Impact of high fructose diet and moderate intensity exercise during adolescence on adult metabolic syndrome onset

Abstract

RESUMO: INTRODUÇÃO. Distúrbios metabólicos como resistência à insulina, hiperglicemia, hipertensão, dislipidemia e obesidade abdominal são um conjunto de alterações clínicas que compõem a Síndrome Metabólica (MetS). O consumo de bebidas e alimentos adoçados aumentou em todas as faixas etárias, tendo os adolescentes como seus principais consumidores. O alto consumo de frutose tem sido associado ao desenvolvimento de obesidade, resistência à insulina, hiperlipidemia, diabetes tipo II e alterações no tecido adiposo. Os promissores efeitos do exercício físico na prevenção e no tratamento de distúrbios metabólicos têm sido evidenciados por diversos estudos que apontam sua importância na perda de peso, redução de gordura e na melhora da sensibilidade à insulina. O exercício de intensidade moderada tem mostrado ser protetor contra o desenvolvimento da MetS. Este modelo experimental de síndrome metabólica induzida pr frutose é relatado na literatura como o indutor de resistência à insulina com um perfil metabólico análogo à MetS observado em humanos. No entanto, o efeito duradouro da frutose sobre o metabolismo permanece inexplorado e também o efeito do exercício físico sobre a MetS é uma novidade e merece ser elucidado. Assim, a hipótese do primeiro artigo foi: (I) a ingestão de frutose durante a adolescência programa o metabolismo para MetS na idade adulta e (II) o exercício de moderada intensidade realizado na adolescência, concomitante à frutose, poderia proteger o metabolismo contra o desenvolvimento da MetS na vida adulta. A hipótese do segundo artigo foi: (I) verificar os efeitos de uma alta dose de frutose no desenvolvimento da obesidade e síndrome metabólica e (II) o exercício de moderada intensidade realizado na adolescência, concomitante à frutose, poderia proteger o metabolismo contra o desenvolvimento da obesidade e MetS na vidaadulta. MÉTODOS. Após cinco dias de adaptação, aos 30 dias de idade, os animais foram divididos em quatro grupos: Controle sedentário (C-SED; n = 20), que recebeu água e ração padrão para ratos ad libitum durante todo o período; Frutose sedentário (F-SED; n = 20), que recebeu Frutose 10 % na água de beber dos 30 a 60 dias de vida e ração padrão para ratos ad libitum; Controle exercitado (C-EXE; n = 20), que foi treinado a partir dos 30 a 60 dias de vida e recebeu água e ração padrão para ratos ad libitum e Frutose exercitado (F-EXE; n = 20), que recebeu Frutose 10 % na água de beber e realizou exercício físico ao mesmo tempo dos 30 a 60 dias de vida. Para avaliar o efeito do tratamento (frutose e exercício) sobre o metabolismo imediatamente após o período de tratamento, os dados foram coletados em ratos com 60 dias de idade. Para avaliar o papel potencial da frutose na programação, os dados foram coletados em ratos com 120 dias de idade. Para realização do estudo com frutose 20%, os ratos receberam Frutose 20% na água, ao invés de 10%. Para a preparação de 10% de frutose, 10 g de frutose foram diluídos em 100 ml de água filtrada e as garrafas cobertas com papel alumínio para evitar a fermentação induzida pela luz. Para a preparação de 20% de frutose, 20 g de frutose foram diluídos em 100 ml de água filtrada e realizado procedimento já descrito acima. Todos os ratos realizaram um teste de aptidão física para determinar seu consumo máximo de oxigênio individual (VO2max) e velocidade máxima de corrida (MRS). O protocolo de treinamento em esteira foi realizado por 44 minutos por dia (9h às 10h), 3 dias por semana em um macrociclo de 4 semanas. Os protocolos de treinamento foram completados em 60 dias. Ingestão alimentar, consumo de bebida e ingestão calórica foram medidos a cada dois dias, dos 30 a 120 dias de vida. A ingestão calórica foi calculada com base na quantidade de alimentos e líquidos ingeridos e nas correspondentes constantes. Os animais foram pesados uma vez por semana durante o período experimental. Ao final da fase de tratamento (aos 60 dias de idade) e fase experimental (aos 120 dias de idade), os animais de todos os grupos foram pesados e decapitados, e amostras de sangue foram coletadas e centrifugadas. A insulina foi medida por radioimunoensaio (RIA) através de um contador de emissão de partículas gama, utilizando insulina padrão de rato, insulina anti-rato e insulina humana recombinante (I125). As concentrações de colesterol total e triglicérides foram medidas pelo método colorimétrico enzimático com kit disponível comercialmente. O teste intraperitoneal de tolerância à glicose (ipGTT) foi realizado no final da fase de tratamento (aos 60 dias de idade) e fase experimental (aos 120 dias de idade). Aos 60 dias e aos 120 dias de idade, todos os grupos foram eutanasiados e os depósitos de gordura (retroperitoneal, periepididimal e mesentérica) foram removidos e pesados para avaliar o estado de obesidade. O fígado foi dissecado e pesado, e a saída do sinal neural foi adquirida por 12 min, utilizando a interface Insight, a partir da qual 20 quadros gravados de 5 s de cada animal foram escolhidos aleatoriamente para contagem depulsos. RESULTADOS E DISCUSSÃO. No primeiro artigo, os resultados aos 120 dias mostraram aumento do estoque de gordura, embora o ganho de peso tenha permanecido inalterado. Os níveis de colesterol total e triglicérides estavam elevados em F-SED em comparação com C-SED. Diversos trabalhos na literatura já mostraram o potencial da frutose em estimular a lipogênese no fígado. Esse alto rendimento leva a um depósito ectópico de lipídios no fígado e nos tecidos musculares, o que promove a resistência à insulina central e periférica no organismo, o que explica a resistência à insulina encontrada em nosso estudo. Relacionado à ANS (Autonomic Nervous System), descobrimos que a dieta de frutose aumenta a atividade elétrica vagal. Uma alta atividade do sistema nervoso parassimpático está relacionada a distúrbios metabólicos, como hiperinsulinemia e resistência à insulina, o que está de acordo com nossos resultados. O exercício físico também não alterou os estoques de gordura dos ratos suplementados com frutose. Isso pode ser explicado, possivelmente, pelo destreinamento ocorrido de 60 a 120 dias de vida. Nossos resultados mostraram uma redução significativa nos níveis glicêmico e insulinêmico, bem como no índice HOMA IR e TYG, em ratos suplementados com frutose e submetidos ao protocolo de treinamento físico, comparado ao grupo sedentário (F-SED) nos 60 e 120 dias de vida. O exercício físico na ANS diminuiu a atividade do nervo parassimpático. Nosso laboratório já mostra que este protocolo de exercício iniciado antes do desmame é benéfico para a atividade do nervo vago em animais alimentados com HFD. Os resultados do segundo artigo mostram que a dose de 20% de frutose aumentou o peso corporal ao final dos 30 dias de tratamento e as reservas de gordura retroperitoneal, periepididimal e mesentérica do grupo sedentário (F-SED), em comparação ao controle de C-SED no final dos 120 dias de vida. Estudos recentes demonstraram que uma alta suplementação de frutose estimula a proliferação de adipócitos como os principais estoques de gordura, contribuindo para o desenvolvimento da obesidade. O exercício físico de intensidade moderada reduziu o peso corporal e os estoques das três gorduras do grupo treinado (F-EXE) comparado ao F-SED. Dados recentes publicados pelo nosso grupo mostraram que esse protocolo de exercício físico foi capaz de reduzir em 80% as reservas de gordura de ratos tratados com dieta hiperlipídica. CONCLUSÕES. Os resultados mostraram que a suplementação com frutose durante a adolescência programa o metabolismo para MetS na idade adulta e o exercício físico de moderada intensidade atenua a programação metabólica contra disfunções metabólicas na idade adulta programada pela frutose em ratos adolescentes

ABSTRACT: INTRODUCTION. Metabolic disorders such as insulin resistance, hyperglycemia, hypertension, dyslipidemia and abdominal obesity are a set of clinical changes that make up Metabolic Syndrome (MetS). Consumption of beverages and sweetened foods increased in all age groups, with adolescents as their main consumers. High fructose consumption has been associated with development of obesity, insulin resistance, hyperlipidemia, type II diabetes and changes in adipose tissue. The promising effects of physical exercise on prevention and treatment of metabolic disorders have been evidenced by several studies that point out its importance in weight loss, fat production and in the improvement of insulin sensitivity. Moderate intensity exercise has been shown to be protective against the development of MetS. This experimental model of metabolic syndrome is reported in the literature as inducer of insulin resistance with a metabolic profile analogous to MetS observed in humans. However, the long-lasting effect of fructose on metabolism remains unexplored and also the effect of physical exercise on MetS is novel and deserves to be elucidated. Thus, the hypothesis of the first article was: (I) the ingestion of fructose during adolescence programs metabolism for MetS in adulthood and (II) the moderate intensity exercise carried out in adolescence concomitant with fructose could protect metabolism against the development of MetS in adult life. The hypothesis of the second article was: (I) to verify the effects of a high dose of fructose on the development of obesity and metabolic syndrome; and (II) the moderate intensity exercise performed in adolescence concomitant with fructose could protect the metabolism against development of obesity and MetS in adult life. METHODS. After five days of adaptation, at 30 days of age, the animals were divided into four groups: Sedentary control (C-SED; n = 20), which received water and standard chow ad libitum throughout the period; Sedentary fructose (F-SED; n = 20), which received 10% Fructose indrinking water from 30 to 60 days of life and standard chow ad libitum; Exercised control (C-EXE; n = 20), who was trained from 30 to 60 days of age and received water and standard chow ad libitum, and Exercised fructose (F-EXE; n = 20). Wich received fructose 10% in drinking water and performed physical exercise at the same time from 30 to 60 days of life. To evaluate the effect of treatment (fructose and exercise) on metabolism immediately after the treatment period, data were collected in rats at 60 days of age. To evaluate the potential role of fructose in scheduling, data were collected from mice at 120 days of age. To perform the study with 20% fructose, rats received 20% fructose in water, instead of 10%. For the preparation of 10% fructose, 10 g of fructose were diluted in 100 ml of filtered water and the bottles covered with aluminum foil to avoid light-induced fermentation. For the preparation of 20% fructose, 20 g of fructose were diluted in 100 ml of filtered water and the preparation described above was performed.All rats underwent a physical fitness test to determine their individual maximum oxygen consumption (VO2max) and maximum running speed (MRS). The treadmill training protocol was performed for 44 minutes per day (9 am to 10 am), 3 days per week on a 4 week macrocycle. The training protocols were completed in 60 days. Food intake, beverage consumption and caloric intake were measured every two days, from 30 to 120 days of life. The caloric intake was calculated based on the amount of food and liquids ingested and the corresponding constants. The animals were weighed once a week during the trial period. At the end of the treatment phase (at 60 days of age) and experimental phase (at 120 days of age), animals of all groups were weighed and decapitated, and blood samples were collected and centrifuged. Insulin was measured by radioimmunoassay (RIA) with a gamma counter through a gamma particle emission counter, using standard rat insulin, anti-rat insulin and recombinant human insulin (I125). The concentrations of total cholesterol and triglycerides were measured by the enzymatic colorimetric method with commercially available kit. The intraperitoneal glucose tolerance test (ipGTT) was performed at theen dofthetreatmentphase(at 60 days of age) andexperimentalphase (at 120 days of age). At 60 days and 120 days of age, all groups were euthanized and fat deposits (retroperitoneal, periepididimal and mesenteric) were removed and weighed to assess the obesity status. The liver was dissected and weighed, and the neural signal output was acquired for 12 min using the Insight interface, from which 20 engraved 5-s frames of each animal were randomly chosen for pulse counting. RESULTS AND DISCUSSION. In the first article, the results at 120 days showed increased fat stores, although weight gain remained unchanged. Total cholesterol and triglyceride levels were elevated in F-SED compared to C-SED. Several works in literature have already shown the potential of fructose in stimulating lipogenesis in the liver. This high yield leads to an ectopic deposit of lipids in the liver and muscle tissues, which promotes resistance to central and peripheral insulin in the body, which explains the insulin resistance found in our study. Related to ANS, we found that the fructose diet increases vagal electrical activity. A high activity of the parasympathetic nervous system is related to metabolic disorders, such as hyperinsulinemia and insulin resistance, which is in agreement with our results. Physical exercise also did not alter the fat stores of rats supplemented with fructose. This can be explained, possibly, by the detraining occurring from 60 to 120 days of life. Our results showed a significant reduction in the glycemic and insulinemic levels, as well as the HOMA index IR and TYG, in rats supplemented with fructose and submitted to the physical training protocol, compared to the sedentary group (F-SED) at 60 and 120 days of life . Physical exercise in ANS decreased the activity of the parasympathetic nerve. Our laboratory already shows that this protocol of exercise started before weaningis beneficial for the activity of vagus nerve in animals fed with HFD. The results of the second article show that 20% fructose dose increased body weight at the end of the 30 days of treatment and the stores of retroperitoneal, periepididimal and mesenteric fat of the sedentary group (F-SED), compared to the C-SED control at the end of the 120 days of life. Recent studies have shown that high fructose supplementation stimulates the proliferation of adipocytes as the main fat stores, contributing to the development of obesity. Moderate-intensity physical exercise reduced body weight and stocks of the three fats of trained group (F-EXE), compared to F-SED. Recent data published by our group showed that this protocol of physical exercise was able to reduce in 80% fat reserves of rats treated with hyperlipidic diet. CONCLUSIONS. Fructose supplementation during adolescence program the metabolism to MetS in adulthood and moderate intensity exercise protects against metabolic dysfunction programmed by fructose in adolescent rats