dlouhodobá ketogenní strava indukuje metabolickou acidózu, anémii a oxidační stres u zdravých potkanů Wistar

Abstrakt

pozadí. Ketogenní dieta byla použita jako podpůrná léčba v řadě stavů včetně epilepsie, diabetes mellitus a rakoviny. Cíl. Cílem této studie bylo prozkoumat účinky dlouhodobé konzumace ketogenní stravy na krevní plyn, hematologické profily, funkce orgánů a hladinu superoxiddismutázy v modelu potkanů. Materiály a metody. Patnáct samců potkanů Wistar bylo rozděleno do kontrolních (n = 8) a ketogenních (n = 7) skupin. Kontroly obdržely standardní dietu obsahující 52.20% sacharidů, 7.00% tuku a 15.25% bílkovin; mezitím ketogenní skupina obdržela dietu s vysokým obsahem tuku a nízkým obsahem sacharidů, která obsahovala 5.66% sacharidů, 86.19% tuku a 8.15% bílkovin. Všechny krysy byly jednotlivě v kleci a dostaly 30 g standardních pelet nebo pelet s vysokým obsahem tuku a nízkým obsahem sacharidů. Experiment byl proveden po dobu 60 dnů před odebráním vzorků krve a analýzou za účelem získání krevního plynu, počtu buněk, biomarkerů orgánů a hladin antioxidační superoxiddismutázy v plazmě (SOD). Test. U potkanů vystavených ketogenní dietě došlo k výraznému snížení tělesné hmotnosti, hladiny cukru v krvi a zvýšení ketonů v krvi (). Průměrné pH krve bylo 7, 36 ± 0, 02 a nadbytek báze byl -5, 57 ± 2, 39 mOsm/L, které byly významně nižší než kontroly (). Hematologická analýza ukázala významně nižší hladiny erytrocytů, hemoglobinu a hematokritu. Nebyly zjištěny žádné významné změny hladin alaninaminotransferázy, aspartátaminotransferázy, močoviny a kreatininu, což svědčí o normálních funkcích jater a ledvin. Nicméně hladina SOD v plazmě významně snížena ketogenní dietou. Uzavření. Dlouhodobá ketogenní strava indukuje metabolickou acidózu, anémii a sníženou hladinu antioxidačních enzymů u potkanů po 60 dnech konzumace stravy s vysokým obsahem tuku a nízkým obsahem sacharidů.

1. Úvod

ketogenní strava je potravinový režim, který se skládá z vysoké koncentrace tuku, se středním / nízkým obsahem bílkovin a velmi nízkým obsahem uhlohydrátů. Tento typ stravy vyvolává vysokou produkci ketonových těl odvozených z rozkladu tuku za vzniku energie . Některé studie ukazují, že ketogenní strava má terapeutické přínosy v řadě nemocí. Doporučuje se jako doplňková léčba syndromu polycystických vaječníků, akné, rakoviny a respiračních potíží . Je také prospěšné jako antikonvulzivní terapie ke snížení frekvence záchvatů u lidí s epilepsií . Ketogenní strava může také pomoci snížit hladiny HbA1C u lidí s diabetem typu 2, udržovat stabilitu nálady u lidí s bipolární poruchou a snižovat hladinu cholesterolu u obézních pacientů .

klinická studie prokázala, že krátkodobá ketogenní strava po dobu 14 dnů může zvýšit koncentraci ketonových těl v krvi, ale také zlepšila antioxidační kapacitu krve, která přispívá ke snížení oxidačního stresu . Další klinická studie ukázala, že konzumace ketogenní stravy po dobu 20 dnů významně snížila usazeniny oxidu uhličitého v těle, což může mít klinický přínos u pacientů se zvýšeným PaCO2 v důsledku respiračního selhání .

navzdory svému populárnímu použití vyvstávají určité obavy z toho, jak ketogenní strava ovlivní systém celého těla. Vzhledem k tomu, že ketogenní strava nahrazuje glukózu tukem jako hlavním zdrojem energie, je tělo nuceno aktivovat řadu metabolických procesů tuků, aby získalo energii . Tukové metabolické procesy tvoří jako hlavní produkt acetyl koenzym A (acetyl-CoA), který pak vstupuje do cyklu kyseliny citronové a oxiduje se za vzniku ATP . Acetyl-CoA, který překračuje dostupnost oxaloacetátu a / nebo aktivitu cyklu kyseliny citronové, vede ke zvýšení ketonových těl(acetoacetát, β-hydroxybutyrát a aceton). Tento proces se nazývá ketogeneze . Ketonová těla tvořená ketogenními dietami jsou kyselá; proto nadměrné vylučování těchto kyselin ledvinami může způsobit snížení alkalických rezerv nebo hydrogenuhličitanových iontů (HCO3-) . Výsledkem je, že důsledky ketogenní stravy snížily pH krve, což vedlo k ketoacidóze .

několik zvířecích modelů bylo použito k poznání účinku stravy s vysokým obsahem tuku na funkci životně důležitých orgánů, jako jsou ledviny a játra . Dieta s vysokým obsahem tuku pravděpodobně vyvolá snížení mitochondriálního chinonového fondu a je spojena se zvýšenou tvorbou mitochondriálních reaktivních druhů kyslíku (ROS) v játrech potkanů . Bylo prokázáno, že dieta s vysokým obsahem tuku indukuje změnu metabolismu lipidů v ledvinách u myší, zejména rovnováhu mezi lipogenezí a lipolýzou, což vede k akumulaci lipidů v ledvinách a následně k renální dysfunkci .

Chcete-li získat komplexnější údaje o tom, jak může ketogenní strava ovlivnit systém celého těla, byla tato studie zaměřena na zkoumání účinků dlouhodobé konzumace ketogenní stravy na profily krevních plynů, hematologické parametry, funkce orgánů a úroveň antioxidantů v modelu potkanů.

2. Materiály a metody

2.1. Příprava standardní a ketogenní stravy

standardní jídlo bylo získáno od výrobce jako standardní pelety pro hlodavce (AD2®, Indonésie), zatímco ketogenní jídlo bylo připraveno v naší laboratoři zapojením odborníka na výživu. Ketogenní pelety obsahují 30% nečistého tuku smíchaného se 70% kozího tuku (Tabulka 1), který je formulován na základě softwaru NutriSurvey® pro výpočet příjmu kalorií a procenta makro a mikroživin na gram pelety. Všechny přísady byly zkapalněny a smíchány pomocí ručního mixéru a poté zmrazeny po dobu 24 hodin při teplotě -20°C. ztuhlý materiál byl poté rozdrcen a formován na pelety. Standardní a ketogenní pelety byly poté vyšetřeny na jejich obsah tuku, bílkovin a sacharidů v laboratoři chemie potravin pro zvířata, Fakulta živočišné vědy, Universitas Hasanuddin.

2.2. Experimentální protokoly

samci potkanů Wistar o hmotnosti 200-330 g ve věku 3-4 měsíců (n = 15) byli aklimatizováni po dobu 7 dnů v laboratoři před zahájením experimentu. V této fázi dostaly všechny krysy standardní pelety a vodu ad libitum. O krysy bylo pečováno podle standardu pro laboratorní péči o zvířata a všechny protokoly o zvířatech byly schváleny etickou komisí pro zvířata Lékařské fakulty Universitas Hasanuddin. Krysy byly rozděleny do dvou skupin. První skupina (n = 8) dostala standardní dietu, zatímco druhá skupina dostávala ketogenní stravu po dobu 60 dnů. Toto 60denní období života dospělých potkanů odpovídá ∼4 letům lidského života . Každá krysa byla v kleci jednotlivě a nabídla 30 g jídla denně ad libitum a nepodléhala kalorickému omezení. Zbývající jídlo bylo zváženo každé ráno, aby se zaznamenal příjem kalorií každé krysy. Vzorky krve byly odebrány po 60 dnech léčby a připraveny k další analýze.

2.3. Analýza krevních plynů, hematologických parametrů, biomarkerů orgánů a hladiny superoxiddismutázy

analýza krevních plynů byla provedena na plné krvi potkanů bezprostředně po odběru krve pomocí analyzátoru i-Stat® (Abbott®). Pro hematologickou analýzu byly vzorky krve odebrány pomocí BD® vacutainer s EDTA, odstředěny po dobu 20 minut rychlostí 3000 ot / min, než byly analyzovány pomocí hematologického analyzátoru (Thermo Scientific®). Biomarkery orgánů, jako je alaninaminotransferáza (ALT), aspartátaminotransferáza (AST), kreatinin a močovina, byly měřeny pomocí Humalyzeru 3500 (Human Global Diagnostic®) podle pokynů na sadách činidel (Human®). Pro měření hladiny superoxiddismutázy v plazmě (SOD) byla plazma připravena na základě instrukcí v krysím SOD pro ELISA kit (Abbexa®) a analyzována pomocí čtečky enzymově vázaných imunosorbentů (ELISA) (Thermo Scientific®).

2.4. Analýza Peroxidační aktivity lipidů v jaterních a renálních tkáních

na konci experimentu byly krysy anestetizovány, utraceny a byla provedena laparotomie. Játra a ledviny potkanů byly odstraněny a okamžitě ponořeny do kapalného dusíku. Orgány byly zváženy 400 mg a homogenizovány před přidáním 2 mL roztoku fosfátového pufru pH 7.4. Směs se odstředí při 3000 ot / min po dobu 20 minut. Supernatant (0,5 mL) se smísí s 1 mL 1% kyseliny thiobarbiturové a 1 mL 1% kyseliny trichloroctové a zahřívá se na 100°C po dobu 20 minut. Směs se potom odstředí při 3000 ot / min po dobu 10 minut, aby se zbytek oddělil. Peroxidace orgánových lipidů byla měřena jako hladina malondialdehydu (MDA) (λ = 530 nm) pomocí UV-VIS spektrofotometru (Agilent®).

2.5. Statistická analýza

získaná data byla analyzována pomocí softwaru SPSS IBM 23. Distribuce dat byla zkoumána pomocí Kolmogorov-Smirnov k určení, zda byla data normálně distribuována nebo ne. Data, která byla normálně distribuována, byla následně analyzována pomocí nezávislého t-testu, zatímco data, která nebyla normálně distribuována, byla analyzována pomocí testu Mann–Whitney U. Významný rozdíl byl dosažen if nebo velmi významný rozdíl if . Všechny údaje byly uvedeny v průměru ± SEM.

3. Výsledky

3.1. Dlouhodobá ketogenní strava na potkanech způsobuje významný úbytek hmotnosti, sníženou hladinu glukózy v krvi a zvýšené hladiny ketonů v krvi

složení potravy ketogenní pelety má mnohem méně sacharidů (5, 66% oproti 52.20%) a mnohem vyšší obsah tuku (86 .19% proti 7,00%) ve srovnání se standardní dietou (Tabulka 2). Kalorie standardního jídla je 5,85 kCal / g, zatímco kalorie ketogenní pelety je 8,29 kCal / g. průměr denního příjmu kalorií na krysu v každém týdnu je uveden v tabulce 3. Bylo zjištěno, že standardní skupina spotřebovala více jídla než ketogenní skupina; příjem kalorií obou skupin je tedy navzdory rozdílu v kaloriích na gram potravy velmi podobný.

bylo zjištěno, že rozdíl ve složení stravy významně ovlivňuje tělesnou hmotnost, hladinu glukózy v krvi a hladiny ketonů v krvi u samců potkanů po 60denním příjmu. Tabulka 4 ukazuje vliv ketogenní stravy na tělesnou hmotnost potkanů po 60 dnech. Zatímco u všech potkanů krmených standardní dietou došlo po 2 měsících k nárůstu hmotnosti (v průměru o 25% oproti výchozí hmotnosti), u potkanů krmených ketogenními látkami došlo k úbytku hmotnosti přibližně o 100 g oproti výchozí tělesné hmotnosti (ztráta o 40%).

kromě úbytku hmotnosti byla hladina glukózy v krvi potkanů krmených ketogenními látkami významně nižší ve srovnání se standardní dietou (Obrázek 1). V této fázi byla hodnota glukózy v krvi 57 ± 5, 69 mg / dl, což naznačuje hypoglykemický stav skupiny ketogenní stravy. Mezitím se hladina ketonu v krvi výrazně zvýšila v ketogenní skupině, asi 8krát vyšší než u standardních potkanů (7,97 ± 0,15 vs 0,34 ± 0,02 mmol/L).

(a)

(b)

(a)
(b)

Obrázek 1

hladina glukózy v krvi a krevní keton potkanů konzumujících standardní a ketogenní stravu po dobu 60 dnů. Symbol ∗∗ znamená velmi významný rozdíl () mezi skupinami.

3.2. Dlouhodobá ketogenní strava významně snížila pH krve a snížila nadbytek báze

analýza hodnot krevních plynů ukazuje, že podávání ketogenní stravy po dobu 60 dnů způsobuje významnou změnu homeostázy krevních plynů (Tabulka 5). Bylo zjištěno, že po 2 měsících ketogenní stravy došlo k velmi významnému snížení pH v krvi potkanů ve srovnání s těmi, kteří byli krmeni standardní dietou (). Snížení pH krve nebylo doprovázeno významnými změnami tlaku oxidu uhličitého (pCO2), tlaku kyslíku (pO2), celkového oxidu uhličitého (TCO2) a saturace hemoglobinem kyslíkem (SO2). Přestože hladina hydrogenuhličitanu v krvi () ketogenní skupiny se nevýznamně snížila (19,74 ± 2,54 oproti 22,75 ± 0,79 mmol / L), bylo zjištěno, že základní nadbytek skupiny byl ve srovnání se standardní skupinou významně nižší ().

3.3. Dlouhodobá ketogenní strava indukuje anémii u samců potkanů

výsledek hematologické analýzy po podání standardní a ketogenní stravy po dobu 60 dnů je uveden v tabulce 6. Zdá se, že ketogenní skupina má mírně nižší počet červených krvinek (RBC), významně nižší hemoglobin a hematokrit, stejně jako významně menší střední korpuskulární objem (MCV) a střední korpuskulární hemoglobin (MCH) indexy. Tyto hematologické abnormality naznačují, že krysy krmené ketogenní dietou byly anemické.

3.4. Dlouhodobá ketogenní strava významně nemění funkce jater a ledvin

tato studie také měřila účinek dlouhodobé ketogenní stravy u potkanů na funkce jater a ledvin. Výsledek je uveden na obrázku 2. Z údajů se ukázalo, že hladiny jaterních biomarkerů, alaninaminotransferázy (ALT) a aspartátaminotransferázy (AST), se mezi standardními a ketogenními skupinami významně nelišily. Při porovnání testu renálních funkcí však bylo v ketogenní skupině zjištěno mírné zvýšení hladin kreatininu a močoviny v plazmě ve srovnání se standardem, i když rozdíl nebyl statisticky významný.

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)
(b)
(c)
(d)

Obrázek 2

hladina aspartátaminotransferázy (a), alaninaminotransferázy (b), plazmatického kreatininu (c) a plazmatické močoviny (d) u potkanů konzumujících standardní a ketogenní stravu po dobu 60 dnů.

3.5. Dlouhodobá ketogenní strava zvyšuje peroxidaci lipidů a snižuje hladinu antioxidantů

úroveň peroxidace lipidů a antioxidační aktivity by mohla být dobrým indikátorem pro odhalení úrovně oxidačního stresu v systému. V této studii bylo zjištěno, že ketogenní strava u potkanů po dobu 60 dnů může vyvolat zvýšení hladiny malondialdehydu (MDA)v játrech a ledvinách (obrázek 3). Zvýšení hladiny MDA v obou životně důležitých orgánech bylo v ketogenní skupině velmi významné ve srovnání se standardem (). Zvýšení hladiny MDA v ketogenní skupině bylo doprovázeno sníženou hladinou antioxidační superoxiddismutázy (SOD), která byla ∼o 80% nižší ve srovnání se standardem ().

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

obrázek 3

hladina jaterního malondialdehydu (a), renálního malondialdehydu (b) a plazmatické superoxiddismutázy (c) u standardních potkanů krmených ketogenními látkami. Symbol ∗∗ znamená velmi významný rozdíl () mezi skupinami.

4. Diskuse

ketogenní strava získala pozornost veřejnosti od doby, kdy byla poprvé zavedena jako alternativní terapie farmakorezistentní epilepsie . V dnešní době se používání ketogenní stravy rozšířilo nad rámec epileptické terapie; jeho použití u zdravých jedinců se stalo populárnějším, zejména u těch, kteří chtějí zhubnout. Bohužel výhody ketogenní stravy mohou mít vedlejší účinky. Tato studie zkoumala dlouhodobé účinky ketogenní stravy u zdravého modelu samců potkanů, aby získala více informací o možných komplikacích tohoto typu stravy.

standardní potraviny s vysokým obsahem sacharidů umožňují tělu používat glukózu jako hlavní zdroj energie. Pokud je příjem uhlohydrátů více než dostatečný k uspokojení potřeb ATP, tělo fyziologicky přemění glukózu na glykogen jako zásoby energie v tkáních. Spotřeba stravy bohaté na sacharidy také způsobí zvýšení množství tuku uloženého v tukové tkáni pod kůží nebo v břišní dutině. To je hlavní důvod pro zvýšení tělesné hmotnosti potkanů krmených standardní stravou.

na druhé straně krysy léčené ketogenní dietou měly významný úbytek hmotnosti v důsledku indukované ketózy. Ketogenní strava s vysokým obsahem tuku, nízkým obsahem bílkovin a nízkým obsahem sacharidů složení činí tělo závisí na procesu glukoneogeneze, tvorba nekarbokarbonátu glukózy, produkovat energii . Pokud se mastné kyseliny (obsah tuku) používají hlavně k výrobě energie, indukují tvorbu ketonových těl, jako je acetoacetát, beta-hydroxybutyrát a aceton. Přítomnost ketózy v ketogenní skupině byla potvrzena významně vyšší hladinou ketonu v krvi (∼8 mmol / L) a významně nízkou hladinou cukru v krvi (<60 mg/dl). Kromě úbytku hmotnosti dochází u potkanů také ke snížení pH nebo acidózy, ke které dochází v důsledku zvýšené hladiny ketonu v krvi . Ketonová těla jsou kyselá; zvýšení ketolátek v oběhu tedy může vyvolat acidózu .

anémie není neobvyklé vedlejší účinky stravy s vysokým obsahem tuku. Tato studie také zjistila snížené hematologické indexy, jako je RBC, hemoglobin, hematokrit, MCV a MCH u potkanů krmených ketogenní dietou po dobu 60 dnů. Studie na epileptických dětech ukázaly, že ketogenní strava pravděpodobně způsobuje anémii, ke které může dojít v důsledku dietního omezení, což vede k nedostatku mědi . Tuto komplikaci ketogenní stravy však lze zvládnout doplněním mědi.

v této studii podávání ketogenní stravy potkanům po dobu 60 dnů významně nezměnilo funkci jater a ledvin. Plazmatický kreatinin a močovina potkanů krmených ketogenními látkami však byly o něco vyšší než krysy krmené standardem, což může naznačovat malý účinek ketogenní stravy na funkci ledvin. Tento účinek by mohl být výraznější, pokud se prodlouží doba podávání ketogenní stravy.

je zajímavé, že ačkoli funkce jater a ledvin nebyly významně změněny, peroxidační aktivita lipidů v obou orgánech se významně zvýšila. To bylo indikováno významně vyšší hladinou MDA v jaterních a renálních tkáních u potkanů krmených ketogenními látkami ve srovnání se standardní dietou. Zvýšená aktivita peroxidace lipidů by mohla být vyvolána zvýšením reaktivních druhů kyslíku (ROS) v orgánech a neschopností aktivity antioxidačního enzymu chránit buněčné membrány před poškozením vyvolaným ROS. Tento výsledek by se mohl objevit jako potenciální hrozba pro oba orgány, pokud by byla strava udržována déle než zkoumané období. V souladu s tím se plazmatická koncentrace superoxiddismutázy (SOD) významně snížila u zvířat krmených ketogenními látkami (), což naznačuje přítomnost oxidačního stresu vyvolaného dlouhodobou ketogenní dietou u potkanů.

důvod, proč ketogenní strava může vyvolat oxidační stres, byl vysvětlen v několika studiích. Je známo, že ketonová těla stimulují mitochondrie k produkci více ATP ve srovnání s glukózou . Metabolismus tuků však vyžaduje složitější procesy, jako je redukce, oxidace, hydroxylace a konjugace, které mohou zvýšit produkci reaktivních druhů kyslíku (ROS) v jaterních buňkách . Pokud je uvolňování ROS v rovnováze s antioxidačními aktivitami těla, lze zabránit výskytu oxidačního stresu. Naproti tomu, pokud tvorba ROS překročila antioxidační hladiny, volné radikály napadnou makromolekuly, jako jsou proteiny, polysacharidy, DNA a buněčné membrány, které obsahují polynenasycené mastné kyseliny, což vede k poškození buněk . Tato studie ukazuje zvýšení hladin MDA v játrech a ledvinách, což je doprovázeno snížením plazmatické SOD po 60denní konzumaci ketogenní stravy. To by mohlo znamenat preventivní opatření pro dlouhodobé používání ketogenní stravy.

5. Závěry

navzdory úbytku hmotnosti, nízké hladině cukru v krvi a vysoké hladině ketonu v krvi vyvolala udržitelná konzumace keto stravy po dobu 60 dnů u potkanů také některé účinky, jako je metabolická acidóza, anémie a snížení hladiny antioxidačních enzymů v plazmě. Je zajímavé, že i když došlo k významnému zvýšení peroxidační aktivity lipidů na játrech a ledvinách, obě funkce orgánů zůstaly nedotčeny, alespoň během zkoumaného období.

Dostupnost Dat