Večdimenzionalne vloge ketonskih teles

by Dr Alex Jimenez | Anti Aging, Razstrupljanje, Diete, funkcionalna Medicine, Zdravje, Zdravstvene novice El Paso, Holistic Medicine, Ketogenic Diet Explained, Naravno zdravje, Prehrana, Oksidativni stres, Pravna sredstva, Raziskovalne študije, Dodatki, Obdelave, Wellness

Ketonska telesa nastajajo v jetrih in se uporabljajo kot vir energije, ko glukoza ni na voljo v človeškem telesu. Dve glavni ketonski telesi sta acetoacetat (AcAc) in 3-beta-hidroksibutirat (3HB), medtem ko je aceton tretje in najmanj številčno ketonsko telo. Ketoni so vedno prisotni v krvi in ​​njihova raven se med postom in dolgotrajno vadbo poveča.�Ketogeneza je biokemični proces, s katerim organizmi proizvajajo ketonska telesa z razgradnjo maščobnih kislin in ketogenih aminokislin.

Ketonska telesa nastajajo predvsem v mitohondrije jetrnih celic. Ketogeneza se pojavi, ko so ravni glukoze v krvi nizke, zlasti potem, ko so izčrpane druge celične zaloge ogljikovih hidratov, kot je glikogen. Ta mehanizem se lahko pojavi tudi pri nezadostnih količinah insulina. Na koncu se začne proizvodnja ketonskih teles, da se zagotovi energija, ki se shrani v človeškem telesu kot maščobne kisline. Ketogeneza se pojavi v mitohondrijih, kjer je neodvisno regulirana.

Minimalizem

Presnova ketonskega telesa je osrednje vozlišče v fiziološki homeostazi. V tem pregledu razpravljamo o tem, kako ketoni služijo diskretnim metabolnim vlogam, ki optimizirajo delovanje organov in organizma v različnih ostankih hranil ter ščitijo pred vnetji in poškodbami v več organskih sistemih. Nedavna opažanja poudarjajo pomen ketonskih teles kot vitalnih presnovnih in signalnih mediatorjev, ko je ogljikovih hidratov v izobilju. Kot dopolnitev repertoarja znanih terapevtskih možnosti za bolezni živčnega sistema so se pojavile perspektivne vloge ketonskih teles pri raku, kot tudi zanimive zaščitne vloge v srcu in jetrih, ki odpirajo možnosti zdravljenja pri boleznih, povezanih z debelostjo, in srčno-žilnih boleznih. Razpravljajo o sporih v presnovi ketonov in signalizaciji, da bi uskladili klasično dogmo s sodobnimi opažanji.

Predstavitev

Ketonska telesa so pomemben alternativni metabolični vir goriva za vsa področja življenja, evkarije, bakterije in arheje (Aneja et al., 2002; Cahill GF Jr, 2006; Krishnakumar et al., 2008). Presnova ketonskih teles pri ljudeh je bila uporabljena za napajanje možganov v epizodnih obdobjih pomanjkanja hranil. Ketonska telesa so prepletena s ključnimi presnovnimi potmi pri sesalcih, kot so ?-oksidacija (FAO), cikel trikarboksilne kisline (TCA), glukoneogeneza, de novo lipogeneza (DNL) in biosinteza sterolov. Pri sesalcih se ketonska telesa proizvajajo pretežno v jetrih iz acetil-CoA, pridobljenega iz FAO, in se prenašajo v ekstrahepatična tkiva za končno oksidacijo. Ta fiziologija zagotavlja alternativno gorivo, ki ga dopolnjujejo razmeroma kratka obdobja posta, kar poveča razpoložljivost maščobnih kislin in zmanjša razpoložljivost ogljikovih hidratov (Cahill GF Jr, 2006; McGarry in Foster, 1980; Robinson in Williamson, 1980). Oksidacija ketonskih teles postane pomemben prispevek k splošni presnovi energije sesalcev v ekstrahepatičnih tkivih v neštetih fizioloških stanjih, vključno s postom, stradanjem, neonatalnim obdobjem, po vadbi, nosečnostjo in upoštevanjem diet z nizko vsebnostjo ogljikovih hidratov. Celotna koncentracija ketonskih teles v obtoku pri zdravih odraslih ljudeh običajno kaže cirkadiana nihanja med približno 100 × 250 �M, naraste na ~1 mM po dolgotrajni vadbi ali 24-urnem postu in se lahko kopiči do 20 mM v patoloških stanjih, kot je diabetična ketoacidoza ( Cahill GF Jr, 2006; Johnson et al., 1969b; Koeslag et al., 1980; Robinson in Williamson, 1980; Wildenhoff et al., 1974). Človeška jetra proizvedejo do 300 g ketonskih teles na dan (Balasse in Fery, 1989), ki prispevajo med 5 % celotne porabe energije v nahranjenih, teščenih in stradanih stanjih (Balasse et al., 20; Cox et al. sod., 1978).

Nedavne študije zdaj poudarjajo nujno vlogo ketonskih teles pri presnovi celic sesalcev, homeostazi in signalizaciji v različnih fizioloških in patoloških stanjih. Poleg tega, da služijo kot energijsko gorivo za ekstrahepatična tkiva, kot so možgani, srce ali skeletne mišice, imajo ketonska telesa ključno vlogo kot signalni mediatorji, gonilniki posttranslacijske modifikacije beljakovin (PTM) in modulatorji vnetja in oksidativnega stresa. V tem pregledu podajamo tako klasične kot sodobne poglede na pleiotropne vloge ketonskih teles in njihov metabolizem.

Pregled presnove ketonskih teles

Hitrost jetrne ketogeneze uravnava organizirana serija fizioloških in biokemičnih transformacij maščobe. Primarni regulatorji vključujejo lipolizo maščobnih kislin iz triacilglicerola, transport do in čez plazemsko membrano hepatocitov, transport v mitohondrije preko karnitin palmitoiltransferaze 1 (CPT1), ?-oksidacijsko spiralo, aktivnost cikla TCA in vmesne koncentracije, potencial redoks regulatorja in hormonski regulatorni potencial in hormonski regulatorji. teh procesov, pretežno glukagon in insulin [pregledano v (Arias et al., 1995; Ayte et al., 1993; Ehara et al., 2015; Ferre et al., 1983; Kahn et al., 2005; McGarry in Foster , 1980; Williamson et al., 1969)]. Klasično se ketogeneza obravnava kot prelivna pot, pri kateri acetil-CoA, pridobljen iz α-oksidacije, presega aktivnost citrat sintaze in/ali razpoložljivost oksaloacetata za kondenzacijo v citrat. Vmesni produkti s tremi ogljiki kažejo antiketogeno delovanje, verjetno zaradi svoje sposobnosti, da razširijo bazen oksaloacetata za porabo acetil-CoA, vendar koncentracija acetil-CoA v jetrih sama ne določa ketogene stopnje (Foster, 1967; Rawat in Menahan, 1975; Williamson et al., 1969). Regulacija ketogeneze s hormonskimi, transkripcijskimi in post-translacijskimi dogodki skupaj podpira idejo, da molekularni mehanizmi, ki fino uravnavajo ketogeno hitrost, ostajajo nepopolno razumljeni (glej Uredbo HMGCS2 in SCOT/OXCT1).

Ketogeneza se pojavlja predvsem v jetrnem mitohondrijskem matriksu s hitrostmi, sorazmernimi s celotno oksidacijo maščob. Po transportu acilnih verig čez mitohondrijske membrane in ?-oksidaciji, mitohondrijska izoforma 3-hidroksimetilglutaril-CoA sintaze (HMGCS2) katalizira usodo, ki povzroči kondenzacijo acetoacetil-CoA (AcAc-CoA) in generira acetil-CoA (slika 1A). HMG-CoA liaza (HMGCL) cepi HMG-CoA, da sprosti acetil-CoA in acetoacetat (AcAc), slednjega pa reducira v d-?-hidroksibutirat (d-?OHB) s fosfatidilholin-odvisno mitohondrijsko d-?OHB dehidrogenazo. BDH1) v NAD+/NADH-sparjeni skoraj ravnotežni reakciji (Bock in Fleischer, 1975; LEHNINGER et al., 1960). Ravnotežna konstanta BDH1 daje prednost proizvodnji d-?OHB, vendar je razmerje ketonskih teles AcAc/d-?OHB neposredno sorazmerno z razmerjem mitohondrijskega NAD+/NADH, zato aktivnost oksidoreduktaze BDH1 modulira mitohondrijski redoks potencial (Krebs et al., 1969; Williamson et al., 1967). AcAc lahko tudi spontano dekarboksilira v aceton (Pedersen, 1929), vir sladkega vonja pri ljudeh, ki trpijo za ketoacidozo (tj. skupna ketonska telesa v serumu > ~7 mM; AcAc pKa 3.6, ?OHB pKa 4.7). Mehanizmi, s katerimi se ketonska telesa prenašajo čez notranjo membrano mitohondrijev, niso znani, vendar se AcAc/d-?OHB sproščajo iz celic prek monokarboksilatnih transporterjev (pri sesalcih MCT 1 in 2, znana tudi kot prenašalec raztopine 16A, člani družine 1 in 7) in se v obtoku transportira v ekstrahepatična tkiva za terminalno oksidacijo (Cotter et al., 2011; Halestrap in Wilson, 2012; Halestrap, 2012; Hugo et al., 2012). Koncentracije ketonskih teles v obtoku so višje kot v ekstrahepatičnih tkivih (Harrison in Long, 1940), kar kaže, da se ketonska telesa prenašajo po koncentracijskem gradientu. Mutacije izgube funkcije v MCT1 so povezane s spontanimi napadi ketoacidoze, kar kaže na ključno vlogo pri uvozu ketonskih teles.

� Z izjemo možne preusmeritve ketonskih teles v neoksidativne usode (glejte Neoksidativne presnovne usode ketonskih teles), hepatociti nimajo sposobnosti presnove ketonskih teles, ki jih proizvajajo. Ketonska telesa, sintetizirana de novo v jetrih, se (i) katabolizirajo v mitohondrijih ekstrahepatičnih tkiv v acetil-CoA, ki je na voljo ciklu TCA za terminalno oksidacijo (slika 1A), (ii) se preusmerijo na poti lipogeneze ali sinteze sterola ( Slika 1B) ali (iii) se izloči z urinom. Kot alternativno energijsko gorivo se ketonska telesa močno oksidirajo v srcu, skeletnih mišicah in možganih (Balasse in Fery, 1989; Bentourkia et al., 2009; Owen et al., 1967; Reichard et al., 1974; Sultan, 1988 ). Ekstrahepatični mitohondrijski BDH1 katalizira prvo reakcijo oksidacije ?OHB in jo pretvori v povratni AcAc (LEHNINGER et al., 1960; Sandermann et al., 1986). Citoplazmatska d-?OHB-dehidrogenaza (BDH2) s samo 20-odstotno identičnostjo zaporedja z BDH1 ima visoko Km za ketonska telesa in ima tudi vlogo pri homeostazi železa (Davuluri et al., 2016; Guo et al., 2006) . V ekstrahepatičnem mitohondrijskem matriksu se AcAc aktivira v AcAc-CoA z izmenjavo CoA-delka iz sukcinil-CoA v reakciji, ki jo katalizira edinstvena CoA transferaza sesalcev, sukcinil-CoA:3-oksokislina-CoA transferaza (SCOT, CoA transferaza; kodirano z OXCT1), skozi skoraj ravnovesno reakcijo. Prosta energija, ki se sprosti pri hidrolizi AcAc-CoA, je večja kot pri sukcinil-CoA, kar daje prednost tvorbi AcAc. Tako se zaradi množičnega delovanja pojavi oksidativni tok ketonskih teles: obilna oskrba z AcAc in hitra poraba acetil-CoA prek citratne sintaze spodbuja tvorbo AcAc-CoA (+ sukcinat) s SCOT. Predvsem v nasprotju z glukozo (heksokinazo) in maščobnimi kislinami (acil-CoA sintetaze) aktivacija ketonskih teles (SCOT) v oksidativno obliko ne zahteva vlaganja ATP. Reverzibilna reakcija AcAc-CoA tiolaze [ki jo katalizira katera koli od štirih mitohondrijskih tiolaz, ki jih kodira bodisi ACAA2 (kodirajo encim, znan kot T1 ali CT), ACAT1 (kodira T2), HADHA ali HADHB), dobimo dve molekuli acetil-CoA ki vstopijo v cikel TCA (Hersh in Jencks, 1967; Stern et al., 1956; Williamson et al., 1971). Med ketotičnimi stanji (tj. skupni serumski ketoni > 500 �M) ketonska telesa pomembno prispevajo k porabi energije – in se hitro uporabljajo v tkivih, dokler ne pride do prevzema ali nasičenosti oksidacije (Balasse et al., 1978; Balasse in Fery, 1989). ; Edmond et al., 1987). Zelo majhen delež ketonskih teles, pridobljenih iz jeter, je mogoče zlahka izmeriti v urinu, stopnja uporabe in reabsorpcije v ledvicah pa sta sorazmerna s koncentracijo v obtoku (Goldstein, 1987; Robinson in Williamson, 1980). Med visoko ketotičnimi stanji (> 1 mM v plazmi) ketonurija služi kot polkvantitativni poročevalec ketoze, čeprav večina kliničnih testov ketonskih teles v urinu odkrije AcAc, ne pa ?OHB (Klocker et al., 2013).

Ketogeni substrati in njihov vpliv na metabolizem hepatocitov

Ketogeni substrati vključujejo maščobne kisline in aminokisline (slika 1B). Katabolizem aminokislin, zlasti levcina, v post-absorpcijskem stanju ustvari približno 4 % ketonskih teles (Thomas et al., 1982). Tako nabor substratov acetil-CoA za tvorbo ketonskih teles v glavnem izvira iz maščobnih kislin, ker med stanji zmanjšane oskrbe z ogljikovimi hidrati piruvat vstopi v jetrni cikel TCA predvsem prek anapleroze, to je od ATP-odvisne karboksilacije v oksaloacetat (OAA) ali v malat. (MAL), in ne oksidativne dekarboksilacije v acetil-CoA (Jeoung et al., 2012; Magnusson et al., 1991; Merritt et al., 2011). V jetrih glukoza in piruvat zanemarljivo prispevata k ketogenezi, tudi če je dekarboksilacija piruvata v acetil-CoA največja (Jeoung et al., 2012).

Acetil-CoA vključuje več vlog, ki so sestavni del jetrnega vmesnega metabolizma, poleg tvorbe ATP s terminalno oksidacijo (glejte tudi Integracija metabolizma ketonskih teles, posttranslacijska modifikacija in celična fiziologija). Acetil-CoA alosterično aktivira (i) piruvat karboksilazo (PC), s čimer aktivira metabolični nadzorni mehanizem, ki poveča anaplerotični vstop presnovkov v cikel TCA (Owen et al., 2002; Scrutton in Utter, 1967) in (ii) dehidrogenazo kinazo, ki fosforilira in inhibira piruvat dehidrogenazo (PDH) (Cooper et al., 1975), s čimer dodatno poveča pretok piruvata v cikel TCA preko anapleroze. Poleg tega citoplazemski acetil-CoA, katerega zbir je povečan z mehanizmi, ki pretvarjajo mitohondrijski acetil-CoA v transportne presnovke, zavira oksidacijo maščobnih kislin: acetil-CoA karboksilaza (ACC) katalizira pretvorbo acetil-CoA v malonil-CoA, lipogeni substrat in alosterični zaviralec mitohondrijskega CPT1 [pregledano v (Kahn et al., 2005; McGarry in Foster, 1980)]. Tako mitohondrijski bazen acetil-CoA uravnava in uravnava prelivno pot ketogeneze, ki orkestrira ključne vidike jetrnega vmesnega metabolizma.

Neoksidativne presnovne usode ketonskih teles

Prevladujoča usoda ketonov, pridobljenih iz jeter, je ekstrahepatična oksidacija, odvisna od SCOT. Vendar pa je AcAc mogoče izvoziti iz mitohondrijev in ga uporabiti v anaboličnih poteh s pretvorbo v AcAc-CoA z ATP-odvisno reakcijo, ki jo katalizira citoplazemska acetoacetil-CoA sintetaza (AACS, slika 1B). Ta pot je aktivna med razvojem možganov in v mlečni žlezi v laktaciji (Morris, 2005; Robinson in Williamson, 1978; Ohgami et al., 2003). AACS je tudi močno izražen v maščobnem tkivu in aktiviranih osteoklastih (Aguilo et al., 2010; Yamasaki et al., 2016). Citoplazemski AcAc-CoA lahko bodisi usmerja citosolni HMGCS1 proti biosintezi sterola, bodisi ga razcepi katera koli od dveh citoplazmatskih tiolaz na acetil-CoA (ACAA1 in ACAT2), karboksilira v malonil-CoA in prispeva k sintezi maščobnih kislin in drugih. sod., 1984; Edmond, 1974; Endemann in sod., 1982; Geelen et al., 1983; Webber in Edmond, 1977).

Medtem ko fiziološki pomen še ni ugotovljen, lahko ketoni služijo kot anabolični substrati tudi v jetrih. V umetnih eksperimentalnih kontekstih lahko AcAc prispeva k kar polovici na novo sintetiziranega lipida in do 75 % novega sintetiziranega holesterola (Endemann et al., 1982; Geelen et al., 1983; Freed et al., 1988). Ker AcAc izhaja iz nepopolne oksidacije maščob v jetrih, bi zmožnost AcAc, da prispeva k lipogenezi in vivo, pomenila nekoristno kroženje jeter, kjer se lahko ketoni, pridobljeni iz maščob, uporabijo za proizvodnjo lipidov, pojem, katerega fiziološki pomen zahteva eksperimentalno validacijo, vendar bi lahko služil prilagodljive ali neprilagojene vloge (Solinas et al., 2015). AcAc vneto zagotavlja holesterogenezo z nizko vsebnostjo AACS Km-AcAc (~ 50 �M), ki daje prednost aktivaciji AcAc tudi v hranjenem stanju (Bergstrom et al., 1984). Dinamična vloga citoplazemskega metabolizma ketonov je bila predlagana v primarnih mišjih embrionalnih nevronih in v adipocitih, pridobljenih iz 3T3-L1, saj je knockdown AACS oslabil diferenciacijo vsakega tipa celic (Hasegawa et al., 2012a; Hasegawa et al., ). Uničenje AACS pri miših in vivo je zmanjšalo serumski holesterol (Hasegawa et al., 2012c). SREBP-2012, glavni transkripcijski regulator biosinteze holesterola, in peroksisomski proliferator aktiviran receptor (PPAR)-? so transkripcijski aktivatorji AACS in uravnavajo njegovo transkripcijo med razvojem nevritov in v jetrih (Aguilo et al., 2; Hasegawa et al., 2010c). Skupaj je metabolizem citoplazemskega ketonskega telesa lahko pomemben pri izbranih stanjih ali naravnih zgodovinah bolezni, vendar ni zadosten za odstranjevanje ketonskih teles, ki izvirajo iz jeter, saj se množična hiperketonemija pojavi v okolju selektivne okvare primarne oksidativne usode zaradi izgube funkcijskih mutacij. na SCOT (Berry et al., 2012; Cotter et al., 2001).

Regulacija HMGCS2 in SCOT/OXCT1

Razhajanje mitohondrijev od gena, ki kodira citosolni HMGCS, se je pojavilo zgodaj v evoluciji vretenčarjev zaradi potrebe po podpori jetrne ketogeneze pri vrstah z višjim razmerjem med možgani in telesno maso (Boukaftane et al., 1994; Cunnane in Crawford, 2003). Naravne mutacije HMGCS2 zaradi izgube funkcije pri ljudeh povzročajo napade hipoketotične hipoglikemije (Pitt et al., 2015; Thompson et al., 1997). Robustna ekspresija HMGCS2 je omejena na hepatocite in epitelij debelega črevesa, njegova ekspresija in encimska aktivnost pa sta usklajeni z različnimi mehanizmi (Mascaro et al., 1995; McGarry in Foster, 1980; Robinson in Williamson, 1980). Medtem ko je treba celoten obseg fizioloških stanj, ki vplivajo na HMGCS2, dodatno pojasniti, je njegova ekspresija in/ali aktivnost regulirana v zgodnjem postnatalnem obdobju, staranju, sladkorni bolezni, stradanju ali zaužitju ketogene diete (Balasse in Fery, 1989; Cahill GF Jr, 2006). ; Girard et al., 1992; Hegardt, 1999; Satapati et al., 2012; Sengupta et al., 2010). Pri plodu je metilacija 5� bočne regije gena Hmgcs2 obratno povezana z njegovo transkripcijo in je po rojstvu delno obrnjena (Arias et al., 1995; Ayte et al., 1993; Ehara et al., 2015; Ferre et al. ., 1983). Podobno ima jetrni Bdh1 vzorec razvojne ekspresije, ki se povečuje od rojstva do odstavitve, inducira pa ga tudi ketogena prehrana na način, odvisen od rastnega faktorja fibroblastov (FGF)-21 (Badman et al., 2007; Zhang et al., 1989 ). Ketogeneza pri sesalcih je zelo odzivna tako na insulin kot na glukagon, pri čemer se zavira oziroma stimulira (McGarry in Foster, 1977). Inzulin zavira lipolizo maščobnega tkiva in tako odvzame ketogenezo za njen substrat, glukagon pa z neposrednim učinkom na jetra poveča ketogeni tok (Hegardt, 1999). Transkripcijo Hmgcs2 stimulira transkripcijski faktor FOXA2, ki ga inhibira insulin-fosfatidilinozitol-3-kinaza/Akt in ga inducira signalizacija glukagon-cAMP-p300 (Arias et al., 1995; Hegardt, 1999; Quant et al. , 1990; Thumelin et al., 1993; von Meyenn et al., 2013; Wolfrum et al., 2004; Wolfrum et al., 2003). PPAR? (Rodriguez et al., 1994) skupaj s svojo tarčo FGF21 (Badman et al., 2007) povzroči tudi transkripcijo Hmgcs2 v jetrih med stradanjem ali dajanjem ketogene diete (Badman et al., 2007; Inagaki et al., 2007 ). Indukcija PPAR? se lahko pojavi pred prehodom iz fetalne v neonatalno fiziologijo, medtem ko je aktivacija FGF21 lahko v zgodnjem neonatalnem obdobju prednostna preko ?OHB posredovane inhibicije histon deacetilaze (HDAC)-3 (Rando et al., 2016). mTORC1 (tarča rapamicinskega kompleksa 1 pri sesalcih) odvisna inhibicija PPAR? transkripcijska aktivnost je tudi ključni regulator ekspresije gena Hmgcs2 (Sengupta et al., 2010), jetrni PER2, glavni cirkadiani oscilator, pa posredno uravnava ekspresijo Hmgcs2 (Chavan et al., 2016). Nedavna opažanja kažejo, da interlevkin-6, ki ga povzroča ekstrahepatični tumor, poslabša ketogenezo prek PPAR? zatiranje (Flint et al., 2016).

Aktivnost encima HMGCS2 je regulirana z več PTM. Fosforilacija serina HMGCS2 je povečala njegovo aktivnost in vitro (Grimsrud et al., 2012). Aktivnost HMGCS2 je alosterično inhibirana s sukcinilacijo sukcinil-CoA in lizinskih ostankov (Arias et al., 1995; Hegardt, 1999; Lowe in Tubbs, 1985; Quant et al., 1990; Rardin et al., 2013; 1975; Thumelin et al., 1993). Sukcinilacija lizinskih ostankov HMGCS2, HMGCL in BDH1 v jetrnih mitohondrijih so tarče od NAD+ odvisne deacilaze sirtuin 5 (SIRT5) (Rardin et al., 2013). Aktivnost HMGCS2 se poveča tudi z deacetilacijo lizina SIRT3 in možno je, da navzkrižno poslušanje med acetilacijo in sukcinilacijo uravnava aktivnost HMGCS2 (Rardin et al., 2013; Shimazu et al., 2013). Kljub sposobnosti teh PTM, da uravnavajo HMGCS2 Km in Vmax, nihanja teh PTM še niso bila natančno preslikana in niso bila potrjena kot mehanistični gonilniki ketogeneze in vivo.

SCOT se izraža v vseh celicah sesalcev, ki vsebujejo mitohondrije, razen v hepatocitih. Pomen aktivnosti SCOT in ketolize je bil dokazan pri miših SCOT-KO, ki so pokazale enakomerno smrtnost zaradi hiperketonemične hipoglikemije v 48 urah po rojstvu (Cotter et al., 2011). Tkivno specifična izguba SCOT v nevronih ali skeletnih miocitih povzroči presnovne nenormalnosti med stradanjem, vendar ni smrtna (Cotter et al., 2013b). Pri ljudeh se pomanjkanje SCOT zgodaj pokaže s hudo ketoacidozo, ki povzroča letargijo, bruhanje in komo (Berry et al., 2001; Fukao et al., 2000; Kassovska-Bratinova et al., 1996; Niezen-Koning et al. , 1997; Saudubray et al., 1987; Snyderman et al., 1998; Tildon in Cornblath, 1972). Na celični ravni je relativno malo znanega o regulatorjih ekspresije genov SCOT in beljakovin. Ekspresija mRNA Oxct1 ter protein in aktivnost SCOT se zmanjšata v ketotičnih stanjih, po možnosti zaradi mehanizmov, odvisnih od PPAR (Fenselau in Wallis, 1974; Fenselau in Wallis, 1976; Grinblat et al., 1986; Okuda et al., 1991; Turko et al. ., 2001; Wentz et al., 2010). Pri diabetični ketoacidozi se neskladje med jetrno ketogenezo in ekstrahepatično oksidacijo poslabša zaradi poslabšanja aktivnosti SCOT. Prekomerna ekspresija inzulinsko neodvisnega transporterja glukoze (GLUT1/SLC2A1) v kardiomiocitih zavira tudi ekspresijo gena Oxct1 in zmanjša končno oksidacijo ketonov v ne-ketotičnem stanju (Yan et al., 2009). V jetrih številčnost mRNA Oxct1 zavirata mikroRNA-122 in metilacija histona H3K27me3, ki sta očitna med prehodom iz fetalnega v neonatalno obdobje (Thorrez et al., 2011). Vendar pa je supresija jetrne ekspresije Oxct1 v postnatalnem obdobju predvsem posledica evakuacije hematopoetskih progenitorjev, ki izražajo Oxct1, iz jeter, ne pa izgube predhodno obstoječe ekspresije Oxct1 v končno diferenciranih hepatocitih. Dejansko je ekspresija mRNA Oxct1 in proteina SCOT v diferenciranih hepatocitih izjemno nizka (Orii et al., 2008).

SCOT urejajo tudi PTM. Encim je hiperacetiliran v možganih miši SIRT3 KO, ki kažejo tudi zmanjšano proizvodnjo acetil-CoA, odvisno od AcAc (Dittenhafer-Reed et al., 2015). Neencimska nitracija tirozinskih ostankov SCOT tudi oslabi njegovo aktivnost, o čemer so poročali v srcih različnih modelov diabetičnih miši (Marcondes et al., 2001; Turko et al., 2001; Wang et al., 2010a). Nasprotno pa nitracija ostankov triptofana poveča aktivnost SCOT (Br�g�re et al., 2010; Rebrin et al., 2007). Molekularni mehanizmi nitriranja ali denitracije, specifične za ostanke, ki so zasnovani za modulacijo aktivnosti SCOT, lahko obstajajo in zahtevajo razjasnitev.

Kontroverze v ekstrahepatični ketogenezi

Pri sesalcih so primarni ketogeni organ jetra in le hepatociti in črevesne epitelijske celice obilno izražajo mitohondrijsko izoformo HMGCS2 (Cotter et al., 2013a; Cotter et al., 2014; McGarry in Foster, 1980; Robinson1980 in Williamson). . Anaerobna bakterijska fermentacija kompleksnih polisaharidov daje butirat, ki ga kolonociti pri sesalcih absorbirajo za terminalno oksidacijo ali ketogenezo (Cherbuy et al., 1995), kar lahko igra vlogo pri diferenciaciji kolonocitov (Wang et al., 2016). Razen črevesnih epitelijskih celic in hepatocitov je HMGCS2 skoraj odsoten v skoraj vseh drugih celicah sesalcev, vendar se je možnost ekstrahepatične ketogeneze povečala v tumorskih celicah, astrocitih centralnega živčnega sistema, ledvicah, trebušni slinavki ? celic, pigmentnega epitelija mrežnice (RPE) in celo v skeletnih mišicah (Adijanto et al., 2014; Avogaro et al., 1992; El Azzouny et al., 2016; Grabacka et al., 2016; Kang et al., 2015 ; Le Foll et al., 2014; Nonaka et al., 2016; Takagi et al., 2016a; Thevenet et al., 2016; Zhang et al., 2011). Ektopični HMGCS2 so opazili v tkivih, ki nimajo neto ketogene zmogljivosti (Cook et al., 2016; Wentz et al., 2010), HMGCS2 pa kaže prospektivne ketogenezo neodvisne 'moonlighting' aktivnosti, vključno z znotraj celičnega jedra (Chen et al. , 2016; Kostiuk idr., 2010; Meertens in sod., 1998).

Vsako ekstrahepatično tkivo, ki oksidira ketonska telesa, ima tudi možnost kopičenja ketonskih teles preko mehanizmov, neodvisnih od HMGCS2 (slika 2A). Vendar pa ni ekstrahepatičnega tkiva, v katerem bi bila koncentracija ketonskih teles v stanju dinamičnega ravnovesja večja od koncentracije v obtoku (Cotter et al., 2011; Cotter et al., 2013b; Harrison in Long, 1940), kar poudarja, da se ketonska telesa prenašajo navzdol po koncentracijski gradient prek mehanizmov, odvisnih od MCT1/2. En mehanizem navidezne ekstrahepatične ketogeneze lahko dejansko odraža relativno okvaro oksidacije ketonov. Dodatne možne razlage spadajo v področje tvorbe ketonskih teles. Prvič, de novo ketogeneza se lahko pojavi z reverzibilno encimsko aktivnostjo tiolaze in SCOT (Weidemann in Krebs, 1969). Ko je koncentracija acetil-CoA relativno visoka, reakcije, ki so običajno odgovorne za oksidacijo AcAc, delujejo v obratni smeri (GOLDMAN, 1954). Drugi mehanizem se pojavi, ko se intermediati, pridobljeni iz ?-oksidacije, kopičijo zaradi ozkega grla v ciklu TCA, AcAc-CoA se pretvori v l-?OHB-CoA z reakcijo, ki jo katalizira mitohondrijska 3-hidroksiacil-CoA dehidrogenaza in nadalje 3-hidroksibutiril CoA deacilaza v l-?OHB, ki ga z masno spektrometrijo ali resonančno spektroskopijo ni mogoče razlikovati od fiziološkega enantiomera d-?OHB (Reed in Ozand, 1980). l-?OHB je mogoče kromatografsko ali encimsko ločiti od d-?OHB in je prisoten v ekstrahepatičnih tkivih, ne pa v jetrih ali krvi (Hsu et al., 2011). Jetrna ketogeneza proizvaja samo d-?OHB, edini enantiomer, ki je substrat BDH (Ito et al., 1984; Lincoln et al., 1987; Reed in Ozand, 1980; Scofield et al., 1982; Scofield et al., 1982). Tretji mehanizem, neodvisen od HMGCS2, ustvarja d-?OHB s katabolizmom aminokislin, zlasti levcina in lizina. Četrti mehanizem je le navidezen, ker je posledica artefakta označevanja in se tako imenuje psevdoketogeneza. Ta pojav je mogoče pripisati reverzibilnosti reakcij SCOT in tiolaze in lahko povzroči precenjevanje pretoka ketonskih teles zaradi izotopske razredčenosti sledilnika ketonskih teles v ekstrahepatičnem tkivu (Des Rosiers et al., 1990; Fink et al., 1988). . Kljub temu je lahko psevdoketogeneza v večini kontekstov zanemarljiva (Bailey et al., 1990; Keller et al., 1978). Shema (slika 2A) kaže uporaben pristop ob upoštevanju povišane koncentracije ketonov v stanju dinamičnega ravnovesja v tkivu.

� Ledvice so bile nedavno deležne pozornosti kot potencialno ketogeni organ. V veliki večini držav so ledvice neto porabnik ketonskih teles, pridobljenih iz jeter, ki izločajo ali reabsorbirajo ketonska telesa iz krvnega obtoka, ledvice pa na splošno niso generator ali koncentrator neto ketonskih teles (Robinson in Williamson, 1980). Avtorji klasične študije so ugotovili, da minimalna ledvična ketogeneza, kvantificirana v umetnem eksperimentalnem sistemu, ni fiziološko pomembna (Weidemann in Krebs, 1969). Nedavno so sklepali o ledvični ketogenezi pri mišjih modelih s pomanjkanjem sladkorne bolezni in avtofagije, vendar je bolj verjetno, da večorganski premiki v metabolni homeostazi spremenijo integrativni metabolizem ketonov z vnosom na več organov (Takagi et al., 2016a; Takagi et al., 2016b; Zhang et al., 2011). Ena nedavna publikacija je predlagala ledvično ketogenezo kot zaščitni mehanizem pred ishemijo-reperfuzijsko poškodbo v ledvicah (Tran et al., 2016). Poročali so o absolutnih koncentracijah ?OHB v stanju dinamičnega ravnovesja iz ekstraktov ledvičnega tkiva miši pri ~4 mM. Da bi preverili, ali je to izvedljivo, smo kvantificirali koncentracije ?OHB v ledvičnih izvlečkih hranjenih in 12-urnih teščenih miši. Koncentracije ?OHB v serumu so se povečale s ~24 µM na 100 mM pri 2-urnem teščenju (slika 24B), medtem ko so koncentracije ?OHB v stanju dinamičnega ravnovesja v ledvicah približno 2 µM v stanju hranjenja in le 100 mM v stanju 1-urnega teščenja (sl. 24C�E), opažanja, ki so skladna s koncentracijami, kvantificiranimi pred več kot 2 leti (Hems in Brosnan, 45). Še vedno je možno, da bi v ketotičnih stanjih lahko bila ketonska telesa, pridobljena iz jeter, renoprotektivna, vendar je treba dokaze za ledvično ketogenezo dodatno utemeljiti. Prepričljivi dokazi, ki podpirajo pravo ekstrahepatično ketogenezo, so bili predstavljeni v RPE (Adijanto et al., 1970). Predlagali so, da bi ta zanimiva presnovna transformacija potencialno omogočila pretok ketonov, pridobljenih iz RPE, do fotoreceptorskih ali Millerjevih celic glije, kar bi lahko pomagalo pri regeneraciji zunanjega segmenta fotoreceptorja.

?OHB kot posrednik za signalizacijo

Čeprav so energijsko bogata, imajo ketonska telesa provokativno »nekanonično« signalno vlogo v celični homeostazi (slika 3) (Newman in Verdin, 2014; Rojas-Morales et al., 2016). Na primer, ?OHB zavira HDAC razreda I, kar poveča acetilacijo histona in s tem inducira izražanje genov, ki zmanjšujejo oksidativni stres (Shimazu et al., 2013). ?OHB je sam kovalentni modifikator histona na ostankih lizina v jetrih diabetičnih miši na tešče ali s streptozotocinom povzročenih (Xie et al., 2016) (glej tudi spodaj, Integracija metabolizma ketonskih teles, post-translacijska modifikacija in fiziologija celic in Ketonska telesa, oksidativni stres in nevroprotekcija).

?OHB je tudi efektor preko receptorjev, vezanih na G-protein. Prek nejasnih molekularnih mehanizmov zavira aktivnost simpatičnega živčnega sistema in zmanjša skupno porabo energije in srčni utrip z zaviranjem signalizacije kratkoverižnih maščobnih kislin prek receptorja 41, vezanega na G protein (GPR41) (Kimura et al., 2011). Eden najbolj raziskanih signalnih učinkov ?OHB poteka prek GPR109A (znanega tudi kot HCAR2), člana poddružine GPCR ogljikovodične kisline, izražene v maščobnem tkivu (belem in rjavem) (Tunaru et al., 2003) in v imunskih celic (Ahmed et al., 2009). ?OHB je edini znani endogeni ligand receptorja GPR109A (EC50 ~770 �M), ki ga aktivirajo d-?OHB, l-?OHB in butirat, ne pa AcAc (Taggart et al., 2005). Visoki koncentracijski prag za aktivacijo GPR109A se doseže z upoštevanjem ketogene diete, stradanja ali med ketoacidozo, kar vodi do zaviranja lipolize maščobnega tkiva. Antilipolitični učinek GPR109A poteka prek inhibicije adenilil ciklaze in zmanjšanja cAMP, ki zavira hormonsko občutljivo trigliceridno lipazo (Ahmed et al., 2009; Tunaru et al., 2003). To ustvarja negativno povratno zanko, v kateri ketoza modulacijsko zavira ketogenezo z zmanjšanjem sproščanja neesterificiranih maščobnih kislin iz adipocitov (Ahmed et al., 2009; Taggart et al., 2005), učinek, ki ga je mogoče uravnotežiti z simpatični pogon, ki spodbuja lipolizo. Niacin (vitamin B3, nikotinska kislina) je močan (EC50 ~ 0.1 �M) ligand za GRP109A, ki se že desetletja učinkovito uporablja za dislipidemije (Benyo et al., 2005; Benyo et al., 2006; Fabbrini et al., 2010 Lukasova in sod., 2011; Tunaru in sod., 2003). Medtem ko niacin poveča povratni transport holesterola v makrofagih in zmanjša aterosklerotične lezije (Lukasova et al., 2011), učinki ?OHB na aterosklerotične lezije ostajajo neznani. Čeprav receptor GPR109A izvaja zaščitno vlogo in obstajajo zanimive povezave med uporabo ketogene diete pri možganski kapi in nevrodegenerativnih boleznih (Fu et al., 2015; Rahman et al., 2014), zaščitna vloga ?OHB preko GPR109A ni bila dokazana in vivo .

Končno, ?OHB lahko vpliva na apetit in sitost. Metaanaliza študij, ki so merile učinke ketogene in zelo nizkoenergijske diete, je pokazala, da so udeleženci, ki uživajo te diete, bolj nasičeni v primerjavi s kontrolnimi dietami (Gibson et al., 2015). Vendar je verjetna razlaga za ta učinek dodatni presnovni ali hormonski elementi, ki lahko modulirajo apetit. Na primer, miši, ki so bile vzdrževane na ketogeni dieti za glodalcev, so pokazale povečano porabo energije v primerjavi z mišmi, ki so bile hranjene s kontrolno hrano, kljub podobnemu vnosu kalorij in krožeči leptin ali geni peptidov, ki uravnavajo prehranjevalno vedenje, niso bili spremenjeni (Kennedy et al., 2007). Med predlagane mehanizme, ki kažejo na zaviranje apetita z ?OHB, vključuje tako signalizacijo kot oksidacijo (Laeger et al., 2010). Hepatocitno specifična delecija gena cirkadianega ritma (Per2) in študije imunoprecipitacije kromatina so pokazale, da PER2 neposredno aktivira gen Cpt1a in posredno uravnava Hmgcs2, kar vodi do motene ketoze pri miših, ki izločajo Per2 (Chavan et al.,). Te miši so pokazale oslabljeno predvidevanje hrane, ki je bilo delno obnovljeno s sistemskim dajanjem ?OHB. Prihodnje študije bodo potrebne, da se potrdi centralni živčni sistem kot neposredna tarča ?OHB in ali je za opažene učinke potrebna oksidacija ketonov ali je vključen drug signalni mehanizem. Drugi raziskovalci so se sklicevali na možnost lokalne ketogeneze, ki izvira iz astrocitov v ventromedialnem hipotalamusu kot regulatorju vnosa hrane, vendar bodo ta predhodna opažanja koristila tudi genetskim ocenam in ocenam, ki temeljijo na pretoku (Le Foll et al., 2016). Razmerje med ketozo in pomanjkanjem hranil ostaja zanimivo, saj sta lakota in sitost pomembna elementa pri neuspešnih poskusih hujšanja.

Integracija presnove ketonskega telesa, posttranslacijske modifikacije in celične fiziologije

Ketonska telesa prispevajo k ločenim bazenom acetil-CoA, ključnega vmesnega produkta, ki ima pomembno vlogo pri celičnem metabolizmu (Pietrocola et al., 2015). Ena vloga acetil-CoA je, da služi kot substrat za acetilacijo, encimsko katalizirano histonsko kovalentno modifikacijo (Choudhary et al., 2014; Dutta et al., 2016; Fan et al., 2015; Menzies et al., 2016 ). Veliko število dinamično acetiliranih mitohondrijskih beljakovin, od katerih se mnogi lahko pojavijo prek neencimskih mehanizmov, se je pojavilo tudi iz študij računalniške proteomike (Dittenhafer-Reed et al., 2015; Hebert et al., 2013; Rardin et al., 2013 ; Shimazu et al., 2010). Lizinske deacetilaze uporabljajo cinkov kofaktor (npr. nukleocitosolni HDAC) ali NAD+ kot sosubstrat (sirtuini, SIRT) (Choudhary et al., 2014; Menzies et al., 2016). Acetilproteom služi kot senzor in efektor celotnega celičnega bazena acetil-CoA, saj fiziološke in genetske manipulacije vsaka povzročijo neencimske globalne variacije acetilacije (Weinert et al., 2014). Ker znotrajcelični metaboliti služijo kot modulatorji acetilacije lizinskih ostankov, je pomembno upoštevati vlogo ketonskih teles, katerih številčnost je zelo dinamična.

?OHB je epigenetski modifikator prek vsaj dveh mehanizmov. Povečane ravni ?OHB, ki jih povzroča post, omejevanje kalorij, neposredno dajanje ali dolgotrajna vadba, izzovejo inhibicijo HDAC ali aktivacijo histon acetiltransferaze (Marosi et al., 2016; Sleiman et al., 2016) ali oksidativni stres (Shimazu et al., 2013), 3. . ?OHB inhibicija HDAC2016 bi lahko uravnavala presnovno fiziologijo novorojenčka (Rando et al., 2016). Neodvisno, ?OHB sam neposredno modificira histonske lizinske ostanke (Xie et al., XNUMX). Dolgotrajno tešče ali diabetična ketoacidoza, ki jo povzroča steptozotocin, je povečala α-hidroksibutirilacijo histona. Čeprav je bilo število lizin a-hidroksibutirilacijskih in acetilacijskih mest primerljivo, so opazili stehiometrično večjo histonsko a-hidroksibutirilacijo kot acetilacijo. Na različne gene je vplivala histonska lizin a-hidroksibutirilacija v primerjavi z acetilacijo ali metilacijo, kar kaže na različne celične funkcije. Ali je ?-hidroksibutirilacija spontana ali encimska, ni znano, vendar širi obseg mehanizmov s pomočjo ketonskih teles, ki dinamično vplivajo na transkripcijo.

Bistveni dogodki reprogramiranja celic med omejevanjem kalorij in pomanjkanjem hranil so lahko posredovani v SIRT3- in SIRT5-odvisni mitohondrijski deacetilaciji oziroma desukcinilaciji, ki uravnavata ketogene in ketolitične beljakovine na posttranslacijski ravni v jetrih in ekstrahepatičnih tkivih ReDittenhafer al. 2015; Hebert et al., 2013; Rardin et al., 2013; Shimazu et al., 2010). Čeprav stehiometrična primerjava zasedenih mest ni nujno povezana neposredno s premiki v presnovnem toku, je mitohondrijska acetilacija dinamična in jo lahko poganja koncentracija acetil-CoA ali mitohondrijski pH, ne pa encimske acetiltransferaze (Wagner in Payne, 2013). Da SIRT3 in SIRT5 modulirata aktivnosti encimov, ki presnavljajo ketonsko telo, sproža vprašanje vzajemne vloge ketonov pri oblikovanju acetilproteoma, sukcinilproteoma in drugih dinamičnih celičnih tarč. Ker variacije ketogeneze odražajo koncentracije NAD+, bi lahko proizvodnja in številčnost ketonov uravnavala aktivnost sirtuina, s čimer bi vplivala na skupne bazene acetil-CoA/sukcinil-CoA, acilproteom in s tem mitohondrijsko in celično fiziologijo. ?-hidroksibutirilacija ostankov encima lizina bi lahko dodala še eno plast celičnemu reprogramiranju. V ekstrahepatičnih tkivih lahko oksidacija ketonskih teles spodbudi podobne spremembe v celični homeostazi. Medtem ko je ločevanje zbirk acetil-CoA zelo regulirano in usklajuje širok spekter celičnih sprememb, je treba razjasniti sposobnost ketonskih teles, da neposredno oblikujejo tako mitohondrijske kot citoplazmatske koncentracije acetil-CoA (Chen et al., 2012; Corbet et al., 2016; Pougovkina et al., 2014; Schwer et al., 2009; Wellen in Thompson, 2012). Ker so koncentracije acetil-CoA strogo regulirane in je acetil-CoA neprepusten za membrano, je ključnega pomena upoštevati gonilne mehanizme, ki usklajujejo homeostazo acetil-CoA, vključno s stopnjami proizvodnje in končne oksidacije v ciklu TCA, pretvorbo v ketonska telesa, mitohondrijske efluks preko karnitin acetiltransferaze (CrAT) ali izvoza acetil-CoA v citosol po pretvorbi v citrat in sproščanju z ATP citrat liazo (ACLY). Ključne vloge teh zadnjih mehanizmov v celičnem acetilproteomu in homeostazi zahtevajo usklajeno razumevanje vloge ketogeneze in oksidacije ketonov (Das et al., 2015; McDonnell et al., 2016; Moussaieff et al., 2015; Overmyer et al., 2015; Seiler et al., 2014; Seiler et al., 2015; Wellen et al., 2009; Wellen in Thompson, 2012). Za določitev ciljev in rezultatov bodo potrebne konvergentne tehnologije v metabolomiki in acilproteomiki v okviru gensko manipuliranih modelov.

Protivnetni in protivnetni odzivi na ketonska telesa

Ketoza in ketonska telesa modulirajo vnetje in delovanje imunskih celic, vendar so bili predlagani različni in celo različni mehanizmi. Dolgotrajno pomanjkanje hranil zmanjša vnetje (Youm et al., 2015), vendar je kronična ketoza sladkorne bolezni tipa 1 pro-vnetno stanje (Jain et al., 2002; Kanikarla-Marie in Jain, 2015; Kurepa et al., 2012 ). Na mehanizmu temelječe signalne vloge za ?OHB pri vnetju se pojavijo, ker številne celice imunskega sistema, vključno z makrofagi ali monociti, obilno izražajo GPR109A. Medtem ko ima ?OHB pretežno protivnetni odziv (Fu et al., 2014; Gambhir et al., 2012; Rahman et al., 2014; Youm et al., 2015), lahko visoke koncentracije ketonskih teles, zlasti AcAc, sprožijo pro-vnetni odziv (Jain et al., 2002; Kanikarla-Marie in Jain, 2015; Kurepa et al., 2012).

Pregledane so bile protivnetne vloge ligandov GPR109A pri aterosklerozi, debelosti, vnetni črevesni bolezni, nevroloških boleznih in raku (Graff et al., 2016). Ekspresija GPR109A se poveča v celicah RPE diabetičnih modelov, pri ljudeh s sladkorno boleznijo (Gambhir et al., 2012) in v mikrogliji med nevrodegeneracijo (Fu et al., 2014). Protivnetni učinki ?OHB so povečani s prekomerno ekspresijo GPR109A v celicah RPE in odpravljeni s farmakološko inhibicijo ali genetskim izločanjem GPR109A (Gambhir et al., 2012). ?OHB in eksogena nikotinska kislina (Taggart et al., 2005), obe dajeta protivnetne učinke na TNF? ali vnetje, ki ga povzroča LPS, z znižanjem ravni pro-vnetnih beljakovin (iNOS, COX-2) ali izločenih citokinov (TNF?, IL-1?, IL-6, CCL2/MCP-1), deloma z zaviranjem NF -?B translokacija (Fu et al., 2014; Gambhir et al., 2012). ?OHB zmanjša stres ER in inflamasom NLRP3 ter aktivira odziv na antioksidativni stres (Bae et al., 2016; Youm et al., 2015). Vendar pa pri nevrodegenerativnem vnetju GPR109A-odvisna zaščita, ki jo posreduje ?OHB, ne vključuje vnetnih mediatorjev, kot je signalizacija poti MAPK (npr. ERK, JNK, p38) (Fu et al., 2014), lahko pa zahteva od COX-1 odvisen PGD2 proizvodnje (Rahman et al., 2014). Zanimivo je, da je makrofag GPR109A potreben za izvajanje nevroprotektivnega učinka v modelu ishemične možganske kapi (Rahman et al., 2014), vendar je sposobnost ?OHB, da zavira vnetni masom NLRP3 v makrofagih, pridobljenih iz kostnega mozga, neodvisna od GPR109A ., 2015). Čeprav večina študij povezuje ?OHB s protivnetnimi učinki, je lahko ?OHB protivnetni in poveča označevalce lipidne peroksidacije v telečjih hepatocitih (Shi et al., 2014). Proti-protivnetni učinki ?OHB so tako lahko odvisni od tipa celice, koncentracije ?OHB, trajanja izpostavljenosti in prisotnosti ali odsotnosti komodulatorjev.

Za razliko od ?OHB lahko AcAc aktivira pro-vnetno signalizacijo. Povišan AcAc, zlasti pri visoki koncentraciji glukoze, intenzivira poškodbo endotelijskih celic prek mehanizma, ki je odvisen od NADPH oksidaze/oksidativnega stresa (Kanikarla-Marie in Jain, 2015). Visoke koncentracije AcAc v popkovini mater s sladkorno boleznijo so bile povezane z višjo stopnjo oksidacije beljakovin in koncentracijo MCP-1 (Kurepa et al., 2012). Ali je bila visoka AcAc pri bolnikih s sladkorno boleznijo povezana s TNF? ekspresija (Jain et al., 2002) in AcAc, vendar ne ?OHB, inducira ekspresijo TNF?, MCP-1, kopičenje ROS in zmanjšano raven cAMP v človeških monocitnih celicah U937 (Jain et al., 2002; Kurepa et al. ., 2012).

Signalni fenomeni, odvisni od ketonskega telesa, se pogosto sprožijo le pri visokih koncentracijah ketonskih teles (> 5 mM) in v primeru številnih študij, ki povezujejo ketone s pro- ali protivnetnimi učinki, z nejasnimi mehanizmi. Poleg tega zaradi nasprotujočih si učinkov ?OHB proti AcAc na vnetje in zmožnosti razmerja AcAc/?OHB, da vpliva na mitohondrijski redoks potencial, najboljši poskusi, ki ocenjujejo vloge ketonskih teles na celične fenotipe, primerjajo učinke AcAc in ? OHB v različnih razmerjih in pri različnih kumulativnih koncentracijah [npr. (Saito et al., 2016)]. Končno je AcAc mogoče komercialno kupiti samo kot litijevo sol ali kot etilni ester, ki zahteva bazno hidrolizo pred uporabo. Litijev kation neodvisno inducira kaskade prenosa signala (Manji et al., 1995), AcAc anion pa je labilen. Končno so študije, ki uporabljajo racemni d/l-?OHB, lahko zmedene, saj se lahko samo d-?OHB stereoizomer oksidira v AcAc, toda d-?OHB in l-?OHB lahko vsak signalizirata prek GPR109A, zavirata vnetni izomer NLRP3, in služijo kot lipogeni substrati.

Ketonska telesa, oksidativni stres in nevrozaščita

Oksidativni stres je običajno opredeljen kot stanje, v katerem so ROS v presežku zaradi prekomerne proizvodnje in/ali oslabljene eliminacije. Vloge ketonskih teles pri zmanjševanju antioksidativnega in oksidativnega stresa so bile široko opisane tako in vitro kot in vivo, zlasti v kontekstu nevroprotekcije. Ker večina nevronov ne tvori učinkovito visokoenergetskih fosfatov iz maščobnih kislin, vendar oksidira ketonska telesa, ko ogljikovih hidratov primanjkuje, so nevroprotektivni učinki ketonskih teles še posebej pomembni (Cahill GF Jr, 2006; Edmond et al., 1987; Yang et al., 1987). V modelih oksidativnega stresa indukcija BDH1 in supresija SCOT kažeta, da je mogoče presnovo ketonskih teles reprogramirati tako, da vzdržuje raznoliko celično signalizacijo, redoks potencial ali presnovne zahteve (Nagao et al., 2016; Tieu et al., 2003).

Ketonska telesa zmanjšajo stopnje celične poškodbe, poškodbe, smrti in nižjo apoptozo v nevronih in kardiomiocitih (Haces et al., 2008; Maalouf et al., 2007; Nagao et al., 2016; Tieu et al., 2003). Priklicani mehanizmi so različni in niso vedno linearno povezani s koncentracijo. Nizke milimolarne koncentracije (d ali l)-?OHB lovijo ROS (hidroksilni anion), medtem ko AcAc lovi številne vrste ROS, vendar le pri koncentracijah, ki presegajo fiziološko območje (IC50 20 mM) (Haces et al., 67) . Nasprotno pa je ugoden vpliv na redoks potencial elektronske transportne verige mehanizem, ki je običajno povezan z d-?OHB. Medtem ko so vsa tri ketonska telesa (d/l-?OHB in AcAc) zmanjšala smrt nevronskih celic in kopičenje ROS, ki ga je sprožila kemična inhibicija glikolize, sta le d-?OHB in AcAc preprečila upad nevronskega ATP. Nasprotno pa je v hipoglikemičnem modelu in vivo (d ali l)-?OHB, ne pa AcAc, preprečil hipokampalno peroksidacijo lipidov (Haces et al., 2008; Maalouf et al., 2008; Marosi et al., 2007; Murphy, 2016 ; Tieu et al., 2009). Študije in vivo na miših, hranjenih s ketogeno dieto (2003 % kcal maščob in 87 % beljakovin), so pokazale nevroanatomsko variacijo antioksidativne zmogljivosti (Ziegler et al., 13), kjer so bile najgloblje spremembe opažene v hipokampusu, s povečanjem glutation peroksidaze in skupnega antioksidativne zmogljivosti.

Ketogena dieta, ketonski estri (glejte tudi Terapevtska uporaba ketogene diete in eksogenih ketonskih teles) ali dajanje ?OHB izvajajo nevroprotekcijo pri modelih ishemične možganske kapi (Rahman et al., 2014); Parkinsonova bolezen (Tieu et al., 2003); napad zaradi toksičnosti kisika centralnega živčnega sistema (D'Agostino et al., 2013); epileptični krči (Yum et al., 2015); sindrom mitohondrijske encefalomiopatije, laktacidoze in možganski kapi (MELAS) (Frey et al., 2016) in Alzheimerjeve bolezni (Cunnane in Crawford, 2003; Yin et al., 2016). Nasprotno pa je nedavno poročilo pokazalo histopatološke dokaze nevrodegenerativnega napredovanja s ketogeno dieto v modelu transgenske miši nenormalnega popravljanja mitohondrijske DNK, kljub povečanju mitohondrijske biogeneze in antioksidativnih podpisov (Lauritzen et al., 2016). Druga nasprotujoča si poročila kažejo, da izpostavljenost visokim koncentracijam ketonskih teles povzroči oksidativni stres. Visoki odmerki ?OHB ali AcAc so povzročili izločanje dušikovega oksida, peroksidacijo lipidov, zmanjšano izražanje SOD, glutation peroksidaze in katalaze v telečjih hepatocitih, medtem ko je bila v hepatocitih podgan indukcija poti MAPK pripisana AcAc, ne pa ?OHB (Abdelmegeed2004, sod. ; Shi et al., 2014; Shi et al., 2016).

Skupaj večina poročil povezuje ?OHB z zmanjšanjem oksidativnega stresa, saj njegovo dajanje zavira proizvodnjo ROS/superoksida, preprečuje peroksidacijo lipidov in oksidacijo beljakovin, povečuje nivoje antioksidativnih beljakovin in izboljšuje mitohondrijsko dihanje in proizvodnjo ATP (Abdelmegeed et al., 2004; Haces et al., 2008; Jain et al., 1998; Jain et al., 2002; Kanikarla-Marie in Jain, 2015; Maalouf et al., 2007; Maalouf in Rho, 2008; Marosi et al., 2016; Tieu et al., 2003; Yin et al., 2016; Ziegler in sod., 2003). Medtem ko je bil AcAc bolj neposredno povezan kot ?OHB z indukcijo oksidativnega stresa, teh učinkov ni vedno zlahka ločiti od možnih pro-vnetnih odzivov (Jain et al., 2002; Kanikarla-Marie in Jain, 2015; Kanikarla-Marie in Jain, 2016). Poleg tega je ključnega pomena upoštevati, da navidezne antioksidativne koristi, ki jo dajejo pleiotropne ketogene diete, ne morejo prenesti sama ketonska telesa, nevrozaščita, ki jo dajejo ketonska telesa, pa morda ni v celoti posledica oksidativnega stresa. Na primer med pomanjkanjem glukoze je v modelu pomanjkanja glukoze v kortikalnih nevronih ?OHB spodbudil avtofagični tok in preprečil kopičenje avtofagosomov, kar je bilo povezano z zmanjšano smrtjo nevronov (Camberos-Luna et al., 2016). d-?OHB inducira tudi kanonične antioksidativne proteine ​​FOXO3a, SOD, MnSOD in katalazo, prospektivno z inhibicijo HDAC (Nagao et al., 2016; Shimazu et al., 2013).

Brezalkoholna maščobna bolezen jeter (NAFLD) in presnova ketonskih teles

NAFLD, povezan z debelostjo, in nealkoholni steatohepatitis (NASH) sta najpogostejša vzroka bolezni jeter v zahodnih državah (Rinella in Sanyal, 2016), odpoved jeter, ki jo povzroča NASH, pa je eden najpogostejših razlogov za presaditev jeter. Medtem ko prekomerno shranjevanje triacilglicerolov v hepatocitih >5 % teže jeter (NAFL) samo po sebi ne povzroča degenerativnega delovanja jeter, je napredovanje NAFLD pri ljudeh povezano s sistemsko odpornostjo na inzulin in povečanim tveganjem za sladkorno bolezen tipa 2 ter lahko prispeva k patogenezi bolezni srca in ožilja in kronične bolezni ledvic (Fabbrini et al., 2009; Targher et al., 2010; Targher in Byrne, 2013). Patogeni mehanizmi NAFLD in NASH niso popolnoma razumljeni, vendar vključujejo nenormalnosti metabolizma hepatocitov, avtofagijo hepatocitov in stres endoplazemskega retikuluma, delovanje jetrnih imunskih celic, vnetje maščobnega tkiva in sistemske vnetne mediatorje (Fabbrini et al., 2009, Masaniuo, 2013). ; Targher et al., 2010; Yang et al., 2010). Motnje v presnovi ogljikovih hidratov, lipidov in aminokislin se pojavljajo pri debelosti, sladkorni bolezni in NAFLD pri ljudeh in v modelnih organizmih ter prispevajo k temu [pregledano v (Farese et al., 2012; Lin in Accili, 2011; Newgard, 2012; Samuel in Shulman, 2012; Sun in Lazar, 2013). Medtem ko pri NAFLD pogosto opazimo nenormalnosti hepatocitov v presnovi lipidov v citoplazmi (Fabbrini et al., 2010b), je vloga mitohondrijskega metabolizma, ki ureja oksidativno odstranjevanje maščob, manj jasna v patogenezi NAFLD. Nenormalnosti mitohondrijske presnove se pojavljajo in prispevajo k patogenezi NAFLD/NASH (Hyotylainen et al., 2016; Serviddio et al., 2011; Serviddio et al., 2008; Wei et al., 2008). Obstaja splošno (Felig et al., 1974; Iozzo et al., 2010; Koliaki et al., 2015; Satapati et al., 2015; Satapati et al., 2012; Sunny et al., 2011), vendar ni enoten ( Koliaki in Roden, 2013; Perry et al., 2016; Rector et al., 2010) se strinjajo, da se pred razvojem verodostojnega NASH jetrna mitohondrijska oksidacija in zlasti oksidacija maščob povečata pri debelosti, sistemski odpornosti proti insulinu. in NAFLD. Verjetno je, da se z napredovanjem NAFLD pojavi heterogenost oksidativne sposobnosti, tudi med posameznimi mitohondriji, in na koncu postane oksidativna funkcija oslabljena (Koliaki et al., 2015; Rector et al., 2010; Satapati et al., 2008; Satapati et al. ., 2012).

Ketogeneza se pogosto uporablja kot približek za oksidacijo jetrne maščobe. Z napredovanjem NAFLD se pri živalskih modelih in verjetno pri ljudeh pojavijo motnje ketogeneze. Preko nepopolno opredeljenih mehanizmov hiperinzulinemija zavira ketogenezo, kar lahko prispeva k hipoketonemiji v primerjavi z vitkimi kontrolami (Bergman et al., 2007; Bickerton et al., 2008; Satapati et al., 2012; Soeters et al., 2009; Sunny et al. , 2011; Vice et al., 2005). Kljub temu je sposobnost koncentracij ketonskih teles v obtoku za napovedovanje NAFLD sporna (M�nnist� et al., 2015; Sanyal et al., 2001). Robustne kvantitativne magnetnoresonančne spektroskopske metode na živalskih modelih so pokazale povečano stopnjo menjave ketonov pri zmerni insulinski rezistenci, zmanjšane stopnje pa so bile očitne pri hujši insulinski rezistenci (Satapati et al., 2012; Sunny et al., 2010). Pri debelih ljudeh z zamaščenimi jetri je ketogena stopnja normalna (Bickerton et al., 2008; Sunny et al., 2011), zato so stopnje ketogeneze zmanjšane glede na povečano obremenitev maščobnih kislin v hepatocitih. Posledično je lahko acetil-CoA, pridobljen iz α-oksidacije, usmerjen v terminalno oksidacijo v ciklu TCA, kar poveča terminalno oksidacijo, glukoneogenezo, ki jo poganja fosfoenolpiruvat preko anapleroze/katapleroze, in oksidativnega stresa. Acetil-CoA se verjetno izvaža tudi iz mitohondrijev kot citrat, predhodni substrat za lipogenezo (slika 4) (Satapati et al., 2015; Satapati et al., 2012; Solinas et al., 2015). Medtem ko se ketogeneza zaradi dolgotrajne debelosti manj odziva na inzulin ali na tešče (Satapati et al., 2012), osnovni mehanizmi in posledice tega ostajajo nepopolno razumljeni. Nedavni dokazi kažejo, da mTORC1 zavira ketogenezo na način, ki je lahko za signalizacijo insulina (Kucejova et al., 2016), kar je v skladu z ugotovitvami, da mTORC1 zavira indukcijo Hmgcs2, ki jo posreduje PPAR? (Sengupta et al., 2010). glej tudi Uredbo HMGCS2 in SCOT/OXCT1).

Preliminarna opažanja naše skupine kažejo na škodljive jetrne posledice ketogene insuficience (Cotter et al., 2014). Da bi preverili hipotezo, da oslabljena ketogeneza, tudi v stanjih, polnih ogljikovih hidratov in s tem »neketogenih«, prispeva k nenormalni presnovi glukoze in izzove steatohepatitis, smo ustvarili mišji model izrazite ketogene insuficience z dajanjem protismiselnega tarčnega oligonukle (ASO) Hmgcs2. Izguba HMGCS2 pri odraslih miših, hranjenih z nizko vsebnostjo maščob, je povzročila blago hiperglikemijo in izrazito povečano proizvodnjo na stotine jetrnih presnovkov, od katerih je skupina močno predlagala aktivacijo lipogeneze. Hranjenje miši z visoko vsebnostjo maščob z nezadostno ketogenezo je povzročilo obsežno poškodbo in vnetje hepatocitov. Te ugotovitve podpirajo osrednjo hipotezo, da (i) ketogeneza ni pasivna prelivna pot, temveč dinamično vozlišče v jetrni in integrirani fiziološki homeostazi, in (ii) je preudarno ketogeno povečanje za ublažitev NAFLD/NASH in neurejenega metabolizma glukoze v jetrih vredno raziskovanja. .

Kako lahko oslabljena ketogeneza prispeva k poškodbi jeter in spremenjeni homeostazi glukoze? Prvi premislek je, ali je krivec pomanjkanje ketogenega toka ali ketoni sami. Nedavno poročilo kaže, da lahko ketonska telesa ublažijo poškodbo jeter, ki jo povzroča oksidativni stres, kot odziv na n-3 polinenasičene maščobne kisline (Pawlak et al., 2015). Spomnimo se, da zaradi pomanjkanja izražanja SCOT v hepatocitih ketonska telesa niso oksidirana, vendar lahko prispevajo k lipogenezi in služijo različnim signalnim vlogam, neodvisno od njihove oksidacije (glej tudi Neoksidativne presnovne usode ketonskih teles in ?OHB kot signalni posrednik). Možno je tudi, da lahko ketonska telesa, pridobljena iz hepatocitov, služijo kot signal in/ali metabolit za sosednje vrste celic znotraj jetrnega acinusa, vključno z zvezdastimi celicami in makrofagi Kupfferjevih celic. Medtem ko omejena razpoložljiva literatura kaže, da makrofagi ne morejo oksidirati ketonskih teles, je bilo to izmerjeno le z uporabo klasičnih metodologij in samo v peritonealnih makrofagih (Newsholme et al., 1986; Newsholme et al., 1987), kar kaže, da je ponovno ocena je ustrezna glede na obilno ekspresijo SCOT v makrofagih, pridobljenih iz kostnega mozga (Youm et al., 2015).

Ketogeni tok hepatocitov je lahko tudi citoprotektiven. Medtem ko zdravilni mehanizmi morda niso odvisni od ketogeneze same po sebi, so bile ketogene diete z nizko vsebnostjo ogljikovih hidratov povezane z izboljšanjem NAFLD (Browning et al., 2011; Foster et al., 2010; Kani et al., 2014; Schugar in Crawford, 2012) . Naša opažanja kažejo, da lahko ketogeneza hepatocitov daje povratne informacije in uravnava tok cikla TCA, anaplerotični tok, glukoneogenezo, pridobljeno iz fosfoenolpiruvata (Cotter et al., 2014) in celo promet glikogena. Ketogena okvara usmerja acetil-CoA k povečanju pretoka TCA, ki je v jetrih povezan s povečano poškodbo, ki jo posreduje ROS (Satapati et al., 2015; Satapati et al., 2012); prisili preusmeritev ogljika v de novo sintetizirane lipidne vrste, ki bi se lahko izkazale za citotoksične; in preprečuje reoksidacijo NADH v NAD+ (Cotter et al., 2014) (slika 4). Skupaj so potrebni prihodnji poskusi za obravnavanje mehanizmov, s katerimi lahko relativna ketogena insuficienca postane neprilagojena, prispeva k hiperglikemiji, izzove steatohepatitis in ali ti mehanizmi delujejo pri NAFLD/NASH pri ljudeh. Kot epidemiološki dokazi kažejo na moteno ketogenezo med napredovanjem steatohepatitisa (Embade et al., 2016; Marinou et al., 2011; M�nnist� et al., 2015; Pramfalk et al., 2015; Safaei et al., 2016) terapije, ki povečajo jetrno ketogenezo, bi se lahko izkazale za koristne (Degirolamo et al., 2016; Honda et al., 2016).

Ketonska telesa in srčno popuščanje (HF)

S hitrostjo presnove, ki presega 400 kcal/kg/dan, in s prometom 6 kg ATP/dan, je srce organ z največjo porabo energije in oksidativnimi potrebami (Ashrafian et al., 35; Wang et al., 2007b). Velika večina prometa miokardne energije se nahaja v mitohondrijih, 2010 % te zaloge pa izvira iz FAO. Srce je v normalnih pogojih vsejedo in prožno, vendar patološko remodelirajoče srce (npr. zaradi hipertenzije ali miokardnega infarkta) in diabetično srce postaneta presnovno nefleksibilna (Balasse in Fery, 70; BING, 1989; Fukao et al., 1954). ; Lopaschuk et al., 2004; Taegtmeyer et al., 2010; Taegtmeyer et al., 1980; Young et al., 2002). Dejansko genetsko programirane nenormalnosti presnove srčnega goriva pri mišjih modelih izzovejo kardiomiopatijo (Carley et al., 2002; Neubauer, 2014). V fizioloških pogojih normalna srca oksidirajo ketonska telesa sorazmerno z njihovo dostavo, na račun oksidacije maščobnih kislin in glukoze, miokard pa je največji porabnik ketonskih teles na enoto mase (BING, 2007; Crawford et al., 1954; GARLAND et al. ., 2009; Hasselbaink et al., 1962; Jeffrey et al., 2003; Pelletier et al., 1995; Tardif et al., 2007; Yan et al., 2001). V primerjavi z oksidacijo maščobnih kislin so ketonska telesa energetsko učinkovitejša, saj dajejo več energije, ki je na voljo za sintezo ATP na vloženo molekulo kisika (razmerje P/O) (Kashiwaya et al., 2009; Sato et al., 2010; Veech, 1995) . Oksidacija ketonskih teles daje tudi potencialno višjo energijo kot FAO, pri čemer ohranja ubikinon oksidiran, kar poveča redoks razpon v transportni verigi elektronov in naredi več energije na voljo za sintetizacijo ATP (Sato et al., 2004; Veech, 1995). Oksidacija ketonskih teles lahko tudi zmanjša proizvodnjo ROS in s tem oksidativni stres (Veech, 2004).

Preliminarne intervencijske in opazovalne študije kažejo na potencialno koristno vlogo ketonskih teles v srcu. V kontekstu eksperimentalne ishemije/reperfuzijske poškodbe so ketonska telesa dajala možne kardioprotektivne učinke (Al-Zaid et al., 2007; Wang et al., 2008), verjetno zaradi povečane številčnosti mitohondrijev v srcu ali povečane regulacije ključne oksidativne fosforilacije. mediatorji (Snorek et al., 2012; Zou et al., 2002). Nedavne študije kažejo, da je izkoriščenost ketonskih teles povečana pri okvarjenih srcih miši (Aubert et al., 2016) in ljudi (Bedi et al., 2016), kar podpira predhodna opazovanja pri ljudeh (BING, 1954; Fukao et al., 2000; Janardhan et al., 2011; Longo et al., 2004; Rudolph in Schinz, 1973; Tildon in Cornblath, 1972). Pri bolnikih s srčnim popuščanjem se koncentracije ketonskih teles v obtoku povečajo neposredno sorazmerno s polnilnimi tlaki, opazovanja, katerih mehanizem in pomen ostajata neznana (Kupari et al., 1995; Lommi et al., 1996; Lommi et al., 1997; Neely et al. ., 1972), vendar miši s selektivnim pomanjkanjem SCOT v kardiomiocitih kažejo pospešeno patološko ventrikularno preoblikovanje in ROS podpise kot odgovor na kirurško povzročeno poškodbo zaradi preobremenitve s tlakom (Schugar et al., 2014).

Nedavna zanimiva opažanja pri zdravljenju sladkorne bolezni so razkrila potencialno povezavo med presnovo ketonov v miokardu in patološkim ventrikularnim preoblikovanjem (slika 5). Inhibicija ledvičnega proksimalnega tubularnega kotransporterja natrija/glukoze 2 (SGLT2i) poveča koncentracijo ketonskih teles v obtoku pri ljudeh (Ferrannini et al., 2016a; Inagaki et al., 2015) in miših (Suzuki et al., 2014. jetrna ketogeneza (Ferrannini et al., 2014; Ferrannini et al., 2016a; Katz in Leiter, 2015; Mudaliar et al., 2015). Presenetljivo je, da je vsaj eno od teh učinkovin zmanjšalo hospitalizacijo pri HF (npr. kot je razkrilo preskušanje EMPA-REG OUTOME) in izboljšalo srčno-žilno umrljivost (Fitchett et al., 2016; Sonesson et al., 2016; Wu et al., 2016a ; Zinman et al., 2015). Medtem ko se o gonilnih mehanizmih za koristne rezultate HF povezanega SGLT2i še vedno aktivno razpravlja, je korist preživetja verjetno večfaktorska, v prihodnosti vključuje ketozo, pa tudi blagodejne učinke na težo, krvni tlak, ravni glukoze in sečne kisline, togost arterij, simpatični živčni sistem, osmotski diureza/zmanjšan volumen plazme in povečan hematokrit (Raz in Cahn, 2016; Vallon in Thomson, 2016). Če vzamemo skupaj, je zamisel, da terapevtsko naraščajoča ketonemija bodisi pri bolnikih s HF bodisi pri tistih z velikim tveganjem za razvoj HF, ostaja sporna, vendar je v predkliničnih in kliničnih študijah v fazi aktivne preiskave (Ferrannini et al., 2016b; Kolwicz et al., 2016; Lopaschuk in Verma, 2016; Mudaliar et al., 2016; Taegtmeyer, 2016).

Ketonska telesa v biologiji raka

Povezave med ketonskimi telesi in rakom se hitro pojavljajo, vendar so študije tako na živalskih modelih kot pri ljudeh prinesle različne zaključke. Ker je presnova ketonov dinamična in se odziva na stanje hranil, je zaradi možnosti natančno vodenih prehranskih terapij vabljivo iskanje bioloških povezav z rakom. Rakave celice so podvržene presnovnemu reprogramiranju, da bi ohranile hitro celično proliferacijo in rast (DeNicola in Cantley, 2015; Pavlova in Thompson, 2016). Klasični Warburgov učinek pri presnovi rakavih celic izhaja iz prevladujoče vloge glikolize in mlečnokislinske fermentacije pri prenosu energije in kompenziranju manjše odvisnosti od oksidativne fosforilacije in omejenega mitohondrijskega dihanja (De Feyter et al., 2016; Grabacka et al., 2016; Kang in sod., 2015; Poff in sod., 2014; Shukla in sod., 2014). Ogljik glukoze je usmerjen predvsem skozi glikolizo, pentozofosfatno pot in lipogenezo, ki skupaj zagotavljajo vmesne produkte, potrebne za širjenje tumorske biomase (Grabacka et al., 2016; Shukla et al., 2014; Yoshii et al., 2015). Prilagoditev rakavih celic na pomanjkanje glukoze se zgodi z zmožnostjo izkoriščanja alternativnih virov goriva, vključno z acetatom, glutaminom in aspartatom (Jaworski et al., 2016; Sullivan et al., 2015). Na primer, omejen dostop do piruvata razkriva sposobnost rakavih celic, da s karboksilacijo pretvorijo glutamin v acetil-CoA, pri čemer ohranjajo tako energijske kot anabolične potrebe (Yang et al., 2014). Zanimiva prilagoditev rakavih celic je uporaba acetata kot goriva (Comerford et al., 2014; Jaworski et al., 2016; Mashimo et al., 2014; Wright in Simone, 2016; Yoshii et al., 2015). Acetat je tudi substrat za lipogenezo, ki je ključnega pomena za proliferacijo tumorskih celic, pridobitev tega lipogenega kanala pa je povezana s krajšim preživetjem bolnikov in večjim bremenom tumorja (Comerford et al., 2014; Mashimo et al., 2014; Yoshii et al. ., 2015).

Celice, ki niso rakave, zlahka preusmerijo svoj vir energije iz glukoze v ketonska telesa med pomanjkanjem glukoze. Ta plastičnost je lahko bolj spremenljiva med vrstami rakavih celic, vendar so in vivo implantirani možganski tumorji oksidirali [2,4-13C2]-?OHB do podobne stopnje kot okoliško možgansko tkivo (De Feyter et al., 2016). Modeli �Reverse Warburg efekta� ali ”dvokompartmentnega tumorskega metabolizma” domnevajo, da rakave celice inducirajo proizvodnjo ?OHB v sosednjih fibroblastih, kar zagotavlja energijske potrebe tumorskih celic (Bonuccelli et al., 2010; Martinez-Outschoorn et al., 2012) . V jetrih je premik hepatocitov s ketogeneze na oksidacijo ketonov v celicah hepatocelularnega karcinoma (hepatoma) skladen z aktivacijo aktivnosti BDH1 in SCOT, opaženih v dveh celičnih linijah hepatoma (Zhang et al., 1989). Celice hepatoma dejansko izražajo OXCT1 in BDH1 ter oksidirajo ketone, vendar le, ko serum strada (Huang et al., 2016). Alternativno je bila predlagana tudi ketogeneza tumorskih celic. Dinamični premiki v izražanju ketogenih genov se kažejo med rakasto transformacijo epitelija debelega črevesa, vrste celic, ki običajno izraža HMGCS2, in nedavno poročilo je pokazalo, da je HMGCS2 lahko prognostični marker slabe prognoze pri karcinomih debelega črevesa in danke (Camarero et al. 2006; Chen et al., 2016). Ali ta povezava zahteva ali vključuje ketogenezo ali spremljajočo funkcijo HMGCS2, je treba še ugotoviti. Nasprotno, navidezna proizvodnja ?OHB s celicami melanoma in glioblastoma, stimulirana s PPAR? agonista fenofibrata, je bil povezan z zastojem rasti (Grabačka in sod., 2016). Potrebne so nadaljnje študije za opredelitev vloge izražanja HMGCS2/SCOT, ketogeneze in oksidacije ketonov v rakavih celicah.

Poleg področja presnove goriva so bili ketoni pred kratkim vpleteni v biologijo rakavih celic prek signalnega mehanizma. Analiza melanoma BRAF-V600E+ je pokazala od OCT1 odvisno indukcijo HMGCL na onkogeni način, ki je odvisen od BRAF (Kang et al., 2015). Povečanje HMGCL je bilo povezano z višjo koncentracijo AcAc v celicah, kar je povečalo interakcijo BRAFV600E-MEK1 in okrepilo signalizacijo MEK-ERK v zanki za naprej, ki poganja proliferacijo in rast tumorskih celic. Ta opažanja sprožajo zanimivo vprašanje prospektivne ekstrahepatične ketogeneze, ki nato podpira signalni mehanizem (glej tudi ?OHB kot signalnega posrednika in Kontroverze v ekstrahepatični ketogenezi). Prav tako je pomembno upoštevati neodvisne učinke AcAc, d-?OHB in l-?OHB na presnovo raka, pri obravnavi HMGCL pa je lahko moten tudi katabolizem levcina.

Učinki ketogene diete (glejte tudi Terapevtska uporaba ketogene diete in eksogenih ketonskih teles) na živalskih modelih rakavih živali so različni (De Feyter et al., 2016; Klement et al., 2016; Meidenbauer et al., 2015; Poff et al. ., 2014; Seyfried et al., 2011; Shukla et al., 2014). Medtem ko se razpravlja o epidemioloških povezavah med debelostjo, rakom in ketogenimi dietami (Liskiewicz et al., 2016; Wright in Simone, 2016), je metaanaliza z uporabo ketogene diete na živalskih modelih in v študijah na ljudeh predlagala blagodejni učinek na preživetje, s koristi, ki so prospektivno povezane z obsegom ketoze, časom začetka diete in lokacijo tumorja (Klement et al., 2016; Woolf et al., 2016). Zdravljenje rakavih celic trebušne slinavke s ketonskimi telesi (d-?OHB ali AcAc) je zaviralo rast, proliferacijo in glikolizo, ketogena dieta (81 % kcal maščobe, 18 % beljakovin, 1 % ogljikovi hidrati) pa je zmanjšala in vivo maso tumorja, glikemijo in povečana mišična in telesna teža pri živalih z implantiranim rakom (Shukla et al., 2014). Podobne rezultate so opazili z uporabo metastatskega modela celic glioblastoma pri miših, ki so v prehrani prejemale dodatke ketonov (Poff et al., 2014). Nasprotno pa je ketogena dieta (91 % kcal maščobe, 9 % beljakovin) povečala koncentracijo ?OHB v obtoku in zmanjšala glikemijo, vendar ni vplivala niti na volumen tumorja niti na trajanje preživetja pri podganah, ki so nosile gliom (De Feyter et al., 2016). Indeks glukoze ketonov je bil predlagan kot klinični indikator, ki izboljša presnovno obvladovanje zdravljenja možganskega raka, ki ga povzroča ketogena dieta, pri ljudeh in miših (Meidenbauer et al., 2015). Skupaj so vloge presnove ketonskih teles in ketonskih teles v biologiji raka navdušujoče, ker vsaka od njih predstavlja sprejemljive terapevtske možnosti, vendar je treba še razjasniti temeljne vidike z jasnimi vplivi, ki izhajajo iz matrike spremenljivk, vključno z (i) razlikami med eksogenim ketonom. telesa proti ketogeni dieti, (ii) tip rakavih celic, genomski polimorfizmi, stopnja in stadij; in (iii) čas in trajanje izpostavljenosti ketotičnemu stanju.

Ketogenezo ustvarijo ketonska telesa z razgradnjo maščobnih kislin in ketogenih aminokislin. Ta biokemični proces zagotavlja energijo različnim organom, zlasti možganom, v okoliščinah posta kot odziv na pomanjkanje glukoze v krvi. Ketonska telesa nastajajo predvsem v mitohondrijih jetrnih celic. Medtem ko so druge celice sposobne izvajati ketogenezo, pri tem niso tako učinkovite kot jetrne celice. Ker se ketogeneza pojavlja v mitohondrijih, so njeni procesi urejeni neodvisno. Dr. Alex Jimenez DC, CCST Insight

Terapevtska uporaba ketogene diete in eksogenih ketonskih teles

Uporaba ketogene diete in ketonskih teles kot terapevtskih orodij se je pojavila tudi v nerakavih kontekstih, vključno z debelostjo in NAFLD/NASH (Browning et al., 2011; Foster et al., 2010; Schugar in Crawford, 2012); srčno popuščanje (Huynh, 2016; Kolwicz et al., 2016; Taegtmeyer, 2016); nevrološke in nevrodegenerativne bolezni (Martin et al., 2016; McNally in Hartman, 2012; Rho, 2015; Rogawski et al., 2016; Yang in Cheng, 2010; Yao et al., 2011); prirojene presnovne napake (Scholl-B�rgi et al, 2015); in vadbo (Cox et al., 2016). Učinkovitost ketogene diete je bila še posebej cenjena pri zdravljenju epileptičnih napadov, zlasti pri bolnikih, odpornih na zdravila. Večina študij je ovrednotila ketogene diete pri pediatričnih bolnikih in razkrila do ~50 % zmanjšanje pogostosti napadov po 3 mesecih, z izboljšano učinkovitostjo pri izbranih sindromih (Wu et al., 2016b). Izkušnje so pri odraslih epilepsiji bolj omejene, vendar je podobno zmanjšanje očitno, z boljšim odzivom pri bolnikih s simptomatsko generalizirano epilepsijo (Nei et al., 2014). Osnovni antikonvulzivni mehanizmi ostajajo nejasni, čeprav domnevne hipoteze vključujejo zmanjšano porabo glukoze/glikolizo, reprogramiran transport glutamata, posredni vpliv na ATP občutljiv kalijev kanal ali receptor adenozina A1, spremembo izražanja izoform natrijevega kanala ali učinke na leptin (hormoni v obtoku, vključno z Lambrechts et al., 2016; Lin et al., 2017; Lutas in Yellen, 2013). Še vedno ni jasno, ali je antikonvulzivni učinek predvsem posledica ketonskih teles ali zaradi kaskadnih presnovnih posledic diet z nizko vsebnostjo ogljikovih hidratov. Kljub temu se zdi, da ketonski estri (glej spodaj) dvigujejo prag epileptičnih napadov pri živalskih modelih izzvanih napadov (Ciarlone et al., 2016; D'Agostino et al., 2013; Viggiano et al., 2015).

Atkinsove in ketogene diete z nizko vsebnostjo ogljikovih hidratov se pogosto štejejo za neprijetne in lahko povzročijo zaprtje, hiperurikemijo, hipokalcemijo, hipomagneziemijo, povzročijo nefrolitiazo, ketoacidozo, povzročijo hiperglikemijo in zvišajo koncentracijo holesterola v obtoku in proste maščobne kisline, ; Kossoff in Hartman, 2001; Kwiterovich et al., 2012; Suzuki et al., 2003). Zaradi teh razlogov dolgoročno spoštovanje predstavlja izzive. Študije na glodalcih običajno uporabljajo značilno porazdelitev makrohranil (2002 % kcal maščobe, 94 % kcal ogljikovih hidratov, 1 % kcal beljakovin, Bio-Serv F5), kar izzove močno ketozo. Vendar pa povečanje vsebnosti beljakovin, celo na 3666 % kcal, bistveno zmanjša ketozo, 10 % kcal omejitev beljakovin pa povzroča moteče presnovne in fiziološke učinke. Ta dietna formulacija je tudi osiromašena s holinom, še ena spremenljivka, ki vpliva na dovzetnost za poškodbe jeter in celo ketogenezo (Garbow et al., 5; Jornayvaz et al., 2011; Kennedy et al., 2010; Pissios et al., 2007; Schugar et al., 2013). Učinki dolgotrajnega uživanja ketogene diete pri miših ostajajo nepopolno opredeljeni, vendar so nedavne študije na miših razkrile normalno preživetje in odsotnost označevalcev poškodb jeter pri miših na ketogeni dieti v njihovi življenjski dobi, čeprav presnova aminokislin, poraba energije in signalizacija insulina so bili izrazito reprogramirani (Douris et al., 2013).

Mehanizmi, ki povečujejo ketozo s pomočjo mehanizmov, ki so alternativni ketogenim dietam, vključujejo uporabo zaužitih prekurzorjev ketonskih teles. Dajanje eksogenih ketonskih teles bi lahko ustvarilo edinstveno fiziološko stanje, ki ga v normalni fiziologiji ni mogoče srečati, ker so koncentracije glukoze in insulina v obtoku razmeroma normalne, medtem ko lahko celice varčujejo s prevzemom in uporabo glukoze. Ketonska telesa imajo kratko razpolovno dobo in zaužitje ali infundiranje natrijeve ?OHB soli za dosego terapevtske ketoze izzove neželeno obremenitev z natrijem. R/S-1,3-butandiol je nestrupen dialkohol, ki se zlahka oksidira v jetrih, da nastane d/l-?OHB (Desrochers et al., 1992). V različnih eksperimentalnih kontekstih so ta odmerek dajali mišim ali podganam dnevno kar sedem tednov, kar je v 5 urah po dajanju povzročilo koncentracijo ?OHB v obtoku do 2 mM, ki je stabilna vsaj dodatne 3 ure (D' Agostino idr., 2013). Pri glodalcih, ki so prejemali R/S-1,3-butandiol, so opazili delno zatiranje vnosa hrane (Carpenter in Grossman, 1983). Poleg tega trije kemično različni ketonski estri (KE), (i) monoester R-1,3-butandiola in d-aOHB (R-3-hidroksibutil R-aOHB); (ii) gliceril-tris-aOHB; in (iii) R,S-1,3-butandiol acetoacetatni diester, so prav tako obsežno raziskani (Brunengraber, 1997; Clarke et al., 2012a; Clarke et al., 2012b; Desrochers et al., 1995a; Desrochers et al. ., 1995b; Kashiwaya et al., 2010). Inherentna prednost prvega je, da se po hidrolizi esteraze v črevesju ali jetrih proizvedeta 2 mola fiziološkega d-?OHB na mol KE. Varnost, farmakokinetiko in toleranco so najbolj obsežno raziskali pri ljudeh, ki zaužijejo R-3-hidroksibutil R-?OHB v odmerkih do 714 mg/kg, kar daje koncentracijo d-?OHB v obtoku do 6 mM (Clarke et al., 2012a; Cox et al., 2016; Kemper et al., 2015; Shivva et al., 2016). Pri glodalcih ta KE zmanjša vnos kalorij in skupni holesterol v plazmi, stimulira rjavo maščobno tkivo in izboljša odpornost proti insulinu (Kashiwaya et al., 2010; Kemper et al., 2015; Veech, 2013). Nedavne ugotovitve kažejo, da je med vadbo pri treniranih športnikih zaužitje R-3-hidroksibutil R-?OHB zmanjšalo glikolizo skeletnih mišic in koncentracijo laktata v plazmi, povečalo intramuskularno oksidacijo triacilglicerola in ohranilo vsebnost mišičnega glikogena, tudi pri sočasnem zaužitju ogljikovih hidratov Cox et al., 2016). Potreben je nadaljnji razvoj teh zanimivih rezultatov, ker je bilo izboljšanje zmogljivosti vzdržljivostne vadbe pretežno posledica močnega odziva na KE pri 2/8 subjektov. Kljub temu ti rezultati podpirajo klasične študije, ki kažejo na prednost oksidacije ketonov pred drugimi substrati (GARLAND et al., 1962; Hasselbaink et al., 2003; Stanley et al., 2003; Valente-Silva et al., 2015), tudi med vadbo, in da so lahko usposobljeni športniki bolj pripravljeni na uporabo ketonov (Johnson et al., 1969a; Johnson in Walton, 1972; Winder et al., 1974; Winder et al., 1975). Končno je treba določiti mehanizme, ki bi lahko podprli izboljšano zmogljivost vadbe po enakem vnosu kalorij (različno porazdeljeno med makrohranili) in enaki stopnji porabe kisika.

Prihodnja perspektiva

Nedavna opažanja, ki so bila nekoč v veliki meri stigmatizirana kot prelivna pot, ki lahko kopiči strupene emisije zaradi izgorevanja maščob v stanjih z omejenim vnosom ogljikovih hidratov ("ketotoksična" paradigma), nedavna opažanja podpirajo idejo, da ima presnova ketonskih teles koristne vloge tudi v stanjih, obremenjenih z ogljikovimi hidrati, in odpira "ketohormetik". � hipoteza. Medtem ko je zaradi preprostih prehranskih in farmakoloških pristopov za manipulacijo metabolizma ketonov privlačen terapevtski cilj, agresivno postavljeni, a preudarni poskusi ostajajo tako v osnovnih kot v translacijskih raziskovalnih laboratorijih. Nezadovoljene potrebe so se pojavile na področjih opredelitve vloge spodbujanja presnove ketonov pri srčnem popuščanju, debelosti, NAFLD/NASH, sladkorni bolezni tipa 2 in raku. Obseg in vpliv "nekanonskih" signalnih vlog ketonskih teles, vključno z regulacijo PTM, ki se verjetno vračajo nazaj in naprej v presnovne in signalne poti, zahtevata globlje raziskovanje. Končno bi lahko ekstrahepatična ketogeneza odprla zanimive parakrine in avtokrine signalne mehanizme in možnosti za vplivanje na sopresnovo v živčnem sistemu in tumorjih, da bi dosegli terapevtske cilje.

Priznanja

Ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5313038/

Opombe

Ncbi.nlm.nih.gov

Skratka, ketonska telesa ustvarjajo jetra, da bi se lahko uporabila kot vir energije, ko v človeškem telesu ni dovolj glukoze. Ketogeneza se pojavi, ko so ravni glukoze v krvi nizke, zlasti potem, ko so druge celične zaloge ogljikovih hidratov izčrpane. Namen zgornjega članka je bil razpravljati o večdimenzionalni vlogi ketonskih teles pri presnovi goriva, signalizaciji in terapevtiki. Obseg naših informacij je omejen na težave s kiropraktiko in hrbtenico. Za razpravo o temi vas prosimo, da vprašate dr. Jimeneza ali nas kontaktirate na�915-850-0900 .

Katedra dr. Alex Jimenez

Navedeno iz: Ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5313038/

Dodatna tematska razprava: Akutna bolečina v hrbtu

bolečine v hrbtu�je eden najpogostejših vzrokov za invalidnost in zamude pri delu po vsem svetu. Bolečine v hrbtu pripisujejo drugemu najpogostejšemu razlogu za obiske pri zdravniku, ki ga presegajo le okužbe zgornjih dihal. Približno 80 odstotkov prebivalstva bo vsaj enkrat v življenju doživelo bolečine v hrbtu. Hrbtenica je kompleksna struktura, sestavljena iz kosti, sklepov, vezi in mišic ter drugih mehkih tkiv. Poškodbe in/ali poslabšana stanja, kot je�Herniated diski, lahko sčasoma povzroči simptome bolečine v hrbtu. Športne poškodbe ali poškodbe v prometnih nesrečah so pogosto najpogostejši vzrok za bolečine v hrbtu, včasih pa imajo lahko najpreprostejši gibi boleče posledice. Na srečo lahko alternativne možnosti zdravljenja, kot je kiropraktika, pomagajo pri lajšanju bolečin v hrbtu z uporabo prilagoditev hrbtenice in ročnih manipulacij, kar na koncu izboljša lajšanje bolečin. �

EXTRA EXTRA | POMEMBNA TEMA: Priporočeno El Paso, TX Chiropractor

***