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高脂饮食诱导的肥胖加剧雌激素缺乏对骨骼的有害影响:来自卵巢切除小鼠的证据

期刊:Aging CellDOI:10.1111/acel.13726

这篇文档属于类型a,即单篇原创研究的报告。以下是对该研究的学术报告:

主要作者及研究机构

该研究的主要作者包括Dalia Ali、Florence Figeac、Atenisa Caci、Nicholas Ditzel、Clarissa Schmal、Greet Kerckhofs、Jesper Havelund、Nils Færgeman、Alexander Rauch、Michaela Tencerova和Moustapha Kassem。研究团队来自多个机构,包括丹麦欧登塞大学医院的内分泌与代谢科、比利时鲁汶大学的生物力学科、丹麦南丹麦大学生物化学与分子生物学系、丹麦欧登塞大学医院的Steno糖尿病中心、捷克科学院生理研究所的骨分子生理学部门,以及丹麦哥本哈根大学的细胞与分子医学系。该研究于2022年发表在期刊《Aging Cell》上。

学术背景

该研究的主要科学领域是骨代谢与肥胖的关系,特别是高脂饮食(high-fat diet, HFD)诱导的肥胖与雌激素缺乏对骨骼的联合影响。肥胖与胰岛素抵抗及2型糖尿病常伴随绝经后女性的雌激素缺乏,然而两者对骨骼的联合效应尚未得到充分研究。因此,研究团队旨在通过卵巢切除(ovariectomized, OVX)小鼠模型,探讨高脂饮食对骨骼和代谢的影响,揭示肥胖与雌激素缺乏联合作用对骨骼的潜在机制。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤:

  1. 动物模型建立:使用8周龄的C57BL/6J雌性小鼠,分为四组:正常饮食假手术组(ND-Sham)、正常饮食卵巢切除组(ND-OVX)、高脂饮食假手术组(HFD-Sham)和高脂饮食卵巢切除组(HFD-OVX)。小鼠分别接受假手术或卵巢切除手术,随后喂养正常饮食(10%脂肪)或高脂饮食(60%脂肪)12周。

  2. 体重与代谢指标监测:在12周实验期间,定期监测小鼠体重变化,并进行葡萄糖耐量测试(glucose tolerance test, GTT)以评估葡萄糖代谢。实验结束时,通过双能X射线吸收法(DEXA)扫描评估体脂和瘦体重百分比。

  3. 骨骼微结构分析:使用微计算机断层扫描(micro-CT)对小鼠胫骨进行扫描,评估骨小梁和皮质骨的骨量变化。此外,通过对比增强CT(contrast-enhanced CT, CE-CT)评估骨髓脂肪组织(bone marrow adipose tissue, BMAT)的扩张情况。

  4. 基因表达分析:从小鼠骨骼和骨髓中提取RNA,通过实时定量PCR(qPCR)检测与骨形成、骨吸收、脂肪生成和炎症相关的基因表达水平。此外,使用RNA测序(RNA-seq)技术对骨髓间充质干细胞(bone marrow stromal cells, BMSCs)进行全基因表达谱分析。

  5. 代谢组学分析:通过液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)对小鼠股骨进行全局代谢组学分析,评估嘌呤/嘧啶、碳水化合物和脂质代谢的变化。

  6. 细胞衰老评估:通过免疫组织化学染色检测骨骼中衰老细胞的标志物,如p16、p53和p21,以及衰老相关分泌表型(senescence-associated secretory phenotype, SASP)的基因表达。

主要结果

  1. 体重与代谢变化:HFD-OVX组小鼠体重增加最为显著(约124.5%),体脂百分比也显著高于其他组(51.33%)。HFD-OVX组小鼠的葡萄糖耐量显著受损,表现为空腹血糖升高和GTT曲线下面积(AUC)增加。胰腺β细胞面积和功能在HFD-OVX组显著下降,提示胰岛素抵抗和β细胞功能衰竭。

  2. 骨量减少与BMAT扩张:HFD-OVX组小鼠的骨小梁骨量显著减少(-62.44%),皮质骨量在12周时也显著下降。BMAT在HFD-OVX组显著扩张(+1352%),表明肥胖与雌激素缺乏联合作用加剧了骨髓脂肪的积累。

  3. 基因表达变化:HFD-OVX组小鼠的骨形成相关基因(如ALPL、TNFSF11)表达下调,而脂肪生成相关基因(如ADIPOQ、CEBPα、PPARγ2)表达上调。RNA-seq分析显示,HFD-OVX组BMSCs的骨发育和骨形态发生相关基因显著下调。

  4. 代谢组学变化:HFD-OVX组小鼠的嘌呤/嘧啶代谢和谷氨酸代谢显著改变,提示这些代谢途径在骨代谢中起重要调控作用。

  5. 细胞衰老增加:HFD-OVX组小鼠骨骼中衰老细胞数量显著增加,SASP相关基因(如IL6、TNFα)表达上调,表明肥胖与雌激素缺乏联合作用加速了细胞衰老。

结论

该研究表明,高脂饮食诱导的肥胖与雌激素缺乏联合作用对骨骼具有显著的负面影响,表现为骨量减少、BMAT扩张、细胞衰老加速和骨形成受损。肥胖可能通过增加骨髓脂肪积累和加速细胞衰老,加剧绝经后女性的骨质疏松风险。研究结果提示,针对肥胖和雌激素缺乏的联合干预策略可能有助于改善绝经后女性的骨骼健康。

研究亮点

  1. 重要发现:首次系统揭示了高脂饮食与雌激素缺乏联合作用对骨骼的负面影响,特别是BMAT扩张和细胞衰老的加速。
  2. 方法创新:研究结合了微CT、RNA-seq和代谢组学等多种先进技术,全面分析了骨骼微结构、基因表达和代谢变化。
  3. 研究对象特殊:研究聚焦于绝经后女性的骨骼健康,填补了肥胖与雌激素缺乏联合效应研究的空白。

其他价值

该研究为理解肥胖与骨质疏松的关系提供了新的分子机制,并为开发针对绝经后女性的骨骼健康干预策略提供了理论依据。

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