Группа исследователей из Еврейского университета провела исследование, касающееся влияния на организм ультраобработанной пищи. Исследование было опубликовано в престижном журнале Bone Research from Nature.
Авторы исследования: Жанна Зарецки, Шелли Грисс-Фишхаймер, Ади Карми, Тамара Травинская Шмуль, Лиор Офер, Тали Синай, Светлана Пенн, Рон Шахар, Эфран Монсонего-Орнан (Еврейский университет).
Введение
Осевой скелет эволюционировал как динамическая система, выполняющая различные функции, включая защиту внутренних органов, создание участков для прикрепления мышц и обеспечения двигательных способностей, хранение минералов и гемопоэтических стволовых клеток. Многие сигнальные пути контролируют паттерны, рост и созревание структур скелета начиная с периода раннего развития организма и заканчивая достижением взрослого возраста.
Различают два процесса формирования осевого скелета. Это внутримембранное окостенение и эндохондральное окостенение (ЭО), причем последнее отвечает за развитие длинных трубчатых костей. ЭО начинается в период внутриутробного развития и продолжается в зонах роста до прекращения роста в подростковом возрасте. Скорость роста длинных трубчатых костей определяется такими факторами, как скорость пролиферации хондроцитов, размер гипертрофических хондроцитов и деградация хряща с заменой на костную ткань.
Хондроциты в разных участках зон роста отличаются стадией дифференциации, морфологией и формированием матрикса. В пролиферативной зоне (ПЗ) хондроциты располагаются продольными колоннами, в которых они быстро размножаются и образуют отложения, состоящие из компонентов типичного внеклеточного матрикса (ВКМ) хряща, в особенности коллагена 2 типа (Col2) и аггрекана (Acan). Далее хондроциты выходят из клеточного цикла и становятся предгипертрофическими за счет экспрессии генов коллагена X типа (Col10) и Indian hedgehog (Ihh). Предгипертрофические хондроциты увеличиваются в размере и становятся гипертрофическими клетками. В гипертрофической зоне (ГЗ) клетки увеличиваются, опухают, вакуолизируются и характеризуются секрецией Col10, щелочной фосфатазы и ангиогенных факторов.
Полностью дифференцированные гипертрофические хондроциты на участке костно-хрящевого соединения подвергаются апоптозу или трансдифференциации, и хрящевинный внеклеточный матрикс заменяется остеокластами. Это обеспечивает пенетрацию кровеносных сосудов и формирование костной ткани остеобластами. Процесс ЭО протекает под строгим контролем различных сигнальных молекул и транскрипционных факторов, включая трансформирующий фактор роста бета/костный морфогенетический белок (BMP), фактор роста фибробластов (FGF), Wnt, hedgehog и транскрипционный фактор Sox9.
Удлинение кости и, соответственно, продольный рост всего тела строго регулируется генетическими и экологическими элементами. В целях достижения максимальных показателей роста и пиковой костной массы необходимо оптимизировать такие модифицируемые факторы окружающей среды, как сбалансированность питания, до начала полового созревания и поддерживать их в течение всего периода быстрого роста. Достаточное содержание в продуктах питания макроэлементов, минералов и витаминов играет важную роль в обеспечении оптимальной структуры и качества костной ткани.
Основную долю продовольственных ресурсов в последние десятилетия составляет пища, прошедшая глубокую переработку и готовая к употреблению. По сути, 75% продуктов питания на мировом рынке – это пища, подвергшаяся переработке. За последние 30 лет масштабы употребления продуктов глубокой переработки (ПГП) детьми существенно возросли, причем в США такие продукты употребляет 50% детей. Только в США на долю ПГП приходится 57,9% потребляемых калорий, из которых 89,7% потребители получают из добавленного сахара. Соответственно, дети в чрезмерных объемах потребляют продукты и напитки с высоким содержанием жира и рафинированного сахара. При этом такие продукты и напитки не обеспечивают детей достаточными уровнями белков, витаминов и минералов, необходимых для роста. Результаты такого питания описываются во многих исследованиях и включают ожирение, метаболический синдром и диабет. Тем не менее, критическое влияние подобного рациона на рост скелета в период от рождения до полового созревания не изучалось.
Хотя исследователи ранее уже продемонстрировали, что недостаточное поступление или всасывание питательных веществ приводит к задержке продольного роста и низкорослости, влияние чрезмерного потребления ПГП на развитие костной ткани и рост не изучалось на клеточном уровне. Не исследовалось и его влияние на качество кости. В данной работе мы использовали молодых крыс в качестве экспериментальной модели постнатального развития и изучили влияние несбалансированного рациона, богатого продуктами глубокой переработки, на формирование и качество скелета в период его роста.
Ход исследования
Влияние рациона, богатого продуктами глубокой переработки, на рост и физиологические параметры
Для того, чтобы изучить связь между потреблением ПГП и постнатальным развитием скелета, мы провели 6-недельное испытание in vivo на молодых крысах женского пола (возрастом 3-9 недель). Данный временной промежуток охватывает период от отъемного возраста до полового созревания и потому отражает период роста между половым созреванием и закрытием зон роста у человека.
Выбранная диета иллюстрирует западный рацион, богатый продуктами питания глубокой переработки и отличающийся несбалансированными уровнями микро- и макроэлементов. В схему эксперимента вошли две группы: контрольная группа с обычным крысиным рационом и группа ПГП+КБАН, которая питалась типичными продуктами глубокой переработки и вдобавок получала калорийный безалкогольный напиток. У всех крыс был свободный доступ к еде и жидкостям.
Во время эксперимента мы измеряли массу тела и общую длину тела всех крыс. Дополнительно методом микро-КТ оценивались длины бедренных костей и поясничных позвонков; оценка производилась спустя 3 и 6 недель после начала эксперимента. У крыс, получавших продукты глубокой переработки и калорийный безалкогольный напиток, отмечался меньший набор веса. Кроме того, общая длина тела и длина бедренной кости в этой группе существенно уступали аналогичным параметрам в контрольной группе. Что удивительно, несмотря на задержку роста в группе ПГП+КБАН, животные этой группы потребляли гораздо больше калорий (с учетом как пищи, так и калорийного безалкогольного напитка). Эти результаты демонстрируют, что потребление ПГП задерживает рост, но не в связи с дефицитом калорий.
Влияние ПГП на качество костной ткани
Чтобы оценить влияние ПГП на качество костной ткани, мы произвели микро-компьютерную томографию бедренных костей и поясничных позвонков с целью изучения свойств их губчатого и компактного вещества.
Параметры губчатого вещества в группе «продукты глубокой переработки + калорийный безалкогольный напиток» уступали параметрам контрольной группы. Объем ткани бедренной кости существенно уменьшился, с 35,54% до 19,17% и с 23,06% до 16,27% в возрасте 6 и 9 недель, соответственно. Среднее число трабекул и средняя толщина трабекулы в бедренной кости оказались значительно ниже в группе ПГП+КБАН, в то время как сепарация трабекул, обозначающая среднее расстояние между трабекулами, существенно превышала сепарацию трабекул в контрольной группе в оба момента времени. По результатам анализа позвонков обнаружились очень похожие паттерны, соответствующие результатам анализа губчатого вещества в группе ПГП+КБАН и контрольной группе.
Более того: анализ компактного вещества в группе ПГП+КБАН продемонстрировал сильное ухудшение по сравнению с крысами, питавшимися по контрольной диете. Пагубное влияние в том числе заключалось в уменьшении площади компактного вещества и снижении минеральной плотности костной ткани, которая у крыс, питавшихся по схеме ПГП+КБАН, оказалась ниже на 30%. В группе, получавшей продукты глубокой переработки и калорийный безалкогольный напиток, также отмечалась повышенная пористость компактного вещества. Количество пор в группе ПГП+КБАН превышало количество пор компактного вещества в контрольной группе в 15 раз, а общий объем пор увеличился в 47 раз. На обычных поперечных срезах из обеих групп обнаружилось решетообразное компактное вещество в группе ПГП+КБАН и внешне нормальный кортикальный слой в контрольной группе.
Выделяют три структурных параметра, оказывающих наибольшее влияние на механическую функцию костей:
- Геометрия;
- Минеральная плотность
- Пористость компактного вещества.
Полученные результаты позволили прогнозировать уменьшение механической твердости и силы бедренной кости, и мы провели тест прочности бедренной кости в трех точках. Существенное и резкое ухудшение обнаружилось в таких механических параметрах кости, как твердость, несущая способность, максимальная нагрузка и изломостойкость.
Полученные результаты в комплексе продемонстрировали ухудшение структурных и механических характеристик костей в группе ПГП+КБАН в сравнении с контрольной группой. Ухудшение характеристик наблюдалось начиная с возраста 6 недель.
Результаты
В современную эпоху обширное потребление переработанных продуктов питания и безалкогольных напитков, влекущее различные нарушения обмена веществ, приобрело масштабы эндемии. Тем не менее, насколько нам известно, влияние такого питания на развитие скелета не изучалось.
Мы продемонстрировали, что потребление растущими крысами исключительно ПГП приводит к тяжелым нарушениям развития скелета, при которых происходят существенные изменения зон роста. Наблюдалось значительное ухудшение качества губчатого и компактного вещества кости, обширная пористость компактного вещества и резкое снижение минеральной плотности костной ткани. Все эти явления связаны с задержкой продольного роста скелета и хрупкостью костей.
Наиболее удивительным результатом стало заращение зон роста крыс, питавшихся ПГП, аберрантным хрящом. Гистологический анализ и исследование этих костей при помощи растрового электронного микроскопа позволили обнаружить нарушенную зону роста с некальцифицированным, неваскуляризированным хрящом, протянувшимся от эпифизарной зоны роста к метафизу. Этот редкий и тяжелый фенотип существенно отличается от других патологических фенотипов зон роста, включая рахит и белково-энергетическую недостаточность. Чтобы пролить свет на основной механизм нарушения в зонах роста, мы произвели секвенирование мРНК зон роста контрольной группы и группы ПГП. В мРНК-профиле группы ПГП обнаружилось нарушение процесса эндохондрального окостенения.
Рацион, богатый продуктами глубокой переработки, привел к увеличению синтеза компонентов ВКМ. Так как экспрессия матрикс-деградирующих ферментов при этом не изменилась, возник дисбаланс в процессе формирования и деградации внеклеточного матрикса. Вероятно, это привело к образованию хрящевинных бляшек в зонах роста группы ПГП. Сигналы костного морфогенетического белка ослабли в связи с высокой экспрессией ингибиторов BMP (Fst, Nog, Gdf10 и Inhba) без модификации BMP или его рецепторов. BMP играет важную роль на каждой стадии эндохондрального окостенения. Он индуцирует развитие кости и хряща и стимулирует пролиферацию и дифференциацию тромбоцитов.
Еще одним фундаментальным фактором ЭО выступает Sox9, играющий важнейшую роль во всех фазах развития хондроцитов, начиная с ранней конденсации и заканчивая конверсией из пролиферирующих в гипертрофические хондроциты. Известно, что Sox9 непосредственно регулирует экспрессию Col2a1, Acan и Gdf10 в пролиферативной зоне. По результатам нашей работы обнаружилась повышенная экспрессия мРНК Sox9, которая потенциально могла бы объяснить ап-регуляцию его нисходящих генов (Col2a1, Acan and Gdf10) и указать на интенсификацию процесса ранней дифференциации хондроцитов.
В дополнение к повышению Sox9 в группе ПГП обнаружилась ап-регуляция Col10, гипертрофического матричного компонента. Хе и соавторы подтвердили, что для развития гипертрофических хондроцитов требуется Sox9. Они продемонстрировали, что Sox9 и Jun связываются и совместно активируют энхансер Col10a1. Более того: Ди и соавторы заявили, что Sox9 необходим для гипертрофии хондроцитов в зонах роста. Они доказали, что Sox9 транс-активирует Col10a1 вместе с Mef2c с целью увеличения гипертрофии и сохранения функциональной зоны роста. Мы продемонстрировали, что, несмотря на ап-регуляцию Sox9 и Col10 в группе ПГП, высокая экспрессия Jun и Mef2c не являлась дифференциальной. Скорее всего, это значит, что за повышение уровней Col X отвечают и другие факторы – например, факторы FoxA. И действительно: FoxA2 и A3 ап-регулировались в группе ПГП в 2,8-3,2 раза, соответственно. FoxA2 и A3 регулируют гипертрофию хондроцитов через непосредственную индукцию Col10. Соответственно, Ионеску и соавторы доказали, что гипертрофия хондроцитов задерживается у мышей с Col II–Cre, FoxA2flox/flox и FoxA3−/−, а значит – эти факторы отвечают за повышение Col10a1 в нашей модели.
По результатам нашей работы также обнаружилась даун-регуляция ключевых генов оссификации Dmp1 и Phex и ап-регуляция матриксного Gla-белка. Dmp1 и Phex принадлежат к группе белков, усиливающих минерализацию, в то время как матриксный Gla-белок является ингибитором минерализации и предположительно прекращает процесс минерализации костной ткани. Йе и соавторы продемонстрировали, что мышей с Dmp1−/− отличают более короткие кости при увеличенной ширине большеберцовой кости и пористости компактного вещества. Исследователи также доложили, что у мышей с Dmp1−/− имеются дезорганизованные и неровные пластинки роста с расширенной и слабо кальцифицированной гипертрофической зоной. У мышей с Phex−/− обнаружился очень похожий фенотип, включая расширенную и неровную гипертрофическую зону с гипоминерализацией и повышенным содержанием остатков хрящевой ткани пластинки роста и в губчатом, и в компактном веществе кости. Эти результаты соответствуют фенотипу крыс, входящих в группу ПГП в рамках нашего эксперимента.
Деактивация Dmp1 или Phex приводит к сверхэкспрессии FGF23 остеоцитами, в результате чего развивается гипофосфатемический рахит. Это противоречит результатам наших наблюдений, касающихся снижения FGF23 в сыворотке и гиперфосфатемии. Данные различия могут быть обусловлены тем фактом, что мыши с нокаутированным геном отличаются полным дефицитом Dmp1 и Phex, в то время как в нашей группе ПГП наблюдалось снижение уровней мРНК Dmp1 и Phex. Более того: в нашей экспериментальной группе также отмечалась гипокальциемия и, соответственно, повышение уровня сывороточного PTH, ведущее к снижению уровней OPG. Известно, что OPG – это антагонист рецепторов RANKL, предотвращающий его связывание с RANK и активацию последнего, а соответственно – и ингибирование дифференциации остеокластов.
В рамках нашего эксперимента даун-регуляция OPG привела к дифференциации остеокластов и резорбции костной ткани, выявленной путем окрашивания TRAP в кортикальном слое. Что интересно, активность остеокластов на участке костно-хрящевого соединения не изменилась. Это подчеркивает разницу между остеокластами в зоне роста и в кортикальном слое кости. Соответственно, мы обнаружили повышенную пористость в кортикальном слое бедренной кости и похожие уровни мРНК TRAP в зонах роста крыс, относившихся к группе ПГП. Таким образом, потребление продуктов глубокой переработки задерживало рост, снижало качество костной ткани и препятствовало эндохондральному окостенению. В зонах роста группы ПГП обнаружилась массивная хрящевинная бляшка, состоящая из большого количества клеток и ВКМ. По итогам транскриптомного анализа выяснилось, что этот аберрантный хрящ развился в результате дисбаланса в формировании и деградации ВКМ, снижения минерализации и сбоя в механизмах пролиферации и дифференциации.
В дальнейшем потребовалось установить, какие компоненты ПГП вызывают задержку роста и такой фенотип костной ткани. Мы продемонстрировали, что причиной служил не безалкогольный напиток и не макроэлементы, а дефицит кальция и фосфора, а также повреждения, вызванные дисбалансом. Эти повреждения носили менее тяжелый характер по сравнению с вредом от продуктов глубокой переработки. Мы полагаем, что дефицит кальция и фосфора приводит к формированию аберрантных фенотипов – и что в рационе, основанном на ПГП, содержатся и другие факторы, отвечающие за эти пагубные фенотипы.
В качестве возможного объяснения можно привести обширную обработку продуктов питания на производстве. Как установили Монтерио и соавторы в классификации NOVA, масло и сахар без дополнительной или чрезмерной обработки не так пагубно сказываются на здоровье человека. Глубокая переработка сама по себе не всегда классифицируется как вредный процесс, так как в данную группу продуктов питания также входят хорошо сбалансированные, здоровые продукты – например, детские смеси. Тем не менее, сочетание чрезмерного объема сахара и масла с дефицитом микроэлементов и вредными методами обработки (например, частичной гидрогенизацией масел) может оказаться основной причиной нарушения развития костной ткани. Изменения поведения крыс, питавшихся ПГП (частое потребление пищи, граничащее с прожорливостью), подтверждают это предположение, так как одним из результатов глубокой переработки служат разрушительные химические модификации, необходимые для того, чтобы конечный продукт стал сверхаппетитным.
И наконец, мы разработали для крыс модель рациона, состоящего из продуктов глубокой переработки, с тем, чтобы воспроизвести современные западные пищевые привычки. Обеспечение крыс полноценным рационом, эквивалентным человеческому рациону, – это инновационный научный подход. Общая алиментарная методология включает добавление или удаление компонентов из диеты по одному за раз для того, чтобы изучить влияние каждого компонента. По этому же принципу проводятся фармацевтические и генетические исследования. Тем не менее, питание – это другой вопрос; как заметили авторы одной из работ, недавно опубликованных в издании «Nature», «люди не выбирают питательные вещества – они выбирают сочетания продуктов… ученым следует придерживаться более креативного и смелого подхода при оценке влияния популярных комбинаций продуктов питания на здоровье человека». Данный исследовательский подход используется и в нашей работе; мы изучили влияние «полноценной диеты», а не отдельных питательных веществ, и исследовали рацион, состоящий из продуктов глубокой переработки, или так называемую «новую недостаточность питания». Известно, что употребление в пищу переработанных продуктов и подслащенных напитков повышает риск развития ожирения, диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Мы демонстрируем новый отрицательный эффект такого рациона и предлагаем считать его фактором, непосредственно угрожающим здоровью костей.
Другие актуальные исследования:
