Bewertung der metabolischen Wirkungen des isokalorischen 2:1 Intermittierendes Fasten bei Mäusen
Summary
Der aktuelle Artikel beschreibt ein detailliertes Protokoll für isokalorisches 2:1 intermittierendes Fasten zum Schutz und zur Behandlung vor Fettleibigkeit und gestörtem Glukosestoffwechsel bei Wildtyp- und Ob-/Ob-Mäusen.
Abstract
Intermittierendes Fasten (IF), eine diätetische Intervention mit periodischer Energieeinschränkung, wurde als zahlreiche Vorteile und gegen metabolische Anomalien. Bisher wurden verschiedene Arten von IF-Modellen mit unterschiedlichen Fasten- und Fütterungszeiten dokumentiert. Die Interpretation der Ergebnisse ist jedoch eine Herausforderung, da viele dieser Modelle multifaktorielle Beiträge aus Zeit- und Kalorienrestriktionsstrategien beinhalten. Beispielsweise kann das alternative Tagesfastenmodell, das häufig als Nagetier-IF-Therapie verwendet wird, zu einer Unterfütterung führen, was darauf hindeutet, dass der nutzende Gesundheitsnutzen dieser Intervention wahrscheinlich sowohl über Kalorienrestriktions- als auch über Fasten-Refeeding-Zyklen vermittelt wird. Kürzlich wurde erfolgreich nachgewiesen, dass 2:1 IF, bestehend aus 1 Fastentag und 2 Tagen Fütterung, Schutz vor ernährungsbedingter Fettleibigkeit und metabolischen Verbesserungen bieten kann, ohne dass die Gesamtkalorienaufnahme reduziert wird. Hier wird ein Protokoll dieser isokalorischen 2:1 IF Intervention bei Mäusen vorgestellt. Ebenfalls beschrieben ist ein Paarfütterungsprotokoll (PF), das erforderlich ist, um ein Mausmodell mit verändertem Essverhalten, wie Hyperphagie, zu untersuchen. Mit dem 2:1 IF-Regime wird gezeigt, dass isokalorisches IF zu einer reduzierten Körpergewichtszunahme, einer verbesserten Glukosehomöostase und einem erhöhten Energieaufwand führt. Daher kann dieses Regime nützlich sein, um die gesundheitlichen Auswirkungen von IF auf verschiedene Krankheitszustände zu untersuchen.
Introduction
Moderner Lebensstil ist mit längerer täglicher Nahrungsaufnahmezeit und kürzeren Fastenzeitenverbunden 1. Dies trägt zur aktuellen globalen Fettleibigkeitsepidemie bei, mit metabolischen Nachteilen beim Menschen. Fasten wurde in der gesamten Geschichte der Menschheit praktiziert, und seine vielfältigen gesundheitlichen Vorteile umfassen längere Lebensdauer, reduzierte oxidative Schäden, und optimierte Energie Homöostase2,3. Unter mehreren Möglichkeiten, Fasten zu praktizieren, periodische Energieentzug, als intermittierendes Fasten (IF) bezeichnet, ist eine beliebte Diätmethode, die von der allgemeinen Bevölkerung aufgrund seiner einfachen und einfachen Therapie weit verbreitet ist. Jüngste Studien in präklinischen und klinischen Modellen haben gezeigt, dass IF gesundheitliche Vorteile bieten kann, die mit verlängertem Fasten und Kalorienrestriktion vergleichbar sind, was darauf hindeutet, dass IF eine potenzielle therapeutische Strategie für Adipositas und Stoffwechselerkrankungen sein kann2,3,4,5.
IF-Therapien variieren in Bezug auf Fastendauer und -häufigkeit. Alternatives Tagesfasten (d.h. 1 Tag Fütterung/1 Tag Fasten; 1:1 IF) war das am häufigsten verwendete IF-Regime bei Nagetieren, um seine positiven gesundheitlichen Auswirkungen auf Fettleibigkeit, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, neurodegenerative Erkrankungen usw. zu untersuchen.2,3. Wie jedoch in früheren Studien6,7und weiter mechanistisch in unserer Energieaufnahmeanalyse bestätigt, ergibtsich8 , 1:1 IF-Ergebnisse in unterfütterung (80 %) aufgrund fehlender ausreichender Fütterungszeit, um den Energieverlust auszugleichen. Dies macht es unklar, ob die gesundheitlichen Vorteile von 1:1 IF durch Kalorienrestriktion oder Veränderung der Essgewohnheiten vermittelt werden. Daher wurde ein neues IF-Regime entwickelt, das hier gezeigt wird, bestehend aus einem 2-tägigen Fütterungs-/1-Tages-Fastenmuster (2:1 IF), das Mäusen genügend Zeit gibt, um die Nahrungsaufnahme zu kompensieren (99 %) und Körpergewicht. Diese Mäuse werden dann mit einer Ad libitum (AL)-Gruppe verglichen. Dieses Regime ermöglicht die Untersuchung der Auswirkungen von isokalorischem IF in Ermangelung einer Kalorienreduktion bei Wildtypmäusen.
Im Gegensatz dazu ist die AL-Fütterung in einem Mausmodell, das ein verändertes Fütterungsverhalten aufweist, möglicherweise keine richtige Kontrollbedingung, um die Auswirkungen von 2:1 IF zu vergleichen und zu untersuchen. Da beispielsweise Ob-/Ob-Mäuse (ein häufig verwendetes genetisches Modell für Adipositas) eine Hyperphagie aufgrund des Mangels an Leptin regulierenden Appetit und Sättigung aufweisen, weisen diejenigen mit 2:1 IF eine um 20 % reduzierte Kalorienaufnahme im Vergleich zu Ob/Ob-Mäusen mit AL-Fütterung auf. Um die Auswirkungen von IF bei ob/ob-Mäusen richtig zu untersuchen und zu vergleichen, muss daher eine Paarfütterungsgruppe als geeignete Kontrolle eingesetzt werden.
Insgesamt wird ein umfassendes Protokoll zur Durchführung isokalorischer 2:1 IF bereitgestellt, einschließlich der Verwendung einer Paarzuführung. Es wird weiter gezeigt, dass isokalorische 2:1 IF schützt Mäuse vor fettbedingter Ernährung-induzierte Fettleibigkeit und/oder metabolische Dysfunktion bei Wildtyp und Ob/ob Mäuse. Dieses Protokoll kann verwendet werden, um die positiven gesundheitlichen Auswirkungen von 2:1 IF auf verschiedene pathologische Erkrankungen einschließlich neurologischer Erkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs zu untersuchen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Es ist gut dokumentiert, dass IF positive auswirkungen auf verschiedene Krankheiten bei Mensch undTier8,15,16,17,18,19. Seine zugrunde liegenden Mechanismen, wie Autophagie und Darmmikrobiom, wurden vor kurzem aufgeklärt. Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein isokalorisches 2:1 IF-Regime bei Mäusen zur Untersuchung kalo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.-H.K wurde von der Heart and Stroke Foundation of Canada Grant-in-Aid (G-18-0022213), der J. P. Bickell Foundation und dem Start-up-Fonds des University of Ottawa Heart Institute unterstützt; H.-K.S. wurde durch Stipendien der Canadian Institutes of Health Research (PJT-162083), Reuben und Helene Dennis Scholar und sun Life Financial New Investigator Award for Diabetes Research vom Banting & Best Diabetes Centre (BBDC) und Natural Sciences und Natural Sciences unterstützt. und Engineering Research Council (NSERC) kanada (RGPIN-2016-06610). R.Y.K. wurde durch ein Stipendium des University of Ottawa Cardiology Research Endowment Fund unterstützt. J.H.L. wurde durch das NSERC Doctoral Scholarship und Ontario Graduate Scholarship unterstützt. Y.O. wurde vom UOHI Endowed Graduate Award und dem Queen Elizabeth II Graduate Scholarship in Science and Technology unterstützt.
Materials
| Comprehensive Lab Animal Monitoring System (CLAMS) | Columbus Instruments | Indirect calorimeter | |
| D-(+)-Glucose solution | Sigma-Aldrich | G8769 | For GTT |
| EchoMRI 3-in-1 | EchoMRI | EchoMRI 3-in-1 | Body composition analysis |
| Glucometer and strips | Bayer | Contour NEXT | These are for GTT and ITT experiments |
| High Fat Diet (45% Kcal% fat) | Research Diets Inc. | #D12451 | 3.3 Kcal/g |
| High Fat Diet (60% Kcal% fat) | Research Diets Inc. | #D12452 | 4.73 Kcal/g |
| Insulin | El Lilly | Humulin R | For ITT |
| Mouse Strain: B6.Cg-Lepob/J | The Jackson Laboratory | #000632 | Ob/Ob mouse |
| Mouse Strain: C57BL/6J | The Jackson Laboratory | #000664 | |
| Normal chow (17% Kcal% fat) | Harlan | #2918 | |
| Scale | Mettler Toledo | Body weight and food intake measurement |
References
- Gill, S., Panda, S. A Smartphone App Reveals Erratic Diurnal Eating Patterns in Humans that Can Be Modulated for Health Benefits. Cell Metabolism. 22 (5), 789-798 (2015).
- Longo, V. D., Panda, S. Fasting, Circadian Rhythms, and Time-Restricted Feeding in Healthy Lifespan. Cell Metabolism. 23 (6), 1048-1059 (2016).
- Longo, V. D., Mattson, M. P. Fasting: molecular mechanisms and clinical applications. Cell Metabolism. 19 (2), 181-192 (2014).
- Patterson, R. E., et al. Intermittent Fasting and Human Metabolic Health. Journal of the Academy of Nutrition and Dietetics. 115 (8), 1203-1212 (2015).
- Fontana, L., Partridge, L. Promoting health and longevity through diet: from model organisms to humans. Cell. 161 (1), 106-118 (2015).
- Boutant, M., et al. SIRT1 Gain of Function Does Not Mimic or Enhance the Adaptations to Intermittent Fasting. Cell Reports. 14 (9), 2068-2075 (2016).
- Gotthardt, J. D., et al. Intermittent Fasting Promotes Fat Loss With Lean Mass Retention, Increased Hypothalamic Norepinephrine Content, and Increased Neuropeptide Y Gene Expression in Diet-Induced Obese Male Mice. Endocrinology. 157 (2), 679-691 (2016).
- Kim, K. H., et al. Intermittent fasting promotes adipose thermogenesis and metabolic homeostasis via VEGF-mediated alternative activation of macrophage. Cell Research. 27 (11), 1309-1326 (2017).
- Lancaster, G. I., Henstridge, D. C. Body Composition and Metabolic Caging Analysis in High Fat Fed Mice. Journal of Visualized Experiments. (135), (2018).
- Ayala, J. E., et al. Standard operating procedures for describing and performing metabolic tests of glucose homeostasis in mice. Disease Models & Mechanisms. 3 (9-10), 525-534 (2010).
- Heijboer, A. C., et al. Sixteen h of fasting differentially affects hepatic and muscle insulin sensitivity in mice. Journal of Lipid Research. 46 (3), 582-588 (2005).
- McGuinness, O. P., Ayala, J. E., Laughlin, M. R., Wasserman, D. H. NIH experiment in centralized mouse phenotyping: the Vanderbilt experience and recommendations for evaluating glucose homeostasis in the mouse. American Journal of Physiology: Endocrinology and Metabolism. 297 (4), 849-855 (2009).
- Jorgensen, M. S., Tornqvist, K. S., Hvid, H. Calculation of Glucose Dose for Intraperitoneal Glucose Tolerance Tests in Lean and Obese Mice. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 56 (1), 95-97 (2017).
- Nagy, C., Einwallner, E. Study of In Vivo Glucose Metabolism in High-fat Diet-fed Mice Using Oral Glucose Tolerance Test (OGTT) and Insulin Tolerance Test (ITT). Journal of Visualized Experiments. (131), 56672 (2018).
- Kim, Y. H., et al. Thermogenesis-independent metabolic benefits conferred by isocaloric intermittent fasting in ob/ob mice. Scientific Reports. 9 (1), 2479 (2019).
- Li, G., et al. Intermittent Fasting Promotes White Adipose Browning and Decreases Obesity by Shaping the Gut Microbiota. Cell Metabolism. 26 (4), 672-685 (2017).
- Mitchell, S. J., et al. Daily Fasting Improves Health and Survival in Male Mice Independent of Diet Composition and Calories. Cell Metabolism. 29 (1), 221-228 (2019).
- Cignarella, F., et al. Intermittent Fasting Confers Protection in CNS Autoimmunity by Altering the Gut Microbiota. Cell Metabolism. 27 (6), 1222-1235 (2018).
- Martinez-Lopez, N., et al. System-wide Benefits of Intermeal Fasting by Autophagy. Cell Metabolism. 26 (6), 856-871 (2017).
- Lo Martire, V., et al. Changes in blood glucose as a function of body temperature in laboratory mice: implications for daily torpor. American Journal of Physiology: Endocrinology and Metabolism. 315 (4), 662-670 (2018).
- Chaix, A., Zarrinpar, A., Miu, P., Panda, S. Time-restricted feeding is a preventative and therapeutic intervention against diverse nutritional challenges. Cell Metabolism. 20 (6), 991-1005 (2014).
- Chaix, A., Lin, T., Le, H. D., Chang, M. W., Panda, S. Time-Restricted Feeding Prevents Obesity and Metabolic Syndrome in Mice Lacking a Circadian Clock. Cell Metabolism. 29 (2), 303-319 (2019).
- Wang, B., Chandrasekera, P. C., Pippin, J. J. Leptin- and leptin receptor-deficient rodent models: relevance for human type 2 diabetes. Current Diabetes Reviews. 10 (2), 131-145 (2014).
- Pan, W. W., Myers, M. G. Leptin and the maintenance of elevated body weight. Nature Reviews: Neuroscience. 19 (2), 95-105 (2018).
- Jackson, D. S., Ramachandrappa, S., Clark, A. J., Chan, L. F. Melanocortin receptor accessory proteins in adrenal disease and obesity. Frontiers in Neuroscience. 9, 213 (2015).
- Tolson, K. P., et al. Postnatal Sim1 deficiency causes hyperphagic obesity and reduced Mc4r and oxytocin expression. Journal of Neuroscience. 30 (10), 3803-3812 (2010).
- Shimada, M., Tritos, N. A., Lowell, B. B., Flier, J. S., Maratos-Flier, E. Mice lacking melanin-concentrating hormone are hypophagic and lean. Nature. 396 (6712), 670-674 (1998).
- Reitman, M. L. Of mice and men – environmental temperature, body temperature, and treatment of obesity. FEBS Letters. 592 (12), 2098-2107 (2018).
- Chvedoff, M., Clarke, M. R., Irisarri, E., Faccini, J. M., Monro, A. M. Effects of housing conditions on food intake, body weight and spontaneous lesions in mice. A review of the literature and results of an 18-month study. Food and Cosmetics Toxicology. 18 (5), 517-522 (1980).
- Toth, L. A., Trammell, R. A., Ilsley-Woods, M. Interactions Between Housing Density and Ambient Temperature in the Cage Environment: Effects on Mouse Physiology and Behavior. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 54 (6), 708-717 (2015).
