Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Vurdering av metabolske effekter av Isocaloric 2:1 intermitterende Fasting i mus

Published: November 27, 2019 doi: 10.3791/60174
Automatic Translation
*1,2, *3,4, 1,2, 3,4,5, 1,2
1University of Ottawa Heart Institute, 2Department of Cellular and Molecular Medicine, University of Ottawa, 3Translational Medicine Program, The Hospital for Sick Children, 4Department of Laboratory Medicine and Pathobiology, University of Toronto, 5Banting and Best Diabetes Centre, University of Toronto
* These authors contributed equally

Summary

Den nåværende artikkelen beskriver en detaljert protokoll for isocaloric 2:1 intermitterende faste for å beskytte og behandle mot fedme og nedsatt glukose metabolisme i vill-type og OB/OB mus.

Abstract

Periodisk Fasting (IF), et kosttilskudd intervensjon som involverer periodisk energi begrensning, har blitt vurdert å gi mange fordeler og motvirke metabolske unormalt. Så langt er forskjellige typer IF-modeller med varierende varighet av faste-og fôrings perioder dokumentert. Men tolke resultatene er utfordrende, så mange av disse modellene innebære multifaktoriell bidrag fra både tid og kalori-begrensning strategier. For eksempel, den alternative dagen fastende modell, ofte brukt som en gnager IF regime, kan resultere i underfeeding, noe som tyder på at helsemessige fordeler av denne intervensjonen er sannsynlig mediert via både kalori begrensning og faste-refeeding sykluser. Nylig har det blitt demonstrert at 2:1 IF, bestående av 1 dag med faste etterfulgt av 2 dager med fôring, kan gi beskyttelse mot diett-indusert fedme og metabolske forbedringer uten en reduksjon i total kaloriinntak. Presentert her er en protokoll av denne isocaloric 2:1 IF intervensjon i mus. Likeledes beskrevet er en par-mate (PF) protokollen krevde å eksamen en musen modell med forandret spising opptreden, som hyperphagia. Ved hjelp av 2:1 IF regime, er det demonstrert at isocaloric IF fører til redusert kroppsvektøkning, forbedret glukose homeostase, og forhøyet energiforbruk. Således, denne område kanskje være nyttig for etterforske helsen virkninger av hvis opp på forskjellige sykdommen vilkårene.

Introduction

Moderne livsstil er forbundet med lengre daglig matinntak tid og kortere fastende perioder1. Dette bidrar til den nåværende globale fedme-epidemien, med metabolske ulemper sett hos mennesker. Fasting har vært praktisert gjennom menneskets historie, og de ulike helsemessige fordelene inkluderer Forlenget levetid, redusert oksidativt skade, og optimalisert energi homeostase2,3. Blant flere måter å praktisere faste, periodisk energi deprivasjon, betegnet intermitterende faste (IF), er et populært kosttilskudd metode som er allment praktisert av befolkningen generelt på grunn av sin enkle og enkle regime. Nyere studier i prekliniske og kliniske modeller har vist at hvis kan gi helsemessige fordeler sammenlignes med langvarig faste og kalori begrensning, noe som tyder på at hvis kan være en potensiell terapeutisk strategi for fedme og metabolske sykdommer2,3,4,5.

IF regimer varierer i form av fastende varighet og frekvens. Alternative dagen faste (dvs. 1 dag fôring/1 dag Fasting; 1:1 IF) har vært den mest brukte hvis regime i gnagere å studere sin gunstige helsemessige virkninger på fedme, hjerte-og karsykdommer, nevrodegenerative sykdommer, etc.2,3. Men, som vist i tidligere studier6,7, og ytterligere mechanistically bekreftet i vår energiinntak analyse8, 1:1 hvis resultater i underfeeding (~ 80%) på grunn av mangel på tilstrekkelig fôring tid til å kompensere for energitap. Dette gjør det uklart om de helsemessige fordelene gitt av 1:1 Hvis er formidlet av kalori begrensning eller endring av spise mønstre. Derfor er et nytt IF-regime utviklet og vises her, bestående av en 2 dagers mating/1 dag fastende (2:1 IF) mønster, som gir mus med tilstrekkelig tid til å kompensere for matinntak (~ 99%) og kroppsvekt. Disse musene sammenlignes deretter med en Ad lib (Al)-gruppe. Dette regimet muliggjør undersøkelse av virkningene av isocaloric IF i fravær av kalori reduksjon i vill-type mus.

I kontrast, i en musemodell som viser endret fôring atferd, kan AL fôring ikke være en forsvarlig kontroll tilstand å sammenligne og undersøke effekten av 2:1 IF. For eksempel, siden OB/OB mus (en vanlig genetisk modell for fedme) utstillingen hyperphagia på grunn av mangel på leptin regulere appetitt og metthetsfølelse, de med 2:1 IF utstillingen ~ 20% reduserte kaloriinntaket sammenlignet med OB/OB mus med Al fôring. Derfor, til riktig undersøke og sammenligne virkningene av IF i OB/OB mus, et par-fôring gruppe som en passende kontroll må være ansatt.

Samlet sett er en omfattende protokoll gitt for å utføre isocaloric 2:1 IF, inkludert bruk av et par-mating kontroll. Det er videre demonstrert at isocaloric 2:1 Hvis beskytter mus fra høyt fett diett-indusert fedme og/eller metabolsk dysfunksjon i både vill-type og OB/OB mus. Denne protokollen kan brukes til å undersøke de gunstige helsemessige virkninger av 2:1 IF på ulike patologiske tilstander, inkludert nevrologiske lidelser, hjerte-og karsykdommer og kreft.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle metoder og protokoller her over ha blitt anerkjent av dyr bekymre komiteer inne det dyr bekymre og veterinary Service (ACVS) av universitetet av Ottawa og senteret for Phenogenomics (TCP) og innrette seg etter standardene av det canadisk råd opp på dyr bekymre. Det bør bemerkes at alle prosedyrer som er beskrevet her bør utføres under institusjonell og statlig godkjenning så vel som av ansatte som er teknisk dyktige. Alle mus ble plassert i standard ventilerte bur i temperatur-og luftfuktighet-kontrollerte rom med 12 h/12 h lys/mørke sykluser (21-22 ° c, 30%-60% fuktighet for normal bolig) og fri tilgang til vann. Mann C57BL/6J og OB/OB mus ble Hentet fra Jackson Laboratory.

1.2:1 Isocaloric IF-regime

  1. For mager og diett-indusert fedme musemodeller, forberede enten et normalt kosthold (17% fett, ND) eller høy fett diett (45% fett, HFD).
    Merk: 60% HFD kan brukes til å indusere alvorlig diett-indusert fedme; ennå, på grunn av mykhet på maten pellet, er det relativt vanskelig å nøyaktig måle daglig matinntak. Et automatisert kontinuerlig målesystem kan forbedre allsidigheten for flere typer dietter.
  2. Mål Baseline kroppsvekt og kroppssammensetning av hver mus på 7 ukers alder ved hjelp av en skala og EchoMRI, henholdsvis.
    Merk: Se avsnitt 3 for måling av kroppssammensetning.
  3. Basert på kroppsvekt og kroppssammensetning resultater, tilfeldig og likt dividere 7 uke gamle mannlige C57BL/6J mus i to grupper: Ad lib (AL) og periodisk Fasting (IF) grupper.
  4. Plasser to til tre mus per bur og sikre fri tilgang til drikkevann.
    Merk: Antallet av mus per bur kanne berøre næringen inntak opptreden. Det anbefales å opprettholde et likt antall mus per bur i alle grupper i løpet av studien.
  5. Skaffe 1 uke av acclimation å det ny bur omgivelsene og kosten tidligere igangsetting det IF område.
  6. Fasting periode: flytte mus til et rent bur med friskt sengetøy på 12:00 PM. Ikke Legg til mat for IF-gruppen, samtidig som det gir en veid mengde mat til AL-gruppen.
    Merk: For hver faste syklus er det viktig å bytte bur for både AL-og IF-gruppene for å sikre at begge gruppene utsettes for samme mengde håndteringstid.
  7. Etter 24 h, måle vekter av mus i begge grupper og leftover mat i AL bur.
    Merk: Sørg for å inkludere vekten av mat smuler på mat hopper og bunnen av buret, spesielt når du bruker HFD, som mus ofte fjerne små pellets eller fragmenter av mat fra hopper og holde dem i nærheten av reir nettsteder. Den gjennomsnittlige energiinntaket per mus på slutten av hver 2:1 syklus (3 dager) er rundt 35 kcal, tilsvarende ~ 10 g for et normalt kosthold (3,3 kcal/g) og ~ 7 g for HFD (4,73 kcal/g).
  8. Fôring periode: gi en veid mengde mat ved 12:00 PM for både AL og IF grupper.
  9. Etter 48 h av å gi mat, måle vekten av leftover mat og mus.
  10. Gjenta trinn 1,6 – 1.10 for varigheten av studien(f.eks. 16 uker).

2. kontrollgruppe for par mating (PF)

Merk: For et IF-eksperiment der endret fôring atferd er observert i en musemodell (f. eks, hyperphagia i OB/OB mus), er det nødvendig å ha en par-mating gruppe som en kontroll for riktig kalori-uavhengig forhold til IF.

  1. For PF kontrollgruppen, rave eksperiment planen slik at samme mengde mat som forbrukes av IF-gruppen tilbys til PF-gruppen (figur 2).
  2. Mål mengden mat som forbrukes av IF-gruppen over 2 dager i refeeding perioden.
  3. Del denne mengden konsumert mat i IF gruppen jevnt inn i tre proporsjoner og gi det daglig til PF gruppen på 12:00 PM.
    Merk: Å gi en lik mengde mat daglig er kritisk. I tilfelle av mus med hyperphagia, hvis de par-matet mus er utstyrt med en mengde mat mindre enn sitt frivillige forbruk på en gang, vil de sannsynligvis forbruke all gitt mat og blir effektivt fastet. Dette kan da hindre riktig sammenligning med IF-behandlede mus og forvirre resultatet.
  4. Gjenta trinn 2.1 – 2.3 for varigheten av studien.

3. analyse av kroppssammensetning

Merk: Siden langsiktig hvis påvirker kroppsvekt hos mus, kroppssammensetning kan måles ved passende sykluser (f. eks, hver 3 eller 4 sykluser) ved hjelp av en kroppssammensetning analysator å kvantifisere fett og Lean Mass i live, ikke-anesthetized mus.

  1. Slå på kroppssammensetningsvekten.
    Merk: Før du starter programmet, la maskinen være på i minst 2 – 3 timer for å varme opp.
  2. Kjør en system test på kropps sammensetnings analysator for å teste målenøyaktigheten. Hvis det er nødvendig, kalibrere systemet ved hjelp av rapsolje og vann prøver.
  3. Mål kroppsvekten for hver mus.
  4. Plasser musen i en liten dyr sylindrisk holderen.
  5. Sett inn et skilletegn for å begrense fysisk bevegelse av musen under målingen, og Plasser holderen i kropps sammensetnings analysator.
  6. Kjør skanneprogrammet.
    Merk: Det tar ca 90-120 s å analysere.
  7. Etter måling, fjerne holderen fra utstyret og bringe musen tilbake til buret.
    Merk: Du finner en mer detaljert protokoll i en tidligere publikasjon9.

4. glukose og insulin toleranse tester

  1. For glukose toleranse test (GTT), måle kroppsvekt og kroppssammensetning av hver mus før utsette til faste og merke halen med en permanent markør for enkel og rask indeksering.
  2. Plasser mus i nye bur uten mat på 7:00 PM for overnatting faste.
    Merk: Over natten faste er standardprotokollen, men på grunn av mus fysiologi (f. eks, økt glukose utnyttelse etter langvarig fastende10,11), kortere Fasting (~ 6 h) kan brukes som beskrevet for ITT.
  3. Etter fastende 14-16 h (9:00 AM i neste morgen), måle kroppsvekt og kroppssammensetning av hver mus og beregne mengden av glukose dosering basert på kroppsvekt.
    Merk: For å unngå overvurdering av glukose intoleranse i overvektige mus, Lean Mass innhentet fra kroppssammensetning analysen kan brukes til å beregne glukose dosering12,13.
  4. For hver mus, kutt spissen av halen (0,5 – 1,0 mm) ved hjelp av ren kirurgisk saks. Etter utslettelse av den første dråpe blod, trekke en fersk dråpe blod fra halen og måle Baseline fastende blodsukkernivået med glucosemåler.
    Merk: Ekstra hale kutting er ikke nødvendig for alle blod glukosemålinger under GTT eller ITT. Såret kan bli frisket ved slipe det med gasbind å trekke en dråpe blod.
  5. Subject mus til en intraperitoneal (IP) injeksjon av glukose (1 mg/g av kroppsvekt).
    Merk: Basert på målet for et eksperiment (f. eks, undersøke inkretinsystemet effekter), oral administrering av glukose kan utføres ved oral gavage. Protokollen for oral GTT (OGTT) finnes i en annen studie14.
  6. Mål blodsukkeret fra halen ved 0, 5, 15, 30, 60, og 120 min etter glukose injeksjon.
  7. Etter endt GTT, gi en tilstrekkelig mengde mat.
  8. For insulin toleranse test (ITT), fjerne mat på 9:00 AM.
    Merk: Siden både GTT og ITT er stress-inducing opplevelser for mus som kan heve blodsukkeret og endre fysiologi, anbefales det å utføre ITT etter å gi minst 2-3 dager etter at GTT eksperimentet.
  9. Etter Fasting for 6 h (3:00 PM), måle Baseline blodsukker fra halen som beskrevet i trinn 4,4.
  10. Subject mus til IP injeksjon av insulin (0,65 mU/g av kroppsvekt).
  11. Mål blodsukkeret fra halen for 0, 15, 30, 60, 90, og 120 min post-insulin injeksjon.
  12. Etter endt ITT, gi en tilstrekkelig mengde mat.

5. indirekte Reaksjonskalorimetri

Merk: Energimetabolismen til IF-behandlede mus kan evalueres ytterligere gjennom indirekte reaksjonskalorimetri over en enkelt syklus med IF. Dette vil måle oksygenforbruk (VO2), karbondioksid produksjon (VCO2), RESPIRASJONS utveksling ratio (rer), og varme (kcal/h).

  1. Slå på strømmen til det indirekte calorimeter systemet minst 2 timer før du kjører eksperimentet.
    Merk: Dette systemet varmes opp er viktig for nøyaktig måling.
  2. Forbered bur med rent sengetøy, fyll vannflasker, og legge til pre-veide mengden Chow til maten Hoppers.
  3. Sjekk tilstanden til Drierite og kalk brus. Hvis en farge indikator på Drierite vises rosa, som indikerer at Drierite har absorbert en høy mengde fuktighet, er det nødvendig å erstatte eller topp med friske Drierite.
  4. Kalibrer systemet ved hjelp av en gass med den spesifikke sammensetningen (0,5% CO2, 20,5% O2).
  5. Mål kroppsvekt og kroppssammensetning for hver mus, som vil bli brukt til å normalisere VO2 og VCO2 data.
  6. Plasser en mus forsiktig per bur.
  7. Monter metabolske bur, plassere dem i temperatur-kontrollerte miljøkammer, og koble til gass linjer og aktivitet sensorkabel.
  8. Når du har konfigurert eksperiment profilen ved å legge til egnede eksperimentelle parametre ved hjelp av programvaren, kjører du programmet for måling. Formålet med den første dagens måling er å gi en periode med Akklimatisering og måle Baseline energi metabolisme.
  9. På 12:00 PM dagen etter, underlagt mus til 24 h faste ved å fjerne mat og smuler fra hopper og bunnen av buret. Om nødvendig, Erstatt med rent sengetøy.
  10. Etter 24 h, tilsett pre-veide mengden Chow til maten hopper for refeeding perioden.
  11. Fortsett å måle for neste 48 h. Kontroller regelmessig om systemet kjører uten maskinvare-eller programvareavbrudd.
  12. Etter endt måling, avslutte programmet og bringe mus tilbake til sine opprinnelige bur. Mål mengden av leftover mat for å undersøke matinntak.
  13. Den detaljerte protokollen for indirekte reaksjonskalorimetri finnes i en tidligere studie9.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 viser fôring analysene etter 24 h faste og sammenligningen mellom 1:1 og 2:1 intermitterende faste. En 24 h fastende periode resulterte i en ~ 10% reduksjon i kroppsvekt, som ble fullstendig utvinnes etter 2 dager med refeeding (figur 1a). En 24 h fastende periode indusert hyperphagia i løpet av de neste 2 dagene av refeeding (figur 1B). Likevel, sammenligningen av energiinntak mellom 1:1 alternativ dag faste og 2:1 periodisk fastende avslørte at 1 dag i refeeding perioden i 1:1 IF var ikke tilstrekkelig (~ 80%) for å kompensere for kalori tapet ved å faste, sammenlignet med AL-betingelsen (figur 1C). På den annen side, 99% av energiinntaket ble fullt kompensert i løpet av 2 dager med refeeding i 2:1 IF. Dette regimet muliggjør undersøkelse av virkningene av isocaloric hvis det er uavhengig av kaloriinntak forskjell.

Figur 2 illustrerer en skjematisk tidslinje for ISOCALORIC 2:1 IF-og PF-regimer. For å minimere forskjellene i kaloriinntaket, en observasjon gjort i alternativ dag Fasting6,7, denne protokollen etablert en ny hvis regime bestående av 2 dagers fôring og 1 dag faste perioder (2:1 IF)8, som aktiverte undersøkelse av helseeffekter av isocaloric hvis i vill-type mus. Men i OB/OB mus, som viste hyperphagic atferd, 2:1 IF-behandlet OB/OB mus viste en 21% kaloriinntak reduksjon, sammenlignet med OB/OB Al mus15. Siden dette hindrer en skikkelig kalori-uavhengig sammenligning, en PF kontrollgruppe som opprettholdt samme kaloriinntak som IF-behandlet OB/OB mus ble brukt. Kort, den totale mengden mat konsumert i løpet av 2 dager med fôring i 2:1 Hvis mus ble delt likt i tre daglige beløp, deretter gitt til PF-gruppen.

For en omfattende oversikt over metabolske utfall av 2:1 IF, sammenlignet vi virkningene av AL, IF, og PF i kroppsvekt, matinntak og kroppssammensetning i vill-type og OB/ob mus under normal diett (nd) og HFD. Sammenlignet med AL, IF behandling førte til lavere kroppsvektøkning i ND-Fed og HFD-matet WT mus uten betydelige forskjeller i matinntak (Figur 3A, B). Body sammensetning analyse avdekket at hvis spesielt redusert fett masse uten endringer i Lean Mass i vill-type mus (Figur 3C). Det er mulig at en litt, om enn ikke signifikant, lavere akkumulert energiinntak over 16 uker av IF-programmet kan resultere i redusert kroppsvekt gevinst på IF dyr. Men hvis eksperimentet med paret-fôring regime bekreftet at den reduserte kroppsvektøkning av IF var ikke på grunn av endret energiinntak (Figur 3D, E). I motsetning til vill-type dyr, kroppsvekten av OB/OB mus utsatt for if (ob-IF) var lavere enn for OB-Al mus (Figur 3G). Dette skyldes hyperphagia (overdreven spising) av OB/OB mus, som fører til mildt høyere (21%) matinntak i AL-mus, sammenlignet med IF-behandlede dyr (Figur 3H). Derfor, for å spesielt undersøke metabolske effekten av IF i en kalori-uavhengig måte, et par-mating kontrollgruppen ble ansatt. Men i motsetning til vill-type mus8, OB-PF mus var umulig å skille i forhold til OB-hvis mus i kroppsvekt og kroppssammensetning15 (Figur 3i). Disse resultatene tyder på at leptin er sannsynlig innblandet i isocaloric IF-mediert kroppsvekt reduksjon i mus.

De store metabolske fordelen gitt av isocaloric IF er forbedret glukose homeostase. Som vist i Figur 4A, B, C, D, HFD-hvis mus viste en betydelig forbedring i glukose homeostase. GTT viste at blodsukkeret tømmes raskere i IF-behandlede mus, mens ITT avslørte høyere insulinfølsomhet i HFD-IF-mus, sammenlignet med HFD-AL-eller HFD-PF-mus. Uventet, til tross for svikt i IF-mediert vektreduksjon, ob-IF dyr utstilt betydelig forbedret glukose håndtering med mindre glukose utflukter i GTT, sammenlignet med OB-PF mus (Figur 4E), mens insulinfølsomhet var å SKILLE mellom ob-IF og OB-PF mus (Figur 4F). Dette forbedret glukose homeostase i ob-IF mus er sannsynlig mediert av økninger i plasmanivå av glukagon-som peptid-1 (GLP-1) og glukose-stimulert insulin sekresjon (data ikke vist)15. Overall, ved å bruke denne 2:1 IF-protokollen og riktig kalori-uavhengig PF-kontroll, viste vi de metabolske fordelene av isocaloric IF i vill-type og OB/OB mus.

En av de metabolske virkningene av IF i vill-type mus er høyere totalt O2 forbruk, brukes til å anslå energiforbruket (figur 5A, B). Denne høyden i O2 -forbruk ble funnet bare under fôring periode i IF mus, men ikke fastende periode, SAMMENLIGNET med Al-mus. De økte energi utgiftene var i stor grad formidlet av fett termotilblivelsen, slik som Browning av hvit fettvev og aktivering av brunt fettvev (data ikke vist)8,16. IF-mediert fett termotilblivelsen ville antagelig forklare hvordan vill-type mus utsatt for IF utstilt redusert kroppsvekt gevinst uten forskjell i matinntak, sammenlignet med AL-mus. På den annen side, IF ikke klarte å øke O2 forbruk i OB/OB mus (figur 5C-D), og selv førte til en reduksjon i energiforbruk i fastende periode. Konsekvent, IF-indusert fett termotilblivelsen ble fullstendig avskaffet i OB/OB mus (data ikke vist). Disse dataene tyder på en mulig begrensning av IF som det kan fungere annerledes for personer med ulik genetisk og miljømessig bakgrunn.

Figure 1
Figur 1: fôring analyser etter 24 h faste og sammenligning mellom 1:1 og 2:1 if. (A) daglig kroppsvekt endringer av mus før og etter 24 h Fasting (n = 10). (B) daglig energiinntak før og etter 24 h Fasting (n = 5 bur; 2 mus per bur). (C) sammenligning av energiinntak mellom alternative dag faste (dvs. 1 dag fôring/1 dag Fasting, 1:1 Hvis) og 2:1 periodisk faste (dvs. 2 dagers mating/1 dag faste). I 1:1 IF regime, bare ~ 80% av matinntaket ble kompensert i løpet av de påfølgende 1 dag av refeeding sammenlignet med matinntak over 2 dager med fôring. På den annen side, 99% av energiinntaket ble oppnådd når 2 dager refeeding ble gitt, sammenlignet med at over 3 dager med fôring. Data uttrykkes som gjennomsnittet ± SEM. Dette tallet ble gjengitt med tillatelse fra Kim et al.8. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: skjematisk illustrasjon av isocaloric 2:1 IF regime. For PF-kontroll er mengden mat som forbrukes i løpet av de 2 dagene med mating av hvis-behandlede mus, delt inn i tre like deler, som deretter leveres daglig til PF-mus under neste syklus. AL = ad lib; PF = mating med par. En del av dette tallet ble gjengitt med tillatelse fra Kim et al.8. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: sammenligning av AL, IF, og PF effekter på kroppsvekt, matinntak, og kroppssammensetning mellom vill-type og OB/OB mus. (A, B, C) Kroppsvekt, matinntak, og kroppssammensetning i AL-eller IF-behandlet vill-type mus under normal diett (ND) eller høyt fett inntak (HFD) i løpet av 16 uker med IF-regime. Data uttrykkes som gjennomsnittet ± SEM. (ND-AL: n = 7; ND-IF: n = 8; HFD-AL: n = 7; og HFD-IF: n = 8); en-eller toveis ANOVA med student-Newman-Keuls post-hoc-analyse; * * p < 0,01 vs. HFD-AL. (D, E, F) kroppsvekt, matinntak, og kroppssammensetning i PF vs. hvis mus matet med høyt fett kosthold (HFD) i løpet av 12 uker av IF diett. (PF: n = 6 og IF: n = 6); to-hale ikke-sammenkoblet student t-test; * p < 0,05 vs. HFD-PF; NS = ikke signifikant. (G, H, i) Kroppsvekt, matinntak, og kroppssammensetning i AL, PF, eller IF-behandlet OB/OB mus matet med normal Chow (OB-Al: n = 4; OB-PF: n = 7; Ob-IF: n = 6); OB-AL vs. OB-PF: *p < 0,05; OB-AL vs. Ob-IF: * p < 0,05; OB-PF vs. Ob-IF. Paneler A – F ble gjengitt med tillatelse fra Kim et al.8. Paneler G-I ble gjengitt med tillatelse fra Kim et al.15. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: forbedret glukose homeostase av IF i både vill-type og OB/OB mus. (A, B) Intraperitoneal GTT og ITT i HFD-AL og HFD-IF Wild-type mus etter 16 uker med IF diett. Det innfelte viser området under kurve (AUC); * p < 0,05 vs. HFD-Al. (C, D) gtt og ITT i HFD-PF SAMMENLIGNET med HFD-IF Wild-type mus etter 12 uker med IF-regime. Innfelt viser AUC; * p < 0,05 vs. HFD-PF. (E, F) gtt og ITT i ob-IF SAMMENLIGNET med OB-PF-mus etter 16 uker med IF-regime. Innfelt viser AUC (* p < 0,05 vs. OB-PF). Panel A-D ble gjengitt med tillatelse fra Kim et al.8. Paneler E og F ble gjengitt med tillatelse fra Kim et al.15. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: energi utgifter analyse i IF-behandlet vill-type og OB/OB mus. (A) spor av O2 forbruk i løpet av en syklus av 2:1 hvis i vill-type mus (dvs. 1 dag faste etterfulgt av 2 dager av fôring). (B) gjennomsnitt av O2 forbruk per time under faste, fôring, og en syklus av 2:1 if. Data uttrykkes som gjennomsnittet ± SEM (HFD-AL: n = 6; og HFD-IF: n = 12); * p < 0,05 vs. HFD-AL. (C) O2 forbruk spor av OB/OB mus under en syklus av 2:1 hvis. (D) gjennomsnitt av O2 forbruk per time under faste, fôring, og en syklus av 2:1 if (OB-PF: n = 7; Ob-IF: n = 6); * p < 0,05 vs. OB-PF. panel B ble gjengitt med tillatelse fra Kim et al.8. Paneler C og D ble gjengitt med tillatelse fra Kim et al.15. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det har vært godt dokumentert at hvis gir gunstige helseeffekter på ulike sykdommer i både mennesker og dyr8,15,16,17,18,19. Dens underliggende mekanismer, som autofagi og gut mikrobiomet, har nylig blitt belyst. Den presenterte protokollen beskriver en isocaloric 2:1 IF regime i mus for å undersøke calorie-uavhengige metabolske fordeler av IF mot diett-indusert fedme og tilhørende metabolsk dysfunksjon. I motsetning til den alternative dagen Fasting (1:1 IF) protokoll som resulterer i en reduksjon i total kaloriinntak6,7, gir 1 mer dag av refeeding i 2:1 Hvis regime muliggjør vedlikehold av en isocaloric tilstand i vill-type mus.

I tillegg, sammenlignet med 1:1 Hvis, 2:1 IF diett kan redusere mulig fastende-mediert stress eller dvale i mus20 og er også sammenlignes med et populært kosttilskudd metoden, den 5:2 diett2. Selv om effektene ikke har blitt testet, kan diett endres ved å gi ekstra dager med refeeding (f. eks, 3:1 eller 4:1 IF). Videre kan denne protokollen presenteres enkelt justeres til en hourly skala kalt tidsbegrenset mating (TRF), der tilgang til mat er begrenset til 8 h per dag i den aktive fase21, som er kjent for å oppnå en isocaloric diett regime og gi metabolske fordeler mot HFD-indusert fedme og diabetes19,21,22.

Som vist i fôring analyse (figur 1B), hyperphagic oppførsel umiddelbart etter 24 h av fastende avtar gradvis i vill-type mus, som gjør isocaloric if. Imidlertid kan denne isocaloric tilstanden ikke oppnås i OB/OB mus, som de mangler leptin signalering-mediert metthetsfølelse og energi metabolisme, fører til en kontinuerlig hyperphagic fenotype23,24. Derfor, før du utfører en IF eksperiment, anbefales det å undersøke fôring atferden til musen modell av interesse. Å undersøke virkningene av hvis du bruker en hyperphagic musemodell (f. eks, OB/OB, DB/DB, Sim1+/-, MC4R-/-)24,25,26, som beskrevet i denne protokollen, ansettelse av et par-fôring gruppe som en isocaloric eksperimentell kontroll er viktig for å gjøre riktige sammenligninger. Det krever også nøye planlegging når du tester en musemodell med en hypophagic fenotype (f. eks, melanin-inneholdende hormon KO mus)27.

En viktig faktor å vurdere for IF studier er bolig temperatur, noe som påvirker ulike fysiologiske og atferdsmessige parametre i mus. Spesielt, kulde eksponering (4 – 6 ° c) øker betydelig energiinntaket for å opprettholde kjernen kroppstemperatur28. I kontrast, i thermoneutral forhold (30 ° c) hvor varme forsterkningen balanseres ved varmetap, reduseres reduksjonen i mat forbruk markant8. Med hensyn til metabolske utfall, kulde eksponering induserer fett termotilblivelsen, som er hemmet av thermoneutral tilstand. Derfor er det forventet at bolig temperatur påvirker metabolsk fenotyper av IF og hensiktsmessig fôring: fastende ratio for å oppnå isocaloric IF.

Det har faktisk tidligere vist at isocaloric 2:1 hvis kan oppnås i thermoneutral forhold, fører til økt metabolske helse i diett-indusert fedme og metabolsk dysfunksjon uten forskjeller i matinntak mellom IF og AL grupper8. Men isocaloric IF kan ikke være oppnåelig med 2:1 ratio ved lave temperaturer fordi mus under kald eksponering vil vise en hyperphagic fenotype, noe som fører til underfeeding i IF-gruppen. Siden kald eksponering og IF vise sammenlignbare metabolske utfall og mekanismer (dvs. fett termotilblivelsen og forbedret glukose homeostase) som hjelper bekjempe fedme, det er interesse i å kombinere disse to intervensjoner for å maksimere metabolsk effekt. Derfor, for å skikkelig teste dette, utføre fôring analysen før du kjører et IF eksperiment og bruker en par-mating kontrollgruppe under kald eksponering anbefales.

Andre faktorer som kan potensielt påvirke utfallet av IF-studier inkluderer bolig tetthet. I likhet med den forrige studien, som viste redusert mat forbruk i mer tett plassert mus29, mus fra et bur på fem konsumert betydelig mindre mat enn de fra et bur på to (upubliserte resultater). I tillegg har det blitt demonstrert at bolig tetthet påvirker omgivelsestemperaturen betydelig, da temperaturen inne i et bur bolig fem mus er 1-2 ° c høyere enn de som bolig en til to mus30. Selv om denne studien konkluderte med at bolig tettheten ikke signifikant påvirker matinntaket (undersøkt i 5 uker), i en IF-studie som varer i 12 – 16 uker, kan temperaturen inne i buret påvirket av bolig tetthet fortsatt påvirke matinntak og energi metabolisme. Sammen er det viktig å holde samme antall mus plassert i et bur og minimere endre antall per bur i løpet av en studie.

Oppsummert viser denne rapporten en enkel og reproduserbar protokoll for testing isocaloric 2:1 IF i mus. Selv om den nåværende studien er fokusert på metabolske fordelene av IF i diett-indusert fedme og metabolsk dysfunksjon, kan det være lett tilpasses til å undersøke de beskyttende og terapeutiske effekter av isocaloric IF mot andre forhold, for eksempel hjerte og nevrologiske sykdommer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

K.-H. K ble støttet av hjertet og Stroke Foundation of Canada Grant-i-Aid (G-18-0022213), J. P. Bickell Foundation og University of Ottawa Heart Institute oppstart fondet; H.-K.S. ble støttet av tilskudd fra Canadian Institutes of Health Research (PJT-162083), Reuben og Helene Dennis Scholar og Sun Life Financial ny etterforsker Award for diabetes forskning fra Banting & Best diabetes Centre (FND) og naturvitenskap og engineering Research Council (NSERC) i Canada (RGPIN-2016-06610). R.Y.K. ble støttet av et fellesskap fra University of Ottawa kardiologi Research legat fondet. J.H.L. ble støttet av NSERC doktorgradsstipend og Ontario Graduate Scholarship. Y.O. ble støttet av UOHI utrustet Graduate Award og dronning Elizabeth II Graduate Scholarship in Science and Technology.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Longo, V. D., Panda, S. Fasting, Circadian Rhythms, and Time-Restricted Feeding in Healthy Lifespan. Cell Metabolism. 23 (6), 1048-1059 (2016).
  3. Longo, V. D., Mattson, M. P. Fasting: molecular mechanisms and clinical applications. Cell Metabolism. 19 (2), 181-192 (2014).
  4. Patterson, R. E., et al. Intermittent Fasting and Human Metabolic Health. Journal of the Academy of Nutrition and Dietetics. 115 (8), 1203-1212 (2015).
  5. Fontana, L., Partridge, L. Promoting health and longevity through diet: from model organisms to humans. Cell. 161 (1), 106-118 (2015).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Lancaster, G. I., Henstridge, D. C. Body Composition and Metabolic Caging Analysis in High Fat Fed Mice. Journal of Visualized Experiments. (135), (2018).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Kim, Y. H., et al. Thermogenesis-independent metabolic benefits conferred by isocaloric intermittent fasting in ob/ob mice. Scientific Reports. 9 (1), 2479 (2019).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Cignarella, F., et al. Intermittent Fasting Confers Protection in CNS Autoimmunity by Altering the Gut Microbiota. Cell Metabolism. 27 (6), 1222-1235 (2018).
  19. Martinez-Lopez, N., et al. System-wide Benefits of Intermeal Fasting by Autophagy. Cell Metabolism. 26 (6), 856-871 (2017).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Pan, W. W., Myers, M. G. Leptin and the maintenance of elevated body weight. Nature Reviews: Neuroscience. 19 (2), 95-105 (2018).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Reitman, M. L. Of mice and men - environmental temperature, body temperature, and treatment of obesity. FEBS Letters. 592 (12), 2098-2107 (2018).
  29. 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).
  30. 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).

Tags

Biologi intermitterende faste isocaloric kosthold intervensjon fedme glukose homeostase GTT ITT kroppssammensetning
Vurdering av metabolske effekter av Isocaloric 2:1 intermitterende Fasting i mus
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, R. Y., Lee, J. H., Oh, Y.,… More

Kim, R. Y., Lee, J. H., Oh, Y., Sung, H. K., Kim, K. H. Assessment of the Metabolic Effects of Isocaloric 2:1 Intermittent Fasting in Mice. J. Vis. Exp. (153), e60174, doi:10.3791/60174 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter