Эксперименты на животных по изучению связи между питанием
реклама
Изучение связи питания в раннем периоде развития и отдаленных последствий для здоровья в экспериментах на животных Отдаленные последствия питания в раннем возрасте van Goudoever H, Guandalini S, Kleinman RE (eds): Early Nutrition: Impact on Short- and Long- Term Health. Nestlé Nutr Inst Workshop Ser Pediatr Program, vol 68, pp 1–16, Nestec Ltd., Vevey/S. Karger AG, Basel, © 2011 Эксперименты на животных по изучению связи между питанием в раннем периоде жизни и отдаленными последствиями для здоровья Джейн Е. Хардинг, Энн Л. Жакери, Карлос Е. Эрнандес, Марк Х. Оливер, Хосе Г.Б. Деррейк, Фрэнк Х. Блумфилд Институт Лиггинса, Университет Окланда, Окланд, Новая Зеландия Резюме Задержка внутриутробного развития связана с повышенным риском целого ряда распространенных хронических заболеваний во взрослом периоде жизни. При проведении многочисленных экспериментов на животных было получено подтверждение фактов, зафиксированных в клинических исследованиях с участием людей, где было показано, что изменения в питании в раннем периоде жизни могут приводить к отдаленным последствиям для здоровья. Важно отметить, что эти эффекты могут не зависеть от размера при рождении, а определяться взаимодействием между реакциями, вызванными изменениями питания до и после рождения. Важно потребление и макро- и микронутриентов. Более того, эти эффекты могут варьировать в зависимости от характера, времени, степени тяжести и продолжительности нарушения питания. В данном обзоре представлены примеры, полученные в экспериментах на животных, доказывающие существование этих отдаленных последствий, а также некоторые предполагаемые, лежащие в основе механизмы, посредством которых питание на ранних этапах развития может влиять на здоровье в последующие годы жизни. Все права защищены © 2011 Нестек Лтд., Вевей/С. Каргер АГ, Базель Питание и ограничение внутриутробного развития Эпидемиологические исследования, проведенные в течение последних 20 лет, показали, что задежка внутриутробного развития связана с повышенным риском целого ряда распространенных хронических заболеваний во взрослом периоде жизни, таких как гипертензия, заболевание коронарных сосудов, диабет 2 типа и ожирение [1]. Этот повышенный риск угрожает не только детям, рожденным с задержкой внутритробного развития (IUGR), но, по всей видимости, всем детям с низким весом при рождении, включая тех, у кого вес при рождении был нормальным. Эпидемиологические доказательства, полученные в исследованиях с участием людей, проведенных Barker с соавторами, хотя и подвергались сначала критике, были быстро подтверждены аналогичными наблюдениями в экспериментах на животных. Например, обратная связь между размером при рождении и артериальным давлением во взрослом периоде жизни, отмеченная у морских свинок [2], вряд ли может быть объяснена влиянием социоэкономических факторов или образом жизни. 1 Хардинг/Жакери/Эрнандес/Оливер/Деррейк/Блумфилд Проведенные ранее классические исследования на свиньях и морских свинках [3] показали, что недостаточность питания в раннем периоде жизни может приводить к нарушению роста, не поддающемуся последующей корректировке, даже если нутрициологический статус впоследствии улучшается. В этой связи Баркер (Barker) выдвинул гипотезу, что недостаточность питания в пренатальном периоде может являться ключевым механизмом, вызывающим как задержку внутриутробного развития, так и сопутствующие отдаленные последствия [1]. В экспериментах на животных также было показано важное различие между питанием самки, питанием плода, а также ростом плода. Рост плода - это результат длинной последовательности событий и реакций, включающих не только питание матери, но и кровоток в матке и пуповине, транспорт веществ через плаценту, а также метаболизм плаценты и плода [4]. Следовательно, изменения питания матери не всегда приводят к изменению питания плода, так как может существовать достаточный резерв для обеспечения питания плода. Однако, как будет показано далее, изменения питания матери могут влиять на здоровье в последующие годы жизни вне зависимости от размера при рождении. Аналогичным образом, неблагоприятные воздействия, оказываемые на различные этапы обеспечения плода питательными веществами в течение беременности (как у человека, так и у животных) часто приводят к IUGR, так как питание плода является основным регулятором его роста [4]. Эти изменения также часто приводят к нарушениям здоровья в последующие годы жизни. Этот обзор сфокусирован на рассмотрении результатов, полученных в экспериментах на животных, где изучался вопрос о механизмах, посредством которых питание до и после рождения может влиять на здоровье в последующие годы жизни. Эти эффекты могут варьировать в зависимости от характера, времени, степени тяжести и продолжительности нарушения питания. Баланс питательных веществ Содержание макронутриентов Потребление белка с пищей очень различно в разных популяциях, этот вопрос подробно изучался в экспериментах на животных. Отсутствие достаточного количества белка в рационе самок крыс в течение беременности приводило к развитию гипертензии у потомства, изменению строения и функции сердца, нарушению толерантности к глюкозе, а также изменению распределения жира и потребления пищи [5, 6]. Важно отметить, что рацион постнатального периода, в частности, с большим содержанием жира, усиливал эффекты отсутствия достаточного количества белка, отягощая последствия для потомства. После кормления очень вкусной пищей в период прикорма, взрослое потомство самок крыс, не получавших достаточного количества белка в течение беременности и лактации, развивало инсулин резистентностьпри этом отмечался более высокий уровень гиперлипидемии, гипертензии а также ожирения и склонности к неподвижному образу жизни [7]. Ограничение потребления белка в период внутриутробного развития с последующим избыточным кормлением в период лактации также укорачивало продолжительность жизни потомства у мышей [8]. Другие изменения макробаланса питательных веществ в течение беременности также влияли на риск развития заболевания у потомства. Применение рациона с высоким содержанием жиров в течение беременности приводило к появлению потомства у самок крыс с нарушением толерантности к глюкозе и функции эндотелия, а также гипертензией [9]. Неблагоприятное изменение функции сердечнососудистой системы индуцируется у потомства кормом с высоким содержанием жира и не только в течение беременности, но и в период лактации. 2 Изучение связи питания в раннем периоде развития и отдаленных последствий для здоровья в экспериментах на животных Однако если потомство самок, которым давали корм с высоким содержанием жиров, также получало корм с высоким содержанием жиров в период прикорма удавалось предотвратить развитие дисфункции эндотелия, но не гипертензии [10]. Кроме того, существует зависимость между типом пищевого жира, применяемого в рационе самки, получающей пищу с низким содержанием белка, и изменением артериального давления у потомства [11]. Это указывает на то, что в раннем периоде жизни очень незначительные изменения типа и баланса макронутриентов, содержащихся в пище, могут иметь важные отдаленные последствия. Микронутриенты Существует много примеров влияния специфических микронутриентов, присутствующих в рационе матери, на физиологию ребенка. Если рассматривать примеры исследований на животных, то у крыс недостаточность содержания в рационе самки железа, кальция или цинка в течение беременности связано с повышенным артериальным давлением у взрослого потомства [12]. Отдельные аминокислоты, по всей видимости, играют особенно важную роль в развитии плода и влияют на риск развития заболевания в дальнейшем. Например, таурин исключительно важен для развития поджелудочной железы и нервной системы. У эмбрионов самок крыс, получающих пищу с низким содержанием белка, в поджелудочной железе выявляются островки меньшего размера, а активность их функционирования снижена (отмечалась меньшая интенсивность пролиферации β-клеток и более высокая скорость апоптоза, но эти эффекты удавалось элиминировать добавлением таурина в рацион самки [13]. У овец недостаточность питания до и после зачатия приводила к повышенным уровням концентрации таурина в плазме матери и плода на поздних сроках беременности, были также получены доказательства ускоренного созревания поджелудочной железы [14]; эти изменения были связаны с нарушением в дальнейшем толерантности к глюкозе у взрослого потомства [15]. Аналогичным образом, глицин исключительно важен для многих аспектов внутриутробного развития плода, включая синтез ДНК, гема, коллагена и креатина. У самок крыс дополнительное применение глицина нормализует высокое артериальное давление, индуцированное у потомства рационом с низким содержанием белка в течение беременности, возможно, отчасти, из-за нормализации функции эндотелия [16]. Период воздействия и длительность недостаточности питания Состав пищи в раннем периоде жизни оказывает важные эффекты на функции организма в дальнейшем, однако также важны время действия этого фактора и длительность изменения рациона. У крыс низкий статус по питанию даже до зачатия приводил к повышению уровня глюкозы и холестерина в крови у взрослого потомства [17]. Степень повышения артериального давления у потомства самки, получавшей рацион с низким содержанием белка, была больше, если неблагоприятное изменение рациона происходило на очень ранних стадиях беременности, по сравнению с серединой беременности [18]. Действительно, применение рациона с низким содержанием белка у крыс только в течение стадии бластоцисты (первые 4.5 дня 21-дневного периода беременности) приводило к развитию гипертензии у потомства в постнатальном периоде [19]. У овец низкий статус самки по питанию до и после зачатия изменял многие аспекты развития плода на поздних сроках беременности, включая траекторию роста [20]. Более того, имеет значение время действия этого фактора (до и после зачатия). Именно период воздействия определяет особенности изменения роста плода и метаболических реакций, возникающих в ответ на стрессовые факторы в поздние сроки беременности, например, при остром голодании самки [20]. 3 Хардинг/Жакери/Эрнандес/Оливер/Деррейк/Блумфилд Низкий статус самки по питанию либо только до зачатия, либо как до, так и после зачатия, вызывал ухудшение роста плода в ответ на острое голодание матери на поздних сроках беременности по сравнению с эмбрионами овец, получавших хорошее питание. Напротив, у эмбрионов овец, не получавших достаточного питания только после зачатия, не наблюдалось изменения траектории роста в ответ на голодание самки [20]. Изменения оси «глюкоза-инсулин» плода или оси «гипоталамус-гипофиз-надпочечники» (HPA) у плода или самки в период голодания не объясняют наблюдаемые различия [12]. Следовательно, питание матери до зачатия играет важную роль в формировании ответных реакций плода на стресс на поздних сроках беременности [12, 20]. Более того, низкий статус матери по питанию может влиять на развитие плода, не обязательно за счет ограничения поступления веществ, необходимых для роста тканей, так как пищевые потребности на ранних сроках беременности минимальны. В данном примере плод также не подвергался избыточному воздействию глюкокортикоидов, так как в организме самки концентрации глюкокортикоидов были на самом деле снижены в течение периода недостаточности питания [21]. Некоторые аспекты эндокринной регуляции на поздних сроках беременности также были изменены в результате недостаточности питания до и после зачатия [4, 12]. Созревание осий инсулина- глюкоза и оси HPA было ускорено [22]. Важно отметить, что эти изменения сохранялись после рождения, при этом у потомства овец, не получавших достаточного питания в период до и после зачатия, обнаруживалось нарушение толерантности к глюкозе, причем эта реакция ухудшалась по мере увеличения возраста [15]. У овец, которые подвергались воздействию недостаточности питания до и после зачатия, также отмечались изменения поведенческой латерализации [23], у них были снижены ответные реакции организма, как поведенческие, так и физиологические, например, образование глюкокортикоидов в ответ на пятиминутную изоляцию, которая является мощным психологическим стрессом для овец [24]. Эти данные указывают на то, что низкий статус матери по питанию на ранних сроках беременности имеет отдаленные последствия с точки зрения изменения неврологических и эндокринных функций, а также что эффекты можно продемонстрировать не только при помощи детального физиологического тестирования, но также рассмотрев результаты воздействия некоторых факторов, присутствующих в повседневной жизни. Недостаточность питания в другие периоды, а не только до и после зачатия, также влияет на здоровье потомства. Недостаточность питания и в ранние, и в средние сроки беременности у овец приводит к более активному формированию жировой ткани [25], а также неблагоприятным образом изменяет яичники плода, что уменьшает их активность у взрослого животного [12]: например, отмечается уменьшение количества крупных желтых тел [26]. У крыс низкий нутритивный статус самки в последней трети беременности приводил к нарушению толерантности к глюкозе у потомства, тогда как недостаточность питания на более ранних сроках беременности – не имела таких последствий [27]. Недостаточность питания в поздние, но не ранние, сроки беременности вызывала сходные эффекты в исследованиях на овцах [28]. Кроме того, у овец короткий острый период голодания на поздних сроках беременности приводил к увеличению реакций центральной оси HPA на кортикотропную стимуляцию у взрослого потомства, независимо от низкого веса при рождении [29]. Интересно отметить, что если период недостаточности питания был достаточно длительным, чтобы вызвать низкий вес при рождении, эффекты в отношении функционирования оси HPA были более слабыми. Не вызывает сомнений, что низкий нутритивный статус матери может приводить к последующим отдаленным изменениям физиологии, при этом данный эффект не обязательно сопряжен с размером при рождении. 4 Изучение связи питания в раннем периоде развития и отдаленных последствий для здоровья в экспериментах на животных Возможные механизмы Изменение структуры органов Ограничение поступления нутриентов в раннем периоде развития может необратимо нарушить не только общий рост, но рост и развитие отдельных органов, что может дополнительно повлиять на риск развития заболевания в более поздние периоды жизни. Например, отмечена значительная вариабельность по количеству нефронов в почках на момент рождения, и это количество в течение жизни остается постоянным. Сниженный резерв нефронов может увеличивать риск последующей гипертензии. Известно, что ограничение поступления нутриентов в организм матери нарушает нефрогенез эмбрионов у крыс, мышей и овец [12]. При этом также происходит снижение ангиогенеза и повышается сопротивляемость периферических сосудов, и все эти изменения могут влиять на предрасположенность потомства к гипертензии [30]. Аналогичным образом, пролиферация кардиомиоцитов ограничена пренатальным периодом, при этом в постнатальный период увеличение сердца происходит за счет гипертрофии, а не гиперплазии. У крысят, рожденных самкой, получавшей рацион с низким содержанием белка, снижается количество кардиомиоцитов в сердце [31] и повышается уровень апоптоза кардиомиоцитов в постнатальном периоде, что связано с нарушением функции сердца [5]. Хроническая недостаточность питания по содержанию белка и калорий у самок крыс также приводила к появлению потомства со значительной атрофией сердца [32]. Точно так же большинство β-клеток поджелудочной железы образуются в пренатальном периоде или в раннем неонатальном периоде, и возможности неогенеза β-клеток также впоследствии ограничены. Диабет развивается в том случае, когда ограниченные возможности по повышению выработки инсулина не соответствуют возросшим требованиям, возникшим, например, из-за устойчивости к инсулину, и, следовательно, с большей вероятностью, такая ситуация может возникать при уменьшении количества β-клеток поджелудочной железы. Задержка внутриутробного развития (IUGR), вызванная ограничением питания самки, приводила к значительному уменьшению массы β-клеток у новорожденных и молодых крыс [33]. У мышей ограниченное поступление питательных веществ в организм самки на поздних сроках беременности также значительно уменьшало массу β-клеток поджелудочной железы у потомства, причем указанное относительное уменьшение сохранялось в течение взрослой жизни [34]. Предполагается, что в сочетании с устойчивостью к инсулину, это может приводить к нарушению толерантности к глюкозе в более поздние периоды жизни. Изменение функции плаценты Низкий нутритивный статус матери может изменять рост и развитие плода за счет влияния, оказываемого на структуру и функцию плаценты. Такой эффект может достигаться посредством изменения веса плаценты, гистоморфологии, развития сосудов и ангиогенеза, а также возможностей транспорта нутриентов через плаценту [35]. Например, у морских свинок низкий статус самки по питанию приводил к повышению толщины плацентарного барьера и значительному уменьшению поверхностной площади синцитиотрофобластов, ответственных за обменные процессы, что, вероятно, может уменьшать относительную возможность плаценты по обеспечению плода питательными веществами [36]. У крыс низкий статус матери по питанию вызывал увеличение интенсивности апоптоза в областях присоединения плаценты и лабиринта, то есть там, где осуществляется контакт между плодом и организмом самки [35]. Низкий статус матери по питанию может не только отрицательно влиять на структуру плаценты, но и ее функцию. У крыс длительный период недостаточности питания самки на поздних сроках беременности уменьшал концентрацию циркулирующей в организме глюкозы, а также экспрессию GLUT3 в плаценте [37]. 5 Хардинг/Жакери/Эрнандес/Оливер/Деррейк/Блумфилд Ограничение потребления белка у самок крыс снижало транспорт аминокислот через плаценту, что, по всей видимости, было возможной причиной IUGR у этих животных [38]. Изменение метаболизма и эндокринной среды в период внутриутробного развития В период перед имплантацией эмбрион особенно чувствителен к эпигенетическим изменениям, которые могут иметь отдаленные последствия, и, как указывалось ранее, недостаточность белка в организме самки на стадии бластоцисты в течение беременности крысы приводила к предрасположенности к гипертензии у потомства [19]. Kwong et al. [19] высказали предположение, что ключевым механизмом может быть транзиторная гипергликемия слабой степени тяжести и недостаточность содержания аминокислот в сыворотке самки из-за ограничения питания. Однако проведенные впоследствии эксперименты по переносу эмбриона показали, что эти эффекты были характерны именно для бластоцисты, и не зависели от среды в период внутриутробного развития [39]. Тем не менее, есть данные, согласно которым недостаточность питания оказывает ряд воздействий на физиологическую и эндокринную среду в организме самки. У овец недостаточность питания до и после зачатия вызывала задержку повышения уровня прогестерона на ранних сроках беременности [22], а также изменяла ось «инсулин/глюкоза» в организме самки, причем этот эффект сохранялся и после завершения периода недостаточности питания. Недостаточность питания до, но не после, зачатия также замедляла нормальное развитие физиологической инсулин резистентности на средних сроках беременности, что, в свою очередь, непосредственно связано с ростом плода на поздних сроках беременности (Рис. 1) [40]. Эти и многие другие изменения физиологической среды в организме матери в течение беременности и лактации могут являться одним из возможных механизмов, при помощи которых относительно краткосрочные или специфические изменения питания матери могут иметь отдаленные последствия для развивающегося потомства. Изменение функции оси HPA Еще одним механизм, посредством которого питание в раннем периоде может влиять на состояние здоровья потомства, увеличивая постнатальный риск развития заболеваний - негативное воздействие, оказываемое глюкокортикоидами. Глюкокортикоиды отрицательно влияют на рост и созревание разных тканей и, в частности, могут приводить нарушению роста, повышению артериального давления и изменению толерантности к глюкозе. Эти эффекты могут отмечаться в период внутриутробного развития, если концентрации глюкокортикоидов в организме самки повышены, или если нарушен плацентарный барьер, который должен в норме защищать плод от высокой концентрации глюкокортикоидов в организме самки, причем надежность барьерной функции зависит от активности изофермента 11β-гидростероид дегидрогеназы 2 типа (11βHSD- 2). Сохранение этих эффектов после рождения за счет произошедшего изменения регуляции оси HPA у потомства может объяснить существование многих взаимосвязей, например, между уменьшением размера при рождении и последующим риском развития заболевания. У крыс внутриутробное воздействие глюкокортикоидов приводит к уменьшению количества рецепторов глюкокортикоидов в гипоталамусе, что вызывает нарушение отрицательной обратной связи и, следовательно, вызывает отдаленные эффекты в виде регуляции на повышение активности оси HPA после рождения [41]. 6 Изучение связи питания в раннем периоде развития и отдаленных последствий для здоровья в экспериментах на животных Рис. 1. a Чувствительность к инсулину (в ответ на глюкозу Si) в средний период беременности (65 дней) при нормальном питании и недостаточности питания у беременных и небеременных овец (* p < 0.05, ** p < 0.01). b Связь между чувствительностью организма самки к инсулину средний период беременности и ростом плода на поздних сроках беременности. Подписи к рисунку: Si glucose mg·µU-1·kg-1·min-1 Non-pregnant Pregnant Nourished Undernourished Growth rate (mm/day) Si глюкоза мг·µЕд-1·кг-1·мин-1 Небеременная овца Беременная овца Овца, получавшая нормальное питание Овца, получавшая недостаточное питание Скорость роста (мм/день) Это, в свою очередь, может внести вклад в развитие предрасположенности к повышению артериального давления и непереносимости глюкозы у потомства. Ограничение рациона самки также повышало секрецию глюкокортикоидов у крыс, уменьшало плацентарную активность 11βHSD-2 [42], а также изменяло неонатальную функцию оси HPA. Профилактика повышения уровней глюкокортикоидов в организме самки за счет удаления надпочечников отменяла у потомства эффект рациона с низким содержанием белка в отношении интересующих исследователей исходов [43]. Это является убедительным доказательством того, что изменение воздействия глюкокортикоидов в раннем периоде жизни может быть одним из механизмов, посредством которых питание может влиять на состояние здоровья в последующие годы жизни и иметь отдаленные последствия. Низкий статус самки по питанию до и после рождения также изменял функцию оси HPA у потомства овец, даже когда недостаточность питания ограничивалась очень ранним периодом беременности [22]. 7 Хардинг/Жакери/Эрнандес/Оливер/Деррейк/Блумфилд Рис. 2. Ответная реакция организма в форме выработки кортизола на AVP + CRH у овец и баранов в возрасте 4, 10 и 18 месяцев. Серым цветом показано потомство овец, которые получали недостаточно корма в период перед и после зачатия, черный цвет показывает потомство овец, которые получали нормальное питание. * p < 0.05 для эффекта питания. Подписи к рисунку: Ось ординат: Male Female months Площадь под кривой зависимости концентрации кортизола от времени (AUC кортизола ) (нг-мл-мин-1) Самец Самка месяцы Однако ограничение поступления нутриентов в организм матери не всегда приводит к повышенному содержанию глюкокортикоидов в среде плода или повышенной активности оси HPA после рождения. Напротив, например, у овец, которые подвергались воздействию недостаточности питания слабой степени тяжести в течение нескольких недель примерно в период зачатия, концентрации глюкокортикоидов были снижены, как исходно, так и после стимуляции. При этом в организме самки отмечалось изменение регуляции оси HPA [21] и подавление активности в плаценте 11βHSD-2 даже после окончания периода недостаточности питания [44]. Потомство этих овец имело признаки супрессии активности оси HPA, которые с возрастом становились более выраженными (Рис. 2). Следовательно, возможно, что плод у самки, постоянно не получающей достаточного питания, будет находиться во внутриутробной среде с низким, а не высоким уровнем глюкокортикоидов, и это также может приводить к отдаленным рискам развития заболевания. Изменение регуляции глюкокортикоидами путей преобразования анорексигенного гормона проопиомеланокортина (POMC) в гипоталамусе может быть еще одним механизмом, посредством которого реакции плода, вызванные низким статусом матери по питанию, могут приводить к изменению постнатального фенотипа. На поздних сроках беременности эмбрионы овец, не получавших достаточного питания в течение периода до зачатия, а также до 30 дня 148-дневной беременности, через 100 дней после того, как период недостаточности питания был прекращен, имели признаки недостаточности метилирования и повышенного ацетилирования гистонов в промоторных регионах POMC и рецептора глюкокортикоидов [45]. Эти эпигенетические изменения рецептора глюкокортикоидов проявлялись в форме повышенной экспрессии гена [45]. В гипоталамусе рецепторы глюкокортикоидов повышают POMC.. Таким образом, если данное явление сохраняется в постнатальном периоде жизни, эти изменения могут приводить к нарушению регуляции аппетита, при этом замечена связь между пренатальной недостаточностью питания и постнатальным ожирением. 8 Изучение связи питания в раннем периоде развития и отдаленных последствий для здоровья в экспериментах на животных Выводы В экспериментах на животных были получены важные доказательства правильности наших представлений о механизмах, лежащих в основе отдаленных эффектов, например задержки внутриутробного развития наблюдаемых у человека при проведении эпидемиологических исследований. Эксперименты на животных показали, что недостаточность питания в период внутриутробного развития может приводить к нарушению роста, не поддающемуся последующей коррекции, даже если нутрициологический статус впоследствии улучшается. Результаты наблюдений на крысах, мышах, овцах, свиньях и морских свинках также свидетельствуют о том, что эффекты недостаточности питания в период внутриутробного развития могут варьировать в зависимости от характера, времени, степени тяжести и продолжительности нарушения питания. Важно отметить, что отдаленные эффекты влияния такого значительного фактора как недостаточное питание в раннем периоде развития могут проявляться в других формах, не связанных с весом при рождении, причем даже в тех случаях, когда нарушение питания ограничено периодом непосредственно до или после зачатия. К некоторым механизмам, лежащим в основе наблюдаемых явлений, можно отнести особенности развития отдельных органов, изменение функции плаценты, внутриутробной метаболической и эндокринной среды, а также функции оси HPA и центров регуляции аппетита. Не вызывает сомнений, что качество и количество пищи, получаемой в раннем периоде жизни, важно с точки зрения определяющего влияния на рост, развитие и риск заболевания в течение всей жизни. 9 Изучение связи питания в раннем периоде развития и отдаленных последствий для здоровья в экспериментах на животных Обсуждение Д-р Симмер (Simmer): Мне хотелось бы оспорить одно Ваше высказывание, я полагаю, что Питер Глюкман (Peter Gluckman) также является сторонником теории, согласно которой, если плод получает достаточное количество питательных веществ, после рождения преимущества с точки зрения получения достаточного количества пищи сохраняются. Не думаю, что все присутствующие с этим согласны, Мне представляется, что существуют другие источники научной литературы, где это предположение оспаривается. Не могли бы это Вы прокомментировать? Д-р Хардинг (Harding): Думаю, что в литературе существует много путаницы, а также само понятие «хорошее питание в период внутриутробного развития» весьма спорно. Ограниченные данные, полученные в исследованиях на животных, указывают на то, что разные показатели исходов приводят к неоднозначным выводам. В примере, который я описал, по эксперименту на крысах, где самки получали пищу с высоким содержанием жира, содержание потомства на диете с высоким содержанием жира не способствовало снижению артериального давления у потомства, но действительно улучшало функцию эндотелия и окислительный статус [1]. Нам также необходимо признать, что оптимизация всех исходов может быть невыполнимой задачей. Может оказаться, что если Вы оказываете положительное воздействие на мозг, влияние на сердце будет не таким полезным или наоборот. Д-р Агарвал (Agarwal): Известно ли Вам о проведении каких-либо экспериментов с белками из злаковых продуктов? Д-р Хардинг: Доступны лишь некоторые данные по экспериментам на животных, но я полагаю, что эта область очень интересна и нуждается в более подробном изучении. Д-р Перейра-да-Силва (Pereira-da-Silva): У меня есть и вопрос, и комментарий. Что касается созревания оси «гипоталамус-гипофиз-надпочечники» у плода, некоторые результаты, полученные в экспериментах на животных, указывают на гиперэкспрессию нейропептида Y у эмбрионов, которые находились в условиях низкого статуса самки по питанию [2]. С другой стороны, у эмбрионов, растущих в диабетической среде, была отмечена гиперэкспрессия нейропептида Y и галанина, вызывающих стимуляцию аппетита, а также угнетение экспрессии анорексигенного нейропептида кокаин- и амфетаминрегулируемого транскрипта, причем указанные явления сохранялись во взрослом периоде жизни [3, 4]. 11 Хардинг/Жакери/Эрнандес/Оливер/Деррейк/Блумфилд Насколько важны эти пренатальные нарушения для гипоталамических регуляторов аппетита с точки зрения программирования ожирения? Мой комментарий связан с отдаленными последствиями повышения потребления нутриентов у недоношенных новорожденных, включая те, что вызваны обогащением грудного молока. Стимулирующий эффект белка молока на секрецию IGF- I в раннем периоде жизни, не выявленный для других белков [5], может быть связан с адипогенной активностью, увеличением массы жира и программированием ожирения [6]. Сейчас Вы представили результаты очень хорошего исследования, где было обнаружено, что обогащение молока овец (повышение потребления белка), увеличивает тощую массу потомства в будущем. Это может оказаться хорошей новостью для неонатологов, озабоченных тем, чтобы недоношенные дети получали более качественное питание для тела и мозга, избегая при этом рисков, связанных с программированием ожирения [7]. Д-р Хардинг: Была проведена большая работа по изучению того, как меняется аппетит в зависимости от питания в раннем периоде развития. Отмечаются значительные изменения не только нейропептида Y, но многих центров регуляции аппетита в гипоталамусе, а также путей передачи сигнала [8, 9]. Было показано, что многие указанные изменения возникают за счет эпигенетической регуляции [10]. Насколько такие явления обратимы – это вопрос, вызывающий в настоящее время большой интерес. У крыс, например, применение лептина в раннем постнатальном периоде отменяет большинство из постнатальных эффектов, возникших по причине низкого нутрициологического статуса самки [11]. Лептин является важным регулятором контактов нейронов в гипоталамусе в раннем постнатальном периоде у крыс [12]. Нам до сих пор неизвестно, когда наступает этот критический период в процессе развития человека, однако имеющиеся данные указывают на возможность обратимости некоторых описанных эффектов. Д-р Готтранд (Gottrand): У меня общий вопрос об экспериментальных исследованиях на животных по изучению такого явления как замедление внутриутробного роста. Новорожденные крысы и мыши растут очень быстро в течение первых дней после родов, и некоторые исследователи считают, что эти животные могут служить хорошей моделью для изучения замедления внутриутробного развития на последних сроках беременности у человека с точки зрения программирования ожирения и т.п. Мой вопрос заключается в следующем: считаете ли Вы, что результаты экспериментов на крысах или мышах по изучению влияния недостаточности питания в раннем периоде развития могут быть экстраполированы на процессы замедления внутриутробного роста у человека и использоваться как модель для проверки таких последствий как программирование ожирения или исследования других проблем, связанных с нарушением питания? Д-р Хардинг: Одна из вещей, которые я узнал, будучи соискателем на степень PhD, от Джефри Доза (Geoffrey Dawes), который был непререкаемым авторитетом в области физиологии плода, - это то, что нужно с осторожностью использовать термин «модель». В экспериментах на животных, которые Вы упомянули, никакого моделирования нет. Однако, я полагаю, можно узнать, что именно происходит, изучая соответствие процессов у нескольких видов, и я пытался показать, что у целого ряда разных видов происходят одни и те же события. Таким образом, учитывая сказанное, я уверен в том, что в раннем постнатальном периоде явления, отмечаемые у грызунов, очень похожи на те, что имеют место у более продвинутых видов, таких как овцы и человек: имеется в виду изменение роста и сходные отдаленные последствия процессов внутриутробного развития. Я также не сомневаюсь, что мы можем узнать достаточно много, изучая изменение питания в настоящее время. Существует обширная литература по эффектам изменения питания в период лактации у грызунов, которые сходны с результатами изменения питания на поздних сроках беременности у более эволюционно развитых видов. Аналогичным образом, многие исследования, проведенные на животных в пренатальном периоде развития, имеют непосредственное значение с точки зрения интерпретации их результатов для недоношенных детей, так как речь идет о сходных периодах развития. Д-р Лак (Lack): Вы продемонстрировали на ряде графиков различие между самцами и самками, но не прокомментировали возможные взаимосвязи между нарушениями питания и полом. Д-р Хардинг: Почти во всех экспериментах на животных были получены эффекты, которые были разными у самок и самцов, но не удалось обнаружить значительного постоянства наблюдаемых явлений. Самое очевидное и правдоподобное объяснение – то, что чем быстрее растет животное, а обычно это самцы, тем более уязвимо оно для дополнительных неблагоприятных факторов, вне зависимости от того, являются они пренатальными или постнатальными, и, следовательно, мы наблюдаем более выраженные эффекты у самцов по сравнению с самками [13]. Последующие эксперименты это не подтвердили, и нам до сих пор неясно, насколько это явление универсально. Однако это точно указывает на то, что при проведении исследований с участием людей нам необходимо внимательно учитывать различные постнатальные возрасты у детей обоих полов, когда мы рассматриваем связь с отдаленными последствиями. 12 Изучение связи питания в раннем периоде развития и отдаленных последствий для здоровья в экспериментах на животных Д-р ван Гудовер (van Goudoever): Меня заинтересовал аспект, связанный с глицином, так как я раньше ничего об этом не слышал. Что нам действительно удалось сделать в исследованиях по изучению недоношенных новорожденных, особенно с замедлением роста, - это выяснить, что у них вероятность дефицита глицина больше, чем у детей AGA. Можете ли Вы связать это с какой-либо из работ, которые Вы только что представили? Существует ли причина, по которой особенно новорожденные SGA нуждаются в большем количестве глицина, чем новорожденные AGA? Д-р Хардинг: Глицин необходим для синтеза соединений типа гема, ДНК и коллагена, богатых глицином, которые являются конечными продуктами, причем повторное высвобождение глицина из них невозможно [14]. Можно предположить, что потребности у новорожденных с ограничением роста пропорционально выше, так как они не получили достаточного количества этих веществ в пренатальном периоде. Что здесь причина, а что следствие, я затрудняюсь сказать. Д-р ван Гудовер: У меня есть еще один вопрос: каким образом диета с высоким содержанием белка оказывает негативное влияние на артериальное давление? Как это происходит? Д-р Хардинг: Может быть несколько возможных механизмов. Потребление белка с пищей может влиять на рост нефронов и, следовательно, фильтрационную нагрузку отдельных нефронов [15]. Это также может изменять регуляцию системы «ренин-ангиотензин» [16], нарушать функцию эндотелия [17], а также влиять на плотность капилляров [18]. Д-р Рингс (Rings): Можно мне также добавить вопрос об артериальном давлении? Я очень удивлен, что Вам удается заметить эффекты недостаточности питания в таком раннем периоде жизни, и мой вопрос заключается в следующем: как Вы относитесь к идее начинать снижать артериальное давление у этих детей как можно раньше, например сразу после рождения? Считаете ли Вы наблюдаемые явления достаточным основанием для этого? Можете ли Вы сказать, по данным проведенных Вами экспериментов на животных, будут ли полезны такие действия с точки зрения снижения риска сердечно-сосудистых заболеваний? Д-р Хардинг: Это действительно интересный вопрос. Эффекты, о которых я говорил, как правило, коррелируют с возрастом, поэтому эффекты в детстве и в раннем периоде взрослой жизни невелики. Например, они существенно менее заметны, чем эффекты, связанные с недоношенностью. В нашем исследовании рождение с небольшой степенью недоношенности (медиана 35 недель) удваивало риск гипертензии к возрасту 30 [19], тогда как эффект размера при рождении составляет порядка 2 мм рт. ст/кг веса при рождении [20]. Однако имеются некоторые данные научной литературы по экспериментам на животных, согласно которым в раннем периоде вмешательство может предотвратить наступление отдаленных последствий. У крыс, если потомство самок, получавших рацион с низким содержанием белка, лечить ингибиторами ACE (в течение 3 недель) в неонатальном периоде, последующее развитие гипертензии удается предотвратить [21]. Однако это вмешательство оказывает не такой явный эффект, по сравнению с мерами, применяемыми в течение критического периода, с точки зрения обратимости вызванного ранее эффекта программирования. Это сходно с эффектами применения лептина в раннем периоде, которые мы обсуждали выше [11]. Можно предположить, что, если мы понимаем механизмы и можем идентифицировать критические периоды, мы имеем возможность предотвратить некоторые отдаленные последствия. Д-р Клейнман (Kleinman): Нам был представлен необыкновенно информативный анализ по исследованиям в очень сложной области, позвольте поздравить Вас с успехом. Нам было продемонстрировано так много принципов и механизмов, обнаруженных при проведении этих исследований. В то же время, эти данные указывают на то, что беременность - это период, особенно чувствительный и уязвимый для развивающегося плода. Не могли бы Вы прокомментировать порог, за которым наступает недостаточность питания, способная вызвать потенциально вредные хронические последствия, так как есть ощущение, что задействованные в процессе развития биологические системы человека чрезвычайно чувствительны к воздействию окружающей среды в этом раннем периоде развития. Д-р Хардинг: У меня нет ответа на этот вопрос, но есть некоторые замечания. Одно связано с концепцией прогнозируемой адаптивной ответной реакции [22]. В рамках этой гипотезы представляется, что обсуждаемые нами эффекты являются не эволюционными, а адаптивными механизмами. В течение беременности плод получает сигналы от матери о составе питательной среды, в ответ возникают реакции, позволяющие адаптироваться к этой среде, таким образом плод получает возможность подготовиться к жизни в условиях воздействия внешних факторов, связанных с питанием. Если условия пренатальной и постнатальной пищевых сред соответствуют друг другу, особенных проблем для здоровья не возникает. 13 Хардинг/Жакери/Эрнандес/Оливер/Деррейк/Блумфилд Проблемы возникают только тогда, когда есть несоответствие, например, когда дети матери с малыми размерами тела, получавшей недостаточное питание, растут в условиях значительно лучшей пищевой среды, в этом случае мы наблюдаем проявления в форме эпидемии диабета и сердечно-сосудистых заболеваний в некоторых развивающихся странах. Второе замечание заключается в том, что эволюционные объяснения, по всей видимости, бесполезны, так как почти все важные отдаленные заболевания (гипертензия, диабет и т.п.) не связаны с основными показателями заболеваемости вплоть до деторождения, так что эволюция не влияет на эти эффекты. Д-р Жиралдо (Giraldo): Каково влияние питания в раннем периоде развития на поведение и состояние нервной системы? Д-р Хардинг: Большое количество экспериментов на животных было сосредоточено на изменении оси HPA и соответствующих ответны реакциях на стресс и тревожность. Я не думаю, что многие эксперименты на животных могут быть полезны для понимания более тонких эффектов поведения, учитывая уникальные размеры, структуру и время развития мозга у человека. Нам удалось показать изменение поведения на овцах в результате недостаточности питания до и после зачатия [23], а также другим исследователям удалось продемонстрировать изменения поведения у крыс [24] и морских свинок [25], но я не знаю, насколько эти результаты можно экстраполировать на человека. Д-р Лак: Неблагоприятные эффекты питания, которые действуют на потомство матери, не получавшей достаточного питания: действуют ли они и на следующее поколение, или заново создаются следующим поколением? Д-р Хардинг: Эти эффекты действуют совместно. Изменение толерантности к глюкозе в организме матери в одном поколении влияет на функцию поджелудочной железы в 2 или 3 поколениях, по крайней мере, у крыс [26]. Некоторые такие эффекты могут передаваться по отцовской и материнской линии [27]. Это указывает на то, что не все эффекты возникают изза изменения внутриутробной среды. Напротив, существуют эпигенетические изменения в раннем периоде жизни эмбриона. Д-р Моханти (Mohanty): Я родом из той части Индии, где смертность среди новорожденных самая высокая в стране, и 62% летальных исходов связано с неонатальным периодом. Люди в Индии, особенно беременные женщины, потребляют очень небольшое количествокалорий, белков и жиров с пищей. Однако у нас есть традиция, согласно которой беременная женщина получает приглашения на обед или ланч от родственников и друзей один или два раза в месяц вплоть до родов. Мы обнаружили, что одна треть родов относится к категории «рождения ребенка с низким весом», тогда как в двух третьих случаев рождаются вполне нормальные дети. Таким образом, теория, что плод является облигатным паразитом, верна, поскольку потребности плода в количественном отношении очень малы. В этой связи, у меня есть два вопроса. Помогает ли дополнительное питание, которое получают эти женщины в течение беременности, восстановить запасы организма и родить нормальных детей, а не детей с очень низким весом при рождении? Второй вопрос: не является ли сегодня актуальной теория, считающая, что плод - это паразит, вне зависимости от потребления белка и углеводов матерью, с учетом того, что количество пищи, необходимой для плода, очень невелико? Д-р Хардинг: Я не знаю, может ли дополнительное питание матери, даже если это помогает снять проблему ограничения роста, предотвратить наступление отдаленных последствий. Аналогия с нашими исследованиями на овцах прослеживается в отношении результатов недостаточности питания до и после зачатия в сочетании с последующим периодом хорошего питания в течение всей оставшейся беременности. Нами было обнаружено, что не отмечается влияния на низкий вес при рождении [28], но происходят существенные изменения во взрослой физиологии [29]. Ваш второй комментарий о том, что плод – это такой чудесный паразит, - интересное замечание, поскольку Вы правы, пищевые потребности плода, в абсолютном выражении, ничтожны, в частности, на ранних сроках беременности. Тем не менее, эти эффекты, возникающие в раннем периоде беременности, имеют отдаленные последствия. Таким образом, дело не недостаточности нутриентов, необходимых для роста плода, и не в том, что плод - эффективный паразит. Напротив, вопрос заключается в способе, используя который эмбрион адаптируется к сигналам пищевой природы. 14
