаментозном воздействии, призванном устранить гормональные сбои, нормализовать месячные, снизить проявления избытка мужских половых гормонов, скорректировать нарушения жирового и углеводного обмена. Третий этап консервативного лечения проводится в целях нормализации овуляторного цикла и основан на введении препаратов, увеличивающих вероятность овуляции. Медикаментозная терапия поликистоза яичников с последующей стимуляцией овуляции является весьма эффективной в большинстве случаев. Однако, к сожалению, при этой патологии отмечаются частые рецидивы, требующие повторного лечения.

Хирургическое лечение СПКЯ используется преимущественно в целях терапии бесплодия. Применяемые лапароскопические методики основаны на малых проколах в районе живота, через которые доктор вводит миниатюрные хирургические инструменты и видеокамеру. При хирургическом лечении синдрома поликистоза яичников могут применяться высокотехнологичные виды воздействия, характеризующиеся минимальной травматичностью, например электрокаутеризационные и лазерные методики. Лапароскопический подход выгодно отличается возможностью устранения не только СПКЯ, но и сопутствующих причин развития бесплодия, например непроходимости маточных труб и спаек.

Даже если женщина не планирует завести ребенка, не следует оставлять это заболевание на самотек. В целях обеспечения здоровья пациентки необходимо его своевременное лечение и последующая профилактика. В противном случае существует опасность возникновения ряда осложнений:

• патологические сдвиги в эндометрии
• раковые заболевания матки и грудных желез
• стойкие формы бесплодия
• отклонения жирового и углеводного обмена (гипертония, диабет)
• кровотечения из матки

В целях профилактики СПКЯ женщине необходимо посещать гинеколога по меньшей мере раз в полгода, контролировать свой рацион и вес тела, сохранять должную физическую активность. Если пациентка с СПКЯ успешно забеременела благодаря адекватной терапии, то на протяжении всего периода вынашивания требуется наблюдение у гинеколога. Это связано с тем, что у этой категории женщин повышен риск преждевременных родов и выкидышей. Однако при правильном лечении СПКЯ и следовании предписаниям гинекологов женщина способна родить полноценного малыша.

Мезенхимальные дистрофии — это… Что такое Мезенхимальные дистрофии?

Мезенхима́льные дистрофи́и (стромально-сосудистые дистрофии) — нарушения метаболизма, развивающиеся в строме органов.

Классификация

В зависимости от типа веществ, обмен которых нарушен, выделяют три группы мезенхимальных дистрофий:

1. Мезенхимальные диспротеинозы (нарушения обмена белков)
2. Мезенхимальные липодистрофии (нарушения обмена липидов)
3. Мезенхимальные углеводные дистрофии.

К мезенхимальным диспротеинозам относятся (1) мукоидное набухание, (2) фибриноидные изменения, (3) внеклеточный гиалиноз и (4) амилоидоз.

Мезенхимальные липодистрофии

Мезенхимальные липодистрофии (мезенхимальные липидозы) включают (1) нарушения обмена ацилглицеролов (нейтральных жиров), а также (2) холестерола и его эфиров (холестеридов). К ацилглицеролам относятся три класса соединений — моно-, ди- и триглицериды. Нарушения метаболизма нейтральных жиров (ацилглицерозы) носят локальный (местный) и генерализованный (распространённый) характер, сопровождаются накоплением (кумулятивные дистрофии) или истощением (резорбтивные дистрофии) тканевых липидов. Нарушения обмена холестерола и холестеридов (холестерозы) проявляются как недостаточностью этих веществ в организме (болезнь Бе́ссена—Ко́рнцвейга), так и избыточной концентрацией их в некоторых тканях (атеросклероз, ксантоматоз, липоидная дуга роговицы). В качестве синонима для обозначения холестерозов иногда используется термин холестериновый диатез.

I. Ацилглицерозы

1. Генерализованные кумулятивные ацилглицерозы (ожирение, наследственные гиперацилглицеролемии)
2. Генерализованные резорбтивные ацилглицерозы (кахексия, синдром гиперпродукции липотропина)
3. Локальные кумулятивные ацилглицерозы (липоматозы, вакатное ожирение)
4. Локальные резорбтивные ацилглицерозы (очаговые некрозы жировой ткани, регионарные липоатрофии).

II. Холестерозы (холестериновый диатез).

1. Резорбтивный холестероз (болезнь Бе́ссена—Ко́рнцвейга)
2. Кумулятивные холестерозы [атеросклероз, ксантоматоз, липоидная дуга роговицы].

Среди генерализованных кумулятивных ацилглицерозов основное значение имеет ожирение, но к данной группе мезенхимальных липодистрофий относятся также наследственные заболевания, сопровождающиеся развитием гиперацилглицеролемии. Классическим примером наследственной гиперацилглицеролемии является болезнь Бюргера—Грютца (гиперлипидемия Ia типа), при которой отсутствует фермент липопротеин-липаза, вследствие чего нейтральный жир хиломикронов не расщепляется и эти частицы длительно остаются в кровотоке (гиперхиломикронемия). Помимо хиломикронов пи наследственных гиперацилглицеролемиях в крови увеличивается содержание липопротеинов очень низкой плотности — частиц, также богатых нейтральными жирами.

Ожирение

Ожирение (общее ожирение, тучность, adipósitas) — патологический процесс, сопровождающийся существенным увеличением в организме массы белой жировой ткани. Общее количество ацилглицеролов при этом также значительно увеличивается. Минимальный показатель превышения «стандартной» массы тела при ожирении составляет 20% у мужчин и 25% у женщин (именно при таком избытке массы тела отмечается статистически значимое увеличение вторичной заболеваемости и смертности). Ожирение является одним из наиболее распространённых заболеваний в развитых странах мира. Процесс чаще развивается после 40 лет, преимущественно у женщин. Ожирение нередко сопровождается развитием паренхиматозной липодистрофии печени (жирового гепатоза).

При наличии у грудного ребёнка избытка массы тела за счёт избыточного развития жировой ткани термин «ожирение» не используется: по традиции такое состояние обозначают понятием паратрофи́я.

Классификация

Формы ожирения классифицируют следующим образом:

I. Этиологический принцип

1. Первичное (алиментарно-конституциональное) ожирение
2. Вторичное (симптоматическое) ожирение [наследственные и приобретённые варианты].

Формы вторичного приобретённого ожирения:

• Эндокринное ожирение
• Церебральное (гипоталамическое) ожирение
• Дуоденальное (дуоденопривное) ожирение [при удалении двенадцатиперстной кишки]
• Гипоксическое ожирение (первичный пиквикский синдром)
• Ятрогенное ожирение [например, длительное применение β-адреноблокаторов угнетает липолиз].

II. Выраженность процесса

1. I степень (превышение массы тела над «стандартной» не более чем на 29%)
2. II степень (30—49%)
3. III степень (50—99%)
4. IV степень (100% и более).

III. Преимущественная локализация отложений жира

1. Симметричный (универсальный) тип
2. Асимметричные типы (верхний, средний, нижний).

IV. Микроморфологические особенности белой жировой ткани

1. Гипертрофическое ожирение
2. Гиперпластическое ожирение
3. Смешанный вариант ожирения.

V. Морфогенез ожирения

1. Динамическая фаза (масса тела нарастает)
2. Статическая фаза (масса тела относительно постоянна).

Симметричный и асимметричный типы ожирения

По внешним проявлениям выделяют симметричный и асимметричные типы ожирения. При симметричном типе белая жировая ткань относительно равномерно распределена по разным частям тела. При верхнем типе жировая клетчатка выражена в области лица, затылка, шеи, плечевого пояса и молочных желёз. При среднем типе отмечается развитие подкожной клетчатки передней брюшной стенки («жировой фартук»), при нижнем типе — в области ягодиц, бёдер и голеней. Верхний тип соответствует андроидному, или «яблочному» (характерному для мужчин), нижний — гиноидному, или «грушевидному» (типичному для женщин), ожирению. Это распределение вызвано различной чувствительностью липоцитов к половым гормонам: липоциты верхней половины тела более чувствительны к андрогенам, поэтому преобладание андрогенов над эстрогенами сопровождается развитием верхнего типа ожирения. Андроидный тип ожирения чаще сочетается с нарушенной толерантностью к глюкозе или с диабетом, гиперлипидемией, артериальной гипертензией, гиперандрогенией и гирсутизмом у женщин.

Гиперпластическое и гипертрофическое ожирение

По микроморфологическим особенностям жировой ткани различают гипертрофическое и гиперпластическое ожирение. Количество клеток белой жировой ткани достигает максимума в пубертатном периоде (у женщин их около 40 млрд., у мужчин вдвое меньше, что связывают с супрессивным действием тестостерона на развитие жировой ткани). Диагностика гипертрофического и гиперпластического ожирения проводится по материалу биопсии жировой клетчатки.

Гипертрофическое ожирение характерно для заболевания, появившегося в зрелом возрасте, оно развивается на фоне персистирующей гипергликемии и вторичной гиперинсулинемии, оно характеризуется увеличением объёма липоцитов за счёт накопления в их цитоплазме ацилглицеролов. Так, при увеличении диаметра клетки в 2 раза количество нейтрального жира в ней возрастает в 8 раз. Общее число жировых клеток при этом типе ожирения существенно не изменяется. Несмотря на уменьшение чувствительности гипертрофированных адипоцитов к инсулину, чувствительность этих клеток к липолитическим гормонам (половые и тиреоидные гормоны) увеличивается, поэтому возможно существенное снижение массы жировой ткани консервативными методами лечения. Коррекция массы тела при гипертрофическом ожирении необходима, т.к. оно сопровождается выраженными метаболическими нарушениями и приводит к тяжёлым изменениям прежде всего со стороны сердечно-сосудистой системы.

Напротив, гиперпластическое ожирение отличается увеличением числа липоцитов, содержание ацилглицеролов в клетке не меняется. Этот тип ожирения не связан с увеличением концентрации глюкозы и инсулина в крови. Метаболические расстройства при гиперпластическом ожирении не выражены, поэтому его течение, как правило, доброкачественное, однако снизить массу гиперплазированной жировой ткани консервативными методами затруднительно. В ряде случаев при ожирении сочетаются признаки гипертрофии и гиперплазии адипоцитов. Гиперпластическое или смешанное ожирение отмечается у лиц с избыточной массой тела с детства.

Этиология и патогенез ожирения

Любая форма ожирения, по существу, является алиментарной, т.е. связана с избыточным пищевым поведением (полифагией, или гиперфагией, крайняя степень выраженности которой называется булимией). Однако когда говорят об этиологии ожирения, имеют в виду причины, приводящие к чрезмерной пищевой активности. В этом отношении выделяют четыре основных этиологических фактора ожирения: (1) недостаточная мобилизация жиров из депо («синдром жадных липоцитов»), (2) торможение липолиза под действием гормонов (недостаточности липолитических и избытка антилиполитических), (3) поражение гипоталамического центра насыщения и (4) хроническая гипоксия. Как правило, перечисленные факторы действуют взаимосвязанно в разных комбинациях, но один из них обычно доминирует.

Недостаточная мобилизация жиров из депо обусловлена прежде всего гиперинсулинемией, возникающей при резистентности к инсулину периферических тканей. Обычно гиперинсулинемия при ожирении вторичная, особенно при первичном варианте ожирения. Она связана с рассредоточением цитолеммальных инсулиновых рецепторов по поверхности резко увеличенной жировой клетки и с влиянием контринсулярных факторов, продуцируемых, в частности, самими липоцитами (прежде всего ФНО-α). Гипертрофия жировых клеток, обусловливая снижение их чувствительности к инсулину, замыкает один из порочных кругов патогенеза ожирения. Инсулин является антилиполитическим гормоном, блокируя активность триглицерид-липазы адипоцитов. Развивающаяся при этом гипогликемия стимулирует пищевое поведение благодаря активации центра голода. Второй порочный круг формируют глюкокортикоиды, продукция которых при ожирении часто повышается.

Предрасполагающие к ожирению факторы. Способствуют развитию ожирения отягощённая наследственность, гиподинамия, обильные порции пищи, преобладание в пище жиров и дефицит белков (недостаток белка ослабляет специфическое динамическое действие пищи), а также никтофагия (употребление пищи преимущественно поздно вечером и ночью). Считается, что обильная белковая и углеводистая пища не относится к факторам, предрасполагающим к ожирению, хотя по отношению к углеводистой пище мнения различны.

Роль тиреоидных гормонов и бурого жира. Переедание далеко не всегда приводит к ожирению. Обычно при этом ускоряется метаболизм за счёт большего образования трийодтиронина, что не позволяет ацилглицеролам активно накапливаться в жировых депо. Кроме того, при избыточном питании отмечено разрастание бурой жировой ткани, клетки которой усиленно окисляют триглицериды, рассеивая избыток энергии с теплом.

Синдром Эрисихтона

В основе ожирения лежит увеличение концентрации в крови жиров (гиперлипидеми́я). Алиментарная гиперлипидемия рядом авторов удачно названа синдромом Эриси́хтона. История этого персонажа древнегреческих мифов, переосмысленная Овидием, любопытна и в медицинском отношении.

Эрисихтон (в буквальном переводе с древнегреческого «защитник земель») — сын фессалийского царя Триопа (поэтому иногда он носит имя Триопей), сам впоследствии ставший царём. Отличался крайним непочтением к богам («…презирая божественность Вышних, На алтарях никогда в их честь не курил фимиама»). Срубив дуб в священной роще, и тем самым погубив любимую нимфу-дриаду Деметры (Цереры), он навлёк на себя гнев богини. Дриада перед смертью прокляла Эрисихтона, а её сестры сообщили Деметре о святотатстве фессалийского царя. Разгневанная Деметра страшно наказала Эрисихтона, упросив богиню голода наделить его вечной неутолимой страстью к еде. Та исполнила волю Деметры, явившись к спящему Эрисихтону:

Сладостный сон между тем Эрисихтона нежил крылами

Мягкими: тянется он к соблазнительно снящимся яствам,

Тщетно работает ртом; изнуряет челюсть о челюсть,

Мнимую пищу глотать обольщённой старается глоткой.

Но не роскошную снедь, а лишь воздух пустой пожирает.

Проснувшись, Эрисихтон начинает с жадностью поглощать пищу, и уже не может остановиться («Алчет всё большего он, чем больше нутро наполняет. …в нём пища любая К новой лишь пище влечёт. Он есть, но утроба пустует.»). Вскоре царь растратил все свои богатства в тщетной попытке усмирить муки голода. У него осталась лишь дочь Мнестра, и её Эрисихтон продал, желая насытиться. Но божественная кара неотвратима — Эрисихтон погибает, пожирая собственное тело:

После того, как алчба состояние всё истощила,

Снова и снова еду доставляя лихому недугу,

Члены свои раздирать, зубами грызть Эрисихтон

Начал: тело питал, убавляяся телом,– несчастный!

(Публий Овидий Назон. Метаморфозы. Перевод С. Шервинского).

Первичное ожирение

Первичное ожирение — ожирение, развивающееся вследствие абсолютной или относительной недостаточности гормона жировой ткани лептина. Поскольку причина первичного ожирения установлена, его не следует называть идиопатическим, как это было принято ранее. Лептин секретируется «сытыми» липоцитами и посредством собственных рецепторов в цитолемме нейронов центра насыщения способствует выработке в нём глюкагоноподобного пептида I, который в свою очередь тормозит продукцию нейропептида Y нейронами центра голода. Нейропептид Y в настоящее время считается основным медиатором чувства голода, именно он стимулирует пищевое поведение.

Выделяют две формы первичного ожирения:

1. Абсолютная недостаточность лептина (дефицит самого гормона) — 20% случаев первичного ожирения
2. Относительная недостаточность лептина (снижение чувствительности к гормону лептиновых рецепторов центра насыщения) — 80% случаев ожирения. Относительная недостаточность лептина проявляется гиперлептинемией.

Несмотря на установленную причину первичного ожирения, на практике его обычно диагностируют путём исключения других (вторичных) форм болезни.

Эндокринное ожирение

Эндокринное ожирение — ожирение, развивающееся под влиянием гормонов. По современным представлениям, любая форма ожирения может быть отнесена к эндокринным расстройствам: при первичном ожирении прежде всего нарушается обмен лептина, при церебральном — нейропептида Y и глюкагоноподобного пептида I.

Однако по сложившейся традиции различают четыре основные формы вторичного эндокринного ожирения:

1. Ожирение при гиперкортицизме (первичном и вторичном)
2. Ожирение при гиперинсулинизме
3. Ожирение при гипогонадизме
4. Ожирение при гипотиреозе.

Глюкокортикоидные гормоны и инсулин относятся к антилиполитическим, половые и тиреоидные гормоны — к липолитическим, поэтому высокое содержание глюкокортикоидов (гиперкортицизм) и инсулина (гиперинсулинизм), а также снижение уровня половых (гипогонадизм) и тиреоидных (гипотиреоз) гормонов способствуют ожирению.

1. Ожирение при гипогонадизме. Гипогонадизм служит причиной ожирения при адипозогенитальной дистрофии. В основе адипозогенитальной дистрофии (синдрома Фрёлиха) лежит приобретённая недостаточность гонадотропинов гипофиза. Их дефицит приводит к недостаточности синтеза и секреции половых гормонов. Заболевание проявляется в препубертатном или пубертатном возрасте двумя основными синдромами, обусловленными гипогонадизмом: (1) гипогенитализмом (недоразвитием половых органов и вторичных половых признаков) и (2) ожирением. Характерно преимущественное отложение жира в области лица («кукольное лицо»), груди, живота и бёдер. Конечности полные. Нередко формируется ожирение гиноидного типа. Болеют в основном мальчики. Болезнь Лоуренса—Муна—Бидля — врождённый вариант адипозогенитальной дистрофии. Периферические формы гипогонадизма также сопровождаются развитием ожирения. При евнухоидизме жир преимущественно откладывается в области плечевого пояса, на груди, в области живота и бёдер. Сходные внешние проявления возникают при ожирении у мужчин в климактерическом периоде. Снижение функции яичников сопровождается накопление жира на плечах («климактерический горбик»), груди, животе, бёдрах.

2. Ожирение при гиперкортицизме. Гиперкортицизм лежит в основе болезни и синдрома Кушинга (Иценко—Кушинга). Жир при этом накапливается преимущественно в области лица («лунообразное лицо»), шеи, верхней половины туловища и живота. В области шейных позвонков формируется жировой «буйволиный горбик». Конечности худые. На коже живота, бёдер, плеч, молочных желёз появляются грубые багрово-красные полосы (стрии — разрывы подкожной жировой клетчатки), иногда с кровоизлияниями по периферии. Примерно у 10% больных ожирения не развивается, но типичное перераспределение жира происходит. Юношеский базофилизм (гипоталамический синдром пубертатного периода, пубертатно-ювенильный диспитуитаризм) также проявляется гиперкортицизмом (вторичный гиперкортицизм). Кроме того происходит усиление продукции соматотропного и гонадотропных гормонов. Гиперфункция аденогипофиза при этом обусловлена гиперпродукцией нейросекреторными клетками гипоталамуса соответствующих рилизинг-факторов. В ткани гипофиза увеличивается число базофильных клеток (отсюда термин базофилизм). Заболевание формируется в период полового созревания и проявляется ожирением, при котором жир в подкожной клетчатке распределяется равномерно, но иногда откладывается преимущественно в нижней части туловища, что у юношей обусловливает некоторую феминизацию внешности. В отличие от ожирения по типу Кушинга, конечности при ювенильном базофилизме остаются полными. Стрии тонкие, розовые, без кровоизлияний.

3. Ожирение при гиперинсулинизме. Гиперпродукция инсулина характерна для сахарного диабета II типа и особенно выражена при опухоли из инсулиноцитов (инсулиноме). При этом развивается ожирение с равномерным распределением жира или по андроидному типу.

4. Ожирение при гипотиреозе. Ожирение при гипотиреозе (микседеме) связано со снижением основного обмена. Избыточная масса тела обусловлена не только ожирением, но и «слизистым отёком» тканей, усиливающим впечатление тучности.

Кроме перечисленных форм, к эндокринному ожирению относят эпифизарное ожирение при синдроме Марбурга—Милку (гиперфункция эпифиза за счёт гиперплазии пинеоцитов или опухоли из них — пинеаломы).

Своеобразным вариантом эндокринного ожирения является дуоденальное (дуоденопривное) ожирение, развивающееся у больных, которым была удалена двенадцатиперстная кишка. Многие гормоны двенадцатиперстной кишки регулируют чувство голода, основным дуоденальным ингибитором голода служит холецистокинин, поэтому при удалении этого органа через некоторое время возникает полифагия и ожирение.

Церебральное ожирение

Церебральное (гипоталамическое) ожирение связано с поражением нейронов центра насыщения (центра сытости). Характер патологического процесса в головном мозге может быть различным — воспаление, опухоль, травма и т.д. При этом сохранный центр голода (центр аппетита) активируется, что определяет избыточное пищевое поведение. Центр насыщения расположен в вентромедиальных зонах гипоталамуса, центр голода — в латеральных. Двустороннее разрушение вентромедиальных зон приводит к выраженному ожирению экспериментальных животных в результате полифагии, повреждения латеральных зон могут вызвать отказ от еды (афагию) и смерть от истощения. И, напротив, хроническая стимуляция вживлёнными электродами вентромедиальных ядер гипоталамуса вызывает афагию, а латеральных — полифагию. Для церебрального ожирения характерно быстрое нарастание массы тела после травмы черепа, энцефалита или при опухоли мозга. Масса тела может увеличиваться даже при нормальном аппетите, хотя обычно отмечается полифагия. Ожирение, как правило, симметричное и достигает высоких степеней.

К церебральному относится также ожирение при болезни Барракера—Симонса (Barraquer—Simons), развивающейся у детей и молодых женщин после церебральной формы ревматизма (малой хореи) и при диффузных болезнях соединительной ткани. Ожирение по типу Барракера—Симонса характеризуется преимущественным отложением жира в области бёдер, ягодиц и передней брюшной стенки. На коже плечевого пояса появляются сине-багровые стрии. Интересно, что жир верхней половины тела атрофируется, начиная с головы («голова мертвеца»), поэтому данное заболевание можно отнести и к локальным резорбтивным ацилглицерозам.

Своеобразным патогенезом отличается церебральное ожирение при синдроме Стюарта—Морганьи—Мореля, при котором развивается гиперостоз костей черепа и облитерация их синусов. Вероятно, вследствие этого в промежуточном мозге больных нарушается кровообращение и происходит избирательное поражение центра насыщения. Болеют в основном девочки. Жир откладывается в области живота (андроидный тип ожирения).

Гипоксическое ожирение

Гипоксическое ожирение (первичный пиквикский синдром) обусловлено хронической гипоксией вследствие нейрогенной гиповентиляции лёгких. Липоциты относятся к производным малодифференцированных клеток фибробластического дифферона, которые способны активно пролиферировать при низком парциальном давлении кислорода в среде. Обычно длительная гипоксия провоцирует разрастание только фиброзной ткани, но в ряде случаев это происходит и с белой жировой тканью. Некоторые авторы полагают, что гипоксическое ожирение имеет церебральный характер.

Первичный пиквикский синдром включает (1) нарушение дыхания, прежде всего во сне, от чего сон становится беспокойным и сопровождается необычайно интенсивным храпом; (2) компенсаторную дневную сонливость (больные засыпают сразу же, оказавшись вне активной деятельности) и (3) ожирение. Синдром назван пиквикским по названию книги Чарлза Диккенса «Записки Пиквикского клуба», один из героев которой (Джо) страдал этим симптомокомплексом. Ожирение при первичном пиквикском синдроме обычно относится к среднему типу. У больных формируется правожелудочковая недостаточность (лёгочное сердце).

От первичного необходимо отличать вторичный пиквикский синдром, развивающийся на фоне уже имеющегося ожирения.

Наследственное ожирение

К наследственным формам ожирения относят любые его случаи, связанные с наследуемым дефектом генов. Часть заболеваний, проявляющихся наследственным ожирением, можно отнести к эндокринному или гипоталамическому типам ожирения. Например, при болезни Лоуренса—Муна—Бидля ожирение носит эндокринный характер. Болезнь Гирке (гликогеноз I типа) сопровождается постоянной гипогликемией из-за отсутствия нарушения гликогенолиза, вследствие чего больные часто и много едят, стараясь подавить приступы булимии. Жир при этом откладывается главным образом в подкожной клетчатке лица. Для болезни Гирке характерен также стеатоз печени. Патогенез ожирения при других наследственных болезнях не ясен (например, при синдромах Прадер—Вилли и Карпентера).

Осложнения

Основным осложнением ожирения является атеросклероз, связанный с гиперлипидемией. Значительно увеличивается риск развития артериальной гипертензии, сахарного диабета, холелитиаза, варикозного расширения вен нижних конечностей, подагры, острого аппендицита, цирроза печени (у мужчин) и ряда злокачественных опухолей. Избыточная масса тела однозначно укорачивает продолжительность жизни. Кроме того, развиваются липоматоз миокарда, периферическая гиперэстрогения, гиповентиляционный синдром (вторичный пиквикский синдром) и перегрузка костей и суставов (прежде всего позвоночника).

Висцеральный липоматоз. Ожирение характеризуется не только увеличением объёма жировой клетчатки, но и разрастанием жировой ткани в строме внутренних органов (висцеральный липоматоз). Наиболее опасен липоматоз миокарда: в участках выраженного липоматоза может произойти разрыв стенки сердца. Висцеральный липоматоз сочетается с андроидным типом ожирения. Липоциты внутренних органов более чувствительны к катехоламинам и выделяют больше ФНО-α (кахектина), обладающего контринсулярным потенциалом. За счёт этого висцеральные липоциты вносят наибольший вклад в развитие резистентности к инсулину при ожирении.

Периферическая гиперэстрогения. У больных ожирением нарушается периферический метаболизм половых гормонов. В жировой ткани происходит ускорение ароматизации андрогенов, в частности, тестостерона и андростендиона в эстрадиол и эстрон соответственно, что приводит к гиперэстрогении, способствующей возникновению метроррагии и доброкачественной дисплазии молочной железы, а у мужчин — гинекомастии, уменьшению роста волос на лице и теле. При этом и у мужчин и у женщин нарушается половая функция.

Регионарные кумулятивные ацилглицерозы

Регионарные кумулятивные ацилглицерозы включают (1) липоматозы и (2) вакатное ожирение.

Липоматозы

Липоматоз. Термин липоматоз применяется в двух значениях: (1) очаговое разрастание жировой ткани без чётких границ (например, липоматоз миокарда при ожирении) и (2) множественные липомы (опухоли белой жировой ткани). В некоторых случаях эти процессы сочетаются. Солитарные липомы и гиберномы (опухоли бурой жировой ткани) также можно отнести к регионарным кумулятивным ацилглицерозам. Липомы обычно представляют собой мягкие, инкапсулированные, не спаянные с окружающими тканями, жёлтые на разрезе и с поверхности узлы диаметром, как правило, от 1 до 10 см. Количество липом при липоматозе у одного пациента может быть различным, иногда превышает 100 узлов.

Распространённые по всему телу (включая и внутренние органы) липомы называют диффузным липоматозом. Различают детскую и взрослую формы диффузного липоматоза. Детская форма обычно проявляется в первые два года жизни.

Симметричные формы липоматоза особенно характерны для мужчин среднего возраста, длительно проживающих в странах средиземноморского региона. У многих из них в анамнезе имеются заболевания печени или хронический алкоголизм.

В практике патологоанатома наибольшее значение имеют болезни (1) Маделунга, (2) Деркума, (3) Рота—Пэйлэрда, (4) Лонуа—Бенсо, (5) Вернея—Потена, (6) Лери, (7) Мараньона, (8) Фере—Лангмида, (9) Пастера—Валлери—Радо—Бламутье, (10) тазовый и (11) стероидный липоматоз, а также (12) ВИЧ-липодистрофия, хотя в целом эти липоматозы редки.

1. Липоматоз Деркума (lipomatosis dolorosa) [Фрэнсис Де́ркум — американский невролог] характеризуется появлением липомоподобных болезненных узлов в подкожной клетчатке верхних конечностей, в коже молочных желёз, спины, передней брюшной стенки, ягодиц и бёдер. Болезненность определяется при пальпации, давлении и травме узла. Она связана с воспалительным процессом в нерве (невритом). Кожа над узлами цианотичная, нередки кровоизлияния. При микроморфологическом исследовании в ткани узлов обнаруживаются многочисленные кровеносные капилляры, в нервных стволиках отмечаются признаки продуктивного воспаления. В некоторых липомах возникает очаговый некроз жировой ткани и формируются типичные липогранулёмы с наличием гигантских многоядерных макрофагов. Заболевание типично для тучных женщин в климактерическом периоде. При липоматозе Деркума развиваются атрофические процессы в эндокринных железах, прежде всего щитовидной (гипотиреоз).

2. При синдроме Маделунга (множественном шейном симметричном липоматозе) [Отто фон Маделунг — немецкий хирург] в области шеи происходит разрастание жировой ткани в виде множественных болезненных узлов. Узлы сдавливают органы шеи, приводя к дисфагии и затруднению дыхания. Вероятно, липоматоз развивается на фоне гипофизарных нарушений.

3. При синдроме Рота—Пэйлэрда очаговые разрастания белой жировой ткани в поясничной области и на конечностях. Узлы располагаются симметрично.

4. Синдром Лонуа—Бенсо (симметричный липоматоз Лонуа—Бенсо) [Launois—Bensaude] характеризуется появлением симметричных липом в области шеи, живота и паховых складок. Особенно характерны узлы на передней и задней поверхностях шеи и в подчелюстной области. Иногда этот синдром в отечественной литературе называют «липоматозом Лонуа—Вансода» или «синдромом Лэньу—Бенсо».

5. Липоматоз Вернея—Потена отличается локализацией липом в надключичных областях.

6. Липоматоз Лери (диффузный симметричный липоматоз Лери) — множественные липомы, расположенные симметрично на верхних конечностях, в области ягодиц, реже на других участках кожного покрова.

7. Липоматоз Мараньона (гипертрофический липоматоз Мараньона) — симметричный распространённый липоматоз с поражением скелетных мышц (внутримышечные липомы). Особенностью внутримышечных липом является их нечёткие границы за счёт инвазивного роста. Такой узел спаян с окружающими тканями. Липомы при данном процессе придают больному «вид Геракла».

8. При липоматозе Фере—Лангмида жировые узлы располагаются на ладонях.

9. Липоматоз Пастера—Валлери—Радо—Бламутье характеризуется локализацией липом в подкожной клетчатке боковых поверхностей грудной клетки.

10. Тазовый липоматоз отличается расположением липом в параректальной и паравезикальной клетчатке. Наиболее часто процесс возникает у лиц негроидной расы различного возраста.

11. Стероидный липоматоз относится к ятрогенным формам липоматоза. Он возникает при длительном применении препаратов глюкокортикоидных гормонов. Липомы образуются прежде всего на лице, передней грудной стенке и над шейными позвонками («буйволиный горб»).

12. При ВИЧ-липодистрофии, помимо различных изменений жировой ткани у больных ВИЧ-инфекцией, может возникать и разрастание жировой ткани в области шеи, молочных желёз и во внутренних органах. Липоматоз при этом связывают с действием специфических антиретровирусных препаратов (ятрогенный липоматоз). На лице и конечностях жировая клетчатка, напротив, может исчезать. У больных выявляются гиперлипидемия и резистентность периферических тканей к инсулину.

Вакатное ожирение

Вака́тное ожирение (от лат. vacuus — пустой) — замещение белой жировой тканью атрофированной паренхимы органа. Наиболее часто вакатное ожирение наблюдается в скелетных мышцах. Орган при этом может увеличиваться (псевдогипертрофия).

Генерализованные резорбтивные ацилглицерозы

К генерализованным резорбтивным ацилглицерозам относятся (1) кахексия (истощение, маразм, общая патологическая атрофия) и (2) синдром гиперпродукции липотропина. Некоторые авторы кахексией называют крайнюю степень истощения (утрату более половины нормальной массы тела), однако в отечественной патологической анатомии эти понятия используются как синонимы.

Кахексия

Кахекси́я (от греч. kakos — плохой, hexis — состояние) развивается (1) при полном длительном голодании или мальабсорбции (алиментарная кахексия, экзогенная кахексия), (2) при нервной анорексии, (3) злокачественных опухолях («раковая кахексия»), (4) при атрофии и некрозе ткани гипоталамуса и гипофиза (гипоталамо-гипофизарная кахексия, или болезнь Симмондса—Шиена), (5) при хронических инфекциях (например, туберкулёзе или длительно протекающих гнойных процессах), (6) при ожоговой болезни («ожоговое истощение»), (7) при аутоиммунных заболеваниях, (8) при общей хронической застойной гиперемии, а также (9) при нарушении метаболизма ряда гормонов (тяжёлая хроническая надпочечниковая недостаточность, гипоинсулинизм, гиперглюкагонемия, гиперсоматостатинемия). «Раневое истощение» является вариантом кахексии при хронической гнойной инфекции («гнойно-резорбтивная лихорадка»). Ведущее значение в развитии эндогенных форм кахексии, кроме гипоталамо-гипофизарной, придаётся ФНО-α (кахектину), основным продуцентом которого являются макрофаги. Гипоталамо-гипофизарная кахексия обусловлена повреждением центра голода, вследствие чего перестаёт вырабатываться основной триггер пищевого поведения нейропептид Y. «Раковая кахексия» отличается более сложным патогенезом. Помимо характерного внешнего вида, для кахексии типичны вторичный липофусциноз (бурая атрофия миокарда и печени), а также концентрация в тканях липохромов (сохранившаяся жировая ткань приобретает вследствие этого буроватую окраску). Жировая клетчатка, особенно подкожная отсутствует. Кожа сухая и дряблая. Внутренние органы уменьшены. На определённой стадии истощения развиваются марантические отёки вследствие снижения онкотического давления в тканях.

Синдром гиперпродукции липотропина

Синдром гиперпродукции липотропина (гипермускулярная липодистрофия, липоатрофический диабет, синдром генерализованной липодистрофии) — заболевание, при котором существенно возрастает синтез и секреция аденогипофизом липотропных гормонов. Синдром встречается главным образом у женщин и проявляется в большинстве случаев в возрасте до 40 лет. Периферическая и висцеральная жировая ткань у больных практически отсутствует, сохраняется только жировая клетчатка на ладонях и подошвах, в ретроорбитальной, эпидуральной или параартикулярных областях, а при приобретённых формах — на лице. Тем не менее, у некоторых больных отмечается избыточное отложение подкожного жира в области лица и шеи. Для синдрома гиперпродукции липотропина характерны выраженная гиперлипидемия и гипергликемия на фоне значительной гиперинсулинемии, однако сахарный диабет при этом редко осложняется кетоацидозом. Гиперлипидемия приводит к развитию тяжёлого стеатоза печени, прогрессирующего в цирроз, а также атеросклероза. Различают наследственный (аутосомно-рецессивный тип наследования) и приобретённый варианты болезни. Ранее предполагалось, что при данном заболевании происходит увеличение продукции аденогипофизом соматотропного гормона, вследствие чего развивается гипертрофия скелетных мышц, внутренних органов и в ряде случаев возобновляется рост в зрелом возрасте, однако это мнение не подтвердилось. Мышечная гипертрофия и висцеромегалия обусловлены выраженной персистирующей эндогенной гиперинсулинемией. Естественная продолжительность жизни больных составляет 35—50 лет. Прогноз во многом зависит от времени манифестации заболевания: наиболее неблагоприятно протекает синдром, развившийся в периоде полового созревания. Основными причинами смерти являются цирроз печени и атеросклеротические поражения сосудов (инфаркт миокарда, ишемический инсульт).

Регионарные резорбтивные ацилглицерозы

Регионарные резорбтивные ацилглицерозы включают две группы патологических процессов: (1) очаговые некрозы жировой ткани (липонекрозы, стеатонекрозы) и (2) местную атрофию белой жировой ткани (регионарные липоатрофии).

Очаговые некрозы жировой ткани

Основными неинфекционными процессами, при которых происходит очаговый некроз жировой ткани, являются следующие формы регионарных ацилглицерозов:

1. Болезнь Вебера—Крисчена (спонтанный панникулит)
2. Травматическая липогранулёма
3. Панкреогенный липонекроз
4. Инсулиновый липонекроз.

Кроме того, некроз жировой ткани развивается при холодовом, пост-стероидном (при прекращении приёма препаратов глюкокортикоидных гормонов) и реактивном (вторичное изменение на фоне других заболеваний) панникулитах, а также у новорождённых (некроз подкожной клетчатки новорождённых) и детей раннего возраста (острый мультинодулярный диссеминированный нерецидивирующий липонекроз).

Болезнь Ве́бера—Кри́счена — аутоиммунное поражение жировой ткани. На месте некроза жировой ткани образуется узел, залегающий в гиподерме на разной глубине. Диаметр отдельных узлов от нескольких миллиметров до 10 см и более. Узлы могут располагаться на любом участке кожного покрова, они редко бывают единичными. Излюбленная локализация узлов — кожа конечностей. Иногда узлы сливаются в конгломераты. Крупные узлы содержат полости с желтоватой пенистой массой (жировым детритом) и клинически симулируют абсцесс или флегмону. Заболевание начинается с симптомов общей интоксикации, за исключением варианта Ротманна—Макаи, протекает с рецидивами и ремиссиями. Длительность спонтанного панникулита различна: от нескольких недель до нескольких десятилетий, чаще от недели до года.

Выделяют четыре формы болезни Вебера—Крисчена:

• Острую (редкое фатальное течение болезни с тяжёлым поражением печени)
• Подострую (форма средней тяжести, напоминающая сепсис, с умеренно выраженным поражением печени)
• Хроническую (протекает благоприятно с длительными ремиссиями без поражения печени)
• Форму Ро́тманна—Ма́каи (протекает благоприятно, общая реакция интоксикации отсутствует).

При микроморфологическом исследовании изменённой жировой ткани обнаруживается лимфогистиоцитарный инфильтрат, очаги некроза липоцитов с наличием пенистых макрофагов и образованием характерных жировых кист. В ходе резорбции детрита на его месте разрастается фиброзная ткань, придающая плотность очагам поражения.

Травматическая липогранулёма — очаговый некроз жировой клетчатки в месте её механического повреждения с последующим развитием продуктивного воспаления. Нередко этот процесс неправильно называют «травматической олеогранулёмой». Олеогранулёма (лат. oleum — масло) — очаг продуктивного воспаления в месте введения растительного жира (масляного раствора лекарственного препарата).

Панкреогенный липонекроз (панкреогенная липодистрофия) — некроз жировой ткани, развивающийся под действием ферментов поджелудочной железы (при остром панкреатите, распадающихся злокачественных опухолях этого органа).

Инсулиновый липонекроз (инсулиновая липодистрофия) возникает в местах инъекций инсулина. При этом в подкожной жировой клетчатке образуются плотные уплощённые узлы диаметром от 2 до 20 см с западением в центре и чёткими границами. Кожа над узлом не смещается, т.к. спаяна с ним. Узлы могут появляться в удалённых от мест инъекций участках.

Регионарные липоатрофии

К регионарным липоатрофиям можно отнести упоминавшуюся в разделе «Церебральное ожирение» болезнь Барракера—Симонса (липоатрофия верхней части тела и ожирение нижней). Известны и другие местные липоатрофии: аутосомно-доминантная липоатрофия конечностей, циркулярная и полуциркулярная липоатрофия конечностей, опоясывающая абдоминальная липоатрофия у грудных детей и др.

Холестерозы

Нарушение обмена холестерола и холестеридов проявляется прежде всего накоплением их в тканях (кумулятивные холестерозы), особенно в стенке артерий и в коже, но известно наследственное заболевание с недостаточностью холестерола (резорбтивный холестероз). Холестерол относится к необходимым веществам: из него синтезируются стероидные гормоны, витамин D, желчные кислоты, он входит в состав биомембран всех клеток, поэтому дефицит холестерола приводит к не менее разрушительным последствиям для организма, чем его избыток.

Резорбтивный холестероз

Недостаточность холестерола отмечается у детей с наследственной болезнью Бе́ссена—Ко́рнцвейга, при которой формируется дефект ферментов синтеза холестерола различными клетками организма. Наиболее тяжёлые изменения возникают в головном мозге: его недоразвитие (гипоплазию) связывают именно с дефицитом холестерола и холестеридов. Недоразвитие мозговой ткани сопровождается олигофренией.

Кумулятивные холестерозы

Различают наследственные и приобретённые формы кумулятивных холестерозов. Накопление холестерола и холестеридов в тканях обусловлено прежде всего их поступлением с пищей (экзогенный холестерол), хотя определённую роль играет высокая синтетическая активность клеток (эндогенный холестерол). Холестерол и холестериды откладывают чаще всего в стенках артерий (атеросклероз), дерме (ксантоматоз) и в наружной оболочке глаза (липоидная дуга роговицы). Спектр изменённых тканей при наследственных кумулятивных холестерозах существенно шире: например, при болезни острова Танжер характерно накопление холестерола в нёбных миндалинах («болезнь оранжевых миндалин») и в других лимфоидных органах.

Основной причиной накопления холестерола в тканях является недостаточность механизма его обратного транспорта. Ключевым фактором системы обратного транспорта холестерола (с периферии в печень, откуда его излишки удаляются из организма с желчью) являются липопротеины высокой плотности, точнее входящий в их состав белок апопротеин А. Апопротеин А синтезируется гепатоцитами и покровными энтероцитами, он обладает уникальной способностью поглощать холестерол и его эфиры («магнит для холестерина»). Частицы липопротеинов высокой плотности собирают холестерол не только в интерстициальном секторе, но и внутри клеток. У человека (а также высших обезьян и свиней) существует видовая (характерная для всех представителей вида) недостаточность апопротеина А и, соответственно, липопротеинов высокой плотности. Животные с высоким содержанием этих липопротеинов не страдают холестериновым диатезом, даже при постоянном употреблении богатой холестеролом пищи. Некоторые люди также отличаются довольно высокой концентрацией апопротеина А («синдром долголетия»).

Мезенхимальные углеводные дистрофии

Мезенхимальные углеводные дистрофии включают (1) нарушения обмена гликозаминогликанов, к которым относятся наследственные заболевания мукополисахаридозы, и (2) нарушения обмена гликопротеинов (ослизнение ткани).

Мукополисахаридозы

Мукополисахаридо́зы — тезаурисмозы, сопровождающиеся накоплением в тканях гликозаминогликанов. Термин «мукополисахаридозы» происходит от устаревшего обозначения протеогликанов (нейтральных мукополисахаридов) и входящих в их состав гликозаминогликанов (кислых мукополисахаридов). Для мукополисахаридозов характерен синдром гаргоили́зма (от фр. gargouille — гротескная фигурка, напоминающая человека, которыми украшали крыши, карнизы и другие детали старых домов): массивный череп, короткая шея, западающее широкое переносье, гипертелоризм, толстые губы, высокое нёбо, сросшиеся брови, большой язык.

Наиболее изучена патологическая анатомия первых шести типов мукополисахаридозов: болезни Пфаундлера—Гурлер (I тип), Гюнтера (II тип), Санфилиппо (III тип), Брейлсфорда—Мо́ркио (IV тип), Шейе (V тип) и Марото́—Лями́ (VI тип).

1. Чаще встречается болезнь Пфаундлера—Гурлер [Райнхард фон Пфаундлер и Гертруда Гурлер — немецкие врачи], в основе которой лежит дефицит α-L-идуронидазы. В тканях происходит накопление дерматан- и гепарансульфатов, значительно повышено их содержание в моче. Симптомы появляются к концу первого года жизни. Заболевание быстро прогрессирует, синдром гаргоилизма сочетается с глубокими нарушениями психики, ранним помутнением роговицы, глухотой, гепато- и спленомегалией. Смерть наступает обычно в возрасте 10—12 лет при поражении головного мозга (чаще вследствие гидроцефалии), сердца или от интеркуррентных заболеваний.

При макроморфологическом исследовании обнаруживаются уменьшенные и уплощенные позвонки с шиповидными выростами, межпозвонковые диски грибовидной формы, т.к. они больше поперечника тела позвонка. Трубчатые кости искривлены, эпифизарные линии изогнуты, зазубрены. При микроморфологическом исследовании выявляются нарушения периостального и энхондрального окостенения из-за отложения гликозаминогликанов в хрящевой ткани и в периосте. Хондроциты вздуты, овальной формы, хрящевых колонок не образуют, поэтому рост костей в длину задерживается. Основное вещество и коллагеновые волокна сухожилий, фасций, стенок сосудов, клапанов сердца содержит большое количество гликозаминогликанов, хорошо выявляемых метахроматической окраской. Миокард гипертрофирован, клапанный и париетальный эндокард, сухожильные хорды и стенки венечных артерий утолщены. В митральном и аортальном клапанах отмечаются васкуляризация и кальциноз, отложение гликозаминогликанов в межуточном веществе и наличие клеток накопления Гурлер. Гликозаминогликаны обнаруживаются в гепатоцитах, макрофагах селезёнки и лимфоузлов, клетках аденогипофиза, в роговице, гонадах, мягкой мозговой оболочке, периферических нервах, нейронах головного мозга и вегетативных ганглиев. При электронной микроскопии в клетках выявляются включения, соответствующие повреждённым лизосомам, имеющие вид светлых прозрачных вакуолей, «зебровидных» или аморфных телец.

2. При болезни Гюнтера в тканях накапливаются дерматансульфат и гепарансульфат вследствие недостаточности фермента идуронат-сульфатазы. Тип наследования — рецессивный, сцепленный с X-хромосомой. Течение заболевания длительное по сравнению с мукополисахаридозом I типа. Проявления выражены умеренно, помутнение роговицы в большинстве случаев отсутствует, но характерна прогрессирующая глухота.

3. Болезнь Санфилиппо [Сильвестр Дж. Санфилиппо — американский педиатр]. Различают четыре клинико-лабораторных варианта болезни (вариант A обусловлен дефектом гепарансульфат-сульфатазы, B — α-N-ацетилглюкозаминидазы, C — α-глюкозаминид-N-ацетилтрансферазы, D — ацетилглюкозамин-6-сульфат-сульфатазы). Все варианты болезни фенотипически идентичны. В организме увеличено содержание в основном гепарансульфата, которые накапливаются в нейронах головного мозга, стенках артерий, в печени и селезёнке.

4. Болезнь Брейлсфорда—Мо́ркио [Джеймс Фредерик Брейлсфорд — английский врач, Луис Мóркио (1867—1935) — уругвайский педиатр] проявляется накоплением кератан- и дерматансульфатов. За счёт распада метаэпифизарного хряща больные низкого или карликового роста. Интеллект обычно нормальный.

5. Болезнь Шейе [Гарольд Г. Шейе — американский офтальмолог] характеризуется накоплением в основном дерматансульфата. Заболевание манифестирует лишь в зрелом возрасте. Характерен низкий или карликовый рост. Интеллект нормальный.

6. При болезни Марото́—Лями́ [Пьер Марото́ — французский педиатр и генетик, Мори́с Лями́ (1895—1975) — французский генетик] происходит накопление дерматансульфата. Типичен карликовый рост больных.

К мукополисахаридозам близки муколипидозы и наследственные гликопротеинозы.

Ослизнение ткани

Ослизне́ние тканей — замещение волокнистой и других соединительных тканей слизеподобной массой, образующейся при распаде протеогликанов и высвобождении из них гликозаминогликанов. Ослизнение тканей встречается при (1) кахексии и (2) выраженном гипотиреозе (микседеме). Фиброзная, жировая и хрящевая ткани становятся полупрозрачными, набухшими. При микроморфологическом исследовании их клетки приобретают звёздчатую или причудливо отростчатую форму, коллагеновые волокна (в отличие от мукоидного отёка) также замещаются слизеподобной массой. Процесс может быть обратимым, его прогрессирование приводит к некрозу ткани с образованием кист, заполненных мукоидом.

См. также

Литература

• Давыдовский И. В. Общая патологическая анатомия. 2-е изд.— М., 1969.
• Дифференциальная диагностика кожных болезней: Руководство для врачей / Под ред. Б. А. Беренбейна и А. А. Студницына.— М., 1989.
• Зайчик А. Ш., Чурилов Л. П. Основы патохимии. 2-е изд.— СПб, 2001.
• Калитеевский П. Ф. Макроскопическая дифференциальная диагностика патологических процессов.— М., 1987.
• Микроскопическая техника: Руководство для врачей и лаборантов / Под ред. Д. С. Саркисова и Ю. Л. Перова.— М., 1996.
• Общая патология человека: Руководство для врачей / Под ред. А. И. Струкова, В. В. Серова, Д. С. Саркисова: В 2 т.— Т. 1.— М., 1990.
• Патологическая анатомия болезней плода и ребёнка / Под ред. Т. Е. Ивановской, Б. С. Гусман: В 2 т.— М., 1981.
• Саркисов Д. С. Очерки истории общей патологии.— М., 1988 (1-е изд.), 1993 (2-е изд.).
• Саркисов Д. С., Пальцев М. А., Хитров Н. К. Общая патология человека.— М., 1997.
• Струков А. И., Серов В. В. Патологическая анатомия.— М., 1995.
• Теппермен Дж., Теппермен Х. Физиология обмена веществ и эндокринной системы.— М., 1989. [Цитата: «… жировая ткань — это своеобразный энергетический банк; вклады в него поступают во время еды, а выдачи … могут производиться в любое последующее время».]
• Fletcher C. D. M., Unni K. K., Mertens F. (Eds.): World Health Organization Classification of Tumours. Pathology and Genetics of Tumours of Soft Tissue and Bone.— Lyon: IARC Press, 2002.— С. 23—24. [липоматоз]

Диабет, ожирение и онкологическая заболеваемость: риски и антириски | Берштейн

1. Berger M. Risk of obesity in type II diabetes mellitus. Int J Obes Relat Metab Disord. 1992 Dec;16 Suppl 4:S29-33.

2. Colagiuri S. Diabesity: therapeutic options. Diabetes Obes Metab. 2010 Jun;12(6):463-473.

3. Dedov II, Shestakova MV. Diabetes mellitus: diagnosis, treatment, prevention. Moscow: MIA; 2011. 808 p.

4. Dedov II, Mel’nichenko GA. Obesity. Moscow: MIA; 2006. 456 p.

5. Hjartåker A, Langseth H, Weiderpass E. Obesity and diabetes epidemics: cancer repercussions. Adv Exp Med Biol. 2008;630:72-93.

6. Vasil’ev DA, Semenova NV, Bershteyn LM. Diabetes mellitus, glucose intolerance, and malignancies: the degree of a risk and interventional measures. Russian journal of oncology. 2008; (3):49-54.

7. Vigneri P, Frasca F, Sciacca L, Pandini G, Vigneri R. Diabetes and cancer. Endocr Relat Cancer. 2009 Dec;16(4):1103-1123. Epub 2009 Jul 20.

8. Giovannucci E, Harlan DM, Archer MC, Bergenstal RM, Gapstur SM, Habel LA, Pollak M, Regensteiner JG, Yee D. Diabetes Care. 2010 Jul;33(7):1674-1685.

9. La Vecchia C, Giordano SH, Hortobagyi GN, Chabner B. Overweight, obesity, diabetes, and risk of breast cancer: interlocking pieces of the puzzle. Oncologist. 2011;16(6):726-729. Epub 2011 May 31.

10. Wotton CJ, Yeates DG, Goldacre MJ. Cancer in patients admitted to hospital with diabetes mellitus aged 30 years and over: record linkage studies. Diabetologia. 2011 Mar;54(3):527-534. Epub 2010 Nov 30.

11. Richardson LC, Pollack LA. Therapy insight: influence of type 2 diabetes on the development, treatment and outcomes of cancer. Nat Clin Pract Oncol. 2005 Jan;2(1):48-53.

12. Barone BB, Yeh HC, Snyder CF, Peairs KS, Stein KB, Derr RL, Wolff AC, Brancati FL. Long-term all-cause mortality in cancer patients with preexisting diabetes mellitus: a systematic review and meta-analysis. JAMA. 2008 Dec 17;300(23):2754-2764.

13. Bershteyn LM, Merabishvili VM, Semenova NV, Karpova IA, Kovalevskiy AYu. Registry-based analysis of cancer and diabetes combination: prevalence and features. Voprosy oncologii. 2007; 53(3):285-290.

14. Shu X, Ji J, Li X, Sundquist J, Sundquist K, Hemminki K. Cancer risk among patients hospitalized for Type 1 diabetes mellitus: a population-based cohort study in Sweden. Diabet Med. 2010 Jul;27(7):791-797.

15. Calle EE, Kaaks R. Overweight, obesity and cancer: epidemiological evidence and proposed mechanisms. Nat Rev Cancer. 2004 Aug;4(8):579-591.

16. Renehan AG, Soerjomataram I, Tyson M, Egger M, Zwahlen M, Coebergh JW, Buchan I. Incident cancer burden attributable to excess body mass index in 30 European countries. Int J Cancer. 2010 Feb 1;126(3):692-702.

17. Calle EE, Rodriguez C, Walker-Thurmond K, Thun MJ. Overweight, obesity, and mortality from cancer in a prospectively studied cohort of U.S. adults. N Engl J Med. 2003 Apr 24;348(17):1625-1638.

18. Kershaw EE, Flier JS. Adipose tissue as an endocrine organ. J Clin Endocrinol Metab. 2004 Jun;89(6):2548-2556.

19. Bershteyn LM. Rak gormonozavisimykh tkaney v sisteme osnovnykh neinfektsionnykh zabolevaniy cheloveka. Sankt- Petersburg: Eskulap; 2009. 180 p.

20. Herrera BM, Lindgren CM. The genetics of obesity. Curr Diab Rep. 2010 Dec;10(6):498-505.

21. Petrek JA, Peters M, Cirrincione C, Rhodes D, Bajorunas D. Is body fat topography a risk factor for breast cancer? Ann Intern Med. 1993; 118(5): 356-362.

22. Karelis AD. Metabolically healthy but obese individuals. Lancet. 2008 Oct 11;372(9646):1281-1283.

23. Messier V, Karelis AD, Prud’homme D, Primeau V, Brochu M, Rabasa-Lhoret R. Identifying metabolically healthy but obese individuals in sedentary postmenopausal women. Obesity (Silver Spring). 2010 May;18(5):911-917. Epub 2009 Oct 22.

24. Calori G, Lattuada G, Piemonti L, Garancini MP, Ragogna F, Villa M, Mannino S, Crosignani P, Bosi E, Luzi L, Ruotolo G, Perseghin G. Prevalence, metabolic features, and prognosis of metabolically healthy obese Italian individuals: the Cremona Study. Diabetes Care. 2011 Jan;34(1):210-215. Epub 2010 Oct 11.

25. Manu P, Ionescu-Tirgoviste C, Tsang J, Napolitano BA, Lesser ML, Correll CU. Dysmetabolic Signals in «Metabolically Healthy» Obesity. Obes Res Clin Pract. 2012 Jan;6(1):e9-e20.

26. Zhang C, McFarlane C, Lokireddy S, Masuda S, Ge X, Gluckman PD, Sharma M, Kambadur R. Inhibition of myostatin protects against diet-induced obesity by enhancing fatty acid oxidation and promoting a brown adipose phenotype in mice. Diabetologia. 2012 Jan;55(1):183-193. Epub 2011 Sep 17.

27. Murphy KT, Chee A, Gleeson BG, Naim T, Swiderski K, Koopman R, Lynch GS. Antibody-directed myostatin inhibition enhances muscle mass and function in tumor-bearing mice. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2011 Sep;301(3):R716-726. Epub 2011 Jun 15.

28. Enerbäck S. Brown adipose tissue in humans. Int J Obes (Lond). 2010 Oct;34 Suppl 1:S43-46.

29. Gunawardana SC, Piston DW. Reversal of type 1 diabetes in mice by brown adipose tissue transplant. Diabetes. 2012 Mar;61(3):674-682. Epub 2012 Feb 7.

30. Townsend KL, Tseng YH. Brown adipose tissue: Recent insights into development, metabolic function and therapeutic potential. Adipocyte. 2012; 1(1): 13-24. DOI: 10.4161/adip.18951

31. Jones LP, Buelto D, Tago E, Owusu-Boaltey KE. Abnormal mammary adipose tissue environment of Brca1 mutant mice show a persistent deposition of highly vascularized multilocular adipocytes. J Cancer Sci Ther. 2011;S2:1-6. DOI: 10.4172/1948-5956.S2-004

32. Ortega-Molina A, Efeyan A, Lopez-Guadamillas E, Muñoz- Martin M, Gómez-López G, Cañamero M, Mulero F, Pastor J, Martinez S, Romanos E, Mar Gonzalez-Barroso M, Rial E, Valverde AM, Bischoff JR, Serrano M. Pten positively regulates brown adipose function, energy expenditure, and longevity. Cell Metab. 2012 Mar 7;15(3):382-394.

33. Berstein LM. Endocrinology of the wild and mutant BRCA1 gene and types of hormonal carcinogenesis. Future Oncol. 2008 Feb;4(1):23-39.

34. Berstein LM. Endocrinology of breast cancer: results, tasks and hopes. Expert Rev. Endocrinol. Metabol. 2011; 6(3): 293-297.

35. McCarthy MI. Genomics, type 2 diabetes, and obesity. N Engl J Med. 2010 Dec 9;363(24):2339-2350.

36. Ahlqvist E, Ahluwalia TS, Groop L. Genetics of type 2 diabetes. Clin Chem. 2011 Feb;57(2):241-254. Epub 2010 Nov 30.

37. Ohshige T, Iwata M, Omori S, Tanaka Y, Hirose H, Kaku K, Maegawa H, Watada H, Kashiwagi A, Kawamori R, Tobe K, Kadowaki T, Nakamura Y, Maeda S. Association of new loci identified in European genome-wide association studies with susceptibility to type 2 diabetes in the Japanese. PLoS One. 2011;6(10):e26911. Epub 2011 Oct 26.

38. den Hoed M, Luan J, Langenberg C, Cooper C, Sayer AA, Jameson K, Kumari M, Kivimaki M, Hingorani AD, Grøntved A, Khaw KT, Ekelund U, Wareham NJ, Loos RJ. Evaluation of common genetic variants identified by GWAS for early onset and morbid obesity in population-based samples. Int J Obes (Lond). 2012 Mar 20. DOI: 10.1038/ijo.2012.34.

39. Talmud PJ, Hingorani AD, Cooper JA, Marmot MG, Brunner EJ, Kumari M, Kivimäki M, Humphries SE. Utility of genetic and non-genetic risk factors in prediction of type 2 diabetes: Whitehall II prospective cohort study. BMJ. 2010 Jan 14;340:b4838. DOI: 10.1136/bmj.b4838.

40. Schmid R, Vollenweider P, Bastardot F, Vaucher J, Waeber G, Marques-Vidal P. Current Genetic Data Do Not Improve the Prediction of Type 2 Diabetes Mellitus: The CoLaus Study. J Clin Endocrinol Metab. 2012 Jul;97(7):E1338-1341. Epub 2012 Apr 24.

41. Salopuro T, Pulkkinen L, Lindström J, Eriksson JG, Valle TT, Hämäläinen H, Ilanne-Parikka P, Keinänen-Kiukaanniemi S, Tuomilehto J, Laakso M, Uusitupa M; Finnish Diabetes Prevention Study Group. Genetic variation in leptin receptor gene is associated with type 2 diabetes and body weight: The Finnish Diabetes Prevention Study. Int J Obes (Lond). 2005 Oct;29(10):1245-1251.

42. Ulybina YuM, Imyanitov EN, Vasil’ev DA, Bershteyn LM. Polimorfnye markery genov, opredelyayushchikh narusheniya zhirouglevodnogo obmena i insulinorezistentnost’, u onkologicheskikh bol’nykh. Molekulyarnaya biologiya. 2008; 42(6):947-956.

43. Sainz J, Rudolph A, Hoffmeister M, Frank B, Brenner H, Chang-Claude J, Hemminki K, Försti A. Effect of type 2 diabetes predisposing genetic variants on colorectal cancer risk. J Clin Endocrinol Metab. 2012 May;97(5):E845-851. Epub 2012 Mar 14.

44. Delahanty RJ, Beeghly-Fadiel A, Xiang YB, Long J, Cai Q, Wen W, Xu WH, Cai H, He J, Gao YT, Zheng W, Shu XO. Association of obesity-related genetic variants with endometrial cancer risk: a report from the Shanghai Endometrial Cancer Genetics Study. Am J Epidemiol. 2011 Nov 15;174(10):1115-1126. Epub 2011 Oct 5.

45. Li G, Chen Q, Wang L, Ke D, Yuan Z. Association between FTO gene polymorphism and cancer risk: evidence from 16,277 cases and 31,153 controls. Tumour Biol. 2012 Aug;33(4):1237-1243. doi: 10.1007/s13277-012-0372-9. Epub 2012 Mar 7.

46. Hemminki K, Li X, Sundquist J, Sundquist K. Obesity and familial obesity and risk of cancer. Eur J Cancer Prev. 2011 Sep;20(5):438-443.

47. Berstein LM. Macrosomy, obesity and cancer. NY: Nova Science Publishers. 1997; 189pp.

48. Hemminki K, Li X, Sundquist J, Sundquist K. Risk of cancer following hospitalization for type 2 diabetes. Oncologist. 2010;15(6):548-555. Epub 2010 May 17.

49. Bershteyn LM, Boyarkina MP, Teslenko SYu, Vasil’ev DA. Familial diabetes frequency as a factor in diabetics suffering from cancer. Voprosy onkologii. 2011; 57(4):443-447.

50. Berstein LM, Boyarkina MP, Teslenko SY. Familial diabetes is associated with reduced risk of cancer in diabetic patients: a possible role for metformin. Med Oncol. 2012 Jun;29(2):1308- 1313. Epub 2011 Feb 6.

51. Dedov II, Butrova SA, Berkovskaya MA. Potentsial’nye vozmozhnosti metformina v profilaktike i lechenii onkologicheskikh zabolevaniy u bol’nykh sakharnym diabetom 2 tipa. Ozhirenie i metabolizm. 2011; 1(26):40-50.

52. Bershteyn LM. Biguanidy: ekspansiya v prakticheskuyu onkologiyu (proshloe i nastoyashchee). Sankt-Petersburg: Eskulap; 2010. 144 p.

53. Berstein L.M. Metformin and cancer mortality. Diabetes mellitus. 2010;(3):66-70.

54. Anisimov VN. Antidiabeticheskiy biguanid metformin kak geroprotektor i antikantserogen. Ozhirenie i metabolizm. 2011; 3(28):18-24.

55. Appleyard MV, Murray KE, Coates PJ, Wullschleger S, Bray SE, Kernohan NM, Fleming S, Alessi DR, Thompson AM. Phenformin as prophylaxis and therapy in breast cancer xenografts. Br J Cancer. 2012 Mar 13;106(6):1117-1122. doi: 10.1038/bjc.2012.56. Epub 2012 Feb 23.

56. Dowling RJ, Niraula S, Stambolic V, Goodwin PJ. Metformin in cancer: translational challenges. J Mol Endocrinol. 2012 Mar 29;48(3):R31-43. Print 2012.

57. Ruiter R, Visser LE, van Herk-Sukel MP, Coebergh JW, Haak HR, Geelhoed-Duijvestijn PH, Straus SM, Herings RM, Stricker BH. Lower risk of cancer in patients on metformin in comparison with those on sulfonylurea derivatives: results from a large population-based follow-up study. Diabetes Care. 2012 Jan;35(1):119-124. Epub 2011 Nov 18.

58. Soranna D, Scotti L, Zambon A, Bosetti C, Grassi G, Catapano A, La Vecchia C, Mancia G, Corrao G. Cancer Risk Associated with Use of Metformin and Sulfonylurea in Type 2 Diabetes: A Meta-Analysis. Oncologist. 2012;17(6):813-822. Epub 2012 May 29.

59. Janghorbani M, Dehghani M, Salehi-Marzijarani M. Systematic Review and Meta-analysis of Insulin Therapy and Risk of Cancer. Horm Cancer. 2012 Aug;3(4):137-146. doi: 10.1007/ s12672-012-0112-z. Epub 2012 Apr 24.

60. Pollak M. The insulin receptor/insulin-like growth factor receptor family as a therapeutic target in oncology. Clin Cancer Res. 2012 Jan 1;18(1):40-50.

61. Monami M, Lamanna C, Balzi D, Marchionni N, Mannucci E. Sulphonylureas and cancer: a case-control study. Acta Diabetol. 2009 Dec;46(4):279-284. Epub 2008 Dec 10.

62. Blin P, Lassalle R, Dureau-Pournin C, Ambrosino B, Bernard MA, Abouelfath A, Gin H, Le Jeunne C, Pariente A, Droz C, Moore N. Insulin glargine and risk of cancer: a cohort study in the French National Healthcare Insurance Database. Diabetologia. 2012 Mar;55(3):644-653. Epub 2012 Jan 6.

63. Boyle P. Northern European database study of insulin and cancer risk. American Diabetes Association (ADA) 2012 Scientific Sessions; June 11, 2012; Philadelphia, PA. Abstract CT-SY13.

64. Oliveria SA, Koro CE, Yood MU, Sowell M. Cancer incidence among patients treated with antidiabetic pharmacotherapy. Diabetes Metabol. Syndrome: Clin. Res. & Reviews.2008; (2): 47-57. DOI: 10.1016/j.dsx.2007.11.002

65. van Staa TP, Patel D, Gallagher AM, de Bruin ML. Glucoselowering agents and the patterns of risk for cancer: a study with the General Practice Research Database and secondary care data. Diabetologia. 2012 Mar;55(3):654-665. Epub 2011 Nov 30.

66. Gier B, Butler PC, Lai CK, Kirakossian D, DeNicola MM, Yeh MW. Glucagon like peptide-1 receptor expression in the human thyroid gland. J Clin Endocrinol Metab. 2012 Jan;97(1):121- 131. Epub 2011 Oct 26.

67. Aroda VR, Henry RR, Han J, Huang W, Deyoung MB, Darsow T, Hoogwerf BJ. Efficacy of GLP-1 Receptor Agonists and DPP-4 Inhibitors: Meta-Analysis and Systematic Review. Clin Ther. 2012 Jun;34(6):1247-1258.e22. doi: 10.1016/j. clinthera.2012.04.013. Epub 2012 May 18.

68. Levri K.M., Slaymaker E., Last A,Yeh J, Ference J, D’Amico F, Wilson SA. Metformin as Treatment for Overweight and Obese Adults: A Systematic Review. Ann Fam Med. 2005 Sep- Oct;3(5):457-461.

69. Dilman VM, Berstein LM, Yevtushenko TP, Tsyrlina YV, Ostroumova MN, Bobrov YuF, Revskoy SYu, Kovalenko IG, Simonov NN. Preliminary evidence on metabolic rehabilitation of cancer patients. Arch Geschwulstforsch. 1988;58(3):175-183.

70. Demark-Wahnefried W, Campbell KL, Hayes SC. Weight management and its role in breast cancer rehabilitation. Cancer. 2012 Apr 15;118(8 Suppl):2277-2287. doi: 10.1002/cncr.27466.

71. Veerman JL, Barendregt JJ, Forster M, Vos T. Cost-effectiveness of pharmacotherapy to reduce obesity. PLoS One. 2011;6(10):e26051. Epub 2011 Oct 27.

72. Chuang HY, Chang YF, Hwang JJ. Antitumor effect of orlistat, a fatty acid synthase inhibitor, is via activation of caspase-3 on human colorectal carcinoma-bearing animal. Biomed Pharmacother. 2011 Jul;65(4):286-292. Epub 2011 Jun 12. 73. Yashkov YuI. Khirurgicheskie metody lecheniya ozhireniya. In: Obesity(ed. by Dedov II, Mel’nichenko GA). Moscow: MIA; 2004. 407-430. 74. Dixon JB, Zimmet P, Alberti KG, Rubino F; International Diabetes Federation Taskforce on Epidemiology and Prevention. Bariatric surgery: an IDF statement for obese Type 2 diabetes. Diabet Med. 2011 Jun;28(6):628-642. doi: 10.1111/j.1464- 5491.2011.03306.x. 75. de la Cruz-Muñoz N, Messiah SE, Arheart KL, Lopez-Mitnik G, Lipshultz SE, Livingstone A. Bariatric surgery significantly decreases the prevalence of type 2 diabetes mellitus and prediabetes among morbidly obese multiethnic adults: long-term results. J Am Coll Surg. 2011 Apr;212(4):505-511; discussion 512-513. 76. Sjöström L, Gummesson A, Sjöström CD, Narbro K, Peltonen M, Wedel H, Bengtsson C, Bouchard C, Carlsson B, Dahlgren S, Jacobson P, Karason K, Karlsson J, Larsson B, Lindroos AK, Lönroth H, Näslund I, Olbers T, Stenlöf K, Torgerson J, Carlsson LM; Swedish Obese Subjects Study. Effects of bariatric surgery on cancer incidence in obese patients in Sweden (Swedish Obese Subjects Study): a prospective, controlled intervention trial. Lancet Oncol. 2009 Jul;10(7):653-662. Epub 2009 Jun 24. 77. Ashrafian H, Ahmed K, Rowland SP, Patel VM, Gooderham NJ, Holmes E, Darzi A, Athanasiou T. Metabolic surgery and cancer: protective effects of bariatric procedures. Cancer. 2011 May 1;117(9):1788-1799. doi: 10.1002/cncr.25738. Epub 2010 Nov 29.

%PDF-1.6
%
1 0 obj
>
endobj
5 0 obj

/ModDate (D:20160622160551+03’00’)
/Subject
>>
endobj
2 0 obj
>
stream
application/pdf

Библиотека УО «ВГМУ»2016-06-22T16:05:51+03:002016-06-22T16:05:51+03:002016-06-22T16:05:51+03:00uuid:8e6b9617-996d-43b5-8c8b-e4acc205f996uuid:0bec66ae-5070-42e0-8c14-5d9b00a4cbe6

endstream
endobj
3 0 obj
>
endobj
4 0 obj
>
endobj
6 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
/XObject >
>>
/Type /Page
/Annots [29 0 R]
>>
endobj
7 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
>>
/Type /Page
>>
endobj
8 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
>>
/Type /Page
>>
endobj
9 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
>>
/Type /Page
>>
endobj
10 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
>>
/Type /Page
>>
endobj
11 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
>>
/Type /Page
>>
endobj
12 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
>>
/Type /Page
>>
endobj
13 0 obj
>
stream
HWks%u_qkbH^hir×V.&,?Hg눴Og[|ڤ% &$eZ)jLgsCu%=ǽ,|7ɽ+y

Современное состояние проблемы избыточной массы тела и ожирения у женщин Текст научной статьи по специальности «Клиническая медицина»

ЛЕКЦИЯ

УДК 618+616.43

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗБЫТОЧНОЙ МАССЫ ТЕЛА

И ОЖИРЕНИЯ У ЖЕНЩИН

Волгоградский государственный медицинский университет, кафедра акушерства и гинекологии факультета усовершенствования врачей,

Л. В. Ткаченко, Н. И. Свиридова, Т. В. Складановская

В статье приводятся обобщенные и систематизированные современные данные о влиянии изменений нейроэн-докринной регуляции углеводного и жирового обмена на репродуктивную функцию женщин и развитие гинекологических заболеваний.

Ключевые слова: метаболический синдром, инсулинорезистентность, ожирение, репродуктивные нарушения, гиперпластические процессы эндометрия.

DOI 10.19163/1994-9480-2017-4(64)-3-7

CURRENT STATE OF THE PROBLEM OF OVERWEIGHT AND OBESITY IN WOMEN

L. V. Tkachenko, N. I. Sviridova, T. V. Skladanovskaya

Volgograd State Medical University, Department of Obstetrics and Gynecology of the Faculty of Physicians’ Improvement

The article surveys the generalized and systemized modern data on the influence of the changes in neuroendocrine regulation of hydrocarbonate and lipid metabolism on women’s reproductive function and developing of gynecological diseases. Key words: metabolic syndrome, insulin resistance, obesity, reproductive disorders, endometrial hyperplasia.

В последние десятилетия отмечается неуклонный рост различных вариантов нейроэндокринных нарушений у женщин с избыточной массой тела или ожирением [1, 4, 6, 9, 10, 24].

Во всем мире ожирение признано одной из важнейших проблем современного здравоохранения ввиду высокой распространенности и участии в развитии различных, в том числе смертельных заболеваний [1, 6]. Ожирение называют новой неинфекционной эпидемией XXI в. Согласно данным ВОЗ (2015 г.), с 1980 г. число людей во всем мире, страдающих ожирением, возросло более чем в два раза [2]. Более 1,9 млрд жителей планеты в возрасте старше 18 лет имеют избыточную массу тела, из них свыше 600 млн страдают от ожирения [13]. В России этот показатель достигает 50 %, при этом нарушения жирового обмена отмечаются чаще у женщин, чем у мужчин [4].

Ожирение представляет собой избыточное накопление в организме жировой ткани, приводящее к увеличению массы тела на 20 % и более. Основным условием увеличения массы тела является длительное превышение поступления извне энергии, требуемой организму для поддержания основного обмена. В норме количество жира в организме женщины составляет 20-30 %% от массы. Увеличение его содержания до 3133 %% является пограничным состоянием [6].

Для обеспечения энергетического равновесия потребление энергии должно быть равно ее затратам. Основной причиной роста распространенности ожирения является энергетический дисбаланс между избытком поступления энергии в организм с продуктами питания и объемом ее расходования. Чрезмерное поступление энергии в организм приводит к гипергликемии, гипертриглице-ридемии и инсулинорезистентности (ИР). ИР — это снижение биологических эффектов экзогенного или эндогенного инсулина. Именно ИР является пусковым моментом развития ожирения и связанных с ним осложнений (сердечно-сосудистые заболевания, сахарный диабет (СД) 2 типа, холелитиаз, варикозная болезнь, полиостеоартроз, подагра, бронхиальная астма, рак матки, молочной железы и другие онкологические заболевания) [1, 6].

К настоящему времени накоплен обширный банк информации по основным положениям физиологии, патологии, терапии и профилактики различных нарушений репродуктивной системы. Это создало возможность для управляемой коррекции и реализации ее оптимального функционирования у женщин [23, 25, 26].

Однако остается еще много нерешенных вопросов научного и практического плана, в первую очередь касающихся соматогенных и нейроэндокринных нарушений в организме женщин. При этом, как правило, расстройства репродуктивной функции и развитие

пролиферативных изменений в репродуктивных органах сочетаются с изменениями нейроэндокринной регуляции углеводного и жирового обменов.

Ожирение и метаболический синдром Метаболический синдром (МС) — это сочетание различных метаболических нарушений и/или заболеваний, являющихся факторами риска раннего развития атеросклероза и его сердечно-сосудистых осложнений [6]. МС встречается у 14-24 % жителей развитых стран. Международная Федерация по диабету (МФД) характеризует МС как «комплекс диагностируемых симптомов, физических или биохимических признаков, чаще определяемых в совместном, нежели в отдельном их развитии» [9].

Установлено, что в силу влияния различных, в том числе, независимых, эндогенных и экзогенных факторов формируются взаимосвязанные «порочные круги», приводящие с течением времени к комплексу метаболических расстройств и соматических нарушений — МС. Пусковым моментом его развития являются первичная ИР и компенсаторная гиперинсулинемия (ГИ) [3, 6].

Основными симптомами МС являются [6]: абдоминальное ожирение, ИР и ГИ; дислипидемия; артериальная гипертензия; нарушение толерантности к глюкозе; СД 2 типа; ранний атеросклероз, ишемическая болезнь сердца; нарушение гемостаза; гиперурикемия, подагра, микроальбуминурия, гиперандрогения.

Критериями МС согласно консенсусу МФД (2006) являются: обязательный критерий — абдоминально-висцеральное ожирение (для европейцев: окружность талии х80 см у женщин и х94 см у мужчин) + два критерия из дополнительных (триглицериды более 1,79 ммоль/л или прием препаратов для лечения данного нарушения; ХС ЛПВП менее 1,0 ммоль/л для мужчин и менее 1,3 ммоль/л для женщин; АД более 130/85 мм рт. ст.; уровень глюкозы крови натощак более 6,1 ммоль/л; микроальбуминурия более 20 мкг/мин).

Наличие метаболических нарушений — один из основных факторов риска развития гиперпластических процессов эндометрия (ГПЭ).

Роль метаболических нарушений в развитии гиперпластических процессов эндометрия Согласно данным эпидемиологических исследований, частота выявления гипертонической болезни у больных раком тела матки колеблется в пределах от 25 до 75 %. Гипертоническая болезнь в сочетании с ановуляцией, относительной гиперэстрогенией, ожирением, гиперфункцией надпочечников наблюдается у 51 -75 % женщин с ГПЭ. В то время как у 11,6 % больных раком тела матки выявляется клинический СД [1, 6].

В настоящее время установлено, что частота развития рака тела матки возрастает в три раза на фоне ожирения, и в два раза — при сахарном диабете, и не имеет тенденции к снижению за последнее десятилетие [5, 6]. При этом, высокая степень риска развития рака эндометрия характерна для больных с сахарным

диабетом второго типа, в то время как при первом типе -риск относительно низкий.

Согласно данным многочисленных исследований, реализация влияния метаболических нарушений на формирование патологии эндометрия представляет собой многогранный процесс [5, 7, 8]. Принято считать, что сам по себе избыток жира предрасполагает к более высокой эст-рогенной насыщенности организма. Кроме того, убедительно доказан тот факт, что адипоциты способны захватывать половые гормоны из плазмы, а стромальные клетки жировой ткани участвуют в неконтролируемой гонадотропина-ми ароматизации андростендиона плазмы в эстрон [5].

В литературе последних лет приводятся данные, согласно которым при ожирении снижается синтез в печени половых стероидов, связывающего глобулина (ПССГ) и протеинов, связывающих инсулиноподобные факторы роста (ИФРСП), что влечет за собой повышение биодоступности эстрадиола и инсулиноподобных факторов роста (ИФР) [5, 8].

Исследования Epplein M., Reed S. и соавт. (2008) позволили сформулировать концепцию, согласно которой вероятность развития гиперплазии эндометрия, как и ракового поражения, возрастает с увеличением степени выраженности ожирения. Так, при I степени ожирения риск гиперплазии эндометрия возрастает в 2-3 раза, тогда как при морбидном ожирении — в 13 и даже в 20 раз.

Однако не только количество, но и характер распределения жировой клетчатки может влиять на степень риска развития ГПЭ. Так, по данным И. В. Кузнецовой (2009), ожирение по андроидному типу, ассоциированное с нарушениями метаболизма и высокой гормональной активностью, повышает риск развития рака эндометрия в 6 раз. Согласно эпидемиологическим исследованиям, висцеральное ожирение является независимым фактором риска атипической гиперплазии и рака эндометрия [5, 8].

Установлено, что андроидному типу ожирения часто сопутствуют и другие метаболические нарушения в виде выраженной ИР, ГИ, дислипидемии и артериальной ги-пертензии, которые в совокупности составляют МС [5].

Немаловажная роль в развитии нарушений репродуктивной системы принадлежит изменениям углеводного обмена [5, 7, 8]. Так, одним из патогенетических путей развития ГПЭ является изменение яичникового стероидогенеза в условиях ИР и ГИ, сопровождающих ожирение. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что в условиях гиперинсулине-мии инсулин начинает связываться не только с собственными рецепторами, но и с рецепторами ИФР-1, что и становится причиной формирования яичниковой гиперан-дрогении и ановуляции и, как следствие, развития ГПЭ [8]. В пользу вышесказанного свидетельствуют данные, согласно которым рецепторы ИФР и сами факторы обнаружены в клеточных линиях и в тканях карциномы.

Таким образом, различные метаболические нарушения влияют непосредственно и опосредованно на развитие гормонально обусловленных пролиферативных

I^rnpfe ©©СаГГГМЩ

процессов эндометрия, а именно на процессы формирования ГПЭ от простой гиперплазии без атипии до ее атипических форм и рака эндометрия.

Ожирение и репродуктивная функция женщин

Жировая ткань — разновидность соединительной ткани. Она выполняет не только депонирующую функцию, но и продуцирует значительное количество различных пептидов (адипокинов), оказывающих влияние на гемопоэз, иммунную систему, выработку гормонов и гомеостаз в целом.

В последние годы накапливаются данные об участии расстройств жирового обмена в формировании нарушений репродуктивной функции. В связи с этим большое внимание уделяется изучению роли биологически активных веществ (адипонектина, лептина, резистина, фактора некроза опухоли альфа — TNF-a) в развитии этих нарушений [25].

Роль адипокинов в регуляции репродуктивной функции и ее нарушениях

Адипонектин считается одним из важнейших участников обеспечения физиологии репродукции. Представляет собой белок, состоящий из 144 аминокислот, синтезирующийся исключительно в адипоцитах жировой ткани. Его уровень у больных ожирением ниже, чем у людей с нормальной массой тела. Снижение концентрации адипокина в плазме крови приводит к развитию ИР [11]. Согласно данным С. Heidemаnn и соавт (2008), низкий уровень адипонектина в плазме крови является независимым предиктором развития сахарного диабета 2 типа [19]. Содержание адипонектина в плазме крови отрицательно коррелирует с уровнями холестерина, триглицеридов и глюкозы [21]. Кроме того, установлено, что адипонектин регулирует выработку гормонов гипофиза и ингибирует секрецию лютеинизирующего гормона. На периферическом уровне рецепторы к ади-понектину экспрессируются фолликулярными клетками. Так, связываясь с рецептором, адипонектин повышает синтез прогестерона и эстрадиола [12]. Уровни адипонектина также отрицательно коррелируют с концентрациями тестостерона [21].

Резистин — полипептид, цитокин, секретируемый преимущественно преадипоцитами, и в меньшей степени, зрелыми адипоцитами, локализованными в абдоминальной клетчатке.-а продуцируется различными клетками, в том числе адипоцитами, макрофагами и лимфоцитами. В противоположность адипонек-тину, TNF-a ингибирует активность тирозинкиназы и субстрата инсулинового рецептора — 1, способствуя замедлению передачи сигналов инсулина и как следствие, развитие ИР при ожирении [27]. Установлено, что TNF-a снижает секрецию адипонектина адипоцитами, а также

уменьшается секрецию гонадотропин — рилизинг гормона и ЛГ, влияя тем самым на стероидогенез в яичниках.

Один из наиболее изученных пептидов — лептин, состоящий из 146 аминокислот, секретирующийся не только адипоцитами, но и клетками гипофиза, гипоталамуса, плаценты и эпителия желудка, молочных и половых желез [11]. Он отвечает за чувство насыщения и аппетит: в гипоталамусе тормозит выделение нейропеп-тида Y (вызывает чувство голода) и способствует развитию насыщения, что приводит к снижению потребления пищи. Помимо центральной регуляции аппетита, одной из ключевых функций лептина является защита периферических тканей от накопления липидов. Он оказывает антистеатогенное действие и предохраняет организм от возникновения липотоксикоза, контролируя гомеостаз жирных кислот. По данным Mantzoros C. S. и соавт (2012), введение экзогенного лептина нормализует метаболические показатели за счет улучшения чувствительности тканей к инсулину [23]. Установлено, что лептин усиливает влияние гонадотропинов, инсулина и инсулиноподобного фактора роста — 1 (ИФР-1) на стероидогенез в тканях яичников и созревание ооцитов [25].

В настоящее время продолжаются исследования роли таких белков, как вистафин, оментин, ретинолсвя-зывающий белок, липокалин — 2 и химерин в регуляции репродуктивной функции [17, 18, 20, 22, 23].

Влияние ожирения на репродуктивную функцию женщин

Избыточная масса тела и ожирение ассоциированы с различными нарушениями репродуктивного здоровья, среди которых ановуляция и нарушения менструального цикла, бесплодие, гиперпластические процессы эндометрия. Традиционно, эти нарушения считаются вторичными по отношению к ИР, сопровождающей ожирение.

Нарушение функции половых желез наблюдается у 46-96 % женщин с ожирением. Это нарушение более выражено при нейроэндокринной форме ожирения. Причем ускорение темпов полового созревания не соответствует темпам развития генитального аппарата (гипоплазия матки, поликистоз яичников, гипофункция половых желез, гипотрофия наружных половых органов) вследствие вторичного поражения диэнцефальных структур. У каждой пятой женщины, имеющей андро-идный морфотип, отмечается бесплодие, у каждой 4-й -невынашивание беременности [24].

Накопленные на сегодняшний день данные недостаточны для создания концепции взаимодействия эндокринных компонентов жировой ткани и репродуктивной системы в патогенезе гинекологических заболеваний.

Известно, что у женщин с избыточным весом статистически значимо чаще, по сравнению с женщинами, имеющими нормальную массу тела, наблюдается нерегулярные менструальные циклы.

маточные кровотечения. При прогрессировании ожирения частота нарушений менструальной функции растет в 6,1 раза; это обусловлено изменением экстрагланду-лярного образования эстрона из андрогенов и ингиби-рования циклической секреции ЛГ. Возможно, ожирение более всего затрагивает центральные механизмы регуляции репродукции [15].

Ожирение ассоциировано с низкой концентрацией антимюллерова гормона, который секретируется клетками гранулезы преантральных и малых антральных фолликулов яичника. Установлено, что средний уровень АМГ у пациенток с ожирением на 65 % ниже, чем у женщин с нормальной массой тела [13].

Наличие ожирения может оказывать прямое влияние на качество ооцитов: у таких больных наблюдается увеличение концентрации С-реактивного белка в фолликулярной жидкости, которое статистически значимо связано с ухудшением качества ооцитов [14].

Избыточная масса тела и ожирение являются статистически значимым фактором риска развития онкологических заболеваний репродуктивных органов: рак эндометрия, молочных желез, злокачественные опухоли яичников и рак шейки матки [10]. В 9 % случаев у женщин с избыточной массой тела или и ожирением развивается рак молочной железы, в 30-34 % — рак эндометрия. Общая онкологическая предрасположенность у больных с ожирением связана с провоспали-тельным статусом избытка жировой ткани и метаболическими нарушениями, среди которых лидирующее значение отводится инсулинорезистентности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор современных литературных данных, касающихся проблемы состояния нейроэндокринных взаимоотношений при различных формах ожирения, показывает, что в настоящее время достигнуты определенные успехи в понимании роли эндокринной системы в патогенезе ожирения. Выявлено множество патогенетических факторов ожирения, оказывающих неблагоприятное влияние на репродуктивную функцию.

Однако большинство современных исследований, посвященных различным аспектам влияния ожирения на репродуктивное здоровье женщин, остается предметом дискуссий, что диктует необходимость проведения дальнейших изысканий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аганезова Н.В. Ожирение и репродуктивное здоровье женщины / Н.В. Аганезова, С.С. Аганезов // Акушерство и гинекология. — 2016. — № 6. — С. 18-25.

2. Информационный бюллетень ВОЗ № 311, январь 2015 [Электронный ресурс]. URL: www.who.int/mediacentre/ factsheets/fs311 /ru/.

3. Консенсус экспертов по междисциплинарному подходу к ведению, диагностике и лечению больных с метаболическим синдромом // Кардиоваскулярная терапия и профилактика. — 2013. — № 12 (6). — С. 41-81.

4. Косыгина А.В. Новое в патогенезе ожирения: адипокины -гормоны жировой ткани // Проблемы эндокринологии. — 2009. -№ 55 (1). — С. 44-50.

5. Кузнецова И.В. Гиперпластические процессы эндометрия. — М., 2009. — 48 с.

6. Современный взгляд на проблему избыточной массы тела и ожирения / Т.В. Овсяникова, Е.И. Боровкова, Н.А. Ше-шукова, И.А. Куликов // Российский вестник акушера-гинеколога. — 2010. — № 2 (10). — С. 72-76.

7. Шешукова Н.А., Макаров И.О., Фомина М.Н. Гиперпластические процессы эндометрия: этиопатогенез, клиника, диагностика, лечение // Акушерство и гинекология. — 2011. -№ 4. — С. 16-21.

8. Чернуха Г.Е. Современные представления о гиперплазии эндометрия (обзор литературы) / Г.Е. Чернуха, М.Р. Думановс-кая // Акушерство и гинекология. — 2013. — № 3. — С. 26-32.

9. Alberti K.G., Zimmet P.Z., Shaw J. Metabolic syndrome -a new world-wide definition. A Consensus Statement from the International Diabetes Federation // Diabet. Med. — 2006. — № 23 (5). — P. 469-80.

10. Boeing H. Obesity and cancer — the update 2013 // Best Pract. Res. Clin. Endocrinol. Metab. — 2013. — № 27 (2). — P. 219-27.

11. Budak E., Fernandez Sanchez M., Bellver J., Cervero A., Simon C., Pellicer A. Interactions of the hormones leptin, ghrelin, adiponectin, resistin, and PYY3-36 with the reproductive system // Fertil. Steril. — 2006. — № 85 (6). — P. 1563-81.

12. Chabrolle C., Tosca L., Rame C., Lecomte P., Royere D., Dupont J. Adiponectin increases insulin-like growth factor I -induced progesterone and estradiol secretion in human granulosa cells // Fertil. Steril. — 2009. — № 92 (6). — P. 1988-96. doi: 10.1016/ j.fertnstert.2008.09.008.

13. Chavarro J.E., Rich-Edwards J.W., Rosner B.A. A prospective study of dietary carbohydrate quantity and quality in relation to risk of ovulatory infertility // Eur. J. Clin. Nutr. — 2009. -№ 63 (1). — P. 78-86.

14. Crujeiras A.B., Casanueva F.F. Obesity and the reproductive system disorders: epigenetics as a potential bridge // Hum. Reprod. Update. — 2014. — № 34 (5). — P. 123-36.

15. De Pergola G., Tartagni M., d’Angelo F., Centoducati C., Guida P., Giorgino R. Abdominal fat accumulation, and not insulin resistance, is associated to oligomenorrhea in nonhyperandrogenic overweight/obese women // J. Endocrinol. Invest. — 2009. — № 32 (2). — P. 98-101.

16. Epplein M., Reed S.D., Voight L F. et al. Risk of complex and atypical endometrial hyperplasia in relation to anthropometric measures and reproductive history // Am. J. Epidemiol. — 2008. -Sep. 15; 168 (6). — P. 563-570.

17. Geliebter A., Carnell S., Gluck M.E. Cortisol and ghrelin concentrations following a cold pressor stress test in owerweight individuals with and without Night Eating // Int. J. Obes. (London). -2013. — № 37 (8). — P. 1104-8.

18. Gul O.O., Cander S., Gul B., Ac?kgoz E., Sarandol E., Ersoy C. Evaluation of insulin resistance and plasma levels for visfatin and resistin in obese and non — obese patients with polycystic ovary syndrome // Eur. Cytokine Netw. — 2015. — № 26 (4). — P. 73-8.

19. Heidemann C., Sun Q., van Dam R.M., Meigs J.B., Zhang C., Tworoger S.S., et al. Total and highmolecular — weight adiponectin and resistin in relation to the risk for type 2 diabetes in women // Ann. Intern. Med. — 2008. — № 149 (5). — P. 307-16.

20. Huang R., Yue J., Sun Y., Zheng J., Tao T., Li S. et al. Increased serum chemerin concentrations in patients with polycystic ovary syndrome: Relationship between insulin resistance and ovarian volume // Clin. Chim. Acta. — 2015. -№ 450. — P. 366-9.

21. Jungheim E.S., Travieso J.L., Hopeman M.M. Weighing the impact of obesity on female reproductive function and fertility // Nutr. Rev. — 2013. — № 71. — P. 3-8.

22. Koiou E., Tziomalos K., Katsikis I., Kandaraki E.A., Kalaitzakis E., Delkos D. et al. Weight loss significantly reduces serum lipocalin -2 levels in overweight and obese women with polycystic ovary syndrome // Gynecol. Endocrinol. — 2012. — № 28 (1). — P. 20-4.

23. Mantzoros C.S. Leptin in relation to the lipodystrophyassociated metabolic syndrome // Diabetes Metab J.mpfe ©©СаГГГМЩ

24. Metwally M., Li T.C., Ledger W.L. The impact of obesity on female reproductive function // Obes. Rev. — 2007. — № 8 (6). -P. 515-23.

25. Michalakis K., Mintziori G., Kaprara A. The complex interaction between obesity, metabolic syndrome and reproductive axis: a narrative review // Metabolism. — 2013. — № 62 (4). — P. 457-78.

26. Motta A.B. The role of obesity in the development of polycystic ovary syndrome // Curr. Pharm. Des. — 2012. — № 18 (17). — P. 2482-91.

27. Ogbuji Q.C. Obesity and reproductive performance in women // Afr. J. Reprod. Health. — 2010. — № 14 (3). — P. 143-51.

28. Stofkova A. Resistin and visfatin: regulators of insulin sensitivity, inflammation and immunity // Endocr. Regul. — 2010. -№ 44 (1). — P. 25-36.

29. Yang H.Y., Ma Y., Lu X.H., Liang X.H., Suo Y.J., Huang Z.X. et al. The correlation of plasma omentin-1 with insulin resistance in non-obese polycystic ovary syndrome // Ann. Endocrinol. (Paris). -2015. — № 76 (5). — P. 620-7. doi: 10.1016/j.ando.2015.08.002.

30 Zhang J., Zhou L., Tang L., Xu L. The plasma level and gene expression of resistin in polycystic ovary syndrome // Gynecol. Endocrinol. — 2011. — № 27 (12). — P. 982-7.

REFERENCES

1. Aganezova N.V. Ozhirenie i reproduktivnoe zdorov’e zhenshhiny [Women’s Obesity and Reproductive Health]. Akusherstvo i ginekologija [Obstetrics and gynecology], 2016, no. 6, pp. 18-25. (In Russ., Abstr. in Engl.).

2. Informacionnyj bjulleten’ VOZ № 311, janvar’ 2015 [WHO Information Bulletin No. 311, January 2015] [Jelektronnyj resurs]. Available at: www.who.int/mediacentre/factsheets/fs311/ru/.

3. Konsensus jekspertov po mezhdisciplinarnomu podhodu k vedeniju, diagnostike i lecheniju bol’nyh s metabolicheskim sindromom [Expert consensus on an interdisciplinary approach to the management, diagnosis and treatment of patients with metabolic syndrome]. Kardiovaskuljarnaja terapija i profilaktika [Cardiovascular therapy and prevention], 2013, no. 12 (6), pp. 41-81.

4. Kosygina A.V. Novoe v patogeneze ozhirenija: adipokiny -gormony zhirovoj tkani [New in the pathogenesis of obesity: Adipokines — fatty tissue hormones]. Problemy jendokrinologii [Problems of endocrinology], 2009, no. 55 (1), pp. 44-50. (In Russ., Abstr. in Engl.).

5. Kuznecova I.V. Giperplasticheskie processy jendometrija [Hyperplastic processes of the endometrium]. Moscow, 2009. 48 p.

6. Sovremennyj vzgljad na problemu izbytochnoj massy tela i ozhirenija [A modern view of the problem of overweight and obesity]. Rossijskij vestnik akushera-ginekologa [The Russian bulletin of the obstetrician-gynecologist], 2010, no. 2 (10), pp. 7276. (In Russ., Abstr. in Engl.).

7. Sheshukova N.A., Makarov I.O., Fomina M.N. Giperplasticheskie processy jendometrija: jetiopatogenez, klinika, diagnostika, lechenie [Hyperplastic processes of the endometrium: etiopathogenesis, clinic, diagnosis, treatment]. Akusherstvo i ginekologija [Obstetrics and gynecology], 2011, no. 4, pp. 16-21. (In Russ., Abstr. in Engl.).

8. Chernuha G.E. Sovremennye predstavlenija o giperplazii jendometrija (obzor literatury) [Modern concepts of endometrial hyperplasia (literature review)]. Akusherstvo i ginekologija [Obstetrics and gynecology], 2013, no. 3, pp. 26-32. (In Russ., Abstr. in Engl.).

9. Alberti K.G., Zimmet P.Z., Shaw J. Metabolic syndrome — a new world-wide definition. A Consensus Statement from the International Diabetes Federation. Diabet. Med., 2006, no. 23 (5), pp. 469-80.

10. Boeing H. Obesity and cancer — the update 2013. Best Pract. Res. Clin. Endocrinol. Metab., 2013, no. 27 (2), pp. 219-27.

11. Budak E., Fernandez Sanchez M., Bellver J., Cervero A., Simon C., Pellicer A. Interactions of the hormones leptin, ghrelin,

adiponectin, resistin, and PYY3-36 with the reproductive system. Fertil. Steril., 2006, no. 85 (6), pp. 1563-81.

12. Chabrolle C., Tosca L., Rame C., Lecomte P., Royere D., Dupont J. Adiponectin increases insulin-like growth factor I -induced progesterone and estradiol secretion in human granulosa cells. Fertil. Steril., 2009, no. 92 (6), pp. 1988-96. doi: 10.1016/j. fertnstert.2008.09.008.

13. Chavarro J.E., Rich-Edwards J.W., Rosner B.A. A prospective study of dietary carbohydrate quantity and quality in relation to risk of ovulatory infertility. Eur. J. Clin. Nutr., 2009, no. 63 (1), pp. 78-86.

14. Crujeiras A.B., Casanueva F.F. Obesity and the reproductive system disorders: epigenetics as a potential bridge. Hum. Reprod. Update, 2014, no. 34 (5), pp. 123-36.

15. De Pergola G., Tartagni M., d’Angelo F., Centoducati C., Guida P., Giorgino R. Abdominal fat accumulation, and not insulin resistance, is associated to oligomenorrhea in nonhyperandrogenic overweight/ obese women. J. Endocrinol. Invest., 2009, no. 32 (2), pp. 98-101.

16. Epplein M., Reed S.D., Voight L F. et al. Risk of complex and atypical endometrial hyperplasia in relation to anthropometric measures and reproductive history. Am. J. Epidemiol., 2008, Sep. 15; 168 (6), pp. 563-570.

17. Geliebter A., Carnell S., Gluck M.E. Cortisol and ghrelin concentrations following a cold pressor stress test in owerweight individuals with and without Night Eating. Int. J. Obes. (London), 2013, no. 37 (8), pp. 1104-8.

18. Gul O.O., Cander S., Gul B., Ac?kgoz E., Sarandol E., Ersoy C. Evaluation of insulin resistance and plasma levels for visfatin and resistin in obese and non — obese patients with polycystic ovary syndrome. Eur. Cytokine Netw., 2015, no. 26 (4), pp. 73-8.

19. Heidemann C., Sun Q., van Dam R.M., Meigs J.B., Zhang C., Tworoger S.S. et al. Total and highmolecular — weight adiponectin and resistin in relation to the risk for type 2 diabetes in women. Ann. Intern. Med., 2008, no. 149 (5), pp. 307-16.

20. Huang R., Yue J., Sun Y., Zheng J., Tao T., Li S. et al. Increased serum chemerin concentrations in patients with polycystic ovary syndrome: Relationship between insulin resistance and ovarian volume. Clin. Chim. Acta., 2015, no. 450, pp. 366-9.

21. Jungheim E.S., Travieso J.L., Hopeman M.M. Weighing the impact of obesity on female reproductive function and fertility. Nutr. Rev., 2013, no. 71, pp. 3-8.

22. Koiou E., Tziomalos K., Katsikis I., Kandaraki E.A., Kalaitzakis E., Delkos D. et al. Weight loss significantly reduces serum lipocalin -2 levels in overweight and obese women with polycystic ovary syndrome. Gynecol. Endocrinol., 2012, no. 28 (1), pp. 20-4.

23. Mantzoros C.S. Leptin in relation to the lipodystrophyassociated metabolic syndrome. Diabetes Metab J., 2012, no. 36 (3), pp. 181-9.

24. Metwally M., Li T.C., Ledger W.L. The impact of obesity on female reproductive function. Obes. Rev., 2007, no. 8 (6), pp. 515-23.

25. Michalakis K., Mintziori G., Kaprara A. The complex interaction between obesity, metabolic syndrome and reproductive axis: a narrative review. Metabolism, 2013, no. 62 (4), pp. 457-78.

26. Motta A.B. The role of obesity in the development of polycystic ovary syndrome. Curr. Pharm. Des., 2012, no. 18 (17), pp. 2482-91.

27. Ogbuji Q.C. Obesity and reproductive performance in women. Afr. J. Reprod. Health, 2010, no. 14 (3), pp. 143-51.

28. Stofkova A. Resistin and visfatin: regulators of insulin sensitivity, inflammation and immunity. Endocr. Regul., 2010, no. 44 (1), pp. 25-36.

29. Yang H.Y., Ma Y., Lu X.H., Liang X.H., Suo Y.J., Huang Z.X. et al. The correlation of plasma omentin-1 with insulin resistance in non-obese polycystic ovary syndrome. Ann. Endocrinol. (Paris), 2015, no. 76 (5), pp. 620-7. doi: 10.1016/j.ando.2015.08.002.

30. Zhang J., Zhou L., Tang L., Xu L. The plasma level and gene expression of resistin in polycystic ovary syndrome. Gynecol. Endocrinol., 2011, no. 27 (12), pp. 982-7.

Контактная информация

Ткаченко Людмила Владимировна — д. м. н., профессор, зав. кафедрой акушерства и гинекологии факультета усовершенствования врачей, Волгоградский государственный медицинский университет, e-mail: [email protected]

Динамика роста жировой ткани

Abstract

Рост жировой ткани происходит по двум механизмам: гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток). Генетика и диета влияют на относительный вклад этих двух механизмов в рост жировой ткани при ожирении. В этом исследовании распределение по размеру эпидидимальных жировых клеток от двух линий мышей, устойчивых к ожирению FVB / N и склонных к ожирению C57BL / 6, измеряли через 2, 4 и 12 недель в условиях регулярного кормления и питания с высоким содержанием жира.Общее количество клеток в жировой подушке придатка яичка оценивали по массе жировой подушечки и нормализованному распределению клеток по размеру. Количество клеток и средневзвешенный размер клеток увеличиваются в зависимости от массы жировой прослойки. Чтобы точно решить проблему роста жировой ткани, мы разработали математическую модель, описывающую эволюцию распределения размеров жировых клеток как функцию увеличения массы жировой ткани, а не увеличения хронологического времени. Наша модель описывает привлечение новых жировых клеток и их последующее развитие в разных штаммах и с разными режимами питания, с общими механизмами, но с параметрами модели, зависящими от диеты и генетики.По сравнению со штаммом FVB / N, штамм C57BL / 6 имеет большее количество мелких жировых клеток. Гиперплазия усиливается за счет диеты с высоким содержанием жиров в зависимости от штамма, что предполагает синергетическое взаимодействие между генетикой и диетой. Кроме того, кормление с высоким содержанием жиров увеличивает скорость роста жировых клеток, независимо от напряжения, что отражает увеличение количества калорий, требующих хранения. Кроме того, диета с высоким содержанием жиров приводит к резкому увеличению распределения жировых клеток по размерам у обоих штаммов; это означает увеличение колебаний размера жировых клеток за счет липидного обмена.

Авторское резюме

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. Динамическое изменение жировой ткани in vivo невозможно отслеживать в режиме реального времени из-за текущих технических ограничений. Однако мы можем измерить распределение жировых клеток по размеру у отдельных животных. Наша основная цель — извлечь динамические характеристики ремоделирования тканей из снимков распределения клеток по размерам.Мы разрабатываем математическую модель, которая интерполирует измерения распределения клеток по размеру и предсказывает непрерывное изменение распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Наша модель роста жировой ткани включает три основных компонента: рекрутирование новых клеток, рост клеток в зависимости от размера и колебания размера клеток. В частности, мы сравнили рост жировой ткани у склонных к ожирению и устойчивых к ожирению мышей при стандартной диете или диете с высоким содержанием жиров, чтобы изучить генетическое и диетическое влияние на рост жировой ткани.Применяя нашу модель к этим различным условиям, мы обнаружили, что увеличение размера жировых клеток зависит от диеты. С другой стороны, увеличение количества жировых клеток, вызванное диетой, зависит от деформации, что предполагает синергию между генетикой и диетой.

Введение

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. На фенотип ожирения жировой ткани влияют диета и генетика, а также их взаимодействие [1] — [4].Начиная с исследований Джонсона и Хирша [5], существует обширная литература о росте жировой ткани при нормальном и патологическом развитии, характеризующая состояние ткани с точки зрения среднего размера и количества клеток. Гиперпластический рост появляется только на ранних стадиях развития жировой ткани [6], [7]. Гипертрофия возникает до гиперплазии, чтобы удовлетворить потребность в дополнительных накоплениях жира при прогрессировании ожирения [8]. Однако оказалось трудно понять, как диета и генетика конкретно влияют на гиперплазию и / или гипертрофию жировых клеток из-за ограниченных данных о росте жировой ткани.

Помимо этих исследований, недавно стало возможным точно измерить распределение клеток по размерам. Эта подробная информация, по сравнению со средним размером клеток и общим числом клеток, может использоваться для вычисления многих величин, связанных с размером, которые позволяют более точно охарактеризовать процесс роста жировой ткани. Кумулянты распределения клеток по размерам могут использоваться для вычисления других физиологических величин, таких как средневзвешенный размер клеток. Распределение клеток по размерам можно использовать для оценки общего количества клеток в жировой подушке по ее массе.Более того, считается, что некоторые специфические метаболические свойства, например, резистентность к инсулину [9] и секреция адипокина [10], зависят от точного распределения клеток по размерам, а не от среднего размера клеток. Действительно, в нескольких исследованиях изучается изменение распределения жировых клеток по размерам в различных условиях при развитии куриного эмбриона [11], у худых и страдающих ожирением крыс Zucker [12], [13], крыс линии Wistar с частичной липэктомией [14], биопсии кролика [ 15] и жировой ткани человека [16], [17]. Эти исследования были сосредоточены только на статических различиях между распределениями клеток по размерам в разных условиях.Однако статические распределения размеров клеток в поперечном сечении для ряда снимков развития животных можно использовать для вывода динамики роста жировой ткани, если мы сможем надлежащим образом проанализировать снимки с помощью математического моделирования. Учитывая нынешние технические ограничения, это может быть лучший доступный подход к микроскопическому и продольному пониманию роста жировой ткани in vivo , хотя в недавнем эксперименте были получены микроскопические наблюдения накопления липидов в липидных каплях жировых клеток [18].

Чтобы изучить генетические и диетические эффекты на динамический процесс роста жировой ткани, мы получили распределения по размерам клеток эпидидимального жира у устойчивых к ожирению линий мышей FVB / N (далее FVB) и склонных к ожирению линий мышей C57BL / 6 (C57) под стандартные диеты и диеты с высоким содержанием жиров. Мышь C57 является наиболее охарактеризованной моделью ожирения, вызванного диетой [19], а мышь FVB является предпочтительной моделью для создания трансгенных мышей [20]. Эти два широко используемых инбредных штамма мышей генетически довольно далеки [21], [22] и имеют различные метаболические фенотипы: по сравнению с мышами FVB, мыши C57 имеют низкие уровни циркулирующих триглицеридов [21] и повышенный клиренс триглицеридов [23], [24]; Мыши FVB характеризуются относительно более высокой печеночной инсулинорезистентностью, контррегуляторной реакцией на гипогликемию и сниженной глюкозо-стимулированной секрецией инсулина [25]; Также известно, что мыши FVB являются спонтанно гиперактивными [26] и относительно худыми, поскольку они, по-видимому, менее восприимчивы к диете с высоким содержанием жиров, чем мыши C57 [27].Однако развитие ожирения, вызванного диетой, у этих двух штаммов формально не сравнивалось. В этом исследовании мы разработали математическую модель, прогнозирующую изменение распределения клеток по размерам в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка, для количественного анализа динамических характеристик, зависящих от генетики и / или диеты. Модель роста жировой ткани описывает, сколько новых клеток образуется, как каждая клетка растет в зависимости от ее размера и как липидный обмен приводит к колебаниям размера, которые вызывают расширение распределения клеток по размерам.По мере увеличения массы эпидидимальных жировых подушек распределение клеток по размерам систематически изменяется в зависимости как от генетики, так и от диеты. Сравнивая экспериментальные результаты с теоретической моделью роста, мы обнаружили, что гипертрофия сильно коррелирует с диетой. С другой стороны, гиперплазия зависит от генетики. Изменения гиперплазии, вызванные диетой, зависят от штамма, что предполагает взаимодействие между диетой и генетикой.

Результаты

Влияние диеты с высоким содержанием жиров на состав тела мышей FVB и C57

В начале эксперимента (в возрасте 5 недель) мыши C57 были значительно легче, чем мыши FVB () из-за разницы в худой масса, хотя общая жировая масса не отличалась ().Когда мышей поддерживали на обычном питании, разница в массе тела исчезла к возрасту 11 недель (6-я неделя эксперимента). В условиях обычной диеты мыши FVB и C57 сохраняли сопоставимую массу жира на протяжении всего эксперимента (). Диета с высоким содержанием жиров вызвала значительное увеличение массы тела и жировой массы у обоих штаммов; однако изменения массы тела и жировой массы были более значительными у мышей C57. У мышей C57 было вдвое больше жира после 12 недель кормления с высоким содержанием жиров ().Общая разница в общей массе жира между мышами FVB и C57 коррелировала с пропорциональными различиями в количестве эпидидимального (внутрибрюшного), пахового (подкожного) и бурого жира (). Потребление калорий и активность были сопоставимы у мышей FVB HF и C57 HF; однако мыши FVB HF имели более высокий уровень покоя и общего потребления кислорода, а также более высокую ректальную температуру, что позволяет предположить, что увеличение расхода энергии, а не снижение потребления калорий, было причиной относительной устойчивости к ожирению, вызванному диетой с высоким содержанием жиров, у мышей FVB.Интересно, что в течение первых 2 недель кормления с высоким содержанием жиров мыши FVB и C57 показали сопоставимое увеличение общей жировой массы (). Мыши C57 HF продолжали быстро увеличивать жировую массу до 10 недели эксперимента, тогда как мыши FVB HF замедляли накопление жира около недели 3. У мышей C57 кормление с высоким содержанием жира вызывало постепенное увеличение как эпидидимальных, так и паховых жировых подушечек; Напротив, у мышей FVB жировая масса придатка яичка увеличилась лишь незначительно после 4 недель кормления с высоким содержанием жира, в то время как паховая жировая подушечка продолжала увеличиваться в размере на протяжении всего эксперимента (рис.S1). Кормление с высоким содержанием жиров вызывало значительное повышение уровня глюкозы в крови и инсулина как у мышей FVB, так и у мышей C57 (). Уровни инсулина и непереносимость глюкозы были выше у мышей C57 HF, чем у мышей FVB HF, что свидетельствует о более тяжелой инсулинорезистентности (). В соответствии с предыдущими сообщениями [23], [24], мыши C57 REG показали пониженные уровни триглицеридов в сыворотке по сравнению с мышами FVB REG без разницы в FFA (). Это не было связано с более высоким потреблением жира, так как коэффициент респираторного обмена () и скорость окисления жирных кислот, измеренная in vivo () и в изолированных скелетных мышцах (), были сопоставимы у мышей FVB REG и C57 REG.Более вероятно, что более низкие уровни триглицеридов в сыворотке у мышей C57 REG были вызваны гораздо более эффективным клиренсом циркулирующих триглицеридов, как предполагает тест на клиренс триглицеридов (). Кормление с высоким содержанием жиров снижало уровни циркулирующих триглицеридов как у мышей FVB, так и у мышей C57 и улучшало клиренс триглицеридов у последних штаммов (и). Оба штамма показали сопоставимое снижение коэффициента респираторного обмена, что свидетельствует о сопоставимом увеличении утилизации жирных кислот в условиях диеты с высоким содержанием жиров (). Взятые вместе, эти данные предполагают, что способность эффективно выводить триглицериды из кровотока может способствовать высокой способности накопления жира у мышей C57.

Изменения в составе тела мышей FVB и C57 в условиях стандартного корма (REG) и с высоким содержанием жира (HF).

(A) Масса тела. (B) Жировая масса. Состав тела измеряли в указанные моменты времени у 8 мышей в группе с использованием МРТ-анализатора Echo 3-in-1. Высокожировое и контрольное кормление начали в возрасте 5 недель. Ось X показывает недели контролируемого кормления. Показан один из трех независимых экспериментов. Приведены средние значения ± SEM.

Физиологические характеристики мышей FVB и C57.

(A) Тест на толерантность к глюкозе проводили на 10-й неделе контролируемого кормления с пищей и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение ночи и вводили глюкозу (2 мг / г, внутрибрюшинно). Каждая группа была представлена ​​8 мышами. (B) Окисление олеиновой кислоты в целом организме измеряли у самцов мышей FVB ad C57 в возрасте 10 недель в не голодном состоянии (8 мышей на группу), как описано в Gautam et al. [47]. (C) Окисление пальмитиновой кислоты измеряли в камбаловидной мышце, взятой у 10-недельных мышей FVB и C57, которых содержали на диете (8 мышей на группу).Образцы собирали в 8 часов утра у мышей, которых случайным образом кормили, или мышей, голодавших в течение 18 часов [методы, описанные в Toyoshima et al. [46]]. (D) Клиренс триглицеридов у самцов мышей FVB и C57 после 11 недель контролируемого кормления кормом и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение 4 часов, а затем вводили через желудочный зонд 400 мкл л арахисового масла. Плазму собирали ежечасно в течение 5 часов из хвостовой вены для измерения триглицеридов. Каждая группа была представлена ​​8 мышами.

Таблица 1

Характеристики мышей FVB и C57 после 12 недель жирного и контрольного кормления.

Гипертрофия и гиперплазия с увеличением жировой массы

Чтобы проверить основной механизм различной скорости накопления жира в эпидидимальном жире мышей FVB и C57, мы измерили распределение массы и размеров клеток в образцах тканей эпидидимальный жир, собранный на 0, 2, 4 и 12 неделях контролируемого кормления (). Поскольку гистологический анализ не позволяет точно определить размер клеток адипоцитов, который будет обсуждаться позже, мы измерили распределение клеток по размеру с помощью счетчика Коултера и рассчитали средневзвешенный размер клеток и общее количество клеток эпидидимальной жировой ткани на основе этих измерений, которые аналогичные значения в другом исследовании на мышах [5].Сильные корреляции наблюдались между массой жировых подушечек и средневзвешенным размером клеток, а также между массой жировых подушечек и общим числом клеток, независимо от напряжения и разницы в диете (). Первая корреляция дала масштабное соотношение между массой жировой подушечки и средневзвешенным по объему размером клеток (). Кроме того, была обнаружена экспоненциальная зависимость между массой жировой подушечки, и общим числом клеток, где начальная масса жировой подушки была получена от контрольных мышей; и начальное количество клеток, и скорость увеличения количества клеток в массе жировой подушечки, были оценены по данным (;).Первоначальное количество клеток у мышей C57 было больше, чем исходное количество клеток у мышей FVB (; фиг. S2C и S2D). По мере увеличения массы жировой ткани увеличивается общее количество клеток. Скорость увеличения числа клеток была выше при обычном питании, чем при диете с высоким содержанием жиров, эта тенденция более очевидна у мышей C57 (;), что свидетельствует о генетическом различии. Соотношение между результатами регулярной диеты и диеты с высоким содержанием жиров составляет 1,42 и 3,22 для мышей FVB и C57 соответственно (). Это может указывать на взаимодействие между генетикой и диетой при увеличении количества клеток.Обратите внимание, что мы также наблюдали аналогичные результаты с массой тела и массой жира, поскольку эти три величины (масса эпидидимальной жировой подушечки, масса жира и масса тела) коррелируют друг с другом. Однако результаты с массой эпидидимальной жировой подушечки были наиболее подходящими: среднее квадратическое отклонение между данными и соответствием составило 9,73, 7,94, 3,56 × 10 ⁵ и 5,54 × 10 ⁶ , соответственно; результат с массой тела составил 11,82, 15,35, 3,65 × 10 ⁵ и 4,82 × 10 ⁶ ; результат с жировой массой 8.58, 8,61, 4,28 × 10 ⁵ и 6,11 × 10 ⁶ .

Нормализованное распределение клеток по размерам в жировой подушке придатка яичка.

На графике нанесен один типичный пример контрольных мышей FVB в возрасте 5 недель. Кружки обозначают точки измеренных данных, а линия представляет собой аппроксимирующую кривую, которая представляет собой сумму одной гауссовой и двух экспоненциальных функций.

Таблица 2

Значения параметров модели роста жировой ткани.

Генетические и диетические эффекты на рост жировой ткани

Эти две сильные корреляции между массой жировой подушечки и гипертрофией и между массой жировой подушечки и гиперплазией позволяют предположить, что увеличение жировой ткани можно описать как систематический процесс роста в отношении для увеличения массы жировой прослойки.Мы расположили распределения клеток по размерам, отсортированные по массе эпидидимальных жировых подушек (). Примечательно, что модель роста жировой ткани в формуле. (1) описывает эволюцию распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Модель количественно соответствовала экспериментальным распределениям размеров клеток, несмотря на то, что все распределения представляют собой данные поперечного сечения, полученные от отдельных животных. Различные значения параметров в модели, которые соответствуют каждому индивидуальному распределению размеров клеток для обоих штаммов и обоих режимов диеты, дали количественные различия в процессе роста эпидидимальной жировой ткани между штаммами и между диетами ().Во-первых, максимальная зависящая от размера скорость роста и скорость колебаний размера клеток из-за обмена липидов продемонстрировали разницу, вызванную диетой, и меньшую разницу, вызванную деформацией. Зависимый от размера рост и колебания размера, приводящие к гипертрофии, по-видимому, регулируются в основном диетой. В частности, рост, зависящий от размера, переместил режим больших клеток в распределении размеров клеток в сторону больших размеров, а флуктуации липидного обмена увеличили разброс распределения вокруг режима больших клеток.Важно отметить, что результаты должны быть тщательно интерпретированы, потому что каждая скорость — это скорость на единицу увеличения массы жировой ткани, а не на единицу увеличения времени. Во-вторых, геометрические параметры (, и), которые определяют форму скорости роста, зависящей от размера, имели практически одинаковые значения независимо от диеты и разницы деформаций, за исключением. Следовательно, нижний критический размер, который дает размер, инициирующий рост клеток в зависимости от размера, и два параметра масштаба могут быть зафиксированы на с _l = 37 µ м, η _l = 12 µ м и η _u = 63 µ м соответственно.С другой стороны, верхний критический размер, ограничивающий зависимый от размера клетки рост больших клеток, зависел от диеты; при кормлении с высоким содержанием жира этот размер отсечения сместился в сторону большего размера (). При диете с высоким содержанием жиров изменения параметров (,, и) увеличивают способность жировых тканей накапливать липиды за счет как гиперплазии, так и гипертрофии. Более низкие уровни триглицеридов в сыворотке при условии диеты с высоким содержанием жиров (и) могут быть коррелированы с увеличением накопления липидов в увеличенных жировых клетках, поскольку не было обнаружено значительных различий в окислении жирных кислот, о чем свидетельствует отсутствие различий в соотношении респираторного обмена ().

Изменение распределения клеток по размерам с увеличением массы эпидидимальной жировой подушечки при кормлении и диетах с высоким содержанием жиров.

Начальные распределения размеров клеток пятинедельных контрольных мышей приведены в первой строке каждого столбца пунктирными линиями. Точками показаны экспериментальные результаты. Обратите внимание, что результаты упорядочены по массе эпидидимальной жировой подушечки, а не по хронологическому времени (недели контролируемого кормления), указанному в скобках. Сплошные линии представляют собой нормализованные распределения клеток по размеру, соответствующие данной массе эпидидимальной жировой подушечки, предсказанной моделью роста жировой ткани.

Зависимая от размера скорость роста массы придатка яичка.

Здесь для построения графика используются средние значения параметров. Символы показаны для облегчения сравнения строк.

Обсуждение

Наше центральное открытие состоит в том, что гиперплазия и гипертрофия жировых клеток в эпидидимальной жировой подушечке является функцией массы жировой подушечки, даже несмотря на то, что у отдельных животных может потребоваться разное время для достижения заданной массы жировой подушечки. Следовательно, рост жировой ткани, представленный как изменения распределения клеток по размерам, можно систематически моделировать как процесс роста по отношению к увеличению массы жировой подушечки; это может отражать корреляцию между массой жировой подушечки и секрецией адипокинов и других сигнальных молекул, контролирующих рост жировой ткани.Соответственно, следует отметить, что нормы в нашей модели — это не обычные нормы увеличения на единицу времени, а нормы увеличения на единицу массы. Таким образом, несколько коэффициентов (, и) в модели имели более высокие значения для животных, соблюдающих диету, чем для животных, соблюдающих диету с высоким содержанием жиров. Однако, если бы эти показатели были преобразованы в обычные нормы увеличения на единицу времени, они имели бы большие значения для диеты с высоким содержанием жиров, потому что требуется меньше времени для увеличения массы жировой подушечки на единицу из более крупных и более многочисленных клеток на диета с высоким содержанием жиров, чем для увеличения такой же величины за счет меньшего и меньшего количества клеток на диете (рис.S1). Было высказано предположение, что когда ожирение прогрессирует, рано возникает гипертрофия жировых клеток, а затем запускается гиперплазия [8]. Наше исследование показало, что рекрутирование новых клеток экспоненциально увеличивается с увеличением массы жировой ткани. Гипертрофия жировых клеток является основным фактором увеличения массы жировой прослойки, тогда как гиперплазия не способствует этому увеличению, потому что она возникает в небольших клетках, в которых хранится гораздо меньший объем жира. Таким образом, наша модель естественным образом воплощает идею о том, что на гиперплазию влияет гипертрофический рост клеток.С другой стороны, сообщалось, что гиперплазия жировых клеток возникает только на ранних стадиях развития; следовательно, не следует ожидать рекрутирования новых клеток на поздних стадиях даже в условиях ожирения [6], [7]. Возможно, возраст животных в нашем исследовании (6 недель) допускает возникновение гиперплазии.

Модель, разработанная здесь, может дать микроскопическое представление о росте жировых клеток, зависящем от размера, который не может быть рассмотрен статическими поперечными исследованиями.Например, мы обнаружили следующие специфические свойства роста клеток, зависящие от размера: нижний критический размер, инициирующий накопление липидов, не зависел от диеты у двух линий мышей, тогда как верхний критический размер ограничивал рост клеток до достижения необходимого уровня. необычайный размер, был увеличен на диете с высоким содержанием жиров. Эта зависимость роста клеток от размера является проверяемой гипотезой. Далее, параметр флуктуации размера клеток различался при обычном питании и рационе с высоким содержанием жиров; оно больше при диете с высоким содержанием жиров, когда оно преобразуется в единицы, соответствующие изменению единицы времени, а не единице изменения массы жировых подушечек.Таким образом, случайный процесс высвобождения и поглощения жира жировыми клетками происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров, чем при обычной диете. Может быть интересно посмотреть, можно ли распространить эти результаты на другие штаммы и организмы.

По сравнению с исследованиями, в которых наблюдали единственный пик в распределении размеров клеток жировых клеток [11], [15] — [17], [28], мы наблюдали бимодальные распределения клеток по размерам, как сообщалось другими [12], [13], [29] — [32]. В большинстве исследований [12], [13], [31], [32] по наблюдению бимодальности использовалась технология счетчика Коултера, которая имеет несколько преимуществ для оценки всего распределения размеров ячеек [31]: Во-первых, можно доказать, что анализируемые ячейки быть подлинными жировыми клетками на основе морфологии и флотации; во-вторых, объем каждой клетки оценивается независимо от формы и без артефактов смещения центра, что является правилом, а не исключением, с использованием гистологических подходов; наконец, можно подсчитать и измерить достаточное количество частиц, чтобы получить статистически значимые комплексные кривые.Напротив, микроскопические методы гистологии могут не наблюдать мелкие клетки из-за влияния увеличения микроскопа [30], небольшого количества образцов и систематической ошибки выборки. Однако при использовании счетчика Коултера контаминация, не связанная с адипоцитами, может способствовать распределению клеток по размерам, особенно при малых размерах, хотя наш минимальный диаметр клеток, 22 µ м, превышает возможные диапазоны контаминации, от 10 до 20 µ м, упомянутые Mersmann и MacNeil [31]. Чтобы быть уверенным, мы снова проанализировали модифицированные данные, используя только распределения размеров ячеек диаметром более 35 µ м с моделью, и пришли к тем же выводам (данные не показаны).Надир в распределении размеров клеток () может разделять две популяции клеток. ДеМартини и Франсендезе определили маленькие клетки с диаметром менее 35 µ м как «очень маленькие жировые клетки» [29]. Основываясь на нашей модели, эти клетки имеют незначительный рост в зависимости от размера, потому что их размер меньше нижнего критического размера, с _l = 37 µ m. Следовательно, механизм роста, зависящий от размера, может естественным образом объяснить происхождение бимодальности в распределении жировых клеток по размеру.Клетки с размером только выше могут расти в зависимости от размера, но клетки с размером меньше могут расти случайным образом с флуктуацией размера за счет липидного обмена. Это разделение вызывает накопление клеток ниже размера, что дает более низкий пик в распределении размеров клеток. Эта популяция клеток может служить потенциальным резервуаром для зрелых жировых клеток. Процесс их созревания можно интерпретировать следующим образом: жировые клетки, достигающие критического размера, вследствие случайных колебаний размера могут расти с механизмом роста, зависящим от размера.Как упоминалось выше, изменение размера происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров; следовательно, пласт может ускорить процесс созревания в условиях стимуляции.

В модель роста ткани мы включили привлечение новых клеток и рост существующих клеток, но не гибель старых клеток, потому что модель согласовывалась с данными без апоптоза жировых клеток. Этот результат также согласуется с исследованием, в котором наблюдалось, что эпидидимальная жировая ткань мышей C57BL / 6 не показывает значительной гибели клеток до 12 недель при диете с высоким содержанием жиров [33].Однако расширенная диета с высоким содержанием жиров в конечном итоге вызывает апоптоз жировых клеток [33]. Более того, в одном недавнем исследовании сообщается, что жировые клетки человека обновляются в течение десяти лет [7]. Таким образом, наша модель все еще нуждается в улучшении, чтобы ее можно было использовать в различных условиях. Следует учитывать гибель клеток и формально учитывать зависимость параметров модели от диеты. В этом исследовании мы сосредоточились на одном жировом депо, эпидидимальном жире, по нескольким причинам: 1) вес эпидидимальных жировых подушечек может быть получен более точно, чем вес паховых жировых подушечек из-за легкости иссечения; 2) морфология жировых клеток в эпидидимальном жире более однородна, чем в паховом жире, который содержит много клеток, подобных коричневой жировой ткани, особенно у мышей, устойчивых к ожирению, вызванному диетой; и 3) разница между генотипами была более очевидной в росте эпидидимального жира, который достигает плато через 4 недели у мышей FVB, но продолжает расти у мышей C57 на протяжении всего эксперимента, в отличие от пахового жира, который показывает устойчивый рост. у обоих штаммов (рис.S1). Хотя мы не измеряли распределение по размеру клеток других жировых отложений, мы измерили изменение массы паховых и бурых жировых отложений, что показывает аналогичную картину с эпидидимальным жировым депо (рис. S1). Таким образом, представляет интерес применить модель к другим жировым отложениям, которые имеют функциональные различия [34], [35], а также к другим видам, таким как человек, что остается для будущих исследований. Мы ожидаем, что модель может быть применена к таким разнообразным наборам данных, просто настроив параметры модели, потому что модель содержит общие механизмы роста тканей для привлечения новых клеток и их последующего развития.

Наши данные показывают, что, по крайней мере, три фактора могут объяснить, почему мыши C57 набирают больше жира, чем мыши FVB, при диете с высоким содержанием жиров: во-первых, мыши FVB имеют повышенную скорость метаболизма и повышенную ректальную температуру, скорее всего, из-за повышенного симпатического тонуса. Хотя мы не обнаружили значительных различий в активности между штаммами в нашем исследовании, более подробные измерения поведения показали, что мыши FVB спонтанно гиперактивны по сравнению с мышами C57 [26]. У них также увеличивается частота сердечных сокращений [36], и они реагируют гипергликемией на различные виды лечения [37].Кроме того, они более чувствительны к стрессу, связанному с воздержанием и голоданием [38]. Все эти данные, взятые вместе, предполагают, что активность симпатической нервной системы увеличилась больше у мышей FVB, чем активность у мышей C57. Во-вторых, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 более эффективно очищают циркулирующие триглицериды [23], [24], что, по крайней мере, частично можно объяснить более высокой активностью липазы в сыворотке крови [23] и более высокой способностью накапливать триглицериды в печени [23]. ], [24] и жировой ткани (показано в этом исследовании).Хотя молекулярные механизмы клиренса триглицеридов до конца не изучены, жировая ткань явно способствует выведению триглицеридов, поскольку способность выводить циркулирующие триглицериды нарушена у липоатрофных мышей [23]. В частности, сообщалось, что диета с высоким содержанием жиров увеличивает клиренс триглицеридов [39], что может быть связано с индукцией активности липопротеинлипазы в жировой ткани [40]. Наконец, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 показали большее количество мелких жировых клеток, особенно при диете с высоким содержанием жиров.Было высказано предположение, что новые жировые клетки могут возникать из клеток-предшественников, которые находятся в депо белого жира взрослых [41], [42], и из других источников, таких как циркулирующие клетки-предшественники костного мозга [43]. Было показано, что рекрутирование обоих типов предшественников стимулируется диетой с высоким содержанием жиров [41], [43]. Возможно, что большее рекрутирование более мелких жировых клеток у мышей C57 может быть вызвано более высоким пулом клеток-предшественников или их более высокой внутренней способностью к дифференцировке адипоцитов.Однако in vitro мезенхимальных стволовых клеток , выделенных из наружного уха мышей FVB и C57, одинаково хорошо дифференцируются в жировые клетки [44]. Попытка сравнить дифференцировку стромальных клеток костного мозга мышей FVB и C57 в жировые клетки не увенчалась успехом из-за очень низкого выхода и плохой пролиферативной способности клеток, выделенных от мышей C57 [45]; однако костный мозг, по-видимому, не является основным источником новых жировых клеток, по крайней мере, у мышей [43]. Наша модель предполагает, что разница между генотипами в рекрутировании малых жировых клеток может быть автономной по отношению к жировым подушечкам, но молекулярный механизм, лежащий в основе этого различия, неясен.Жировая подушечка — сложный орган, содержащий множество различных типов клеток, включая зрелые жировые, предадипозные и сосудистые клетки, нервы, макрофаги и фибробласты. Количество предшественников адипоцитов и их пролиферация в ответ на внешние сигналы варьируется в зависимости от жировых отложений [35]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как специфичное для генотипа взаимодействие между разными типами клеток и секретируемыми факторами может влиять на скорость рекрутирования адипоцитов в определенные жировые депо.

Таким образом, мы получили математическую модель, описывающую рост жировой ткани с увеличением количества и размера клеток в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка.Основываясь на этой динамической модели, мы исследовали влияние генетики и диеты на рост жировой ткани. Сравнивая распределение размеров клеток двух штаммов и двух диет, мы пришли к выводу, что изменение размера клеток зависит от диеты, а изменение количества клеток зависит от генетики и диеты, а также от их взаимодействия.

Материалы и методы

Животные

Все процедуры были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Национального института диабета, болезней органов пищеварения и почек.Самцы мышей FVB и C57 были получены из лаборатории Джексона (Бар-Харбор, штат Мэн). Мышей выращивали по четыре в клетке с 12-часовым циклом свет / темнота (свет 06: 00–18: 00). В возрасте 5 недель мышей каждой линии разделили на 2 группы. Половине мышей давали обычную пищу NIH-07 (далее REG; Zeigler Brothers, Inc., Gardners, PA), содержащую 4,08 ккал / г (11% калорий из жира, 62% из углеводов и 26% из белка). Другая половина получала диету с высоким содержанием жиров, F3282 (далее HF; Bio-Serv, Frenchtown, NJ), содержащую 5.45 ккал / г (59% жиров, 26% углеводов и 15% белков). Вода и диета предоставлялись ad libitum . Было проведено пять независимых экспериментов, в каждой из которых использовались 4 группы мышей: FVB REG, FVB HF, C57 REG и C57 HF. В трех экспериментах мышей содержали на контролируемой диете в течение 12 недель и использовали для анализа состава тела, физиологической характеристики и распределения клеток по размеру. Две дополнительные группы мышей были умерщвлены после 2 недель и 4 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира только для определения распределения клеток по размеру.

Эксперименты in vivo

Состав тела, потребление пищи, скорость метаболизма, толерантность к глюкозе, клиренс триглицеридов и окисление жирных кислот в изолированной камбаловидной мышце измеряли, как описано ранее [46]. Окисление жирных кислот всего тела измеряли, как описано в Gautam et al. [47]. Кровь для биохимических анализов брали из хвостовой вены без голодания. Уровни глюкозы измеряли с помощью Glucometer Elite (Bayer, Elkhart, IN). Сывороточный инсулин анализировали с помощью радиоиммуноанализа (Linco Research, St.Чарльз, Миссури). Триглицериды, холестерин (Thermo DMA, Луисвилл, Колорадо) и свободная жирная кислота (FFA) (Roche Applied Science, Индианаполис, Индиана) измеряли в соответствии с процедурами производителя.

Измерение размера клеток эпидидимального жира

Распределение размеров клеток эпидидимального жира измеряли через 2, 4 и 12 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира с использованием Beckman Coulter Multisizer III, как описано ранее [9]. Вкратце, 20–30 мг жировой ткани были взяты из средней части путем рассечения и последующего удаления образца для фиксации из центра разрезанного эпидидимального жира.Образцы тканей немедленно фиксировали в четырехокиси осмия [48], инкубировали на водяной бане при 37 ° C в течение 48 ч, а затем определяли размер жировых клеток с помощью Beckman Coulter Multisizer III с апертурой 400 µ м. Диапазон размеров ячеек, которые можно эффективно измерить с помощью этой апертуры, составляет 20–240 µ м. Прибор был настроен на подсчет 6000 частиц, и суспензия фиксированных клеток была разбавлена ​​так, чтобы совпадающий счет был <10%. После сбора размеров импульсов данные были выражены в виде диаметров частиц и отображены в виде гистограмм отсчетов по диаметру с использованием линейных интервалов и линейной шкалы для оси x ().Распределение клеток по размерам было измерено в четырех образцах из каждой группы, за исключением мышей C57 после 4-недельного воздействия диеты с высоким содержанием жиров, у которых было только три доступных образца. Образец был взят из каждой жировой подушечки и обработан отдельно. Затем каждый образец был посчитан как минимум дважды. Затем кривые для двух образцов усредняются, но только после проверки воспроизводимости между двумя образцами.

Модель роста жировой ткани

Распределение размеров клеток включает всю информацию, относящуюся к размерам клеток в ткани, и его изменения дают статистическое представление о детальном процессе роста каждой клетки.Чтобы изучить рост жировой ткани с точки зрения лежащих в основе микроскопических процессов, мы рассматриваем математическую модель, количественно определяющую процессы, которые изменяют распределение клеток по размерам. Модель может предсказать, сколько новых клеток образуется и как клетки разного размера растут по мере увеличения массы жировой ткани. Плотность количества клеток определенного размера (диаметра) при данной массе жировой подушечки — это конкретное количество, которое необходимо учитывать. Мы рассматриваем, как это распределение клеток по размерам изменяется с постепенным изменением массы жировой ткани.Эволюция распределения клеток по размерам с массой жировой ткани может быть смоделирована уравнением в частных производных:

(1)

Это уравнение включает три основных компонента процесса роста жировой ткани. Во-первых, мы предполагаем, что рекрутирование новых клеток происходит только при минимальном наблюдаемом размере клетки, который математически выражается как дельта-функция. Скорость набора по отношению к массе жировой подушечки определяется экспоненциальной функцией:

(2)

, где — исходное общее количество клеток при данной начальной массе жировой подушечки, а — скорость увеличения количества клеток на единицу изменения. в массе жировой подушечки.Изменение общего числа клеток — это скорость пополнения новых клеток, если гибель клеток незначительна; мы не обнаружили необходимости включать апоптоз в клетки любого размера, чтобы соответствовать этим экспериментальным данным. Следовательно, этот коэффициент пополнения может быть непосредственно получен из экспериментального результата, используя соотношение между общим числом клеток и массой жировой подушечки, дифференцируя функцию по отношению к. Во-вторых, рост клеток зависит от размера клетки. После созревания жировых клеток до определенного размера они могут накапливать жир, вызывая гипертрофию.В дополнение к этой ограничивающей скорости роста маленьких жировых клеток, может также существовать верхний предел роста, потому что большие жировые клетки не могут расти бесконечно в результате этого процесса роста, хотя они могут достигать больших размеров из-за колебаний размера, вызванных обменом липидов. Повышение и снижение скорости роста клеток в зависимости от размера клетки можно описать с помощью общей функциональной формы, умноженной на две сигмоидальные функции,

(3)

, где представляет максимальную скорость роста; и — соответственно нижний и верхний критические размеры, которые дают половину максимальной скорости роста; и укажите их масштаб ().Наконец, последний член в формуле. (1) представляет колебания размера клеток с постоянной скоростью, которые отражают обмен липидов, случайным образом происходящий в жировых клетках. Этот липидный оборот является единственным механизмом роста для крупных клеток, размер которых превышает верхний критический размер. Как правило, рост клеток, зависящий от размера, приводит к увеличению их распределения по размерам, в то время как колебания размеров распространяют распределение по размерам.

Метод оптимизации

Чтобы оптимизировать параметры модели, чтобы они могли точно описать эволюцию распределения ячеек по размерам в эксперименте, мы использовали минимизацию «функции стоимости», которая количественно определяет отклонение между моделью и результатами эксперимента.Для определения функции стоимости нормализованное распределение размеров клеток при заданной массе жира сравнивалось с данными моделирования с набором параметров:

(6)

, где — общее количество интервалов размера клеток, а — общее количество заданных масса жира. Масштаб функции стоимости был рассчитан на основе внутренней флуктуации экспериментальных данных, которую можно определить как квадрат отклонения между измеренным распределением ячеек по размерам и функцией плавной подгонки:

(7)

Это внутреннее колебание численно составляет около 10 процентов квадрата отклонения между экспериментальными и модельными данными.В качестве функции аппроксимации мы использовали сумму двух экспонент и гауссову форму,

(8)

, форму, которая использовалась для аппроксимации распределений размеров жировых клеток [9]. Подбор этих параметров был выполнен с использованием процедуры подбора нелинейной кривой в MATLAB R2007a (Натик, Массачусетс, США). Для процесса оптимизации мы специально использовали метод Монте-Карло с параллельным темперированием, чтобы найти глобальный минимум функции стоимости [50]. Мы использовали 10 равномерно распределенных значений (от 0,1 до 1) для параметра темперирования и запускали десять цепочек параллельно с вероятностью обновления.На каждых 20 шагах случайным образом выбиралась пара смежных имитаций по десяти параметрам отпуска, и их состояния параметров менялись с вероятностью. После достижения равновесия было использовано 20 000 итераций с фиксированным параметром отпуска для оценки оптимальных значений параметров и их стандартных ошибок.

Мы также использовали этот метод для оценки исходного общего количества клеток, и скорости его увеличения, исходя из соотношения между жировой массой и общим количеством клеток (). При минимизации функции аппроксимации и экспериментальных данных мы использовали ограничение, согласно которому начальное количество клеток одинаково независимо от условий диеты, т.е.е., обычные и жирные диеты. Средняя жировая масса четырех контрольных мышей перед обычным рационом и диетой с высоким содержанием жиров была использована в качестве начальной жировой массы, которая составляет 0,34 г и 0,29 г для мышей FVB и C57, соответственно. Мы оценили погрешности и, распространив 10-процентные статистические флуктуации, наблюдаемые в экспериментальных данных.

Численное решение дифференциального уравнения с частными производными

Мы решили следующую дискретную версию нашей модели, заданную как непрерывное дифференциальное уравнение с частными производными в формуле.(1):

(9)

с интервалом масс δm = 0,1 мг и интервалом размеров δs = 0,73 µ м.

Динамика роста жировой ткани

Abstract

Рост жировой ткани происходит по двум механизмам: гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток). Генетика и диета влияют на относительный вклад этих двух механизмов в рост жировой ткани при ожирении. В этом исследовании распределение по размеру эпидидимальных жировых клеток от двух линий мышей, устойчивых к ожирению FVB / N и склонных к ожирению C57BL / 6, измеряли через 2, 4 и 12 недель в условиях регулярного кормления и питания с высоким содержанием жира.Общее количество клеток в жировой подушке придатка яичка оценивали по массе жировой подушечки и нормализованному распределению клеток по размеру. Количество клеток и средневзвешенный размер клеток увеличиваются в зависимости от массы жировой прослойки. Чтобы точно решить проблему роста жировой ткани, мы разработали математическую модель, описывающую эволюцию распределения размеров жировых клеток как функцию увеличения массы жировой ткани, а не увеличения хронологического времени. Наша модель описывает привлечение новых жировых клеток и их последующее развитие в разных штаммах и с разными режимами питания, с общими механизмами, но с параметрами модели, зависящими от диеты и генетики.По сравнению со штаммом FVB / N, штамм C57BL / 6 имеет большее количество мелких жировых клеток. Гиперплазия усиливается за счет диеты с высоким содержанием жиров в зависимости от штамма, что предполагает синергетическое взаимодействие между генетикой и диетой. Кроме того, кормление с высоким содержанием жиров увеличивает скорость роста жировых клеток, независимо от напряжения, что отражает увеличение количества калорий, требующих хранения. Кроме того, диета с высоким содержанием жиров приводит к резкому увеличению распределения жировых клеток по размерам у обоих штаммов; это означает увеличение колебаний размера жировых клеток за счет липидного обмена.

Авторское резюме

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. Динамическое изменение жировой ткани in vivo невозможно отслеживать в режиме реального времени из-за текущих технических ограничений. Однако мы можем измерить распределение жировых клеток по размеру у отдельных животных. Наша основная цель — извлечь динамические характеристики ремоделирования тканей из снимков распределения клеток по размерам.Мы разрабатываем математическую модель, которая интерполирует измерения распределения клеток по размеру и предсказывает непрерывное изменение распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Наша модель роста жировой ткани включает три основных компонента: рекрутирование новых клеток, рост клеток в зависимости от размера и колебания размера клеток. В частности, мы сравнили рост жировой ткани у склонных к ожирению и устойчивых к ожирению мышей при стандартной диете или диете с высоким содержанием жиров, чтобы изучить генетическое и диетическое влияние на рост жировой ткани.Применяя нашу модель к этим различным условиям, мы обнаружили, что увеличение размера жировых клеток зависит от диеты. С другой стороны, увеличение количества жировых клеток, вызванное диетой, зависит от деформации, что предполагает синергию между генетикой и диетой.

Введение

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. На фенотип ожирения жировой ткани влияют диета и генетика, а также их взаимодействие [1] — [4].Начиная с исследований Джонсона и Хирша [5], существует обширная литература о росте жировой ткани при нормальном и патологическом развитии, характеризующая состояние ткани с точки зрения среднего размера и количества клеток. Гиперпластический рост появляется только на ранних стадиях развития жировой ткани [6], [7]. Гипертрофия возникает до гиперплазии, чтобы удовлетворить потребность в дополнительных накоплениях жира при прогрессировании ожирения [8]. Однако оказалось трудно понять, как диета и генетика конкретно влияют на гиперплазию и / или гипертрофию жировых клеток из-за ограниченных данных о росте жировой ткани.

Помимо этих исследований, недавно стало возможным точно измерить распределение клеток по размерам. Эта подробная информация, по сравнению со средним размером клеток и общим числом клеток, может использоваться для вычисления многих величин, связанных с размером, которые позволяют более точно охарактеризовать процесс роста жировой ткани. Кумулянты распределения клеток по размерам могут использоваться для вычисления других физиологических величин, таких как средневзвешенный размер клеток. Распределение клеток по размерам можно использовать для оценки общего количества клеток в жировой подушке по ее массе.Более того, считается, что некоторые специфические метаболические свойства, например, резистентность к инсулину [9] и секреция адипокина [10], зависят от точного распределения клеток по размерам, а не от среднего размера клеток. Действительно, в нескольких исследованиях изучается изменение распределения жировых клеток по размерам в различных условиях при развитии куриного эмбриона [11], у худых и страдающих ожирением крыс Zucker [12], [13], крыс линии Wistar с частичной липэктомией [14], биопсии кролика [ 15] и жировой ткани человека [16], [17]. Эти исследования были сосредоточены только на статических различиях между распределениями клеток по размерам в разных условиях.Однако статические распределения размеров клеток в поперечном сечении для ряда снимков развития животных можно использовать для вывода динамики роста жировой ткани, если мы сможем надлежащим образом проанализировать снимки с помощью математического моделирования. Учитывая нынешние технические ограничения, это может быть лучший доступный подход к микроскопическому и продольному пониманию роста жировой ткани in vivo , хотя в недавнем эксперименте были получены микроскопические наблюдения накопления липидов в липидных каплях жировых клеток [18].

Чтобы изучить генетические и диетические эффекты на динамический процесс роста жировой ткани, мы получили распределения по размерам клеток эпидидимального жира у устойчивых к ожирению линий мышей FVB / N (далее FVB) и склонных к ожирению линий мышей C57BL / 6 (C57) под стандартные диеты и диеты с высоким содержанием жиров. Мышь C57 является наиболее охарактеризованной моделью ожирения, вызванного диетой [19], а мышь FVB является предпочтительной моделью для создания трансгенных мышей [20]. Эти два широко используемых инбредных штамма мышей генетически довольно далеки [21], [22] и имеют различные метаболические фенотипы: по сравнению с мышами FVB, мыши C57 имеют низкие уровни циркулирующих триглицеридов [21] и повышенный клиренс триглицеридов [23], [24]; Мыши FVB характеризуются относительно более высокой печеночной инсулинорезистентностью, контррегуляторной реакцией на гипогликемию и сниженной глюкозо-стимулированной секрецией инсулина [25]; Также известно, что мыши FVB являются спонтанно гиперактивными [26] и относительно худыми, поскольку они, по-видимому, менее восприимчивы к диете с высоким содержанием жиров, чем мыши C57 [27].Однако развитие ожирения, вызванного диетой, у этих двух штаммов формально не сравнивалось. В этом исследовании мы разработали математическую модель, прогнозирующую изменение распределения клеток по размерам в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка, для количественного анализа динамических характеристик, зависящих от генетики и / или диеты. Модель роста жировой ткани описывает, сколько новых клеток образуется, как каждая клетка растет в зависимости от ее размера и как липидный обмен приводит к колебаниям размера, которые вызывают расширение распределения клеток по размерам.По мере увеличения массы эпидидимальных жировых подушек распределение клеток по размерам систематически изменяется в зависимости как от генетики, так и от диеты. Сравнивая экспериментальные результаты с теоретической моделью роста, мы обнаружили, что гипертрофия сильно коррелирует с диетой. С другой стороны, гиперплазия зависит от генетики. Изменения гиперплазии, вызванные диетой, зависят от штамма, что предполагает взаимодействие между диетой и генетикой.

Результаты

Влияние диеты с высоким содержанием жиров на состав тела мышей FVB и C57

В начале эксперимента (в возрасте 5 недель) мыши C57 были значительно легче, чем мыши FVB () из-за разницы в худой масса, хотя общая жировая масса не отличалась ().Когда мышей поддерживали на обычном питании, разница в массе тела исчезла к возрасту 11 недель (6-я неделя эксперимента). В условиях обычной диеты мыши FVB и C57 сохраняли сопоставимую массу жира на протяжении всего эксперимента (). Диета с высоким содержанием жиров вызвала значительное увеличение массы тела и жировой массы у обоих штаммов; однако изменения массы тела и жировой массы были более значительными у мышей C57. У мышей C57 было вдвое больше жира после 12 недель кормления с высоким содержанием жиров ().Общая разница в общей массе жира между мышами FVB и C57 коррелировала с пропорциональными различиями в количестве эпидидимального (внутрибрюшного), пахового (подкожного) и бурого жира (). Потребление калорий и активность были сопоставимы у мышей FVB HF и C57 HF; однако мыши FVB HF имели более высокий уровень покоя и общего потребления кислорода, а также более высокую ректальную температуру, что позволяет предположить, что увеличение расхода энергии, а не снижение потребления калорий, было причиной относительной устойчивости к ожирению, вызванному диетой с высоким содержанием жиров, у мышей FVB.Интересно, что в течение первых 2 недель кормления с высоким содержанием жиров мыши FVB и C57 показали сопоставимое увеличение общей жировой массы (). Мыши C57 HF продолжали быстро увеличивать жировую массу до 10 недели эксперимента, тогда как мыши FVB HF замедляли накопление жира около недели 3. У мышей C57 кормление с высоким содержанием жира вызывало постепенное увеличение как эпидидимальных, так и паховых жировых подушечек; Напротив, у мышей FVB жировая масса придатка яичка увеличилась лишь незначительно после 4 недель кормления с высоким содержанием жира, в то время как паховая жировая подушечка продолжала увеличиваться в размере на протяжении всего эксперимента (рис.S1). Кормление с высоким содержанием жиров вызывало значительное повышение уровня глюкозы в крови и инсулина как у мышей FVB, так и у мышей C57 (). Уровни инсулина и непереносимость глюкозы были выше у мышей C57 HF, чем у мышей FVB HF, что свидетельствует о более тяжелой инсулинорезистентности (). В соответствии с предыдущими сообщениями [23], [24], мыши C57 REG показали пониженные уровни триглицеридов в сыворотке по сравнению с мышами FVB REG без разницы в FFA (). Это не было связано с более высоким потреблением жира, так как коэффициент респираторного обмена () и скорость окисления жирных кислот, измеренная in vivo () и в изолированных скелетных мышцах (), были сопоставимы у мышей FVB REG и C57 REG.Более вероятно, что более низкие уровни триглицеридов в сыворотке у мышей C57 REG были вызваны гораздо более эффективным клиренсом циркулирующих триглицеридов, как предполагает тест на клиренс триглицеридов (). Кормление с высоким содержанием жиров снижало уровни циркулирующих триглицеридов как у мышей FVB, так и у мышей C57 и улучшало клиренс триглицеридов у последних штаммов (и). Оба штамма показали сопоставимое снижение коэффициента респираторного обмена, что свидетельствует о сопоставимом увеличении утилизации жирных кислот в условиях диеты с высоким содержанием жиров (). Взятые вместе, эти данные предполагают, что способность эффективно выводить триглицериды из кровотока может способствовать высокой способности накопления жира у мышей C57.

Изменения в составе тела мышей FVB и C57 в условиях стандартного корма (REG) и с высоким содержанием жира (HF).

(A) Масса тела. (B) Жировая масса. Состав тела измеряли в указанные моменты времени у 8 мышей в группе с использованием МРТ-анализатора Echo 3-in-1. Высокожировое и контрольное кормление начали в возрасте 5 недель. Ось X показывает недели контролируемого кормления. Показан один из трех независимых экспериментов. Приведены средние значения ± SEM.

Физиологические характеристики мышей FVB и C57.

(A) Тест на толерантность к глюкозе проводили на 10-й неделе контролируемого кормления с пищей и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение ночи и вводили глюкозу (2 мг / г, внутрибрюшинно). Каждая группа была представлена ​​8 мышами. (B) Окисление олеиновой кислоты в целом организме измеряли у самцов мышей FVB ad C57 в возрасте 10 недель в не голодном состоянии (8 мышей на группу), как описано в Gautam et al. [47]. (C) Окисление пальмитиновой кислоты измеряли в камбаловидной мышце, взятой у 10-недельных мышей FVB и C57, которых содержали на диете (8 мышей на группу).Образцы собирали в 8 часов утра у мышей, которых случайным образом кормили, или мышей, голодавших в течение 18 часов [методы, описанные в Toyoshima et al. [46]]. (D) Клиренс триглицеридов у самцов мышей FVB и C57 после 11 недель контролируемого кормления кормом и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение 4 часов, а затем вводили через желудочный зонд 400 мкл л арахисового масла. Плазму собирали ежечасно в течение 5 часов из хвостовой вены для измерения триглицеридов. Каждая группа была представлена ​​8 мышами.

Таблица 1

Характеристики мышей FVB и C57 после 12 недель жирного и контрольного кормления.

Гипертрофия и гиперплазия с увеличением жировой массы

Чтобы проверить основной механизм различной скорости накопления жира в эпидидимальном жире мышей FVB и C57, мы измерили распределение массы и размеров клеток в образцах тканей эпидидимальный жир, собранный на 0, 2, 4 и 12 неделях контролируемого кормления (). Поскольку гистологический анализ не позволяет точно определить размер клеток адипоцитов, который будет обсуждаться позже, мы измерили распределение клеток по размеру с помощью счетчика Коултера и рассчитали средневзвешенный размер клеток и общее количество клеток эпидидимальной жировой ткани на основе этих измерений, которые аналогичные значения в другом исследовании на мышах [5].Сильные корреляции наблюдались между массой жировых подушечек и средневзвешенным размером клеток, а также между массой жировых подушечек и общим числом клеток, независимо от напряжения и разницы в диете (). Первая корреляция дала масштабное соотношение между массой жировой подушечки и средневзвешенным по объему размером клеток (). Кроме того, была обнаружена экспоненциальная зависимость между массой жировой подушечки, и общим числом клеток, где начальная масса жировой подушки была получена от контрольных мышей; и начальное количество клеток, и скорость увеличения количества клеток в массе жировой подушечки, были оценены по данным (;).Первоначальное количество клеток у мышей C57 было больше, чем исходное количество клеток у мышей FVB (; фиг. S2C и S2D). По мере увеличения массы жировой ткани увеличивается общее количество клеток. Скорость увеличения числа клеток была выше при обычном питании, чем при диете с высоким содержанием жиров, эта тенденция более очевидна у мышей C57 (;), что свидетельствует о генетическом различии. Соотношение между результатами регулярной диеты и диеты с высоким содержанием жиров составляет 1,42 и 3,22 для мышей FVB и C57 соответственно (). Это может указывать на взаимодействие между генетикой и диетой при увеличении количества клеток.Обратите внимание, что мы также наблюдали аналогичные результаты с массой тела и массой жира, поскольку эти три величины (масса эпидидимальной жировой подушечки, масса жира и масса тела) коррелируют друг с другом. Однако результаты с массой эпидидимальной жировой подушечки были наиболее подходящими: среднее квадратическое отклонение между данными и соответствием составило 9,73, 7,94, 3,56 × 10 ⁵ и 5,54 × 10 ⁶ , соответственно; результат с массой тела составил 11,82, 15,35, 3,65 × 10 ⁵ и 4,82 × 10 ⁶ ; результат с жировой массой 8.58, 8,61, 4,28 × 10 ⁵ и 6,11 × 10 ⁶ .

Нормализованное распределение клеток по размерам в жировой подушке придатка яичка.

На графике нанесен один типичный пример контрольных мышей FVB в возрасте 5 недель. Кружки обозначают точки измеренных данных, а линия представляет собой аппроксимирующую кривую, которая представляет собой сумму одной гауссовой и двух экспоненциальных функций.

Таблица 2

Значения параметров модели роста жировой ткани.

Генетические и диетические эффекты на рост жировой ткани

Эти две сильные корреляции между массой жировой подушечки и гипертрофией и между массой жировой подушечки и гиперплазией позволяют предположить, что увеличение жировой ткани можно описать как систематический процесс роста в отношении для увеличения массы жировой прослойки.Мы расположили распределения клеток по размерам, отсортированные по массе эпидидимальных жировых подушек (). Примечательно, что модель роста жировой ткани в формуле. (1) описывает эволюцию распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Модель количественно соответствовала экспериментальным распределениям размеров клеток, несмотря на то, что все распределения представляют собой данные поперечного сечения, полученные от отдельных животных. Различные значения параметров в модели, которые соответствуют каждому индивидуальному распределению размеров клеток для обоих штаммов и обоих режимов диеты, дали количественные различия в процессе роста эпидидимальной жировой ткани между штаммами и между диетами ().Во-первых, максимальная зависящая от размера скорость роста и скорость колебаний размера клеток из-за обмена липидов продемонстрировали разницу, вызванную диетой, и меньшую разницу, вызванную деформацией. Зависимый от размера рост и колебания размера, приводящие к гипертрофии, по-видимому, регулируются в основном диетой. В частности, рост, зависящий от размера, переместил режим больших клеток в распределении размеров клеток в сторону больших размеров, а флуктуации липидного обмена увеличили разброс распределения вокруг режима больших клеток.Важно отметить, что результаты должны быть тщательно интерпретированы, потому что каждая скорость — это скорость на единицу увеличения массы жировой ткани, а не на единицу увеличения времени. Во-вторых, геометрические параметры (, и), которые определяют форму скорости роста, зависящей от размера, имели практически одинаковые значения независимо от диеты и разницы деформаций, за исключением. Следовательно, нижний критический размер, который дает размер, инициирующий рост клеток в зависимости от размера, и два параметра масштаба могут быть зафиксированы на с _l = 37 µ м, η _l = 12 µ м и η _u = 63 µ м соответственно.С другой стороны, верхний критический размер, ограничивающий зависимый от размера клетки рост больших клеток, зависел от диеты; при кормлении с высоким содержанием жира этот размер отсечения сместился в сторону большего размера (). При диете с высоким содержанием жиров изменения параметров (,, и) увеличивают способность жировых тканей накапливать липиды за счет как гиперплазии, так и гипертрофии. Более низкие уровни триглицеридов в сыворотке при условии диеты с высоким содержанием жиров (и) могут быть коррелированы с увеличением накопления липидов в увеличенных жировых клетках, поскольку не было обнаружено значительных различий в окислении жирных кислот, о чем свидетельствует отсутствие различий в соотношении респираторного обмена ().

Изменение распределения клеток по размерам с увеличением массы эпидидимальной жировой подушечки при кормлении и диетах с высоким содержанием жиров.

Начальные распределения размеров клеток пятинедельных контрольных мышей приведены в первой строке каждого столбца пунктирными линиями. Точками показаны экспериментальные результаты. Обратите внимание, что результаты упорядочены по массе эпидидимальной жировой подушечки, а не по хронологическому времени (недели контролируемого кормления), указанному в скобках. Сплошные линии представляют собой нормализованные распределения клеток по размеру, соответствующие данной массе эпидидимальной жировой подушечки, предсказанной моделью роста жировой ткани.

Зависимая от размера скорость роста массы придатка яичка.

Здесь для построения графика используются средние значения параметров. Символы показаны для облегчения сравнения строк.

Обсуждение

Наше центральное открытие состоит в том, что гиперплазия и гипертрофия жировых клеток в эпидидимальной жировой подушечке является функцией массы жировой подушечки, даже несмотря на то, что у отдельных животных может потребоваться разное время для достижения заданной массы жировой подушечки. Следовательно, рост жировой ткани, представленный как изменения распределения клеток по размерам, можно систематически моделировать как процесс роста по отношению к увеличению массы жировой подушечки; это может отражать корреляцию между массой жировой подушечки и секрецией адипокинов и других сигнальных молекул, контролирующих рост жировой ткани.Соответственно, следует отметить, что нормы в нашей модели — это не обычные нормы увеличения на единицу времени, а нормы увеличения на единицу массы. Таким образом, несколько коэффициентов (, и) в модели имели более высокие значения для животных, соблюдающих диету, чем для животных, соблюдающих диету с высоким содержанием жиров. Однако, если бы эти показатели были преобразованы в обычные нормы увеличения на единицу времени, они имели бы большие значения для диеты с высоким содержанием жиров, потому что требуется меньше времени для увеличения массы жировой подушечки на единицу из более крупных и более многочисленных клеток на диета с высоким содержанием жиров, чем для увеличения такой же величины за счет меньшего и меньшего количества клеток на диете (рис.S1). Было высказано предположение, что когда ожирение прогрессирует, рано возникает гипертрофия жировых клеток, а затем запускается гиперплазия [8]. Наше исследование показало, что рекрутирование новых клеток экспоненциально увеличивается с увеличением массы жировой ткани. Гипертрофия жировых клеток является основным фактором увеличения массы жировой прослойки, тогда как гиперплазия не способствует этому увеличению, потому что она возникает в небольших клетках, в которых хранится гораздо меньший объем жира. Таким образом, наша модель естественным образом воплощает идею о том, что на гиперплазию влияет гипертрофический рост клеток.С другой стороны, сообщалось, что гиперплазия жировых клеток возникает только на ранних стадиях развития; следовательно, не следует ожидать рекрутирования новых клеток на поздних стадиях даже в условиях ожирения [6], [7]. Возможно, возраст животных в нашем исследовании (6 недель) допускает возникновение гиперплазии.

Модель, разработанная здесь, может дать микроскопическое представление о росте жировых клеток, зависящем от размера, который не может быть рассмотрен статическими поперечными исследованиями.Например, мы обнаружили следующие специфические свойства роста клеток, зависящие от размера: нижний критический размер, инициирующий накопление липидов, не зависел от диеты у двух линий мышей, тогда как верхний критический размер ограничивал рост клеток до достижения необходимого уровня. необычайный размер, был увеличен на диете с высоким содержанием жиров. Эта зависимость роста клеток от размера является проверяемой гипотезой. Далее, параметр флуктуации размера клеток различался при обычном питании и рационе с высоким содержанием жиров; оно больше при диете с высоким содержанием жиров, когда оно преобразуется в единицы, соответствующие изменению единицы времени, а не единице изменения массы жировых подушечек.Таким образом, случайный процесс высвобождения и поглощения жира жировыми клетками происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров, чем при обычной диете. Может быть интересно посмотреть, можно ли распространить эти результаты на другие штаммы и организмы.

По сравнению с исследованиями, в которых наблюдали единственный пик в распределении размеров клеток жировых клеток [11], [15] — [17], [28], мы наблюдали бимодальные распределения клеток по размерам, как сообщалось другими [12], [13], [29] — [32]. В большинстве исследований [12], [13], [31], [32] по наблюдению бимодальности использовалась технология счетчика Коултера, которая имеет несколько преимуществ для оценки всего распределения размеров ячеек [31]: Во-первых, можно доказать, что анализируемые ячейки быть подлинными жировыми клетками на основе морфологии и флотации; во-вторых, объем каждой клетки оценивается независимо от формы и без артефактов смещения центра, что является правилом, а не исключением, с использованием гистологических подходов; наконец, можно подсчитать и измерить достаточное количество частиц, чтобы получить статистически значимые комплексные кривые.Напротив, микроскопические методы гистологии могут не наблюдать мелкие клетки из-за влияния увеличения микроскопа [30], небольшого количества образцов и систематической ошибки выборки. Однако при использовании счетчика Коултера контаминация, не связанная с адипоцитами, может способствовать распределению клеток по размерам, особенно при малых размерах, хотя наш минимальный диаметр клеток, 22 µ м, превышает возможные диапазоны контаминации, от 10 до 20 µ м, упомянутые Mersmann и MacNeil [31]. Чтобы быть уверенным, мы снова проанализировали модифицированные данные, используя только распределения размеров ячеек диаметром более 35 µ м с моделью, и пришли к тем же выводам (данные не показаны).Надир в распределении размеров клеток () может разделять две популяции клеток. ДеМартини и Франсендезе определили маленькие клетки с диаметром менее 35 µ м как «очень маленькие жировые клетки» [29]. Основываясь на нашей модели, эти клетки имеют незначительный рост в зависимости от размера, потому что их размер меньше нижнего критического размера, с _l = 37 µ m. Следовательно, механизм роста, зависящий от размера, может естественным образом объяснить происхождение бимодальности в распределении жировых клеток по размеру.Клетки с размером только выше могут расти в зависимости от размера, но клетки с размером меньше могут расти случайным образом с флуктуацией размера за счет липидного обмена. Это разделение вызывает накопление клеток ниже размера, что дает более низкий пик в распределении размеров клеток. Эта популяция клеток может служить потенциальным резервуаром для зрелых жировых клеток. Процесс их созревания можно интерпретировать следующим образом: жировые клетки, достигающие критического размера, вследствие случайных колебаний размера могут расти с механизмом роста, зависящим от размера.Как упоминалось выше, изменение размера происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров; следовательно, пласт может ускорить процесс созревания в условиях стимуляции.

В модель роста ткани мы включили привлечение новых клеток и рост существующих клеток, но не гибель старых клеток, потому что модель согласовывалась с данными без апоптоза жировых клеток. Этот результат также согласуется с исследованием, в котором наблюдалось, что эпидидимальная жировая ткань мышей C57BL / 6 не показывает значительной гибели клеток до 12 недель при диете с высоким содержанием жиров [33].Однако расширенная диета с высоким содержанием жиров в конечном итоге вызывает апоптоз жировых клеток [33]. Более того, в одном недавнем исследовании сообщается, что жировые клетки человека обновляются в течение десяти лет [7]. Таким образом, наша модель все еще нуждается в улучшении, чтобы ее можно было использовать в различных условиях. Следует учитывать гибель клеток и формально учитывать зависимость параметров модели от диеты. В этом исследовании мы сосредоточились на одном жировом депо, эпидидимальном жире, по нескольким причинам: 1) вес эпидидимальных жировых подушечек может быть получен более точно, чем вес паховых жировых подушечек из-за легкости иссечения; 2) морфология жировых клеток в эпидидимальном жире более однородна, чем в паховом жире, который содержит много клеток, подобных коричневой жировой ткани, особенно у мышей, устойчивых к ожирению, вызванному диетой; и 3) разница между генотипами была более очевидной в росте эпидидимального жира, который достигает плато через 4 недели у мышей FVB, но продолжает расти у мышей C57 на протяжении всего эксперимента, в отличие от пахового жира, который показывает устойчивый рост. у обоих штаммов (рис.S1). Хотя мы не измеряли распределение по размеру клеток других жировых отложений, мы измерили изменение массы паховых и бурых жировых отложений, что показывает аналогичную картину с эпидидимальным жировым депо (рис. S1). Таким образом, представляет интерес применить модель к другим жировым отложениям, которые имеют функциональные различия [34], [35], а также к другим видам, таким как человек, что остается для будущих исследований. Мы ожидаем, что модель может быть применена к таким разнообразным наборам данных, просто настроив параметры модели, потому что модель содержит общие механизмы роста тканей для привлечения новых клеток и их последующего развития.

Наши данные показывают, что, по крайней мере, три фактора могут объяснить, почему мыши C57 набирают больше жира, чем мыши FVB, при диете с высоким содержанием жиров: во-первых, мыши FVB имеют повышенную скорость метаболизма и повышенную ректальную температуру, скорее всего, из-за повышенного симпатического тонуса. Хотя мы не обнаружили значительных различий в активности между штаммами в нашем исследовании, более подробные измерения поведения показали, что мыши FVB спонтанно гиперактивны по сравнению с мышами C57 [26]. У них также увеличивается частота сердечных сокращений [36], и они реагируют гипергликемией на различные виды лечения [37].Кроме того, они более чувствительны к стрессу, связанному с воздержанием и голоданием [38]. Все эти данные, взятые вместе, предполагают, что активность симпатической нервной системы увеличилась больше у мышей FVB, чем активность у мышей C57. Во-вторых, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 более эффективно очищают циркулирующие триглицериды [23], [24], что, по крайней мере, частично можно объяснить более высокой активностью липазы в сыворотке крови [23] и более высокой способностью накапливать триглицериды в печени [23]. ], [24] и жировой ткани (показано в этом исследовании).Хотя молекулярные механизмы клиренса триглицеридов до конца не изучены, жировая ткань явно способствует выведению триглицеридов, поскольку способность выводить циркулирующие триглицериды нарушена у липоатрофных мышей [23]. В частности, сообщалось, что диета с высоким содержанием жиров увеличивает клиренс триглицеридов [39], что может быть связано с индукцией активности липопротеинлипазы в жировой ткани [40]. Наконец, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 показали большее количество мелких жировых клеток, особенно при диете с высоким содержанием жиров.Было высказано предположение, что новые жировые клетки могут возникать из клеток-предшественников, которые находятся в депо белого жира взрослых [41], [42], и из других источников, таких как циркулирующие клетки-предшественники костного мозга [43]. Было показано, что рекрутирование обоих типов предшественников стимулируется диетой с высоким содержанием жиров [41], [43]. Возможно, что большее рекрутирование более мелких жировых клеток у мышей C57 может быть вызвано более высоким пулом клеток-предшественников или их более высокой внутренней способностью к дифференцировке адипоцитов.Однако in vitro мезенхимальных стволовых клеток , выделенных из наружного уха мышей FVB и C57, одинаково хорошо дифференцируются в жировые клетки [44]. Попытка сравнить дифференцировку стромальных клеток костного мозга мышей FVB и C57 в жировые клетки не увенчалась успехом из-за очень низкого выхода и плохой пролиферативной способности клеток, выделенных от мышей C57 [45]; однако костный мозг, по-видимому, не является основным источником новых жировых клеток, по крайней мере, у мышей [43]. Наша модель предполагает, что разница между генотипами в рекрутировании малых жировых клеток может быть автономной по отношению к жировым подушечкам, но молекулярный механизм, лежащий в основе этого различия, неясен.Жировая подушечка — сложный орган, содержащий множество различных типов клеток, включая зрелые жировые, предадипозные и сосудистые клетки, нервы, макрофаги и фибробласты. Количество предшественников адипоцитов и их пролиферация в ответ на внешние сигналы варьируется в зависимости от жировых отложений [35]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как специфичное для генотипа взаимодействие между разными типами клеток и секретируемыми факторами может влиять на скорость рекрутирования адипоцитов в определенные жировые депо.

Таким образом, мы получили математическую модель, описывающую рост жировой ткани с увеличением количества и размера клеток в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка.Основываясь на этой динамической модели, мы исследовали влияние генетики и диеты на рост жировой ткани. Сравнивая распределение размеров клеток двух штаммов и двух диет, мы пришли к выводу, что изменение размера клеток зависит от диеты, а изменение количества клеток зависит от генетики и диеты, а также от их взаимодействия.

Материалы и методы

Животные

Все процедуры были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Национального института диабета, болезней органов пищеварения и почек.Самцы мышей FVB и C57 были получены из лаборатории Джексона (Бар-Харбор, штат Мэн). Мышей выращивали по четыре в клетке с 12-часовым циклом свет / темнота (свет 06: 00–18: 00). В возрасте 5 недель мышей каждой линии разделили на 2 группы. Половине мышей давали обычную пищу NIH-07 (далее REG; Zeigler Brothers, Inc., Gardners, PA), содержащую 4,08 ккал / г (11% калорий из жира, 62% из углеводов и 26% из белка). Другая половина получала диету с высоким содержанием жиров, F3282 (далее HF; Bio-Serv, Frenchtown, NJ), содержащую 5.45 ккал / г (59% жиров, 26% углеводов и 15% белков). Вода и диета предоставлялись ad libitum . Было проведено пять независимых экспериментов, в каждой из которых использовались 4 группы мышей: FVB REG, FVB HF, C57 REG и C57 HF. В трех экспериментах мышей содержали на контролируемой диете в течение 12 недель и использовали для анализа состава тела, физиологической характеристики и распределения клеток по размеру. Две дополнительные группы мышей были умерщвлены после 2 недель и 4 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира только для определения распределения клеток по размеру.

Эксперименты in vivo

Состав тела, потребление пищи, скорость метаболизма, толерантность к глюкозе, клиренс триглицеридов и окисление жирных кислот в изолированной камбаловидной мышце измеряли, как описано ранее [46]. Окисление жирных кислот всего тела измеряли, как описано в Gautam et al. [47]. Кровь для биохимических анализов брали из хвостовой вены без голодания. Уровни глюкозы измеряли с помощью Glucometer Elite (Bayer, Elkhart, IN). Сывороточный инсулин анализировали с помощью радиоиммуноанализа (Linco Research, St.Чарльз, Миссури). Триглицериды, холестерин (Thermo DMA, Луисвилл, Колорадо) и свободная жирная кислота (FFA) (Roche Applied Science, Индианаполис, Индиана) измеряли в соответствии с процедурами производителя.

Измерение размера клеток эпидидимального жира

Распределение размеров клеток эпидидимального жира измеряли через 2, 4 и 12 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира с использованием Beckman Coulter Multisizer III, как описано ранее [9]. Вкратце, 20–30 мг жировой ткани были взяты из средней части путем рассечения и последующего удаления образца для фиксации из центра разрезанного эпидидимального жира.Образцы тканей немедленно фиксировали в четырехокиси осмия [48], инкубировали на водяной бане при 37 ° C в течение 48 ч, а затем определяли размер жировых клеток с помощью Beckman Coulter Multisizer III с апертурой 400 µ м. Диапазон размеров ячеек, которые можно эффективно измерить с помощью этой апертуры, составляет 20–240 µ м. Прибор был настроен на подсчет 6000 частиц, и суспензия фиксированных клеток была разбавлена ​​так, чтобы совпадающий счет был <10%. После сбора размеров импульсов данные были выражены в виде диаметров частиц и отображены в виде гистограмм отсчетов по диаметру с использованием линейных интервалов и линейной шкалы для оси x ().Распределение клеток по размерам было измерено в четырех образцах из каждой группы, за исключением мышей C57 после 4-недельного воздействия диеты с высоким содержанием жиров, у которых было только три доступных образца. Образец был взят из каждой жировой подушечки и обработан отдельно. Затем каждый образец был посчитан как минимум дважды. Затем кривые для двух образцов усредняются, но только после проверки воспроизводимости между двумя образцами.

Модель роста жировой ткани

Распределение размеров клеток включает всю информацию, относящуюся к размерам клеток в ткани, и его изменения дают статистическое представление о детальном процессе роста каждой клетки.Чтобы изучить рост жировой ткани с точки зрения лежащих в основе микроскопических процессов, мы рассматриваем математическую модель, количественно определяющую процессы, которые изменяют распределение клеток по размерам. Модель может предсказать, сколько новых клеток образуется и как клетки разного размера растут по мере увеличения массы жировой ткани. Плотность количества клеток определенного размера (диаметра) при данной массе жировой подушечки — это конкретное количество, которое необходимо учитывать. Мы рассматриваем, как это распределение клеток по размерам изменяется с постепенным изменением массы жировой ткани.Эволюция распределения клеток по размерам с массой жировой ткани может быть смоделирована уравнением в частных производных:

(1)

Это уравнение включает три основных компонента процесса роста жировой ткани. Во-первых, мы предполагаем, что рекрутирование новых клеток происходит только при минимальном наблюдаемом размере клетки, который математически выражается как дельта-функция. Скорость набора по отношению к массе жировой подушечки определяется экспоненциальной функцией:

(2)

, где — исходное общее количество клеток при данной начальной массе жировой подушечки, а — скорость увеличения количества клеток на единицу изменения. в массе жировой подушечки.Изменение общего числа клеток — это скорость пополнения новых клеток, если гибель клеток незначительна; мы не обнаружили необходимости включать апоптоз в клетки любого размера, чтобы соответствовать этим экспериментальным данным. Следовательно, этот коэффициент пополнения может быть непосредственно получен из экспериментального результата, используя соотношение между общим числом клеток и массой жировой подушечки, дифференцируя функцию по отношению к. Во-вторых, рост клеток зависит от размера клетки. После созревания жировых клеток до определенного размера они могут накапливать жир, вызывая гипертрофию.В дополнение к этой ограничивающей скорости роста маленьких жировых клеток, может также существовать верхний предел роста, потому что большие жировые клетки не могут расти бесконечно в результате этого процесса роста, хотя они могут достигать больших размеров из-за колебаний размера, вызванных обменом липидов. Повышение и снижение скорости роста клеток в зависимости от размера клетки можно описать с помощью общей функциональной формы, умноженной на две сигмоидальные функции,

(3)

, где представляет максимальную скорость роста; и — соответственно нижний и верхний критические размеры, которые дают половину максимальной скорости роста; и укажите их масштаб ().Наконец, последний член в формуле. (1) представляет колебания размера клеток с постоянной скоростью, которые отражают обмен липидов, случайным образом происходящий в жировых клетках. Этот липидный оборот является единственным механизмом роста для крупных клеток, размер которых превышает верхний критический размер. Как правило, рост клеток, зависящий от размера, приводит к увеличению их распределения по размерам, в то время как колебания размеров распространяют распределение по размерам.

Метод оптимизации

Чтобы оптимизировать параметры модели, чтобы они могли точно описать эволюцию распределения ячеек по размерам в эксперименте, мы использовали минимизацию «функции стоимости», которая количественно определяет отклонение между моделью и результатами эксперимента.Для определения функции стоимости нормализованное распределение размеров клеток при заданной массе жира сравнивалось с данными моделирования с набором параметров:

(6)

, где — общее количество интервалов размера клеток, а — общее количество заданных масса жира. Масштаб функции стоимости был рассчитан на основе внутренней флуктуации экспериментальных данных, которую можно определить как квадрат отклонения между измеренным распределением ячеек по размерам и функцией плавной подгонки:

(7)

Это внутреннее колебание численно составляет около 10 процентов квадрата отклонения между экспериментальными и модельными данными.В качестве функции аппроксимации мы использовали сумму двух экспонент и гауссову форму,

(8)

, форму, которая использовалась для аппроксимации распределений размеров жировых клеток [9]. Подбор этих параметров был выполнен с использованием процедуры подбора нелинейной кривой в MATLAB R2007a (Натик, Массачусетс, США). Для процесса оптимизации мы специально использовали метод Монте-Карло с параллельным темперированием, чтобы найти глобальный минимум функции стоимости [50]. Мы использовали 10 равномерно распределенных значений (от 0,1 до 1) для параметра темперирования и запускали десять цепочек параллельно с вероятностью обновления.На каждых 20 шагах случайным образом выбиралась пара смежных имитаций по десяти параметрам отпуска, и их состояния параметров менялись с вероятностью. После достижения равновесия было использовано 20 000 итераций с фиксированным параметром отпуска для оценки оптимальных значений параметров и их стандартных ошибок.

Мы также использовали этот метод для оценки исходного общего количества клеток, и скорости его увеличения, исходя из соотношения между жировой массой и общим количеством клеток (). При минимизации функции аппроксимации и экспериментальных данных мы использовали ограничение, согласно которому начальное количество клеток одинаково независимо от условий диеты, т.е.е., обычные и жирные диеты. Средняя жировая масса четырех контрольных мышей перед обычным рационом и диетой с высоким содержанием жиров была использована в качестве начальной жировой массы, которая составляет 0,34 г и 0,29 г для мышей FVB и C57, соответственно. Мы оценили погрешности и, распространив 10-процентные статистические флуктуации, наблюдаемые в экспериментальных данных.

Численное решение дифференциального уравнения с частными производными

Мы решили следующую дискретную версию нашей модели, заданную как непрерывное дифференциальное уравнение с частными производными в формуле.(1):

(9)

с интервалом масс δm = 0,1 мг и интервалом размеров δs = 0,73 µ м.

Динамика роста жировой ткани

Abstract

Рост жировой ткани происходит по двум механизмам: гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток). Генетика и диета влияют на относительный вклад этих двух механизмов в рост жировой ткани при ожирении. В этом исследовании распределение по размеру эпидидимальных жировых клеток от двух линий мышей, устойчивых к ожирению FVB / N и склонных к ожирению C57BL / 6, измеряли через 2, 4 и 12 недель в условиях регулярного кормления и питания с высоким содержанием жира.Общее количество клеток в жировой подушке придатка яичка оценивали по массе жировой подушечки и нормализованному распределению клеток по размеру. Количество клеток и средневзвешенный размер клеток увеличиваются в зависимости от массы жировой прослойки. Чтобы точно решить проблему роста жировой ткани, мы разработали математическую модель, описывающую эволюцию распределения размеров жировых клеток как функцию увеличения массы жировой ткани, а не увеличения хронологического времени. Наша модель описывает привлечение новых жировых клеток и их последующее развитие в разных штаммах и с разными режимами питания, с общими механизмами, но с параметрами модели, зависящими от диеты и генетики.По сравнению со штаммом FVB / N, штамм C57BL / 6 имеет большее количество мелких жировых клеток. Гиперплазия усиливается за счет диеты с высоким содержанием жиров в зависимости от штамма, что предполагает синергетическое взаимодействие между генетикой и диетой. Кроме того, кормление с высоким содержанием жиров увеличивает скорость роста жировых клеток, независимо от напряжения, что отражает увеличение количества калорий, требующих хранения. Кроме того, диета с высоким содержанием жиров приводит к резкому увеличению распределения жировых клеток по размерам у обоих штаммов; это означает увеличение колебаний размера жировых клеток за счет липидного обмена.

Авторское резюме

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. Динамическое изменение жировой ткани in vivo невозможно отслеживать в режиме реального времени из-за текущих технических ограничений. Однако мы можем измерить распределение жировых клеток по размеру у отдельных животных. Наша основная цель — извлечь динамические характеристики ремоделирования тканей из снимков распределения клеток по размерам.Мы разрабатываем математическую модель, которая интерполирует измерения распределения клеток по размеру и предсказывает непрерывное изменение распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Наша модель роста жировой ткани включает три основных компонента: рекрутирование новых клеток, рост клеток в зависимости от размера и колебания размера клеток. В частности, мы сравнили рост жировой ткани у склонных к ожирению и устойчивых к ожирению мышей при стандартной диете или диете с высоким содержанием жиров, чтобы изучить генетическое и диетическое влияние на рост жировой ткани.Применяя нашу модель к этим различным условиям, мы обнаружили, что увеличение размера жировых клеток зависит от диеты. С другой стороны, увеличение количества жировых клеток, вызванное диетой, зависит от деформации, что предполагает синергию между генетикой и диетой.

Введение

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. На фенотип ожирения жировой ткани влияют диета и генетика, а также их взаимодействие [1] — [4].Начиная с исследований Джонсона и Хирша [5], существует обширная литература о росте жировой ткани при нормальном и патологическом развитии, характеризующая состояние ткани с точки зрения среднего размера и количества клеток. Гиперпластический рост появляется только на ранних стадиях развития жировой ткани [6], [7]. Гипертрофия возникает до гиперплазии, чтобы удовлетворить потребность в дополнительных накоплениях жира при прогрессировании ожирения [8]. Однако оказалось трудно понять, как диета и генетика конкретно влияют на гиперплазию и / или гипертрофию жировых клеток из-за ограниченных данных о росте жировой ткани.

Помимо этих исследований, недавно стало возможным точно измерить распределение клеток по размерам. Эта подробная информация, по сравнению со средним размером клеток и общим числом клеток, может использоваться для вычисления многих величин, связанных с размером, которые позволяют более точно охарактеризовать процесс роста жировой ткани. Кумулянты распределения клеток по размерам могут использоваться для вычисления других физиологических величин, таких как средневзвешенный размер клеток. Распределение клеток по размерам можно использовать для оценки общего количества клеток в жировой подушке по ее массе.Более того, считается, что некоторые специфические метаболические свойства, например, резистентность к инсулину [9] и секреция адипокина [10], зависят от точного распределения клеток по размерам, а не от среднего размера клеток. Действительно, в нескольких исследованиях изучается изменение распределения жировых клеток по размерам в различных условиях при развитии куриного эмбриона [11], у худых и страдающих ожирением крыс Zucker [12], [13], крыс линии Wistar с частичной липэктомией [14], биопсии кролика [ 15] и жировой ткани человека [16], [17]. Эти исследования были сосредоточены только на статических различиях между распределениями клеток по размерам в разных условиях.Однако статические распределения размеров клеток в поперечном сечении для ряда снимков развития животных можно использовать для вывода динамики роста жировой ткани, если мы сможем надлежащим образом проанализировать снимки с помощью математического моделирования. Учитывая нынешние технические ограничения, это может быть лучший доступный подход к микроскопическому и продольному пониманию роста жировой ткани in vivo , хотя в недавнем эксперименте были получены микроскопические наблюдения накопления липидов в липидных каплях жировых клеток [18].

Чтобы изучить генетические и диетические эффекты на динамический процесс роста жировой ткани, мы получили распределения по размерам клеток эпидидимального жира у устойчивых к ожирению линий мышей FVB / N (далее FVB) и склонных к ожирению линий мышей C57BL / 6 (C57) под стандартные диеты и диеты с высоким содержанием жиров. Мышь C57 является наиболее охарактеризованной моделью ожирения, вызванного диетой [19], а мышь FVB является предпочтительной моделью для создания трансгенных мышей [20]. Эти два широко используемых инбредных штамма мышей генетически довольно далеки [21], [22] и имеют различные метаболические фенотипы: по сравнению с мышами FVB, мыши C57 имеют низкие уровни циркулирующих триглицеридов [21] и повышенный клиренс триглицеридов [23], [24]; Мыши FVB характеризуются относительно более высокой печеночной инсулинорезистентностью, контррегуляторной реакцией на гипогликемию и сниженной глюкозо-стимулированной секрецией инсулина [25]; Также известно, что мыши FVB являются спонтанно гиперактивными [26] и относительно худыми, поскольку они, по-видимому, менее восприимчивы к диете с высоким содержанием жиров, чем мыши C57 [27].Однако развитие ожирения, вызванного диетой, у этих двух штаммов формально не сравнивалось. В этом исследовании мы разработали математическую модель, прогнозирующую изменение распределения клеток по размерам в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка, для количественного анализа динамических характеристик, зависящих от генетики и / или диеты. Модель роста жировой ткани описывает, сколько новых клеток образуется, как каждая клетка растет в зависимости от ее размера и как липидный обмен приводит к колебаниям размера, которые вызывают расширение распределения клеток по размерам.По мере увеличения массы эпидидимальных жировых подушек распределение клеток по размерам систематически изменяется в зависимости как от генетики, так и от диеты. Сравнивая экспериментальные результаты с теоретической моделью роста, мы обнаружили, что гипертрофия сильно коррелирует с диетой. С другой стороны, гиперплазия зависит от генетики. Изменения гиперплазии, вызванные диетой, зависят от штамма, что предполагает взаимодействие между диетой и генетикой.

Результаты

Влияние диеты с высоким содержанием жиров на состав тела мышей FVB и C57

В начале эксперимента (в возрасте 5 недель) мыши C57 были значительно легче, чем мыши FVB () из-за разницы в худой масса, хотя общая жировая масса не отличалась ().Когда мышей поддерживали на обычном питании, разница в массе тела исчезла к возрасту 11 недель (6-я неделя эксперимента). В условиях обычной диеты мыши FVB и C57 сохраняли сопоставимую массу жира на протяжении всего эксперимента (). Диета с высоким содержанием жиров вызвала значительное увеличение массы тела и жировой массы у обоих штаммов; однако изменения массы тела и жировой массы были более значительными у мышей C57. У мышей C57 было вдвое больше жира после 12 недель кормления с высоким содержанием жиров ().Общая разница в общей массе жира между мышами FVB и C57 коррелировала с пропорциональными различиями в количестве эпидидимального (внутрибрюшного), пахового (подкожного) и бурого жира (). Потребление калорий и активность были сопоставимы у мышей FVB HF и C57 HF; однако мыши FVB HF имели более высокий уровень покоя и общего потребления кислорода, а также более высокую ректальную температуру, что позволяет предположить, что увеличение расхода энергии, а не снижение потребления калорий, было причиной относительной устойчивости к ожирению, вызванному диетой с высоким содержанием жиров, у мышей FVB.Интересно, что в течение первых 2 недель кормления с высоким содержанием жиров мыши FVB и C57 показали сопоставимое увеличение общей жировой массы (). Мыши C57 HF продолжали быстро увеличивать жировую массу до 10 недели эксперимента, тогда как мыши FVB HF замедляли накопление жира около недели 3. У мышей C57 кормление с высоким содержанием жира вызывало постепенное увеличение как эпидидимальных, так и паховых жировых подушечек; Напротив, у мышей FVB жировая масса придатка яичка увеличилась лишь незначительно после 4 недель кормления с высоким содержанием жира, в то время как паховая жировая подушечка продолжала увеличиваться в размере на протяжении всего эксперимента (рис.S1). Кормление с высоким содержанием жиров вызывало значительное повышение уровня глюкозы в крови и инсулина как у мышей FVB, так и у мышей C57 (). Уровни инсулина и непереносимость глюкозы были выше у мышей C57 HF, чем у мышей FVB HF, что свидетельствует о более тяжелой инсулинорезистентности (). В соответствии с предыдущими сообщениями [23], [24], мыши C57 REG показали пониженные уровни триглицеридов в сыворотке по сравнению с мышами FVB REG без разницы в FFA (). Это не было связано с более высоким потреблением жира, так как коэффициент респираторного обмена () и скорость окисления жирных кислот, измеренная in vivo () и в изолированных скелетных мышцах (), были сопоставимы у мышей FVB REG и C57 REG.Более вероятно, что более низкие уровни триглицеридов в сыворотке у мышей C57 REG были вызваны гораздо более эффективным клиренсом циркулирующих триглицеридов, как предполагает тест на клиренс триглицеридов (). Кормление с высоким содержанием жиров снижало уровни циркулирующих триглицеридов как у мышей FVB, так и у мышей C57 и улучшало клиренс триглицеридов у последних штаммов (и). Оба штамма показали сопоставимое снижение коэффициента респираторного обмена, что свидетельствует о сопоставимом увеличении утилизации жирных кислот в условиях диеты с высоким содержанием жиров (). Взятые вместе, эти данные предполагают, что способность эффективно выводить триглицериды из кровотока может способствовать высокой способности накопления жира у мышей C57.

Изменения в составе тела мышей FVB и C57 в условиях стандартного корма (REG) и с высоким содержанием жира (HF).

(A) Масса тела. (B) Жировая масса. Состав тела измеряли в указанные моменты времени у 8 мышей в группе с использованием МРТ-анализатора Echo 3-in-1. Высокожировое и контрольное кормление начали в возрасте 5 недель. Ось X показывает недели контролируемого кормления. Показан один из трех независимых экспериментов. Приведены средние значения ± SEM.

Физиологические характеристики мышей FVB и C57.

(A) Тест на толерантность к глюкозе проводили на 10-й неделе контролируемого кормления с пищей и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение ночи и вводили глюкозу (2 мг / г, внутрибрюшинно). Каждая группа была представлена ​​8 мышами. (B) Окисление олеиновой кислоты в целом организме измеряли у самцов мышей FVB ad C57 в возрасте 10 недель в не голодном состоянии (8 мышей на группу), как описано в Gautam et al. [47]. (C) Окисление пальмитиновой кислоты измеряли в камбаловидной мышце, взятой у 10-недельных мышей FVB и C57, которых содержали на диете (8 мышей на группу).Образцы собирали в 8 часов утра у мышей, которых случайным образом кормили, или мышей, голодавших в течение 18 часов [методы, описанные в Toyoshima et al. [46]]. (D) Клиренс триглицеридов у самцов мышей FVB и C57 после 11 недель контролируемого кормления кормом и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение 4 часов, а затем вводили через желудочный зонд 400 мкл л арахисового масла. Плазму собирали ежечасно в течение 5 часов из хвостовой вены для измерения триглицеридов. Каждая группа была представлена ​​8 мышами.

Таблица 1

Характеристики мышей FVB и C57 после 12 недель жирного и контрольного кормления.

Гипертрофия и гиперплазия с увеличением жировой массы

Чтобы проверить основной механизм различной скорости накопления жира в эпидидимальном жире мышей FVB и C57, мы измерили распределение массы и размеров клеток в образцах тканей эпидидимальный жир, собранный на 0, 2, 4 и 12 неделях контролируемого кормления (). Поскольку гистологический анализ не позволяет точно определить размер клеток адипоцитов, который будет обсуждаться позже, мы измерили распределение клеток по размеру с помощью счетчика Коултера и рассчитали средневзвешенный размер клеток и общее количество клеток эпидидимальной жировой ткани на основе этих измерений, которые аналогичные значения в другом исследовании на мышах [5].Сильные корреляции наблюдались между массой жировых подушечек и средневзвешенным размером клеток, а также между массой жировых подушечек и общим числом клеток, независимо от напряжения и разницы в диете (). Первая корреляция дала масштабное соотношение между массой жировой подушечки и средневзвешенным по объему размером клеток (). Кроме того, была обнаружена экспоненциальная зависимость между массой жировой подушечки, и общим числом клеток, где начальная масса жировой подушки была получена от контрольных мышей; и начальное количество клеток, и скорость увеличения количества клеток в массе жировой подушечки, были оценены по данным (;).Первоначальное количество клеток у мышей C57 было больше, чем исходное количество клеток у мышей FVB (; фиг. S2C и S2D). По мере увеличения массы жировой ткани увеличивается общее количество клеток. Скорость увеличения числа клеток была выше при обычном питании, чем при диете с высоким содержанием жиров, эта тенденция более очевидна у мышей C57 (;), что свидетельствует о генетическом различии. Соотношение между результатами регулярной диеты и диеты с высоким содержанием жиров составляет 1,42 и 3,22 для мышей FVB и C57 соответственно (). Это может указывать на взаимодействие между генетикой и диетой при увеличении количества клеток.Обратите внимание, что мы также наблюдали аналогичные результаты с массой тела и массой жира, поскольку эти три величины (масса эпидидимальной жировой подушечки, масса жира и масса тела) коррелируют друг с другом. Однако результаты с массой эпидидимальной жировой подушечки были наиболее подходящими: среднее квадратическое отклонение между данными и соответствием составило 9,73, 7,94, 3,56 × 10 ⁵ и 5,54 × 10 ⁶ , соответственно; результат с массой тела составил 11,82, 15,35, 3,65 × 10 ⁵ и 4,82 × 10 ⁶ ; результат с жировой массой 8.58, 8,61, 4,28 × 10 ⁵ и 6,11 × 10 ⁶ .

Нормализованное распределение клеток по размерам в жировой подушке придатка яичка.

На графике нанесен один типичный пример контрольных мышей FVB в возрасте 5 недель. Кружки обозначают точки измеренных данных, а линия представляет собой аппроксимирующую кривую, которая представляет собой сумму одной гауссовой и двух экспоненциальных функций.

Таблица 2

Значения параметров модели роста жировой ткани.

Генетические и диетические эффекты на рост жировой ткани

Эти две сильные корреляции между массой жировой подушечки и гипертрофией и между массой жировой подушечки и гиперплазией позволяют предположить, что увеличение жировой ткани можно описать как систематический процесс роста в отношении для увеличения массы жировой прослойки.Мы расположили распределения клеток по размерам, отсортированные по массе эпидидимальных жировых подушек (). Примечательно, что модель роста жировой ткани в формуле. (1) описывает эволюцию распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Модель количественно соответствовала экспериментальным распределениям размеров клеток, несмотря на то, что все распределения представляют собой данные поперечного сечения, полученные от отдельных животных. Различные значения параметров в модели, которые соответствуют каждому индивидуальному распределению размеров клеток для обоих штаммов и обоих режимов диеты, дали количественные различия в процессе роста эпидидимальной жировой ткани между штаммами и между диетами ().Во-первых, максимальная зависящая от размера скорость роста и скорость колебаний размера клеток из-за обмена липидов продемонстрировали разницу, вызванную диетой, и меньшую разницу, вызванную деформацией. Зависимый от размера рост и колебания размера, приводящие к гипертрофии, по-видимому, регулируются в основном диетой. В частности, рост, зависящий от размера, переместил режим больших клеток в распределении размеров клеток в сторону больших размеров, а флуктуации липидного обмена увеличили разброс распределения вокруг режима больших клеток.Важно отметить, что результаты должны быть тщательно интерпретированы, потому что каждая скорость — это скорость на единицу увеличения массы жировой ткани, а не на единицу увеличения времени. Во-вторых, геометрические параметры (, и), которые определяют форму скорости роста, зависящей от размера, имели практически одинаковые значения независимо от диеты и разницы деформаций, за исключением. Следовательно, нижний критический размер, который дает размер, инициирующий рост клеток в зависимости от размера, и два параметра масштаба могут быть зафиксированы на с _l = 37 µ м, η _l = 12 µ м и η _u = 63 µ м соответственно.С другой стороны, верхний критический размер, ограничивающий зависимый от размера клетки рост больших клеток, зависел от диеты; при кормлении с высоким содержанием жира этот размер отсечения сместился в сторону большего размера (). При диете с высоким содержанием жиров изменения параметров (,, и) увеличивают способность жировых тканей накапливать липиды за счет как гиперплазии, так и гипертрофии. Более низкие уровни триглицеридов в сыворотке при условии диеты с высоким содержанием жиров (и) могут быть коррелированы с увеличением накопления липидов в увеличенных жировых клетках, поскольку не было обнаружено значительных различий в окислении жирных кислот, о чем свидетельствует отсутствие различий в соотношении респираторного обмена ().

Изменение распределения клеток по размерам с увеличением массы эпидидимальной жировой подушечки при кормлении и диетах с высоким содержанием жиров.

Начальные распределения размеров клеток пятинедельных контрольных мышей приведены в первой строке каждого столбца пунктирными линиями. Точками показаны экспериментальные результаты. Обратите внимание, что результаты упорядочены по массе эпидидимальной жировой подушечки, а не по хронологическому времени (недели контролируемого кормления), указанному в скобках. Сплошные линии представляют собой нормализованные распределения клеток по размеру, соответствующие данной массе эпидидимальной жировой подушечки, предсказанной моделью роста жировой ткани.

Зависимая от размера скорость роста массы придатка яичка.

Здесь для построения графика используются средние значения параметров. Символы показаны для облегчения сравнения строк.

Обсуждение

Наше центральное открытие состоит в том, что гиперплазия и гипертрофия жировых клеток в эпидидимальной жировой подушечке является функцией массы жировой подушечки, даже несмотря на то, что у отдельных животных может потребоваться разное время для достижения заданной массы жировой подушечки. Следовательно, рост жировой ткани, представленный как изменения распределения клеток по размерам, можно систематически моделировать как процесс роста по отношению к увеличению массы жировой подушечки; это может отражать корреляцию между массой жировой подушечки и секрецией адипокинов и других сигнальных молекул, контролирующих рост жировой ткани.Соответственно, следует отметить, что нормы в нашей модели — это не обычные нормы увеличения на единицу времени, а нормы увеличения на единицу массы. Таким образом, несколько коэффициентов (, и) в модели имели более высокие значения для животных, соблюдающих диету, чем для животных, соблюдающих диету с высоким содержанием жиров. Однако, если бы эти показатели были преобразованы в обычные нормы увеличения на единицу времени, они имели бы большие значения для диеты с высоким содержанием жиров, потому что требуется меньше времени для увеличения массы жировой подушечки на единицу из более крупных и более многочисленных клеток на диета с высоким содержанием жиров, чем для увеличения такой же величины за счет меньшего и меньшего количества клеток на диете (рис.S1). Было высказано предположение, что когда ожирение прогрессирует, рано возникает гипертрофия жировых клеток, а затем запускается гиперплазия [8]. Наше исследование показало, что рекрутирование новых клеток экспоненциально увеличивается с увеличением массы жировой ткани. Гипертрофия жировых клеток является основным фактором увеличения массы жировой прослойки, тогда как гиперплазия не способствует этому увеличению, потому что она возникает в небольших клетках, в которых хранится гораздо меньший объем жира. Таким образом, наша модель естественным образом воплощает идею о том, что на гиперплазию влияет гипертрофический рост клеток.С другой стороны, сообщалось, что гиперплазия жировых клеток возникает только на ранних стадиях развития; следовательно, не следует ожидать рекрутирования новых клеток на поздних стадиях даже в условиях ожирения [6], [7]. Возможно, возраст животных в нашем исследовании (6 недель) допускает возникновение гиперплазии.

Модель, разработанная здесь, может дать микроскопическое представление о росте жировых клеток, зависящем от размера, который не может быть рассмотрен статическими поперечными исследованиями.Например, мы обнаружили следующие специфические свойства роста клеток, зависящие от размера: нижний критический размер, инициирующий накопление липидов, не зависел от диеты у двух линий мышей, тогда как верхний критический размер ограничивал рост клеток до достижения необходимого уровня. необычайный размер, был увеличен на диете с высоким содержанием жиров. Эта зависимость роста клеток от размера является проверяемой гипотезой. Далее, параметр флуктуации размера клеток различался при обычном питании и рационе с высоким содержанием жиров; оно больше при диете с высоким содержанием жиров, когда оно преобразуется в единицы, соответствующие изменению единицы времени, а не единице изменения массы жировых подушечек.Таким образом, случайный процесс высвобождения и поглощения жира жировыми клетками происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров, чем при обычной диете. Может быть интересно посмотреть, можно ли распространить эти результаты на другие штаммы и организмы.

По сравнению с исследованиями, в которых наблюдали единственный пик в распределении размеров клеток жировых клеток [11], [15] — [17], [28], мы наблюдали бимодальные распределения клеток по размерам, как сообщалось другими [12], [13], [29] — [32]. В большинстве исследований [12], [13], [31], [32] по наблюдению бимодальности использовалась технология счетчика Коултера, которая имеет несколько преимуществ для оценки всего распределения размеров ячеек [31]: Во-первых, можно доказать, что анализируемые ячейки быть подлинными жировыми клетками на основе морфологии и флотации; во-вторых, объем каждой клетки оценивается независимо от формы и без артефактов смещения центра, что является правилом, а не исключением, с использованием гистологических подходов; наконец, можно подсчитать и измерить достаточное количество частиц, чтобы получить статистически значимые комплексные кривые.Напротив, микроскопические методы гистологии могут не наблюдать мелкие клетки из-за влияния увеличения микроскопа [30], небольшого количества образцов и систематической ошибки выборки. Однако при использовании счетчика Коултера контаминация, не связанная с адипоцитами, может способствовать распределению клеток по размерам, особенно при малых размерах, хотя наш минимальный диаметр клеток, 22 µ м, превышает возможные диапазоны контаминации, от 10 до 20 µ м, упомянутые Mersmann и MacNeil [31]. Чтобы быть уверенным, мы снова проанализировали модифицированные данные, используя только распределения размеров ячеек диаметром более 35 µ м с моделью, и пришли к тем же выводам (данные не показаны).Надир в распределении размеров клеток () может разделять две популяции клеток. ДеМартини и Франсендезе определили маленькие клетки с диаметром менее 35 µ м как «очень маленькие жировые клетки» [29]. Основываясь на нашей модели, эти клетки имеют незначительный рост в зависимости от размера, потому что их размер меньше нижнего критического размера, с _l = 37 µ m. Следовательно, механизм роста, зависящий от размера, может естественным образом объяснить происхождение бимодальности в распределении жировых клеток по размеру.Клетки с размером только выше могут расти в зависимости от размера, но клетки с размером меньше могут расти случайным образом с флуктуацией размера за счет липидного обмена. Это разделение вызывает накопление клеток ниже размера, что дает более низкий пик в распределении размеров клеток. Эта популяция клеток может служить потенциальным резервуаром для зрелых жировых клеток. Процесс их созревания можно интерпретировать следующим образом: жировые клетки, достигающие критического размера, вследствие случайных колебаний размера могут расти с механизмом роста, зависящим от размера.Как упоминалось выше, изменение размера происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров; следовательно, пласт может ускорить процесс созревания в условиях стимуляции.

В модель роста ткани мы включили привлечение новых клеток и рост существующих клеток, но не гибель старых клеток, потому что модель согласовывалась с данными без апоптоза жировых клеток. Этот результат также согласуется с исследованием, в котором наблюдалось, что эпидидимальная жировая ткань мышей C57BL / 6 не показывает значительной гибели клеток до 12 недель при диете с высоким содержанием жиров [33].Однако расширенная диета с высоким содержанием жиров в конечном итоге вызывает апоптоз жировых клеток [33]. Более того, в одном недавнем исследовании сообщается, что жировые клетки человека обновляются в течение десяти лет [7]. Таким образом, наша модель все еще нуждается в улучшении, чтобы ее можно было использовать в различных условиях. Следует учитывать гибель клеток и формально учитывать зависимость параметров модели от диеты. В этом исследовании мы сосредоточились на одном жировом депо, эпидидимальном жире, по нескольким причинам: 1) вес эпидидимальных жировых подушечек может быть получен более точно, чем вес паховых жировых подушечек из-за легкости иссечения; 2) морфология жировых клеток в эпидидимальном жире более однородна, чем в паховом жире, который содержит много клеток, подобных коричневой жировой ткани, особенно у мышей, устойчивых к ожирению, вызванному диетой; и 3) разница между генотипами была более очевидной в росте эпидидимального жира, который достигает плато через 4 недели у мышей FVB, но продолжает расти у мышей C57 на протяжении всего эксперимента, в отличие от пахового жира, который показывает устойчивый рост. у обоих штаммов (рис.S1). Хотя мы не измеряли распределение по размеру клеток других жировых отложений, мы измерили изменение массы паховых и бурых жировых отложений, что показывает аналогичную картину с эпидидимальным жировым депо (рис. S1). Таким образом, представляет интерес применить модель к другим жировым отложениям, которые имеют функциональные различия [34], [35], а также к другим видам, таким как человек, что остается для будущих исследований. Мы ожидаем, что модель может быть применена к таким разнообразным наборам данных, просто настроив параметры модели, потому что модель содержит общие механизмы роста тканей для привлечения новых клеток и их последующего развития.

Наши данные показывают, что, по крайней мере, три фактора могут объяснить, почему мыши C57 набирают больше жира, чем мыши FVB, при диете с высоким содержанием жиров: во-первых, мыши FVB имеют повышенную скорость метаболизма и повышенную ректальную температуру, скорее всего, из-за повышенного симпатического тонуса. Хотя мы не обнаружили значительных различий в активности между штаммами в нашем исследовании, более подробные измерения поведения показали, что мыши FVB спонтанно гиперактивны по сравнению с мышами C57 [26]. У них также увеличивается частота сердечных сокращений [36], и они реагируют гипергликемией на различные виды лечения [37].Кроме того, они более чувствительны к стрессу, связанному с воздержанием и голоданием [38]. Все эти данные, взятые вместе, предполагают, что активность симпатической нервной системы увеличилась больше у мышей FVB, чем активность у мышей C57. Во-вторых, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 более эффективно очищают циркулирующие триглицериды [23], [24], что, по крайней мере, частично можно объяснить более высокой активностью липазы в сыворотке крови [23] и более высокой способностью накапливать триглицериды в печени [23]. ], [24] и жировой ткани (показано в этом исследовании).Хотя молекулярные механизмы клиренса триглицеридов до конца не изучены, жировая ткань явно способствует выведению триглицеридов, поскольку способность выводить циркулирующие триглицериды нарушена у липоатрофных мышей [23]. В частности, сообщалось, что диета с высоким содержанием жиров увеличивает клиренс триглицеридов [39], что может быть связано с индукцией активности липопротеинлипазы в жировой ткани [40]. Наконец, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 показали большее количество мелких жировых клеток, особенно при диете с высоким содержанием жиров.Было высказано предположение, что новые жировые клетки могут возникать из клеток-предшественников, которые находятся в депо белого жира взрослых [41], [42], и из других источников, таких как циркулирующие клетки-предшественники костного мозга [43]. Было показано, что рекрутирование обоих типов предшественников стимулируется диетой с высоким содержанием жиров [41], [43]. Возможно, что большее рекрутирование более мелких жировых клеток у мышей C57 может быть вызвано более высоким пулом клеток-предшественников или их более высокой внутренней способностью к дифференцировке адипоцитов.Однако in vitro мезенхимальных стволовых клеток , выделенных из наружного уха мышей FVB и C57, одинаково хорошо дифференцируются в жировые клетки [44]. Попытка сравнить дифференцировку стромальных клеток костного мозга мышей FVB и C57 в жировые клетки не увенчалась успехом из-за очень низкого выхода и плохой пролиферативной способности клеток, выделенных от мышей C57 [45]; однако костный мозг, по-видимому, не является основным источником новых жировых клеток, по крайней мере, у мышей [43]. Наша модель предполагает, что разница между генотипами в рекрутировании малых жировых клеток может быть автономной по отношению к жировым подушечкам, но молекулярный механизм, лежащий в основе этого различия, неясен.Жировая подушечка — сложный орган, содержащий множество различных типов клеток, включая зрелые жировые, предадипозные и сосудистые клетки, нервы, макрофаги и фибробласты. Количество предшественников адипоцитов и их пролиферация в ответ на внешние сигналы варьируется в зависимости от жировых отложений [35]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как специфичное для генотипа взаимодействие между разными типами клеток и секретируемыми факторами может влиять на скорость рекрутирования адипоцитов в определенные жировые депо.

Таким образом, мы получили математическую модель, описывающую рост жировой ткани с увеличением количества и размера клеток в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка.Основываясь на этой динамической модели, мы исследовали влияние генетики и диеты на рост жировой ткани. Сравнивая распределение размеров клеток двух штаммов и двух диет, мы пришли к выводу, что изменение размера клеток зависит от диеты, а изменение количества клеток зависит от генетики и диеты, а также от их взаимодействия.

Материалы и методы

Животные

Все процедуры были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Национального института диабета, болезней органов пищеварения и почек.Самцы мышей FVB и C57 были получены из лаборатории Джексона (Бар-Харбор, штат Мэн). Мышей выращивали по четыре в клетке с 12-часовым циклом свет / темнота (свет 06: 00–18: 00). В возрасте 5 недель мышей каждой линии разделили на 2 группы. Половине мышей давали обычную пищу NIH-07 (далее REG; Zeigler Brothers, Inc., Gardners, PA), содержащую 4,08 ккал / г (11% калорий из жира, 62% из углеводов и 26% из белка). Другая половина получала диету с высоким содержанием жиров, F3282 (далее HF; Bio-Serv, Frenchtown, NJ), содержащую 5.45 ккал / г (59% жиров, 26% углеводов и 15% белков). Вода и диета предоставлялись ad libitum . Было проведено пять независимых экспериментов, в каждой из которых использовались 4 группы мышей: FVB REG, FVB HF, C57 REG и C57 HF. В трех экспериментах мышей содержали на контролируемой диете в течение 12 недель и использовали для анализа состава тела, физиологической характеристики и распределения клеток по размеру. Две дополнительные группы мышей были умерщвлены после 2 недель и 4 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира только для определения распределения клеток по размеру.

Эксперименты in vivo

Состав тела, потребление пищи, скорость метаболизма, толерантность к глюкозе, клиренс триглицеридов и окисление жирных кислот в изолированной камбаловидной мышце измеряли, как описано ранее [46]. Окисление жирных кислот всего тела измеряли, как описано в Gautam et al. [47]. Кровь для биохимических анализов брали из хвостовой вены без голодания. Уровни глюкозы измеряли с помощью Glucometer Elite (Bayer, Elkhart, IN). Сывороточный инсулин анализировали с помощью радиоиммуноанализа (Linco Research, St.Чарльз, Миссури). Триглицериды, холестерин (Thermo DMA, Луисвилл, Колорадо) и свободная жирная кислота (FFA) (Roche Applied Science, Индианаполис, Индиана) измеряли в соответствии с процедурами производителя.

Измерение размера клеток эпидидимального жира

Распределение размеров клеток эпидидимального жира измеряли через 2, 4 и 12 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира с использованием Beckman Coulter Multisizer III, как описано ранее [9]. Вкратце, 20–30 мг жировой ткани были взяты из средней части путем рассечения и последующего удаления образца для фиксации из центра разрезанного эпидидимального жира.Образцы тканей немедленно фиксировали в четырехокиси осмия [48], инкубировали на водяной бане при 37 ° C в течение 48 ч, а затем определяли размер жировых клеток с помощью Beckman Coulter Multisizer III с апертурой 400 µ м. Диапазон размеров ячеек, которые можно эффективно измерить с помощью этой апертуры, составляет 20–240 µ м. Прибор был настроен на подсчет 6000 частиц, и суспензия фиксированных клеток была разбавлена ​​так, чтобы совпадающий счет был <10%. После сбора размеров импульсов данные были выражены в виде диаметров частиц и отображены в виде гистограмм отсчетов по диаметру с использованием линейных интервалов и линейной шкалы для оси x ().Распределение клеток по размерам было измерено в четырех образцах из каждой группы, за исключением мышей C57 после 4-недельного воздействия диеты с высоким содержанием жиров, у которых было только три доступных образца. Образец был взят из каждой жировой подушечки и обработан отдельно. Затем каждый образец был посчитан как минимум дважды. Затем кривые для двух образцов усредняются, но только после проверки воспроизводимости между двумя образцами.

Модель роста жировой ткани

Распределение размеров клеток включает всю информацию, относящуюся к размерам клеток в ткани, и его изменения дают статистическое представление о детальном процессе роста каждой клетки.Чтобы изучить рост жировой ткани с точки зрения лежащих в основе микроскопических процессов, мы рассматриваем математическую модель, количественно определяющую процессы, которые изменяют распределение клеток по размерам. Модель может предсказать, сколько новых клеток образуется и как клетки разного размера растут по мере увеличения массы жировой ткани. Плотность количества клеток определенного размера (диаметра) при данной массе жировой подушечки — это конкретное количество, которое необходимо учитывать. Мы рассматриваем, как это распределение клеток по размерам изменяется с постепенным изменением массы жировой ткани.Эволюция распределения клеток по размерам с массой жировой ткани может быть смоделирована уравнением в частных производных:

(1)

Это уравнение включает три основных компонента процесса роста жировой ткани. Во-первых, мы предполагаем, что рекрутирование новых клеток происходит только при минимальном наблюдаемом размере клетки, который математически выражается как дельта-функция. Скорость набора по отношению к массе жировой подушечки определяется экспоненциальной функцией:

(2)

, где — исходное общее количество клеток при данной начальной массе жировой подушечки, а — скорость увеличения количества клеток на единицу изменения. в массе жировой подушечки.Изменение общего числа клеток — это скорость пополнения новых клеток, если гибель клеток незначительна; мы не обнаружили необходимости включать апоптоз в клетки любого размера, чтобы соответствовать этим экспериментальным данным. Следовательно, этот коэффициент пополнения может быть непосредственно получен из экспериментального результата, используя соотношение между общим числом клеток и массой жировой подушечки, дифференцируя функцию по отношению к. Во-вторых, рост клеток зависит от размера клетки. После созревания жировых клеток до определенного размера они могут накапливать жир, вызывая гипертрофию.В дополнение к этой ограничивающей скорости роста маленьких жировых клеток, может также существовать верхний предел роста, потому что большие жировые клетки не могут расти бесконечно в результате этого процесса роста, хотя они могут достигать больших размеров из-за колебаний размера, вызванных обменом липидов. Повышение и снижение скорости роста клеток в зависимости от размера клетки можно описать с помощью общей функциональной формы, умноженной на две сигмоидальные функции,

(3)

, где представляет максимальную скорость роста; и — соответственно нижний и верхний критические размеры, которые дают половину максимальной скорости роста; и укажите их масштаб ().Наконец, последний член в формуле. (1) представляет колебания размера клеток с постоянной скоростью, которые отражают обмен липидов, случайным образом происходящий в жировых клетках. Этот липидный оборот является единственным механизмом роста для крупных клеток, размер которых превышает верхний критический размер. Как правило, рост клеток, зависящий от размера, приводит к увеличению их распределения по размерам, в то время как колебания размеров распространяют распределение по размерам.

Метод оптимизации

Чтобы оптимизировать параметры модели, чтобы они могли точно описать эволюцию распределения ячеек по размерам в эксперименте, мы использовали минимизацию «функции стоимости», которая количественно определяет отклонение между моделью и результатами эксперимента.Для определения функции стоимости нормализованное распределение размеров клеток при заданной массе жира сравнивалось с данными моделирования с набором параметров:

(6)

, где — общее количество интервалов размера клеток, а — общее количество заданных масса жира. Масштаб функции стоимости был рассчитан на основе внутренней флуктуации экспериментальных данных, которую можно определить как квадрат отклонения между измеренным распределением ячеек по размерам и функцией плавной подгонки:

(7)

Это внутреннее колебание численно составляет около 10 процентов квадрата отклонения между экспериментальными и модельными данными.В качестве функции аппроксимации мы использовали сумму двух экспонент и гауссову форму,

(8)

, форму, которая использовалась для аппроксимации распределений размеров жировых клеток [9]. Подбор этих параметров был выполнен с использованием процедуры подбора нелинейной кривой в MATLAB R2007a (Натик, Массачусетс, США). Для процесса оптимизации мы специально использовали метод Монте-Карло с параллельным темперированием, чтобы найти глобальный минимум функции стоимости [50]. Мы использовали 10 равномерно распределенных значений (от 0,1 до 1) для параметра темперирования и запускали десять цепочек параллельно с вероятностью обновления.На каждых 20 шагах случайным образом выбиралась пара смежных имитаций по десяти параметрам отпуска, и их состояния параметров менялись с вероятностью. После достижения равновесия было использовано 20 000 итераций с фиксированным параметром отпуска для оценки оптимальных значений параметров и их стандартных ошибок.

Мы также использовали этот метод для оценки исходного общего количества клеток, и скорости его увеличения, исходя из соотношения между жировой массой и общим количеством клеток (). При минимизации функции аппроксимации и экспериментальных данных мы использовали ограничение, согласно которому начальное количество клеток одинаково независимо от условий диеты, т.е.е., обычные и жирные диеты. Средняя жировая масса четырех контрольных мышей перед обычным рационом и диетой с высоким содержанием жиров была использована в качестве начальной жировой массы, которая составляет 0,34 г и 0,29 г для мышей FVB и C57, соответственно. Мы оценили погрешности и, распространив 10-процентные статистические флуктуации, наблюдаемые в экспериментальных данных.

Численное решение дифференциального уравнения с частными производными

Мы решили следующую дискретную версию нашей модели, заданную как непрерывное дифференциальное уравнение с частными производными в формуле.(1):

(9)

с интервалом масс δm = 0,1 мг и интервалом размеров δs = 0,73 µ м.

Динамика роста жировой ткани

Abstract

Рост жировой ткани происходит по двум механизмам: гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток). Генетика и диета влияют на относительный вклад этих двух механизмов в рост жировой ткани при ожирении. В этом исследовании распределение по размеру эпидидимальных жировых клеток от двух линий мышей, устойчивых к ожирению FVB / N и склонных к ожирению C57BL / 6, измеряли через 2, 4 и 12 недель в условиях регулярного кормления и питания с высоким содержанием жира.Общее количество клеток в жировой подушке придатка яичка оценивали по массе жировой подушечки и нормализованному распределению клеток по размеру. Количество клеток и средневзвешенный размер клеток увеличиваются в зависимости от массы жировой прослойки. Чтобы точно решить проблему роста жировой ткани, мы разработали математическую модель, описывающую эволюцию распределения размеров жировых клеток как функцию увеличения массы жировой ткани, а не увеличения хронологического времени. Наша модель описывает привлечение новых жировых клеток и их последующее развитие в разных штаммах и с разными режимами питания, с общими механизмами, но с параметрами модели, зависящими от диеты и генетики.По сравнению со штаммом FVB / N, штамм C57BL / 6 имеет большее количество мелких жировых клеток. Гиперплазия усиливается за счет диеты с высоким содержанием жиров в зависимости от штамма, что предполагает синергетическое взаимодействие между генетикой и диетой. Кроме того, кормление с высоким содержанием жиров увеличивает скорость роста жировых клеток, независимо от напряжения, что отражает увеличение количества калорий, требующих хранения. Кроме того, диета с высоким содержанием жиров приводит к резкому увеличению распределения жировых клеток по размерам у обоих штаммов; это означает увеличение колебаний размера жировых клеток за счет липидного обмена.

Авторское резюме

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. Динамическое изменение жировой ткани in vivo невозможно отслеживать в режиме реального времени из-за текущих технических ограничений. Однако мы можем измерить распределение жировых клеток по размеру у отдельных животных. Наша основная цель — извлечь динамические характеристики ремоделирования тканей из снимков распределения клеток по размерам.Мы разрабатываем математическую модель, которая интерполирует измерения распределения клеток по размеру и предсказывает непрерывное изменение распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Наша модель роста жировой ткани включает три основных компонента: рекрутирование новых клеток, рост клеток в зависимости от размера и колебания размера клеток. В частности, мы сравнили рост жировой ткани у склонных к ожирению и устойчивых к ожирению мышей при стандартной диете или диете с высоким содержанием жиров, чтобы изучить генетическое и диетическое влияние на рост жировой ткани.Применяя нашу модель к этим различным условиям, мы обнаружили, что увеличение размера жировых клеток зависит от диеты. С другой стороны, увеличение количества жировых клеток, вызванное диетой, зависит от деформации, что предполагает синергию между генетикой и диетой.

Введение

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. На фенотип ожирения жировой ткани влияют диета и генетика, а также их взаимодействие [1] — [4].Начиная с исследований Джонсона и Хирша [5], существует обширная литература о росте жировой ткани при нормальном и патологическом развитии, характеризующая состояние ткани с точки зрения среднего размера и количества клеток. Гиперпластический рост появляется только на ранних стадиях развития жировой ткани [6], [7]. Гипертрофия возникает до гиперплазии, чтобы удовлетворить потребность в дополнительных накоплениях жира при прогрессировании ожирения [8]. Однако оказалось трудно понять, как диета и генетика конкретно влияют на гиперплазию и / или гипертрофию жировых клеток из-за ограниченных данных о росте жировой ткани.

Помимо этих исследований, недавно стало возможным точно измерить распределение клеток по размерам. Эта подробная информация, по сравнению со средним размером клеток и общим числом клеток, может использоваться для вычисления многих величин, связанных с размером, которые позволяют более точно охарактеризовать процесс роста жировой ткани. Кумулянты распределения клеток по размерам могут использоваться для вычисления других физиологических величин, таких как средневзвешенный размер клеток. Распределение клеток по размерам можно использовать для оценки общего количества клеток в жировой подушке по ее массе.Более того, считается, что некоторые специфические метаболические свойства, например, резистентность к инсулину [9] и секреция адипокина [10], зависят от точного распределения клеток по размерам, а не от среднего размера клеток. Действительно, в нескольких исследованиях изучается изменение распределения жировых клеток по размерам в различных условиях при развитии куриного эмбриона [11], у худых и страдающих ожирением крыс Zucker [12], [13], крыс линии Wistar с частичной липэктомией [14], биопсии кролика [ 15] и жировой ткани человека [16], [17]. Эти исследования были сосредоточены только на статических различиях между распределениями клеток по размерам в разных условиях.Однако статические распределения размеров клеток в поперечном сечении для ряда снимков развития животных можно использовать для вывода динамики роста жировой ткани, если мы сможем надлежащим образом проанализировать снимки с помощью математического моделирования. Учитывая нынешние технические ограничения, это может быть лучший доступный подход к микроскопическому и продольному пониманию роста жировой ткани in vivo , хотя в недавнем эксперименте были получены микроскопические наблюдения накопления липидов в липидных каплях жировых клеток [18].

Чтобы изучить генетические и диетические эффекты на динамический процесс роста жировой ткани, мы получили распределения по размерам клеток эпидидимального жира у устойчивых к ожирению линий мышей FVB / N (далее FVB) и склонных к ожирению линий мышей C57BL / 6 (C57) под стандартные диеты и диеты с высоким содержанием жиров. Мышь C57 является наиболее охарактеризованной моделью ожирения, вызванного диетой [19], а мышь FVB является предпочтительной моделью для создания трансгенных мышей [20]. Эти два широко используемых инбредных штамма мышей генетически довольно далеки [21], [22] и имеют различные метаболические фенотипы: по сравнению с мышами FVB, мыши C57 имеют низкие уровни циркулирующих триглицеридов [21] и повышенный клиренс триглицеридов [23], [24]; Мыши FVB характеризуются относительно более высокой печеночной инсулинорезистентностью, контррегуляторной реакцией на гипогликемию и сниженной глюкозо-стимулированной секрецией инсулина [25]; Также известно, что мыши FVB являются спонтанно гиперактивными [26] и относительно худыми, поскольку они, по-видимому, менее восприимчивы к диете с высоким содержанием жиров, чем мыши C57 [27].Однако развитие ожирения, вызванного диетой, у этих двух штаммов формально не сравнивалось. В этом исследовании мы разработали математическую модель, прогнозирующую изменение распределения клеток по размерам в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка, для количественного анализа динамических характеристик, зависящих от генетики и / или диеты. Модель роста жировой ткани описывает, сколько новых клеток образуется, как каждая клетка растет в зависимости от ее размера и как липидный обмен приводит к колебаниям размера, которые вызывают расширение распределения клеток по размерам.По мере увеличения массы эпидидимальных жировых подушек распределение клеток по размерам систематически изменяется в зависимости как от генетики, так и от диеты. Сравнивая экспериментальные результаты с теоретической моделью роста, мы обнаружили, что гипертрофия сильно коррелирует с диетой. С другой стороны, гиперплазия зависит от генетики. Изменения гиперплазии, вызванные диетой, зависят от штамма, что предполагает взаимодействие между диетой и генетикой.

Результаты

Влияние диеты с высоким содержанием жиров на состав тела мышей FVB и C57

В начале эксперимента (в возрасте 5 недель) мыши C57 были значительно легче, чем мыши FVB () из-за разницы в худой масса, хотя общая жировая масса не отличалась ().Когда мышей поддерживали на обычном питании, разница в массе тела исчезла к возрасту 11 недель (6-я неделя эксперимента). В условиях обычной диеты мыши FVB и C57 сохраняли сопоставимую массу жира на протяжении всего эксперимента (). Диета с высоким содержанием жиров вызвала значительное увеличение массы тела и жировой массы у обоих штаммов; однако изменения массы тела и жировой массы были более значительными у мышей C57. У мышей C57 было вдвое больше жира после 12 недель кормления с высоким содержанием жиров ().Общая разница в общей массе жира между мышами FVB и C57 коррелировала с пропорциональными различиями в количестве эпидидимального (внутрибрюшного), пахового (подкожного) и бурого жира (). Потребление калорий и активность были сопоставимы у мышей FVB HF и C57 HF; однако мыши FVB HF имели более высокий уровень покоя и общего потребления кислорода, а также более высокую ректальную температуру, что позволяет предположить, что увеличение расхода энергии, а не снижение потребления калорий, было причиной относительной устойчивости к ожирению, вызванному диетой с высоким содержанием жиров, у мышей FVB.Интересно, что в течение первых 2 недель кормления с высоким содержанием жиров мыши FVB и C57 показали сопоставимое увеличение общей жировой массы (). Мыши C57 HF продолжали быстро увеличивать жировую массу до 10 недели эксперимента, тогда как мыши FVB HF замедляли накопление жира около недели 3. У мышей C57 кормление с высоким содержанием жира вызывало постепенное увеличение как эпидидимальных, так и паховых жировых подушечек; Напротив, у мышей FVB жировая масса придатка яичка увеличилась лишь незначительно после 4 недель кормления с высоким содержанием жира, в то время как паховая жировая подушечка продолжала увеличиваться в размере на протяжении всего эксперимента (рис.S1). Кормление с высоким содержанием жиров вызывало значительное повышение уровня глюкозы в крови и инсулина как у мышей FVB, так и у мышей C57 (). Уровни инсулина и непереносимость глюкозы были выше у мышей C57 HF, чем у мышей FVB HF, что свидетельствует о более тяжелой инсулинорезистентности (). В соответствии с предыдущими сообщениями [23], [24], мыши C57 REG показали пониженные уровни триглицеридов в сыворотке по сравнению с мышами FVB REG без разницы в FFA (). Это не было связано с более высоким потреблением жира, так как коэффициент респираторного обмена () и скорость окисления жирных кислот, измеренная in vivo () и в изолированных скелетных мышцах (), были сопоставимы у мышей FVB REG и C57 REG.Более вероятно, что более низкие уровни триглицеридов в сыворотке у мышей C57 REG были вызваны гораздо более эффективным клиренсом циркулирующих триглицеридов, как предполагает тест на клиренс триглицеридов (). Кормление с высоким содержанием жиров снижало уровни циркулирующих триглицеридов как у мышей FVB, так и у мышей C57 и улучшало клиренс триглицеридов у последних штаммов (и). Оба штамма показали сопоставимое снижение коэффициента респираторного обмена, что свидетельствует о сопоставимом увеличении утилизации жирных кислот в условиях диеты с высоким содержанием жиров (). Взятые вместе, эти данные предполагают, что способность эффективно выводить триглицериды из кровотока может способствовать высокой способности накопления жира у мышей C57.

Изменения в составе тела мышей FVB и C57 в условиях стандартного корма (REG) и с высоким содержанием жира (HF).

(A) Масса тела. (B) Жировая масса. Состав тела измеряли в указанные моменты времени у 8 мышей в группе с использованием МРТ-анализатора Echo 3-in-1. Высокожировое и контрольное кормление начали в возрасте 5 недель. Ось X показывает недели контролируемого кормления. Показан один из трех независимых экспериментов. Приведены средние значения ± SEM.

Физиологические характеристики мышей FVB и C57.

(A) Тест на толерантность к глюкозе проводили на 10-й неделе контролируемого кормления с пищей и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение ночи и вводили глюкозу (2 мг / г, внутрибрюшинно). Каждая группа была представлена ​​8 мышами. (B) Окисление олеиновой кислоты в целом организме измеряли у самцов мышей FVB ad C57 в возрасте 10 недель в не голодном состоянии (8 мышей на группу), как описано в Gautam et al. [47]. (C) Окисление пальмитиновой кислоты измеряли в камбаловидной мышце, взятой у 10-недельных мышей FVB и C57, которых содержали на диете (8 мышей на группу).Образцы собирали в 8 часов утра у мышей, которых случайным образом кормили, или мышей, голодавших в течение 18 часов [методы, описанные в Toyoshima et al. [46]]. (D) Клиренс триглицеридов у самцов мышей FVB и C57 после 11 недель контролируемого кормления кормом и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение 4 часов, а затем вводили через желудочный зонд 400 мкл л арахисового масла. Плазму собирали ежечасно в течение 5 часов из хвостовой вены для измерения триглицеридов. Каждая группа была представлена ​​8 мышами.

Таблица 1

Характеристики мышей FVB и C57 после 12 недель жирного и контрольного кормления.

Гипертрофия и гиперплазия с увеличением жировой массы

Чтобы проверить основной механизм различной скорости накопления жира в эпидидимальном жире мышей FVB и C57, мы измерили распределение массы и размеров клеток в образцах тканей эпидидимальный жир, собранный на 0, 2, 4 и 12 неделях контролируемого кормления (). Поскольку гистологический анализ не позволяет точно определить размер клеток адипоцитов, который будет обсуждаться позже, мы измерили распределение клеток по размеру с помощью счетчика Коултера и рассчитали средневзвешенный размер клеток и общее количество клеток эпидидимальной жировой ткани на основе этих измерений, которые аналогичные значения в другом исследовании на мышах [5].Сильные корреляции наблюдались между массой жировых подушечек и средневзвешенным размером клеток, а также между массой жировых подушечек и общим числом клеток, независимо от напряжения и разницы в диете (). Первая корреляция дала масштабное соотношение между массой жировой подушечки и средневзвешенным по объему размером клеток (). Кроме того, была обнаружена экспоненциальная зависимость между массой жировой подушечки, и общим числом клеток, где начальная масса жировой подушки была получена от контрольных мышей; и начальное количество клеток, и скорость увеличения количества клеток в массе жировой подушечки, были оценены по данным (;).Первоначальное количество клеток у мышей C57 было больше, чем исходное количество клеток у мышей FVB (; фиг. S2C и S2D). По мере увеличения массы жировой ткани увеличивается общее количество клеток. Скорость увеличения числа клеток была выше при обычном питании, чем при диете с высоким содержанием жиров, эта тенденция более очевидна у мышей C57 (;), что свидетельствует о генетическом различии. Соотношение между результатами регулярной диеты и диеты с высоким содержанием жиров составляет 1,42 и 3,22 для мышей FVB и C57 соответственно (). Это может указывать на взаимодействие между генетикой и диетой при увеличении количества клеток.Обратите внимание, что мы также наблюдали аналогичные результаты с массой тела и массой жира, поскольку эти три величины (масса эпидидимальной жировой подушечки, масса жира и масса тела) коррелируют друг с другом. Однако результаты с массой эпидидимальной жировой подушечки были наиболее подходящими: среднее квадратическое отклонение между данными и соответствием составило 9,73, 7,94, 3,56 × 10 ⁵ и 5,54 × 10 ⁶ , соответственно; результат с массой тела составил 11,82, 15,35, 3,65 × 10 ⁵ и 4,82 × 10 ⁶ ; результат с жировой массой 8.58, 8,61, 4,28 × 10 ⁵ и 6,11 × 10 ⁶ .

Нормализованное распределение клеток по размерам в жировой подушке придатка яичка.

На графике нанесен один типичный пример контрольных мышей FVB в возрасте 5 недель. Кружки обозначают точки измеренных данных, а линия представляет собой аппроксимирующую кривую, которая представляет собой сумму одной гауссовой и двух экспоненциальных функций.

Таблица 2

Значения параметров модели роста жировой ткани.

Генетические и диетические эффекты на рост жировой ткани

Эти две сильные корреляции между массой жировой подушечки и гипертрофией и между массой жировой подушечки и гиперплазией позволяют предположить, что увеличение жировой ткани можно описать как систематический процесс роста в отношении для увеличения массы жировой прослойки.Мы расположили распределения клеток по размерам, отсортированные по массе эпидидимальных жировых подушек (). Примечательно, что модель роста жировой ткани в формуле. (1) описывает эволюцию распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Модель количественно соответствовала экспериментальным распределениям размеров клеток, несмотря на то, что все распределения представляют собой данные поперечного сечения, полученные от отдельных животных. Различные значения параметров в модели, которые соответствуют каждому индивидуальному распределению размеров клеток для обоих штаммов и обоих режимов диеты, дали количественные различия в процессе роста эпидидимальной жировой ткани между штаммами и между диетами ().Во-первых, максимальная зависящая от размера скорость роста и скорость колебаний размера клеток из-за обмена липидов продемонстрировали разницу, вызванную диетой, и меньшую разницу, вызванную деформацией. Зависимый от размера рост и колебания размера, приводящие к гипертрофии, по-видимому, регулируются в основном диетой. В частности, рост, зависящий от размера, переместил режим больших клеток в распределении размеров клеток в сторону больших размеров, а флуктуации липидного обмена увеличили разброс распределения вокруг режима больших клеток.Важно отметить, что результаты должны быть тщательно интерпретированы, потому что каждая скорость — это скорость на единицу увеличения массы жировой ткани, а не на единицу увеличения времени. Во-вторых, геометрические параметры (, и), которые определяют форму скорости роста, зависящей от размера, имели практически одинаковые значения независимо от диеты и разницы деформаций, за исключением. Следовательно, нижний критический размер, который дает размер, инициирующий рост клеток в зависимости от размера, и два параметра масштаба могут быть зафиксированы на с _l = 37 µ м, η _l = 12 µ м и η _u = 63 µ м соответственно.С другой стороны, верхний критический размер, ограничивающий зависимый от размера клетки рост больших клеток, зависел от диеты; при кормлении с высоким содержанием жира этот размер отсечения сместился в сторону большего размера (). При диете с высоким содержанием жиров изменения параметров (,, и) увеличивают способность жировых тканей накапливать липиды за счет как гиперплазии, так и гипертрофии. Более низкие уровни триглицеридов в сыворотке при условии диеты с высоким содержанием жиров (и) могут быть коррелированы с увеличением накопления липидов в увеличенных жировых клетках, поскольку не было обнаружено значительных различий в окислении жирных кислот, о чем свидетельствует отсутствие различий в соотношении респираторного обмена ().

Изменение распределения клеток по размерам с увеличением массы эпидидимальной жировой подушечки при кормлении и диетах с высоким содержанием жиров.

Начальные распределения размеров клеток пятинедельных контрольных мышей приведены в первой строке каждого столбца пунктирными линиями. Точками показаны экспериментальные результаты. Обратите внимание, что результаты упорядочены по массе эпидидимальной жировой подушечки, а не по хронологическому времени (недели контролируемого кормления), указанному в скобках. Сплошные линии представляют собой нормализованные распределения клеток по размеру, соответствующие данной массе эпидидимальной жировой подушечки, предсказанной моделью роста жировой ткани.

Зависимая от размера скорость роста массы придатка яичка.

Здесь для построения графика используются средние значения параметров. Символы показаны для облегчения сравнения строк.

Обсуждение

Наше центральное открытие состоит в том, что гиперплазия и гипертрофия жировых клеток в эпидидимальной жировой подушечке является функцией массы жировой подушечки, даже несмотря на то, что у отдельных животных может потребоваться разное время для достижения заданной массы жировой подушечки. Следовательно, рост жировой ткани, представленный как изменения распределения клеток по размерам, можно систематически моделировать как процесс роста по отношению к увеличению массы жировой подушечки; это может отражать корреляцию между массой жировой подушечки и секрецией адипокинов и других сигнальных молекул, контролирующих рост жировой ткани.Соответственно, следует отметить, что нормы в нашей модели — это не обычные нормы увеличения на единицу времени, а нормы увеличения на единицу массы. Таким образом, несколько коэффициентов (, и) в модели имели более высокие значения для животных, соблюдающих диету, чем для животных, соблюдающих диету с высоким содержанием жиров. Однако, если бы эти показатели были преобразованы в обычные нормы увеличения на единицу времени, они имели бы большие значения для диеты с высоким содержанием жиров, потому что требуется меньше времени для увеличения массы жировой подушечки на единицу из более крупных и более многочисленных клеток на диета с высоким содержанием жиров, чем для увеличения такой же величины за счет меньшего и меньшего количества клеток на диете (рис.S1). Было высказано предположение, что когда ожирение прогрессирует, рано возникает гипертрофия жировых клеток, а затем запускается гиперплазия [8]. Наше исследование показало, что рекрутирование новых клеток экспоненциально увеличивается с увеличением массы жировой ткани. Гипертрофия жировых клеток является основным фактором увеличения массы жировой прослойки, тогда как гиперплазия не способствует этому увеличению, потому что она возникает в небольших клетках, в которых хранится гораздо меньший объем жира. Таким образом, наша модель естественным образом воплощает идею о том, что на гиперплазию влияет гипертрофический рост клеток.С другой стороны, сообщалось, что гиперплазия жировых клеток возникает только на ранних стадиях развития; следовательно, не следует ожидать рекрутирования новых клеток на поздних стадиях даже в условиях ожирения [6], [7]. Возможно, возраст животных в нашем исследовании (6 недель) допускает возникновение гиперплазии.

Модель, разработанная здесь, может дать микроскопическое представление о росте жировых клеток, зависящем от размера, который не может быть рассмотрен статическими поперечными исследованиями.Например, мы обнаружили следующие специфические свойства роста клеток, зависящие от размера: нижний критический размер, инициирующий накопление липидов, не зависел от диеты у двух линий мышей, тогда как верхний критический размер ограничивал рост клеток до достижения необходимого уровня. необычайный размер, был увеличен на диете с высоким содержанием жиров. Эта зависимость роста клеток от размера является проверяемой гипотезой. Далее, параметр флуктуации размера клеток различался при обычном питании и рационе с высоким содержанием жиров; оно больше при диете с высоким содержанием жиров, когда оно преобразуется в единицы, соответствующие изменению единицы времени, а не единице изменения массы жировых подушечек.Таким образом, случайный процесс высвобождения и поглощения жира жировыми клетками происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров, чем при обычной диете. Может быть интересно посмотреть, можно ли распространить эти результаты на другие штаммы и организмы.

По сравнению с исследованиями, в которых наблюдали единственный пик в распределении размеров клеток жировых клеток [11], [15] — [17], [28], мы наблюдали бимодальные распределения клеток по размерам, как сообщалось другими [12], [13], [29] — [32]. В большинстве исследований [12], [13], [31], [32] по наблюдению бимодальности использовалась технология счетчика Коултера, которая имеет несколько преимуществ для оценки всего распределения размеров ячеек [31]: Во-первых, можно доказать, что анализируемые ячейки быть подлинными жировыми клетками на основе морфологии и флотации; во-вторых, объем каждой клетки оценивается независимо от формы и без артефактов смещения центра, что является правилом, а не исключением, с использованием гистологических подходов; наконец, можно подсчитать и измерить достаточное количество частиц, чтобы получить статистически значимые комплексные кривые.Напротив, микроскопические методы гистологии могут не наблюдать мелкие клетки из-за влияния увеличения микроскопа [30], небольшого количества образцов и систематической ошибки выборки. Однако при использовании счетчика Коултера контаминация, не связанная с адипоцитами, может способствовать распределению клеток по размерам, особенно при малых размерах, хотя наш минимальный диаметр клеток, 22 µ м, превышает возможные диапазоны контаминации, от 10 до 20 µ м, упомянутые Mersmann и MacNeil [31]. Чтобы быть уверенным, мы снова проанализировали модифицированные данные, используя только распределения размеров ячеек диаметром более 35 µ м с моделью, и пришли к тем же выводам (данные не показаны).Надир в распределении размеров клеток () может разделять две популяции клеток. ДеМартини и Франсендезе определили маленькие клетки с диаметром менее 35 µ м как «очень маленькие жировые клетки» [29]. Основываясь на нашей модели, эти клетки имеют незначительный рост в зависимости от размера, потому что их размер меньше нижнего критического размера, с _l = 37 µ m. Следовательно, механизм роста, зависящий от размера, может естественным образом объяснить происхождение бимодальности в распределении жировых клеток по размеру.Клетки с размером только выше могут расти в зависимости от размера, но клетки с размером меньше могут расти случайным образом с флуктуацией размера за счет липидного обмена. Это разделение вызывает накопление клеток ниже размера, что дает более низкий пик в распределении размеров клеток. Эта популяция клеток может служить потенциальным резервуаром для зрелых жировых клеток. Процесс их созревания можно интерпретировать следующим образом: жировые клетки, достигающие критического размера, вследствие случайных колебаний размера могут расти с механизмом роста, зависящим от размера.Как упоминалось выше, изменение размера происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров; следовательно, пласт может ускорить процесс созревания в условиях стимуляции.

В модель роста ткани мы включили привлечение новых клеток и рост существующих клеток, но не гибель старых клеток, потому что модель согласовывалась с данными без апоптоза жировых клеток. Этот результат также согласуется с исследованием, в котором наблюдалось, что эпидидимальная жировая ткань мышей C57BL / 6 не показывает значительной гибели клеток до 12 недель при диете с высоким содержанием жиров [33].Однако расширенная диета с высоким содержанием жиров в конечном итоге вызывает апоптоз жировых клеток [33]. Более того, в одном недавнем исследовании сообщается, что жировые клетки человека обновляются в течение десяти лет [7]. Таким образом, наша модель все еще нуждается в улучшении, чтобы ее можно было использовать в различных условиях. Следует учитывать гибель клеток и формально учитывать зависимость параметров модели от диеты. В этом исследовании мы сосредоточились на одном жировом депо, эпидидимальном жире, по нескольким причинам: 1) вес эпидидимальных жировых подушечек может быть получен более точно, чем вес паховых жировых подушечек из-за легкости иссечения; 2) морфология жировых клеток в эпидидимальном жире более однородна, чем в паховом жире, который содержит много клеток, подобных коричневой жировой ткани, особенно у мышей, устойчивых к ожирению, вызванному диетой; и 3) разница между генотипами была более очевидной в росте эпидидимального жира, который достигает плато через 4 недели у мышей FVB, но продолжает расти у мышей C57 на протяжении всего эксперимента, в отличие от пахового жира, который показывает устойчивый рост. у обоих штаммов (рис.S1). Хотя мы не измеряли распределение по размеру клеток других жировых отложений, мы измерили изменение массы паховых и бурых жировых отложений, что показывает аналогичную картину с эпидидимальным жировым депо (рис. S1). Таким образом, представляет интерес применить модель к другим жировым отложениям, которые имеют функциональные различия [34], [35], а также к другим видам, таким как человек, что остается для будущих исследований. Мы ожидаем, что модель может быть применена к таким разнообразным наборам данных, просто настроив параметры модели, потому что модель содержит общие механизмы роста тканей для привлечения новых клеток и их последующего развития.

Наши данные показывают, что, по крайней мере, три фактора могут объяснить, почему мыши C57 набирают больше жира, чем мыши FVB, при диете с высоким содержанием жиров: во-первых, мыши FVB имеют повышенную скорость метаболизма и повышенную ректальную температуру, скорее всего, из-за повышенного симпатического тонуса. Хотя мы не обнаружили значительных различий в активности между штаммами в нашем исследовании, более подробные измерения поведения показали, что мыши FVB спонтанно гиперактивны по сравнению с мышами C57 [26]. У них также увеличивается частота сердечных сокращений [36], и они реагируют гипергликемией на различные виды лечения [37].Кроме того, они более чувствительны к стрессу, связанному с воздержанием и голоданием [38]. Все эти данные, взятые вместе, предполагают, что активность симпатической нервной системы увеличилась больше у мышей FVB, чем активность у мышей C57. Во-вторых, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 более эффективно очищают циркулирующие триглицериды [23], [24], что, по крайней мере, частично можно объяснить более высокой активностью липазы в сыворотке крови [23] и более высокой способностью накапливать триглицериды в печени [23]. ], [24] и жировой ткани (показано в этом исследовании).Хотя молекулярные механизмы клиренса триглицеридов до конца не изучены, жировая ткань явно способствует выведению триглицеридов, поскольку способность выводить циркулирующие триглицериды нарушена у липоатрофных мышей [23]. В частности, сообщалось, что диета с высоким содержанием жиров увеличивает клиренс триглицеридов [39], что может быть связано с индукцией активности липопротеинлипазы в жировой ткани [40]. Наконец, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 показали большее количество мелких жировых клеток, особенно при диете с высоким содержанием жиров.Было высказано предположение, что новые жировые клетки могут возникать из клеток-предшественников, которые находятся в депо белого жира взрослых [41], [42], и из других источников, таких как циркулирующие клетки-предшественники костного мозга [43]. Было показано, что рекрутирование обоих типов предшественников стимулируется диетой с высоким содержанием жиров [41], [43]. Возможно, что большее рекрутирование более мелких жировых клеток у мышей C57 может быть вызвано более высоким пулом клеток-предшественников или их более высокой внутренней способностью к дифференцировке адипоцитов.Однако in vitro мезенхимальных стволовых клеток , выделенных из наружного уха мышей FVB и C57, одинаково хорошо дифференцируются в жировые клетки [44]. Попытка сравнить дифференцировку стромальных клеток костного мозга мышей FVB и C57 в жировые клетки не увенчалась успехом из-за очень низкого выхода и плохой пролиферативной способности клеток, выделенных от мышей C57 [45]; однако костный мозг, по-видимому, не является основным источником новых жировых клеток, по крайней мере, у мышей [43]. Наша модель предполагает, что разница между генотипами в рекрутировании малых жировых клеток может быть автономной по отношению к жировым подушечкам, но молекулярный механизм, лежащий в основе этого различия, неясен.Жировая подушечка — сложный орган, содержащий множество различных типов клеток, включая зрелые жировые, предадипозные и сосудистые клетки, нервы, макрофаги и фибробласты. Количество предшественников адипоцитов и их пролиферация в ответ на внешние сигналы варьируется в зависимости от жировых отложений [35]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как специфичное для генотипа взаимодействие между разными типами клеток и секретируемыми факторами может влиять на скорость рекрутирования адипоцитов в определенные жировые депо.

Таким образом, мы получили математическую модель, описывающую рост жировой ткани с увеличением количества и размера клеток в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка.Основываясь на этой динамической модели, мы исследовали влияние генетики и диеты на рост жировой ткани. Сравнивая распределение размеров клеток двух штаммов и двух диет, мы пришли к выводу, что изменение размера клеток зависит от диеты, а изменение количества клеток зависит от генетики и диеты, а также от их взаимодействия.

Материалы и методы

Животные

Все процедуры были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Национального института диабета, болезней органов пищеварения и почек.Самцы мышей FVB и C57 были получены из лаборатории Джексона (Бар-Харбор, штат Мэн). Мышей выращивали по четыре в клетке с 12-часовым циклом свет / темнота (свет 06: 00–18: 00). В возрасте 5 недель мышей каждой линии разделили на 2 группы. Половине мышей давали обычную пищу NIH-07 (далее REG; Zeigler Brothers, Inc., Gardners, PA), содержащую 4,08 ккал / г (11% калорий из жира, 62% из углеводов и 26% из белка). Другая половина получала диету с высоким содержанием жиров, F3282 (далее HF; Bio-Serv, Frenchtown, NJ), содержащую 5.45 ккал / г (59% жиров, 26% углеводов и 15% белков). Вода и диета предоставлялись ad libitum . Было проведено пять независимых экспериментов, в каждой из которых использовались 4 группы мышей: FVB REG, FVB HF, C57 REG и C57 HF. В трех экспериментах мышей содержали на контролируемой диете в течение 12 недель и использовали для анализа состава тела, физиологической характеристики и распределения клеток по размеру. Две дополнительные группы мышей были умерщвлены после 2 недель и 4 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира только для определения распределения клеток по размеру.

Эксперименты in vivo

Состав тела, потребление пищи, скорость метаболизма, толерантность к глюкозе, клиренс триглицеридов и окисление жирных кислот в изолированной камбаловидной мышце измеряли, как описано ранее [46]. Окисление жирных кислот всего тела измеряли, как описано в Gautam et al. [47]. Кровь для биохимических анализов брали из хвостовой вены без голодания. Уровни глюкозы измеряли с помощью Glucometer Elite (Bayer, Elkhart, IN). Сывороточный инсулин анализировали с помощью радиоиммуноанализа (Linco Research, St.Чарльз, Миссури). Триглицериды, холестерин (Thermo DMA, Луисвилл, Колорадо) и свободная жирная кислота (FFA) (Roche Applied Science, Индианаполис, Индиана) измеряли в соответствии с процедурами производителя.

Измерение размера клеток эпидидимального жира

Распределение размеров клеток эпидидимального жира измеряли через 2, 4 и 12 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира с использованием Beckman Coulter Multisizer III, как описано ранее [9]. Вкратце, 20–30 мг жировой ткани были взяты из средней части путем рассечения и последующего удаления образца для фиксации из центра разрезанного эпидидимального жира.Образцы тканей немедленно фиксировали в четырехокиси осмия [48], инкубировали на водяной бане при 37 ° C в течение 48 ч, а затем определяли размер жировых клеток с помощью Beckman Coulter Multisizer III с апертурой 400 µ м. Диапазон размеров ячеек, которые можно эффективно измерить с помощью этой апертуры, составляет 20–240 µ м. Прибор был настроен на подсчет 6000 частиц, и суспензия фиксированных клеток была разбавлена ​​так, чтобы совпадающий счет был <10%. После сбора размеров импульсов данные были выражены в виде диаметров частиц и отображены в виде гистограмм отсчетов по диаметру с использованием линейных интервалов и линейной шкалы для оси x ().Распределение клеток по размерам было измерено в четырех образцах из каждой группы, за исключением мышей C57 после 4-недельного воздействия диеты с высоким содержанием жиров, у которых было только три доступных образца. Образец был взят из каждой жировой подушечки и обработан отдельно. Затем каждый образец был посчитан как минимум дважды. Затем кривые для двух образцов усредняются, но только после проверки воспроизводимости между двумя образцами.

Модель роста жировой ткани

Распределение размеров клеток включает всю информацию, относящуюся к размерам клеток в ткани, и его изменения дают статистическое представление о детальном процессе роста каждой клетки.Чтобы изучить рост жировой ткани с точки зрения лежащих в основе микроскопических процессов, мы рассматриваем математическую модель, количественно определяющую процессы, которые изменяют распределение клеток по размерам. Модель может предсказать, сколько новых клеток образуется и как клетки разного размера растут по мере увеличения массы жировой ткани. Плотность количества клеток определенного размера (диаметра) при данной массе жировой подушечки — это конкретное количество, которое необходимо учитывать. Мы рассматриваем, как это распределение клеток по размерам изменяется с постепенным изменением массы жировой ткани.Эволюция распределения клеток по размерам с массой жировой ткани может быть смоделирована уравнением в частных производных:

(1)

Это уравнение включает три основных компонента процесса роста жировой ткани. Во-первых, мы предполагаем, что рекрутирование новых клеток происходит только при минимальном наблюдаемом размере клетки, который математически выражается как дельта-функция. Скорость набора по отношению к массе жировой подушечки определяется экспоненциальной функцией:

(2)

, где — исходное общее количество клеток при данной начальной массе жировой подушечки, а — скорость увеличения количества клеток на единицу изменения. в массе жировой подушечки.Изменение общего числа клеток — это скорость пополнения новых клеток, если гибель клеток незначительна; мы не обнаружили необходимости включать апоптоз в клетки любого размера, чтобы соответствовать этим экспериментальным данным. Следовательно, этот коэффициент пополнения может быть непосредственно получен из экспериментального результата, используя соотношение между общим числом клеток и массой жировой подушечки, дифференцируя функцию по отношению к. Во-вторых, рост клеток зависит от размера клетки. После созревания жировых клеток до определенного размера они могут накапливать жир, вызывая гипертрофию.В дополнение к этой ограничивающей скорости роста маленьких жировых клеток, может также существовать верхний предел роста, потому что большие жировые клетки не могут расти бесконечно в результате этого процесса роста, хотя они могут достигать больших размеров из-за колебаний размера, вызванных обменом липидов. Повышение и снижение скорости роста клеток в зависимости от размера клетки можно описать с помощью общей функциональной формы, умноженной на две сигмоидальные функции,

(3)

, где представляет максимальную скорость роста; и — соответственно нижний и верхний критические размеры, которые дают половину максимальной скорости роста; и укажите их масштаб ().Наконец, последний член в формуле. (1) представляет колебания размера клеток с постоянной скоростью, которые отражают обмен липидов, случайным образом происходящий в жировых клетках. Этот липидный оборот является единственным механизмом роста для крупных клеток, размер которых превышает верхний критический размер. Как правило, рост клеток, зависящий от размера, приводит к увеличению их распределения по размерам, в то время как колебания размеров распространяют распределение по размерам.

Метод оптимизации

Чтобы оптимизировать параметры модели, чтобы они могли точно описать эволюцию распределения ячеек по размерам в эксперименте, мы использовали минимизацию «функции стоимости», которая количественно определяет отклонение между моделью и результатами эксперимента.Для определения функции стоимости нормализованное распределение размеров клеток при заданной массе жира сравнивалось с данными моделирования с набором параметров:

(6)

, где — общее количество интервалов размера клеток, а — общее количество заданных масса жира. Масштаб функции стоимости был рассчитан на основе внутренней флуктуации экспериментальных данных, которую можно определить как квадрат отклонения между измеренным распределением ячеек по размерам и функцией плавной подгонки:

(7)

Это внутреннее колебание численно составляет около 10 процентов квадрата отклонения между экспериментальными и модельными данными.В качестве функции аппроксимации мы использовали сумму двух экспонент и гауссову форму,

(8)

, форму, которая использовалась для аппроксимации распределений размеров жировых клеток [9]. Подбор этих параметров был выполнен с использованием процедуры подбора нелинейной кривой в MATLAB R2007a (Натик, Массачусетс, США). Для процесса оптимизации мы специально использовали метод Монте-Карло с параллельным темперированием, чтобы найти глобальный минимум функции стоимости [50]. Мы использовали 10 равномерно распределенных значений (от 0,1 до 1) для параметра темперирования и запускали десять цепочек параллельно с вероятностью обновления.На каждых 20 шагах случайным образом выбиралась пара смежных имитаций по десяти параметрам отпуска, и их состояния параметров менялись с вероятностью. После достижения равновесия было использовано 20 000 итераций с фиксированным параметром отпуска для оценки оптимальных значений параметров и их стандартных ошибок.

Мы также использовали этот метод для оценки исходного общего количества клеток, и скорости его увеличения, исходя из соотношения между жировой массой и общим количеством клеток (). При минимизации функции аппроксимации и экспериментальных данных мы использовали ограничение, согласно которому начальное количество клеток одинаково независимо от условий диеты, т.е.е., обычные и жирные диеты. Средняя жировая масса четырех контрольных мышей перед обычным рационом и диетой с высоким содержанием жиров была использована в качестве начальной жировой массы, которая составляет 0,34 г и 0,29 г для мышей FVB и C57, соответственно. Мы оценили погрешности и, распространив 10-процентные статистические флуктуации, наблюдаемые в экспериментальных данных.

Численное решение дифференциального уравнения с частными производными

Мы решили следующую дискретную версию нашей модели, заданную как непрерывное дифференциальное уравнение с частными производными в формуле.(1):

(9)

с интервалом масс δm = 0,1 мг и интервалом размеров δs = 0,73 µ м.

Динамика роста жировой ткани

Abstract

Рост жировой ткани происходит по двум механизмам: гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток). Генетика и диета влияют на относительный вклад этих двух механизмов в рост жировой ткани при ожирении. В этом исследовании распределение по размеру эпидидимальных жировых клеток от двух линий мышей, устойчивых к ожирению FVB / N и склонных к ожирению C57BL / 6, измеряли через 2, 4 и 12 недель в условиях регулярного кормления и питания с высоким содержанием жира.Общее количество клеток в жировой подушке придатка яичка оценивали по массе жировой подушечки и нормализованному распределению клеток по размеру. Количество клеток и средневзвешенный размер клеток увеличиваются в зависимости от массы жировой прослойки. Чтобы точно решить проблему роста жировой ткани, мы разработали математическую модель, описывающую эволюцию распределения размеров жировых клеток как функцию увеличения массы жировой ткани, а не увеличения хронологического времени. Наша модель описывает привлечение новых жировых клеток и их последующее развитие в разных штаммах и с разными режимами питания, с общими механизмами, но с параметрами модели, зависящими от диеты и генетики.По сравнению со штаммом FVB / N, штамм C57BL / 6 имеет большее количество мелких жировых клеток. Гиперплазия усиливается за счет диеты с высоким содержанием жиров в зависимости от штамма, что предполагает синергетическое взаимодействие между генетикой и диетой. Кроме того, кормление с высоким содержанием жиров увеличивает скорость роста жировых клеток, независимо от напряжения, что отражает увеличение количества калорий, требующих хранения. Кроме того, диета с высоким содержанием жиров приводит к резкому увеличению распределения жировых клеток по размерам у обоих штаммов; это означает увеличение колебаний размера жировых клеток за счет липидного обмена.

Авторское резюме

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. Динамическое изменение жировой ткани in vivo невозможно отслеживать в режиме реального времени из-за текущих технических ограничений. Однако мы можем измерить распределение жировых клеток по размеру у отдельных животных. Наша основная цель — извлечь динамические характеристики ремоделирования тканей из снимков распределения клеток по размерам.Мы разрабатываем математическую модель, которая интерполирует измерения распределения клеток по размеру и предсказывает непрерывное изменение распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Наша модель роста жировой ткани включает три основных компонента: рекрутирование новых клеток, рост клеток в зависимости от размера и колебания размера клеток. В частности, мы сравнили рост жировой ткани у склонных к ожирению и устойчивых к ожирению мышей при стандартной диете или диете с высоким содержанием жиров, чтобы изучить генетическое и диетическое влияние на рост жировой ткани.Применяя нашу модель к этим различным условиям, мы обнаружили, что увеличение размера жировых клеток зависит от диеты. С другой стороны, увеличение количества жировых клеток, вызванное диетой, зависит от деформации, что предполагает синергию между генетикой и диетой.

Введение

Ожирение — это увеличение жировой ткани для хранения избыточного количества потребляемой энергии. Гиперплазия (увеличение числа клеток) и гипертрофия (увеличение размера клеток) — два возможных механизма роста. На фенотип ожирения жировой ткани влияют диета и генетика, а также их взаимодействие [1] — [4].Начиная с исследований Джонсона и Хирша [5], существует обширная литература о росте жировой ткани при нормальном и патологическом развитии, характеризующая состояние ткани с точки зрения среднего размера и количества клеток. Гиперпластический рост появляется только на ранних стадиях развития жировой ткани [6], [7]. Гипертрофия возникает до гиперплазии, чтобы удовлетворить потребность в дополнительных накоплениях жира при прогрессировании ожирения [8]. Однако оказалось трудно понять, как диета и генетика конкретно влияют на гиперплазию и / или гипертрофию жировых клеток из-за ограниченных данных о росте жировой ткани.

Помимо этих исследований, недавно стало возможным точно измерить распределение клеток по размерам. Эта подробная информация, по сравнению со средним размером клеток и общим числом клеток, может использоваться для вычисления многих величин, связанных с размером, которые позволяют более точно охарактеризовать процесс роста жировой ткани. Кумулянты распределения клеток по размерам могут использоваться для вычисления других физиологических величин, таких как средневзвешенный размер клеток. Распределение клеток по размерам можно использовать для оценки общего количества клеток в жировой подушке по ее массе.Более того, считается, что некоторые специфические метаболические свойства, например, резистентность к инсулину [9] и секреция адипокина [10], зависят от точного распределения клеток по размерам, а не от среднего размера клеток. Действительно, в нескольких исследованиях изучается изменение распределения жировых клеток по размерам в различных условиях при развитии куриного эмбриона [11], у худых и страдающих ожирением крыс Zucker [12], [13], крыс линии Wistar с частичной липэктомией [14], биопсии кролика [ 15] и жировой ткани человека [16], [17]. Эти исследования были сосредоточены только на статических различиях между распределениями клеток по размерам в разных условиях.Однако статические распределения размеров клеток в поперечном сечении для ряда снимков развития животных можно использовать для вывода динамики роста жировой ткани, если мы сможем надлежащим образом проанализировать снимки с помощью математического моделирования. Учитывая нынешние технические ограничения, это может быть лучший доступный подход к микроскопическому и продольному пониманию роста жировой ткани in vivo , хотя в недавнем эксперименте были получены микроскопические наблюдения накопления липидов в липидных каплях жировых клеток [18].

Чтобы изучить генетические и диетические эффекты на динамический процесс роста жировой ткани, мы получили распределения по размерам клеток эпидидимального жира у устойчивых к ожирению линий мышей FVB / N (далее FVB) и склонных к ожирению линий мышей C57BL / 6 (C57) под стандартные диеты и диеты с высоким содержанием жиров. Мышь C57 является наиболее охарактеризованной моделью ожирения, вызванного диетой [19], а мышь FVB является предпочтительной моделью для создания трансгенных мышей [20]. Эти два широко используемых инбредных штамма мышей генетически довольно далеки [21], [22] и имеют различные метаболические фенотипы: по сравнению с мышами FVB, мыши C57 имеют низкие уровни циркулирующих триглицеридов [21] и повышенный клиренс триглицеридов [23], [24]; Мыши FVB характеризуются относительно более высокой печеночной инсулинорезистентностью, контррегуляторной реакцией на гипогликемию и сниженной глюкозо-стимулированной секрецией инсулина [25]; Также известно, что мыши FVB являются спонтанно гиперактивными [26] и относительно худыми, поскольку они, по-видимому, менее восприимчивы к диете с высоким содержанием жиров, чем мыши C57 [27].Однако развитие ожирения, вызванного диетой, у этих двух штаммов формально не сравнивалось. В этом исследовании мы разработали математическую модель, прогнозирующую изменение распределения клеток по размерам в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка, для количественного анализа динамических характеристик, зависящих от генетики и / или диеты. Модель роста жировой ткани описывает, сколько новых клеток образуется, как каждая клетка растет в зависимости от ее размера и как липидный обмен приводит к колебаниям размера, которые вызывают расширение распределения клеток по размерам.По мере увеличения массы эпидидимальных жировых подушек распределение клеток по размерам систематически изменяется в зависимости как от генетики, так и от диеты. Сравнивая экспериментальные результаты с теоретической моделью роста, мы обнаружили, что гипертрофия сильно коррелирует с диетой. С другой стороны, гиперплазия зависит от генетики. Изменения гиперплазии, вызванные диетой, зависят от штамма, что предполагает взаимодействие между диетой и генетикой.

Результаты

Влияние диеты с высоким содержанием жиров на состав тела мышей FVB и C57

В начале эксперимента (в возрасте 5 недель) мыши C57 были значительно легче, чем мыши FVB () из-за разницы в худой масса, хотя общая жировая масса не отличалась ().Когда мышей поддерживали на обычном питании, разница в массе тела исчезла к возрасту 11 недель (6-я неделя эксперимента). В условиях обычной диеты мыши FVB и C57 сохраняли сопоставимую массу жира на протяжении всего эксперимента (). Диета с высоким содержанием жиров вызвала значительное увеличение массы тела и жировой массы у обоих штаммов; однако изменения массы тела и жировой массы были более значительными у мышей C57. У мышей C57 было вдвое больше жира после 12 недель кормления с высоким содержанием жиров ().Общая разница в общей массе жира между мышами FVB и C57 коррелировала с пропорциональными различиями в количестве эпидидимального (внутрибрюшного), пахового (подкожного) и бурого жира (). Потребление калорий и активность были сопоставимы у мышей FVB HF и C57 HF; однако мыши FVB HF имели более высокий уровень покоя и общего потребления кислорода, а также более высокую ректальную температуру, что позволяет предположить, что увеличение расхода энергии, а не снижение потребления калорий, было причиной относительной устойчивости к ожирению, вызванному диетой с высоким содержанием жиров, у мышей FVB.Интересно, что в течение первых 2 недель кормления с высоким содержанием жиров мыши FVB и C57 показали сопоставимое увеличение общей жировой массы (). Мыши C57 HF продолжали быстро увеличивать жировую массу до 10 недели эксперимента, тогда как мыши FVB HF замедляли накопление жира около недели 3. У мышей C57 кормление с высоким содержанием жира вызывало постепенное увеличение как эпидидимальных, так и паховых жировых подушечек; Напротив, у мышей FVB жировая масса придатка яичка увеличилась лишь незначительно после 4 недель кормления с высоким содержанием жира, в то время как паховая жировая подушечка продолжала увеличиваться в размере на протяжении всего эксперимента (рис.S1). Кормление с высоким содержанием жиров вызывало значительное повышение уровня глюкозы в крови и инсулина как у мышей FVB, так и у мышей C57 (). Уровни инсулина и непереносимость глюкозы были выше у мышей C57 HF, чем у мышей FVB HF, что свидетельствует о более тяжелой инсулинорезистентности (). В соответствии с предыдущими сообщениями [23], [24], мыши C57 REG показали пониженные уровни триглицеридов в сыворотке по сравнению с мышами FVB REG без разницы в FFA (). Это не было связано с более высоким потреблением жира, так как коэффициент респираторного обмена () и скорость окисления жирных кислот, измеренная in vivo () и в изолированных скелетных мышцах (), были сопоставимы у мышей FVB REG и C57 REG.Более вероятно, что более низкие уровни триглицеридов в сыворотке у мышей C57 REG были вызваны гораздо более эффективным клиренсом циркулирующих триглицеридов, как предполагает тест на клиренс триглицеридов (). Кормление с высоким содержанием жиров снижало уровни циркулирующих триглицеридов как у мышей FVB, так и у мышей C57 и улучшало клиренс триглицеридов у последних штаммов (и). Оба штамма показали сопоставимое снижение коэффициента респираторного обмена, что свидетельствует о сопоставимом увеличении утилизации жирных кислот в условиях диеты с высоким содержанием жиров (). Взятые вместе, эти данные предполагают, что способность эффективно выводить триглицериды из кровотока может способствовать высокой способности накопления жира у мышей C57.

Изменения в составе тела мышей FVB и C57 в условиях стандартного корма (REG) и с высоким содержанием жира (HF).

(A) Масса тела. (B) Жировая масса. Состав тела измеряли в указанные моменты времени у 8 мышей в группе с использованием МРТ-анализатора Echo 3-in-1. Высокожировое и контрольное кормление начали в возрасте 5 недель. Ось X показывает недели контролируемого кормления. Показан один из трех независимых экспериментов. Приведены средние значения ± SEM.

Физиологические характеристики мышей FVB и C57.

(A) Тест на толерантность к глюкозе проводили на 10-й неделе контролируемого кормления с пищей и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение ночи и вводили глюкозу (2 мг / г, внутрибрюшинно). Каждая группа была представлена ​​8 мышами. (B) Окисление олеиновой кислоты в целом организме измеряли у самцов мышей FVB ad C57 в возрасте 10 недель в не голодном состоянии (8 мышей на группу), как описано в Gautam et al. [47]. (C) Окисление пальмитиновой кислоты измеряли в камбаловидной мышце, взятой у 10-недельных мышей FVB и C57, которых содержали на диете (8 мышей на группу).Образцы собирали в 8 часов утра у мышей, которых случайным образом кормили, или мышей, голодавших в течение 18 часов [методы, описанные в Toyoshima et al. [46]]. (D) Клиренс триглицеридов у самцов мышей FVB и C57 после 11 недель контролируемого кормления кормом и диетой с высоким содержанием жиров. Мышей не кормили в течение 4 часов, а затем вводили через желудочный зонд 400 мкл л арахисового масла. Плазму собирали ежечасно в течение 5 часов из хвостовой вены для измерения триглицеридов. Каждая группа была представлена ​​8 мышами.

Таблица 1

Характеристики мышей FVB и C57 после 12 недель жирного и контрольного кормления.

Гипертрофия и гиперплазия с увеличением жировой массы

Чтобы проверить основной механизм различной скорости накопления жира в эпидидимальном жире мышей FVB и C57, мы измерили распределение массы и размеров клеток в образцах тканей эпидидимальный жир, собранный на 0, 2, 4 и 12 неделях контролируемого кормления (). Поскольку гистологический анализ не позволяет точно определить размер клеток адипоцитов, который будет обсуждаться позже, мы измерили распределение клеток по размеру с помощью счетчика Коултера и рассчитали средневзвешенный размер клеток и общее количество клеток эпидидимальной жировой ткани на основе этих измерений, которые аналогичные значения в другом исследовании на мышах [5].Сильные корреляции наблюдались между массой жировых подушечек и средневзвешенным размером клеток, а также между массой жировых подушечек и общим числом клеток, независимо от напряжения и разницы в диете (). Первая корреляция дала масштабное соотношение между массой жировой подушечки и средневзвешенным по объему размером клеток (). Кроме того, была обнаружена экспоненциальная зависимость между массой жировой подушечки, и общим числом клеток, где начальная масса жировой подушки была получена от контрольных мышей; и начальное количество клеток, и скорость увеличения количества клеток в массе жировой подушечки, были оценены по данным (;).Первоначальное количество клеток у мышей C57 было больше, чем исходное количество клеток у мышей FVB (; фиг. S2C и S2D). По мере увеличения массы жировой ткани увеличивается общее количество клеток. Скорость увеличения числа клеток была выше при обычном питании, чем при диете с высоким содержанием жиров, эта тенденция более очевидна у мышей C57 (;), что свидетельствует о генетическом различии. Соотношение между результатами регулярной диеты и диеты с высоким содержанием жиров составляет 1,42 и 3,22 для мышей FVB и C57 соответственно (). Это может указывать на взаимодействие между генетикой и диетой при увеличении количества клеток.Обратите внимание, что мы также наблюдали аналогичные результаты с массой тела и массой жира, поскольку эти три величины (масса эпидидимальной жировой подушечки, масса жира и масса тела) коррелируют друг с другом. Однако результаты с массой эпидидимальной жировой подушечки были наиболее подходящими: среднее квадратическое отклонение между данными и соответствием составило 9,73, 7,94, 3,56 × 10 ⁵ и 5,54 × 10 ⁶ , соответственно; результат с массой тела составил 11,82, 15,35, 3,65 × 10 ⁵ и 4,82 × 10 ⁶ ; результат с жировой массой 8.58, 8,61, 4,28 × 10 ⁵ и 6,11 × 10 ⁶ .

Нормализованное распределение клеток по размерам в жировой подушке придатка яичка.

На графике нанесен один типичный пример контрольных мышей FVB в возрасте 5 недель. Кружки обозначают точки измеренных данных, а линия представляет собой аппроксимирующую кривую, которая представляет собой сумму одной гауссовой и двух экспоненциальных функций.

Таблица 2

Значения параметров модели роста жировой ткани.

Генетические и диетические эффекты на рост жировой ткани

Эти две сильные корреляции между массой жировой подушечки и гипертрофией и между массой жировой подушечки и гиперплазией позволяют предположить, что увеличение жировой ткани можно описать как систематический процесс роста в отношении для увеличения массы жировой прослойки.Мы расположили распределения клеток по размерам, отсортированные по массе эпидидимальных жировых подушек (). Примечательно, что модель роста жировой ткани в формуле. (1) описывает эволюцию распределения клеток по размеру в зависимости от увеличения массы жировых подушечек. Модель количественно соответствовала экспериментальным распределениям размеров клеток, несмотря на то, что все распределения представляют собой данные поперечного сечения, полученные от отдельных животных. Различные значения параметров в модели, которые соответствуют каждому индивидуальному распределению размеров клеток для обоих штаммов и обоих режимов диеты, дали количественные различия в процессе роста эпидидимальной жировой ткани между штаммами и между диетами ().Во-первых, максимальная зависящая от размера скорость роста и скорость колебаний размера клеток из-за обмена липидов продемонстрировали разницу, вызванную диетой, и меньшую разницу, вызванную деформацией. Зависимый от размера рост и колебания размера, приводящие к гипертрофии, по-видимому, регулируются в основном диетой. В частности, рост, зависящий от размера, переместил режим больших клеток в распределении размеров клеток в сторону больших размеров, а флуктуации липидного обмена увеличили разброс распределения вокруг режима больших клеток.Важно отметить, что результаты должны быть тщательно интерпретированы, потому что каждая скорость — это скорость на единицу увеличения массы жировой ткани, а не на единицу увеличения времени. Во-вторых, геометрические параметры (, и), которые определяют форму скорости роста, зависящей от размера, имели практически одинаковые значения независимо от диеты и разницы деформаций, за исключением. Следовательно, нижний критический размер, который дает размер, инициирующий рост клеток в зависимости от размера, и два параметра масштаба могут быть зафиксированы на с _l = 37 µ м, η _l = 12 µ м и η _u = 63 µ м соответственно.С другой стороны, верхний критический размер, ограничивающий зависимый от размера клетки рост больших клеток, зависел от диеты; при кормлении с высоким содержанием жира этот размер отсечения сместился в сторону большего размера (). При диете с высоким содержанием жиров изменения параметров (,, и) увеличивают способность жировых тканей накапливать липиды за счет как гиперплазии, так и гипертрофии. Более низкие уровни триглицеридов в сыворотке при условии диеты с высоким содержанием жиров (и) могут быть коррелированы с увеличением накопления липидов в увеличенных жировых клетках, поскольку не было обнаружено значительных различий в окислении жирных кислот, о чем свидетельствует отсутствие различий в соотношении респираторного обмена ().

Изменение распределения клеток по размерам с увеличением массы эпидидимальной жировой подушечки при кормлении и диетах с высоким содержанием жиров.

Начальные распределения размеров клеток пятинедельных контрольных мышей приведены в первой строке каждого столбца пунктирными линиями. Точками показаны экспериментальные результаты. Обратите внимание, что результаты упорядочены по массе эпидидимальной жировой подушечки, а не по хронологическому времени (недели контролируемого кормления), указанному в скобках. Сплошные линии представляют собой нормализованные распределения клеток по размеру, соответствующие данной массе эпидидимальной жировой подушечки, предсказанной моделью роста жировой ткани.

Зависимая от размера скорость роста массы придатка яичка.

Здесь для построения графика используются средние значения параметров. Символы показаны для облегчения сравнения строк.

Обсуждение

Наше центральное открытие состоит в том, что гиперплазия и гипертрофия жировых клеток в эпидидимальной жировой подушечке является функцией массы жировой подушечки, даже несмотря на то, что у отдельных животных может потребоваться разное время для достижения заданной массы жировой подушечки. Следовательно, рост жировой ткани, представленный как изменения распределения клеток по размерам, можно систематически моделировать как процесс роста по отношению к увеличению массы жировой подушечки; это может отражать корреляцию между массой жировой подушечки и секрецией адипокинов и других сигнальных молекул, контролирующих рост жировой ткани.Соответственно, следует отметить, что нормы в нашей модели — это не обычные нормы увеличения на единицу времени, а нормы увеличения на единицу массы. Таким образом, несколько коэффициентов (, и) в модели имели более высокие значения для животных, соблюдающих диету, чем для животных, соблюдающих диету с высоким содержанием жиров. Однако, если бы эти показатели были преобразованы в обычные нормы увеличения на единицу времени, они имели бы большие значения для диеты с высоким содержанием жиров, потому что требуется меньше времени для увеличения массы жировой подушечки на единицу из более крупных и более многочисленных клеток на диета с высоким содержанием жиров, чем для увеличения такой же величины за счет меньшего и меньшего количества клеток на диете (рис.S1). Было высказано предположение, что когда ожирение прогрессирует, рано возникает гипертрофия жировых клеток, а затем запускается гиперплазия [8]. Наше исследование показало, что рекрутирование новых клеток экспоненциально увеличивается с увеличением массы жировой ткани. Гипертрофия жировых клеток является основным фактором увеличения массы жировой прослойки, тогда как гиперплазия не способствует этому увеличению, потому что она возникает в небольших клетках, в которых хранится гораздо меньший объем жира. Таким образом, наша модель естественным образом воплощает идею о том, что на гиперплазию влияет гипертрофический рост клеток.С другой стороны, сообщалось, что гиперплазия жировых клеток возникает только на ранних стадиях развития; следовательно, не следует ожидать рекрутирования новых клеток на поздних стадиях даже в условиях ожирения [6], [7]. Возможно, возраст животных в нашем исследовании (6 недель) допускает возникновение гиперплазии.

Модель, разработанная здесь, может дать микроскопическое представление о росте жировых клеток, зависящем от размера, который не может быть рассмотрен статическими поперечными исследованиями.Например, мы обнаружили следующие специфические свойства роста клеток, зависящие от размера: нижний критический размер, инициирующий накопление липидов, не зависел от диеты у двух линий мышей, тогда как верхний критический размер ограничивал рост клеток до достижения необходимого уровня. необычайный размер, был увеличен на диете с высоким содержанием жиров. Эта зависимость роста клеток от размера является проверяемой гипотезой. Далее, параметр флуктуации размера клеток различался при обычном питании и рационе с высоким содержанием жиров; оно больше при диете с высоким содержанием жиров, когда оно преобразуется в единицы, соответствующие изменению единицы времени, а не единице изменения массы жировых подушечек.Таким образом, случайный процесс высвобождения и поглощения жира жировыми клетками происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров, чем при обычной диете. Может быть интересно посмотреть, можно ли распространить эти результаты на другие штаммы и организмы.

По сравнению с исследованиями, в которых наблюдали единственный пик в распределении размеров клеток жировых клеток [11], [15] — [17], [28], мы наблюдали бимодальные распределения клеток по размерам, как сообщалось другими [12], [13], [29] — [32]. В большинстве исследований [12], [13], [31], [32] по наблюдению бимодальности использовалась технология счетчика Коултера, которая имеет несколько преимуществ для оценки всего распределения размеров ячеек [31]: Во-первых, можно доказать, что анализируемые ячейки быть подлинными жировыми клетками на основе морфологии и флотации; во-вторых, объем каждой клетки оценивается независимо от формы и без артефактов смещения центра, что является правилом, а не исключением, с использованием гистологических подходов; наконец, можно подсчитать и измерить достаточное количество частиц, чтобы получить статистически значимые комплексные кривые.Напротив, микроскопические методы гистологии могут не наблюдать мелкие клетки из-за влияния увеличения микроскопа [30], небольшого количества образцов и систематической ошибки выборки. Однако при использовании счетчика Коултера контаминация, не связанная с адипоцитами, может способствовать распределению клеток по размерам, особенно при малых размерах, хотя наш минимальный диаметр клеток, 22 µ м, превышает возможные диапазоны контаминации, от 10 до 20 µ м, упомянутые Mersmann и MacNeil [31]. Чтобы быть уверенным, мы снова проанализировали модифицированные данные, используя только распределения размеров ячеек диаметром более 35 µ м с моделью, и пришли к тем же выводам (данные не показаны).Надир в распределении размеров клеток () может разделять две популяции клеток. ДеМартини и Франсендезе определили маленькие клетки с диаметром менее 35 µ м как «очень маленькие жировые клетки» [29]. Основываясь на нашей модели, эти клетки имеют незначительный рост в зависимости от размера, потому что их размер меньше нижнего критического размера, с _l = 37 µ m. Следовательно, механизм роста, зависящий от размера, может естественным образом объяснить происхождение бимодальности в распределении жировых клеток по размеру.Клетки с размером только выше могут расти в зависимости от размера, но клетки с размером меньше могут расти случайным образом с флуктуацией размера за счет липидного обмена. Это разделение вызывает накопление клеток ниже размера, что дает более низкий пик в распределении размеров клеток. Эта популяция клеток может служить потенциальным резервуаром для зрелых жировых клеток. Процесс их созревания можно интерпретировать следующим образом: жировые клетки, достигающие критического размера, вследствие случайных колебаний размера могут расти с механизмом роста, зависящим от размера.Как упоминалось выше, изменение размера происходит более активно при диете с высоким содержанием жиров; следовательно, пласт может ускорить процесс созревания в условиях стимуляции.

В модель роста ткани мы включили привлечение новых клеток и рост существующих клеток, но не гибель старых клеток, потому что модель согласовывалась с данными без апоптоза жировых клеток. Этот результат также согласуется с исследованием, в котором наблюдалось, что эпидидимальная жировая ткань мышей C57BL / 6 не показывает значительной гибели клеток до 12 недель при диете с высоким содержанием жиров [33].Однако расширенная диета с высоким содержанием жиров в конечном итоге вызывает апоптоз жировых клеток [33]. Более того, в одном недавнем исследовании сообщается, что жировые клетки человека обновляются в течение десяти лет [7]. Таким образом, наша модель все еще нуждается в улучшении, чтобы ее можно было использовать в различных условиях. Следует учитывать гибель клеток и формально учитывать зависимость параметров модели от диеты. В этом исследовании мы сосредоточились на одном жировом депо, эпидидимальном жире, по нескольким причинам: 1) вес эпидидимальных жировых подушечек может быть получен более точно, чем вес паховых жировых подушечек из-за легкости иссечения; 2) морфология жировых клеток в эпидидимальном жире более однородна, чем в паховом жире, который содержит много клеток, подобных коричневой жировой ткани, особенно у мышей, устойчивых к ожирению, вызванному диетой; и 3) разница между генотипами была более очевидной в росте эпидидимального жира, который достигает плато через 4 недели у мышей FVB, но продолжает расти у мышей C57 на протяжении всего эксперимента, в отличие от пахового жира, который показывает устойчивый рост. у обоих штаммов (рис.S1). Хотя мы не измеряли распределение по размеру клеток других жировых отложений, мы измерили изменение массы паховых и бурых жировых отложений, что показывает аналогичную картину с эпидидимальным жировым депо (рис. S1). Таким образом, представляет интерес применить модель к другим жировым отложениям, которые имеют функциональные различия [34], [35], а также к другим видам, таким как человек, что остается для будущих исследований. Мы ожидаем, что модель может быть применена к таким разнообразным наборам данных, просто настроив параметры модели, потому что модель содержит общие механизмы роста тканей для привлечения новых клеток и их последующего развития.

Наши данные показывают, что, по крайней мере, три фактора могут объяснить, почему мыши C57 набирают больше жира, чем мыши FVB, при диете с высоким содержанием жиров: во-первых, мыши FVB имеют повышенную скорость метаболизма и повышенную ректальную температуру, скорее всего, из-за повышенного симпатического тонуса. Хотя мы не обнаружили значительных различий в активности между штаммами в нашем исследовании, более подробные измерения поведения показали, что мыши FVB спонтанно гиперактивны по сравнению с мышами C57 [26]. У них также увеличивается частота сердечных сокращений [36], и они реагируют гипергликемией на различные виды лечения [37].Кроме того, они более чувствительны к стрессу, связанному с воздержанием и голоданием [38]. Все эти данные, взятые вместе, предполагают, что активность симпатической нервной системы увеличилась больше у мышей FVB, чем активность у мышей C57. Во-вторых, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 более эффективно очищают циркулирующие триглицериды [23], [24], что, по крайней мере, частично можно объяснить более высокой активностью липазы в сыворотке крови [23] и более высокой способностью накапливать триглицериды в печени [23]. ], [24] и жировой ткани (показано в этом исследовании).Хотя молекулярные механизмы клиренса триглицеридов до конца не изучены, жировая ткань явно способствует выведению триглицеридов, поскольку способность выводить циркулирующие триглицериды нарушена у липоатрофных мышей [23]. В частности, сообщалось, что диета с высоким содержанием жиров увеличивает клиренс триглицеридов [39], что может быть связано с индукцией активности липопротеинлипазы в жировой ткани [40]. Наконец, по сравнению с мышами FVB, мыши C57 показали большее количество мелких жировых клеток, особенно при диете с высоким содержанием жиров.Было высказано предположение, что новые жировые клетки могут возникать из клеток-предшественников, которые находятся в депо белого жира взрослых [41], [42], и из других источников, таких как циркулирующие клетки-предшественники костного мозга [43]. Было показано, что рекрутирование обоих типов предшественников стимулируется диетой с высоким содержанием жиров [41], [43]. Возможно, что большее рекрутирование более мелких жировых клеток у мышей C57 может быть вызвано более высоким пулом клеток-предшественников или их более высокой внутренней способностью к дифференцировке адипоцитов.Однако in vitro мезенхимальных стволовых клеток , выделенных из наружного уха мышей FVB и C57, одинаково хорошо дифференцируются в жировые клетки [44]. Попытка сравнить дифференцировку стромальных клеток костного мозга мышей FVB и C57 в жировые клетки не увенчалась успехом из-за очень низкого выхода и плохой пролиферативной способности клеток, выделенных от мышей C57 [45]; однако костный мозг, по-видимому, не является основным источником новых жировых клеток, по крайней мере, у мышей [43]. Наша модель предполагает, что разница между генотипами в рекрутировании малых жировых клеток может быть автономной по отношению к жировым подушечкам, но молекулярный механизм, лежащий в основе этого различия, неясен.Жировая подушечка — сложный орган, содержащий множество различных типов клеток, включая зрелые жировые, предадипозные и сосудистые клетки, нервы, макрофаги и фибробласты. Количество предшественников адипоцитов и их пролиферация в ответ на внешние сигналы варьируется в зависимости от жировых отложений [35]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как специфичное для генотипа взаимодействие между разными типами клеток и секретируемыми факторами может влиять на скорость рекрутирования адипоцитов в определенные жировые депо.

Таким образом, мы получили математическую модель, описывающую рост жировой ткани с увеличением количества и размера клеток в зависимости от массы жировой подушечки придатка яичка.Основываясь на этой динамической модели, мы исследовали влияние генетики и диеты на рост жировой ткани. Сравнивая распределение размеров клеток двух штаммов и двух диет, мы пришли к выводу, что изменение размера клеток зависит от диеты, а изменение количества клеток зависит от генетики и диеты, а также от их взаимодействия.

Материалы и методы

Животные

Все процедуры были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Национального института диабета, болезней органов пищеварения и почек.Самцы мышей FVB и C57 были получены из лаборатории Джексона (Бар-Харбор, штат Мэн). Мышей выращивали по четыре в клетке с 12-часовым циклом свет / темнота (свет 06: 00–18: 00). В возрасте 5 недель мышей каждой линии разделили на 2 группы. Половине мышей давали обычную пищу NIH-07 (далее REG; Zeigler Brothers, Inc., Gardners, PA), содержащую 4,08 ккал / г (11% калорий из жира, 62% из углеводов и 26% из белка). Другая половина получала диету с высоким содержанием жиров, F3282 (далее HF; Bio-Serv, Frenchtown, NJ), содержащую 5.45 ккал / г (59% жиров, 26% углеводов и 15% белков). Вода и диета предоставлялись ad libitum . Было проведено пять независимых экспериментов, в каждой из которых использовались 4 группы мышей: FVB REG, FVB HF, C57 REG и C57 HF. В трех экспериментах мышей содержали на контролируемой диете в течение 12 недель и использовали для анализа состава тела, физиологической характеристики и распределения клеток по размеру. Две дополнительные группы мышей были умерщвлены после 2 недель и 4 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира только для определения распределения клеток по размеру.

Эксперименты in vivo

Состав тела, потребление пищи, скорость метаболизма, толерантность к глюкозе, клиренс триглицеридов и окисление жирных кислот в изолированной камбаловидной мышце измеряли, как описано ранее [46]. Окисление жирных кислот всего тела измеряли, как описано в Gautam et al. [47]. Кровь для биохимических анализов брали из хвостовой вены без голодания. Уровни глюкозы измеряли с помощью Glucometer Elite (Bayer, Elkhart, IN). Сывороточный инсулин анализировали с помощью радиоиммуноанализа (Linco Research, St.Чарльз, Миссури). Триглицериды, холестерин (Thermo DMA, Луисвилл, Колорадо) и свободная жирная кислота (FFA) (Roche Applied Science, Индианаполис, Индиана) измеряли в соответствии с процедурами производителя.

Измерение размера клеток эпидидимального жира

Распределение размеров клеток эпидидимального жира измеряли через 2, 4 и 12 недель контрольного кормления с высоким содержанием жира с использованием Beckman Coulter Multisizer III, как описано ранее [9]. Вкратце, 20–30 мг жировой ткани были взяты из средней части путем рассечения и последующего удаления образца для фиксации из центра разрезанного эпидидимального жира.Образцы тканей немедленно фиксировали в четырехокиси осмия [48], инкубировали на водяной бане при 37 ° C в течение 48 ч, а затем определяли размер жировых клеток с помощью Beckman Coulter Multisizer III с апертурой 400 µ м. Диапазон размеров ячеек, которые можно эффективно измерить с помощью этой апертуры, составляет 20–240 µ м. Прибор был настроен на подсчет 6000 частиц, и суспензия фиксированных клеток была разбавлена ​​так, чтобы совпадающий счет был <10%. После сбора размеров импульсов данные были выражены в виде диаметров частиц и отображены в виде гистограмм отсчетов по диаметру с использованием линейных интервалов и линейной шкалы для оси x ().Распределение клеток по размерам было измерено в четырех образцах из каждой группы, за исключением мышей C57 после 4-недельного воздействия диеты с высоким содержанием жиров, у которых было только три доступных образца. Образец был взят из каждой жировой подушечки и обработан отдельно. Затем каждый образец был посчитан как минимум дважды. Затем кривые для двух образцов усредняются, но только после проверки воспроизводимости между двумя образцами.

Модель роста жировой ткани

Распределение размеров клеток включает всю информацию, относящуюся к размерам клеток в ткани, и его изменения дают статистическое представление о детальном процессе роста каждой клетки.Чтобы изучить рост жировой ткани с точки зрения лежащих в основе микроскопических процессов, мы рассматриваем математическую модель, количественно определяющую процессы, которые изменяют распределение клеток по размерам. Модель может предсказать, сколько новых клеток образуется и как клетки разного размера растут по мере увеличения массы жировой ткани. Плотность количества клеток определенного размера (диаметра) при данной массе жировой подушечки — это конкретное количество, которое необходимо учитывать. Мы рассматриваем, как это распределение клеток по размерам изменяется с постепенным изменением массы жировой ткани.Эволюция распределения клеток по размерам с массой жировой ткани может быть смоделирована уравнением в частных производных:

(1)

Это уравнение включает три основных компонента процесса роста жировой ткани. Во-первых, мы предполагаем, что рекрутирование новых клеток происходит только при минимальном наблюдаемом размере клетки, который математически выражается как дельта-функция. Скорость набора по отношению к массе жировой подушечки определяется экспоненциальной функцией:

(2)

, где — исходное общее количество клеток при данной начальной массе жировой подушечки, а — скорость увеличения количества клеток на единицу изменения. в массе жировой подушечки.Изменение общего числа клеток — это скорость пополнения новых клеток, если гибель клеток незначительна; мы не обнаружили необходимости включать апоптоз в клетки любого размера, чтобы соответствовать этим экспериментальным данным. Следовательно, этот коэффициент пополнения может быть непосредственно получен из экспериментального результата, используя соотношение между общим числом клеток и массой жировой подушечки, дифференцируя функцию по отношению к. Во-вторых, рост клеток зависит от размера клетки. После созревания жировых клеток до определенного размера они могут накапливать жир, вызывая гипертрофию.В дополнение к этой ограничивающей скорости роста маленьких жировых клеток, может также существовать верхний предел роста, потому что большие жировые клетки не могут расти бесконечно в результате этого процесса роста, хотя они могут достигать больших размеров из-за колебаний размера, вызванных обменом липидов. Повышение и снижение скорости роста клеток в зависимости от размера клетки можно описать с помощью общей функциональной формы, умноженной на две сигмоидальные функции,

(3)

, где представляет максимальную скорость роста; и — соответственно нижний и верхний критические размеры, которые дают половину максимальной скорости роста; и укажите их масштаб ().Наконец, последний член в формуле. (1) представляет колебания размера клеток с постоянной скоростью, которые отражают обмен липидов, случайным образом происходящий в жировых клетках. Этот липидный оборот является единственным механизмом роста для крупных клеток, размер которых превышает верхний критический размер. Как правило, рост клеток, зависящий от размера, приводит к увеличению их распределения по размерам, в то время как колебания размеров распространяют распределение по размерам.

Метод оптимизации

Чтобы оптимизировать параметры модели, чтобы они могли точно описать эволюцию распределения ячеек по размерам в эксперименте, мы использовали минимизацию «функции стоимости», которая количественно определяет отклонение между моделью и результатами эксперимента.Для определения функции стоимости нормализованное распределение размеров клеток при заданной массе жира сравнивалось с данными моделирования с набором параметров:

(6)

, где — общее количество интервалов размера клеток, а — общее количество заданных масса жира. Масштаб функции стоимости был рассчитан на основе внутренней флуктуации экспериментальных данных, которую можно определить как квадрат отклонения между измеренным распределением ячеек по размерам и функцией плавной подгонки:

(7)

Это внутреннее колебание численно составляет около 10 процентов квадрата отклонения между экспериментальными и модельными данными.В качестве функции аппроксимации мы использовали сумму двух экспонент и гауссову форму,

(8)

, форму, которая использовалась для аппроксимации распределений размеров жировых клеток [9]. Подбор этих параметров был выполнен с использованием процедуры подбора нелинейной кривой в MATLAB R2007a (Натик, Массачусетс, США). Для процесса оптимизации мы специально использовали метод Монте-Карло с параллельным темперированием, чтобы найти глобальный минимум функции стоимости [50]. Мы использовали 10 равномерно распределенных значений (от 0,1 до 1) для параметра темперирования и запускали десять цепочек параллельно с вероятностью обновления.На каждых 20 шагах случайным образом выбиралась пара смежных имитаций по десяти параметрам отпуска, и их состояния параметров менялись с вероятностью. После достижения равновесия было использовано 20 000 итераций с фиксированным параметром отпуска для оценки оптимальных значений параметров и их стандартных ошибок.

Мы также использовали этот метод для оценки исходного общего количества клеток, и скорости его увеличения, исходя из соотношения между жировой массой и общим количеством клеток (). При минимизации функции аппроксимации и экспериментальных данных мы использовали ограничение, согласно которому начальное количество клеток одинаково независимо от условий диеты, т.е.е., обычные и жирные диеты. Средняя жировая масса четырех контрольных мышей перед обычным рационом и диетой с высоким содержанием жиров была использована в качестве начальной жировой массы, которая составляет 0,34 г и 0,29 г для мышей FVB и C57, соответственно. Мы оценили погрешности и, распространив 10-процентные статистические флуктуации, наблюдаемые в экспериментальных данных.

Численное решение дифференциального уравнения с частными производными

Мы решили следующую дискретную версию нашей модели, заданную как непрерывное дифференциальное уравнение с частными производными в формуле.(1):

(9)

с интервалом масс δm = 0,1 мг и интервалом размеров δs = 0,73 µ м.

В чем разница между гипертрофическим ожирением и гиперклеточным ожирением?

Гипертрофия и гиперплазия жировой ткани брюшной полости у женщин

Целью настоящего исследования было изучить депо-специфические паттерны экспрессии выбранных генов, связанных с дифференцировкой адипоцитов или метаболизмом липидов в подкожно-жировой ткани сальника у женщин.Мы проверили гипотезу о том, что гиперплазия и гипертрофия жировых клеток, о чем свидетельствует экспрессия адипогенных генов и размер клеток, будут преобладать в подкожном, а не сальниковом жире в нашей выборке женщин. Как и ожидалось, настоящее исследование ясно показывает, что женщины с ожирением склонны к накоплению жира в подкожном отделе, а не во внутренних органах. С другой стороны, мы обнаружили, что размер клеток в обоих депо был связан с общей жировой массой с аналогичными наклонами регрессии, предполагая, что подкожная ткань характеризуется повышенной гиперплазией жировых клеток в дополнение к гипертрофии существующих клеток.Соответственно, уровни экспрессии адипогенных генов были выше в подкожном слое, чем в сальниковом жире, и только подкожные уровни этих генов отслеживались с ожирением. Эти результаты показывают, что у женщин с ожирением гиперплазия преобладает в подкожно-жировом депо, тогда как гипертрофия жировых клеток наблюдается как в сальниковом, так и в подкожном отделах. Это первое исследование, в котором изучаются паттерны экспрессии адипогенных генов сальника и подкожного жира в сочетании с компьютерной томографией распределения жира в организме и измерениями размера жировых клеток в обоих отделах.

Увеличение массы жировой ткани является результатом увеличения размера клеток адипоцитов (гипертрофия), количества клеток адипоцитов (гиперплазия) или того и другого. ²³ Объем адипоцитов отражает баланс между липогенезом и липолизом, тогда как количество адипоцитов определяется привлечением клеток-предшественников адипоцитов в зрелые, накапливающие липиды адипоциты. Наши результаты показали заметную разницу, с одной стороны, в регрессии размера адипоцитов к общей массе жира в организме, а с другой — в регрессии площади жировой ткани и общей массы жира в организме.Тот факт, что наклоны регрессии размера подкожных и сальниковых жировых клеток были параллельны, косвенно свидетельствует о том, что у тучных женщин пропорционально больше адипоцитов в обоих жировых отсеках по сравнению с худыми женщинами. И наоборот, тот факт, что регресс области подкожной жировой ткани был намного круче, чем регресс области висцеральной жировой ткани с общей массой жира, предполагает, что подкожный жир гиперплазирован у полных женщин. Соответственно, мы обнаружили важные различия между сальниковой и подкожной экспрессией генов, связанных с дифференцировкой жировых клеток и липогенезом.Мы исследовали мРНК для 5 факторов транскрипции, которые, как известно, играют важную роль в дифференцировке адипоцитов (CEBPα, CEBPβ, CEBPδ, PPARγ и SREBP1c), и обнаружили более высокую экспрессию CEBPα, PPARγ2 и SREBP1c в подкожно-жировой клетчатке брюшной полости. Эти данные также согласуются с представлением о том, что рекрутирование новых жировых клеток происходит с большей скоростью в подкожном депо, чем в сальниковом жире. Профиль экспрессии шести генов, связанных с метаболизмом липидов (LPL, FABP4, DGAT1, DGAT2, PLIN и HSL) в подкожной жировой ткани и сальниковой жировой ткани, которые были значительно больше в подкожно-жировом компартменте, также подтверждает обнаружение адипогенной активности. подкожно-жировой клетчатки у женщин.

Несколько исследований согласуются с нашими выводами. Tchkonia et ​​al. ²⁴ показали, что жировая ткань содержит две разные популяции адипоцитов, которые регионально различаются по своей репликативной способности и адипогенезу. Интересно, что подтип с более низкой способностью к репликации, накоплению липидов и экспрессии C / EBPα был наиболее распространен в популяции сальниковых преадипоцитов. У худых женщин процент коммитированных преадипоцитов в подкожном отделе достигал 30% фракции стромоваскулярных клеток, ²⁵ , тогда как количество коммитированных преадипоцитов было уменьшено у полных женщин и составляло только 10% от общего количества стромоваскулярных клеток. . ²⁶ Эти результаты предполагают, что доступность коммитированных преадипоцитов уменьшается по мере увеличения ожирения. ²⁵ Уменьшение количества коммитированных преадипоцитов в подкожной клетчатке брюшной полости у женщин с ожирением может быть связано со скоростью дифференцировки существующих преадипоцитов и образованием новых жировых клеток при ожирении. Наши результаты согласуются с этой гипотезой.

Депо-специфическая экспрессия генов, участвующих в дифференцировке адипоцитов и разрастании жировой ткани, изучалась в нескольких исследованиях.Giusti et ​​al. ²⁷ показали, что SREBP1c и CEBPα были значительно более распространены в подкожной жировой ткани, чем во висцеральной жировой ткани у женщин с ожирением. Однако та же группа также показала в выборке женщин с тяжелым ожирением, что только PPARγ1, а не PPARγ2, был более обильным в подкожном отделе. ¹¹ Тот факт, что в наше исследование были включены женщины от худых до полных, может объяснить эту разницу. Также в соответствии с нашими результатами, Lefebvre et ​​al. ¹² показали, что уровень экспрессии PPARγ2 был вдвое выше в подкожном, чем в сальниковом жировом компартменте, у субъектов с ИМТ ниже 30 кг / м. ² .

В некоторых исследованиях также сообщалось, что экспрессия CEBPα и PPARγ была выше в преадипоцитах из подкожного депо, чем в преадипоцитах, выделенных из жира сальника. ^{28, 29, 30} Недавние исследования с использованием микроматричного анализа также показали, что жировая ткань или преадипоциты из депо сальника и подкожного жира имеют различные профили экспрессии. ^{30, 31} Различия в экспрессии адипогенных генов в жировых клетках из разных депо могут способствовать региональному распределению жира.

PPARγ играет важную роль в развитии и распределении жировой ткани. У мышей с доминантно-негативной мутацией в PPARγ наблюдается измененное развитие подкожно-жировых подушечек, что указывает на роль PPARγ в контроле локализации и распределения жировой ткани. Удаление или нарушение функции PPARγ, особенно в жировой ткани, привело к инсулинорезистентному липодистрофическому фенотипу. ³² У людей агонисты PPARγ улучшают метаболический профиль, стимулируя набор жировых клеток, в частности, в подкожно-жировой компартмент. ^{33, 34} Наши результаты согласуются с этим эффектом агонистов PPARγ в подкожно-жировой клетчатке и косвенно предполагают, что внутренние депо-специфические свойства жировых тканей, такие как способность к гиперплазии, определяют их соответствующую реакцию на такую ​​стимуляцию.

Клеточный состав жировой ткани изменяется по мере увеличения ожирения.Например, инфильтрация макрофагов более важна в сальниковом жире, чем в подкожном жире, и увеличивается с увеличением ИМТ. ^{35, 36} Принимая во внимание тот факт, что макрофаги могут составлять важный процент клеток у мужчин и женщин с ожирением, это может способствовать дифференциальной экспрессии генов, участвующих в адипогенезе или метаболизме липидов. В настоящем исследовании, однако, женщины охватывали широкий диапазон значений ИМТ, что должно ослабить возможный вклад макрофагов в изучаемые профили экспрессии.

Подкожная и висцеральная жировая ткань различаются по своим физиологическим, метаболическим свойствам и потенциальному вкладу в факторы риска заболевания. Подкожный жир организован в виде плотно упакованных долек, тогда как жир в висцеральных депо находится в долях, которые имеют более неправильную форму и менее организованы. Подкожная жировая ткань относительно стабильна метаболически по сравнению с компартментом висцерального жира. Недавно мы предположили, что подкожное депо представляет собой первичное жировое депо. ³⁷ Мы также предположили, что расширение депо подкожного жира происходило при гормональных и энергетических условиях, которые способствовали такому накоплению жира (например, половое созревание у женщин), и что, когда емкость подкожного депо становилась ограниченной, расширение вторичные жировые отложения, в том числе висцеральный жир. Количество адипоцитов и анатомическая локализация являются основными детерминантами метаболических последствий, связанных с ожирением. ³⁸ Более высокая емкость подкожного отделения у женщин теоретически может предотвратить накопление жира в висцеральном отделе и объяснить более низкую распространенность метаболических нарушений у женщин по сравнению с мужчинами.

В настоящем исследовании мы использовали компьютерную томографию для разделения глубоких и поверхностных участков жировой ткани. Эти анатомически различные компартменты брюшной подкожно-жировой клетчатки разделены фасциальной плоскостью (называемой поверхностной или подкожной фасцией), которая является периферической и сливается с подлежащей мышечной стенкой в ​​расходящихся прядях в определенных анатомических местах. ^{39, 40} Между этими двумя слоями жировой ткани наблюдались важные морфологические различия. ⁴⁰ В настоящем исследовании не наблюдалось никаких различий в регрессии общей жировой массы в области поверхностной подкожной или глубокой подкожной жировой ткани. Эти результаты косвенно предполагают, что женщины с ожирением накапливают липиды в обоих отделах жира с одинаковой скоростью, без различия между глубоким и поверхностным подкожным слоем. Наши образцы жировой ткани были взяты из поверхностного слоя в настоящем исследовании. Будущие исследования, изучающие оба подкожно-жировых отдела по отдельности, могут помочь в четком определении того, какой слой жира более склонен к гиперплазии жировых клеток: поверхностный или глубокий.

Следует отметить некоторые ограничения настоящего исследования. Поперечный дизайн этого исследования не дает информации о направленности ассоциаций. Таким образом, невозможно определить, как прибавка или потеря веса влияют на экспрессию различных исследованных генов или как это может повлиять на размер и метаболизм жировых клеток в каждом депо.