Moderate physical exercise only during peripuberty attenuates the metabolic dysfunction in early overfed male rats

Abstract

Resumo: A obesidade é um fator de risco para diversas doenças não transmissíveis, representando uma preocupação significativa para a saúde pública. Em 2022, a Organização Mundial da Saúde (OMS) informou 340 milhões de adolescentes e 39 milhões de crianças obesos em todo o mundo. As complicações da obesidade nas fases iniciais da vida podem manifestar-se na vida adulta, e o conceito de Origens do Desenvolvimento da Saúde e Doença (DOHaD) inclui a infância e a adolescência como janelas de programação, semelhantes à gravidez e lactação. Exposições a insultos e intervenções nesses estágios do desenvolvimento podem programar o metabolismo, resultando em saúde ou doença ao longo da vida. O estado nutricional no período pós-natal pode ser utilizado para criar modelos animais para estudos de programação da obesidade. A superalimentação precoce pode ser induzida pela redução do número de animais por ninhada, promovendo crescimento e ganho de peso, e levando ao desenvolvimento de vários distúrbios metabólicos na vida adulta. O exercício físico aeróbico promove adaptações que melhoram a qualidade de vida e previnem a síndrome metabólica. Diante dessas considerações, hipotetizamos que um exercício aeróbico durante a fase peripuberal pode reverter a indução da obesidade infantil e permitir o desenvolvimento de indivíduos saudáveis. OBJETIVOS - Avaliar se um treinamento de intensidade moderada exclusivamente durante a fase peripuberal de ratos Wistar machos pode atenuar as alterações metabólicas adquiridas ao longo da vida devido à obesidade precoce. MÉTODOS - Ratos Wistar adultos fêmeas e machos foram colocados em caixas para cruzamento, na proporção: 2 fêmeas para 1 macho. Observada a prenhez as fêmeas foram isoladas até o nascimento natural das ninhadas. Após o nascimento da prole, as ninhadas foram padronizadas em 9 (NL, normal litter) ou 3 (SL, small litter) filhotes por mãe. O desmame foi feito no dia pós-natal (PND, post natal day) 21, e no PND30 os ratos foram divididos em sedentários (S) ou exercitados (E): NLS, NLE, SLS, SLE. Os ratos exercitados realizaram treinamento em esteira, 3 vezes por semana, por 40 min, do PND30 ao 60, a 55-60-65% da velocidade máxima de corrida (MRS, maximal running speed) obtida no teste de esforço. O peso corporal (BW, body weight), ingestão alimentar, separação prepucial, VO2máx e MRS foram avaliados. No PND120, após 60 dias de destreino, os animais foram eutanasiados e tecidos foram coletados, pesados ou armazenados para análises posteriores (soro e plasma sanguíneo). RESULTADOS - A superalimentação durante a lactação causa aumento do peso corporal (p<0,001) e antecipação da puberdade, demonstrado pela separação prepucial adiantada (p<0,0001) em ratos Wistar machos das ninhadas reduzidas. O protocolo de treinamento aeróbico durante a peripuberdade programou os animais do grupo SL para menor o ganho de peso no PND120 (SLS vs SLE, p<0,001). A ingestão de alimentos dos grupos SLS foi maior do que a dos grupos SLE (p<0.05). Nossos dados confirmam que animais que realizaram exercício aeróbico durante a peripuberdade apresentaram aumento na velocidade máxima de corrida (MRS), mesmo após 60 dias de destreino (p<0,001). O mesmo foi observado para o VO2máx, cuja queda acentuada observada em animais SLS foi prevenida em SLE (PND120, p<0,05). A cinética do VO2 durante o teste de esforço no PND120 revelou que animais sujeitos ao exercício durante a peripuberdade (NLE e SLE) exibem uma maior área sob a curva em comparação aos sedentários (NLS e SLS, p<0,01), indicando maior resistência ao esforço físico na vida adulta. Os dados mostram que o exercício físico aeróbico realizado durante a peripuberdade é eficiente para reprogramar a obesidade induzida precocemente, prevenindo o acúmulo de gordura mesmo após um período de destreino (NLE e SLE no PND120, p<0,05). Além disso, a perda de massa muscular relacionada ao envelhecimento, um processo lento que também envolve perda funcional, foi atenuada nos grupos exercitados quando analisados na fase adulta (p<0,01). Nossos dados mostram um aumento da glicose plasmática em animais obesos e que o exercício aeróbico somente durante a puberdade mitigou essas alterações no PND120 (p<0,05). No entanto, não encontramos diferença estatística na insulina em jejum, embora o grupo SLS tenha apresentado valores ligeiramente superiores aos demais grupos. A obesidade está associada a alterações no metabolismo lipídico, e o exercício durante a puberdade foi capaz de regular as concentrações séricas de triglicerídeos (p<0,01) e colesterol VLDL em animais com obesidade induzida precocemente (p<0,05) no PND120. A ausência dos efeitos do treinamento nos animais adultos, após o período de destreino, sobre o colesterol total e a fração LDL, sugere que intervenções contínuas podem ser necessárias para manter todos os efeitos positivos do exercício aeróbico a longo prazo. CONCLUSÕES - Considerando o conjunto dos dados obtidos, nosso estudo sugere que o exercício físico aeróbico durante a peripuberdade pode reprogramar e mitigar os efeitos da superalimentação precoce induzida pela obesidade, além de suas consequências metabólicas, proporcionando novas perspectivas para abordar esses problemas desde a infância até a idade adulta.

Abstract: Obesity is a risk factor for various non-communicable diseases, representing a significant public health concern. In 2022, the World Health Organization (WHO) reported that 340 million adolescents and 39 million children worldwide are obese. The complications of obesity in early life can manifest in adulthood, and the Developmental Origins of Health and Disease (DOHaD) concept includes childhood and adolescence as critical programming windows, as pregnancy and lactation. Exposure to insults and interventions during these developmental stages can program metabolism, resulting in either health or disease throughout life. Nutritional status during the postnatal period can be used to create animal models for obesity programming studies. Early overnutrition can be induced by reducing litter size, promoting early growth and weight gain, and leading to the development of various metabolic disorders in adulthood. Aerobic exercise promotes adaptations that improve quality of life and prevent metabolic syndrome. Given these considerations, we hypothesize that aerobic exercise during the peripubertal phase can reverse obesity-induced plasticity and allow for the development of healthy individuals. AIMS - To evaluate whether moderate-intensity training exclusively during the peripubertal phase of Wistar male rats can attenuate metabolic alterations acquired throughout life due to early obesity. METHODS - Adult Wistar rats, females and males, were placed in breeding cages with 2 females to 1 male. When pregnancy was observed the female was isolated until natural delivery. After birth, litters were standardized to 9 (NL, normal litter) or 3 (SL, small litter) pups per dam. Weaning occurred on postnatal day (PND) 21, and at PND30, rats were divided into sedentary (S) or exercised (E) groups: NLS, NLE, SLS, SLE. Exercised rats underwent treadmill training 3 times per week for 40 minutes from PND30 to 60 at 55-60-65% of maximal running speed (MRS) obtained from an exercise test. Body weight (BW), food intake, preputial separation, VO2max, and MRS were evaluated. At PND120, after 60 days of de-training, animals were euthanized, and tissues were collected, weighed, or stored for further analysis (serum and plasma). RESULTS - Overnutrition during lactation caused an increase in body weight (p<0.001) and early onset of puberty, demonstrated by advanced preputial separation (p<0.0001) in Wistar male rats from reduced litters. The aerobic training protocol during peripuberty programmed SL group animals to control weight gain at PND120 (SLS vs. SLE, p<0.001). Food intake was higher in the SLS group compared to the SLE group (p<0.05). Our data confirm that exercised animals during peripuberty show increase MRS, even after 60 days of de-training (p<0.001). The same was observed for VO2max, whose sharp decline observed on SLS group was prevented in SLE at PND120 (p<0.05). VO2 kinetics during effort test at PND120 revealed that exercised animals during peripuberty (NLE and SLE) exhibited a higher area under the curve (AUC) compared to sedentary animals (NLS and SLS, p<0.01), indicating greater resistance to physical effort in adult life. Data show that aerobic exercise performed during peripuberty is effective in reprogramming early-induced obesity, preventing fat accumulation even after a de-training period (NLE and SLE, p<0.05). Additionally, age-related muscle mass loss, a slow process that also involves functional loss, was attenuated in the exercised groups when analyzed in adulthood (p<0.01). Our data show an increase in plasma glucose in early obesity-induced animals and that aerobic exercise only during puberty mitigated these alterations at PND120 (NLE and SLE, p<0.05). However, no statistical difference in fasting insulin was found, though the SLS group had slightly higher values than other groups. Obesity is associated with dyslipidemia, characterized by changes in lipid metabolism, and exercise during puberty was able to regulate serum triglycerides (NLE and SLE, p<0.01) and VLDL cholesterol concentrations in early obesity-induced animals (SLS vs. SLE, p<0.05) at PND120. The lack of training effects in adult animals on total cholesterol and LDL fraction after the de-training period suggests that continuous interventions may be necessary to maintain all the positive effects of aerobic exercise in the long term. CONCLUSIONS - Considering the present data, our study suggests that aerobic exercise during the peripubertal phase can reprogram and mitigate the effects of early overnutrition-induced obesity, as well as its metabolic consequences, offering new perspectives on addressing these issues from childhood to adulthood.