Samenvatting Dutch summary

Transcriptie

1 Samenvatting Dutch summary

2 196 Samenvatting Wordt de levensduur bepaald door de energieomzetting? De Rate of Living theorie Wij weten allemaal dat een auto of een elektrisch apparaat dat vaker en intensiever gebruikt wordt eerder kapot gaat. Hetzelfde zou van toepassing kunnen zijn op de levensduur van mensen en dieren. De opvatting dat de levensduur samenhangt met de hoeveelheid verbruikte energie, is bekend als de rate of living (=snelheid van leven) theorie. Aan het begin van de vorige eeuw ontdekte Max Rubner dat de hoeveelheid voedsel die verschillende dieren eten (per gram lichaamsgewicht), lager was in bij soorten met een langere levensduur. Hij berekende de energie inname per gram lichaamsgewicht gedurende het gehele leven wat nu de life-time energy potential (LEP) genoemd wordt voor 5 verschillende diersoorten (cavia, hond, kat, koe en paard) en vond dat deze ongeveer gelijk was in alle soorten. Per gram lichaamsgewicht verbruikten een cavia en een paard dus een gelijke hoeveelheid energie in hun leven. Als dat binnen een soort ook op zou gaan, zou dit betekenen dat een dier dat meer energie verbruikt dan een soortgenoot een korter leven zal hebben. Een verklaring voor het verband tussen energie verbruik en levensduur wordt gegeven in de free radical (=vrije radikalen) theorie van Harman (1956). Deze theorie stelt dat veroudering en dood veroorzaakt worden door de gevolgen van toxische bij-produkten die vrijkomen tijdens de energie omzetting (metabolisme). Energie omzetting vindt plaats in onderdelen in de cel, de mitochondria, waar de ingeademde zuurstof en bepaalde substraten omgezet worden in kooldioxide en water, waarbij ATP gevormd wordt. ATP is als het ware een klein energie bommetje dat alle cellen in het lichaam van energie voorziet. Bij de omzetting van zuurstof in het mitochondrion worden zeer kortstondig de vrije radikalen gevormd. Als deze radikalen niet onschadelijk gemaakt worden, kunnen ze schade veroorzaken aan DNA, eiwitten en vetten. Tijdens de veroudering zou deze schade zich opstapelen, wat uiteindelijk tot het falen van de cel en celdood kan leiden. Er bestaan enkele mechanismen die bescherming bieden tegen de effekten van deze vrije radikalen, waaronder antioxidant enzymen, eiwit synthese en DNA reparatie. Antioxidant enzymen reageren met de vrije radikalen waardoor zij onschadelijk worden. De vrije radikalen die niet worden weggevangen kunnen nog steeds schade veroorzaken, maar de schade kan deels gerepareerd worden door het vervangen en nieuw produceren van eiwitten (eiwit turnover) of via DNA reparatie. De rate of living theorie veronderstelt in zijn scherpste formulering dat de levenslange energieomzet per gram lichaamsgewicht min of meer een constante is. Een verhoging van de energieomzet zou dan leiden tot een voorspelbare reductie van de levensduur. Een argument hiervoor is het reeds een halve eeuw bekende feit dat ratten en muizen die op rantsoen gezet zijn veel langer leven dan hun soortgenoten die zich onbeperkt aan voedsel tegoed kunnen doen. Dat heeft tot uitgebereide discussies geleid. Tegenstanders van de rate of living theorie wijzen er op dat de dieren op rantsoen veel lichter zijn, en dat hun energieverbruik per gram lichaamsgewicht niet gereduceerd is. De theorie zou dus in het geheel geen langere levens-

3 Dutch summary 197 duur voorspellen. Daar is weer tegen in gebracht dat de stofwisseling zeer uiteenloopt tussen verschillende delen van het lichaam, en dat lichaamsgewicht dus eigenlijk niet de relevante maat is. Men zou het gewicht moeten weten van de organen in het lichaam die de hoogste stofwisseling hebben, met name hersenen, hart, nieren, lever, en niet het gewicht van huid en skelet meerekenen, weefsels die nauwelijks meedoen aan de stofwisseling. Voor een complete toetsing van de theorie zou het daarom noodzakelijk zijn zowel de energieomzet als de lichaamssamenstelling te kennen van dieren waarbij het energieverbruik verhoogd of verlaagd wordt en de levensduur bepaald. In dit proefschrift wordt precies dit gedaan, in twee omvangrijke experimenten. In het ene wordt getracht de energieomzet van muizen te verhogen langs genetische weg, in het andere door de temperatuur te veranderen. Deze experimenten hebben elk circa 3 jaar geduurd, tot de laatste muis spontaan gestorven was. Ze vinden hun neerslag in Deel II (Energieverbruik en Veroudering) van het proefschrift. Daarnaast wordt in deel I Activiteit & Energieverbruik een aantal experimenten beschreven waarin de relatie tussen energieverbruik en activiteit onderzocht wordt. Gebruik is dus gemaakt van muizenlijnen die zijn geselekteerd op een hoge loopwielactiviteit. Wanneer deze geselekteerde muizen op een leeftijd van 6-8 weken de beschikking krijgen over een loopwiel in hun kooi, dan lopen zij gemiddeld 10 km per dag, dat is 2,7 keer zo ver als controle (= niet-geselekteerde) muizen op deze leeftijd. Ze zijn kleiner en hebben minder vet dan controle muizen. Wel hebben ze een hogere voedselopname. Naast de relatie tussen energieverbruik en activiteit is gezocht naar verdere aanpasssingen die zijn ontstaan in deze op activiteit geselekteerde muizen. Heeft de selektie op een hoge loopwielactiviteit ook geleid tot een verhoging van de efficiëntie van het lopen en verbruiken geselekteerde muizen dus minder energie per afgelegde kilometer (Hoofdstuk 2)? Zijn zij beter voorbereid op een voedselsituatie waarin zij grotere afstanden moeten afleggen voor eenzelfde hoeveelheid voer (Hoofdstuk 3)? Zijn er verschillen in metabole hormonale factoren tussen de geselekteerde en controle muizen (Hoofdstuk 4)? En zo ja, zijn zij hierdoor ook beter beschermd tegen het ontwikkelen van het metabole syndroom (Hoofdstuk 5)? In beide hoofdexperimenten hebben wij het energieverbruik beïnvloed (door de activiteit te verhogen of de omgevingstemperatuur te verlagen) en de effecten hiervan op de levensduur, voedselopname, loopwiel activiteit, energieverbruik en lichaamssamenstelling gemeten (Hoofdstuk 6 en 8). In beide experimenten is bovendien onderzocht of muizen met een hoog energieverbruik zich beter beschermen tegen vrije radikalen door een verhoogde antioxidant enzym activiteit en/of eiwit synthese snelheid (Hoofdstuk 7 en 9)?

4 198 Samenvatting Activiteit en Energieverbruik Hoofdstuk 2 beschrijft welke veranderingen optraden in loopwielgedrag en energieverbruik bij muizen gehuisvest bij verschillende omgevingstemperaturen. Daarnaast is onderzocht of muizen geselekteerd op een hoge loopwielactiviteit een andere reactie laten zien op de omgevingstemperatuur. Het zou gunstig kunnen zijn om bij lage temperaturen veel te rennen als de warmte die hierbij geproduceerd wordt gebruikt kan worden voor thermoregulatie. Controle en geslekteerde muizen werden blootgesteld aan drie temperaturen (10, 20 en 30 C) en hun loopwielactiviteit en energieverbruik werd gemeten. Gemiddeld hadden de geselekteerde muizen door hun hogere activiteit ook een hoger energieverbruik dan de controle muizen. Bij de laagste temperatuur liepen beide groepen minder dan bij de twee hogere temperaturen. De relatie tussen loopsnelheid en energieverbruik was gelijk bij alle temperaturen. Dit bewijst dat de muizen geen energie besparen door de overtollige warmte tijdens het rennen in de kou te gebruiken voor warmteregulatie. Er waren geen verschillen in de kosten van het lopen (in kilojoule per kilometer) tussen geselekteerde en controle dieren. De geselekteerde muizen rennen dus niet effciienter dan de andere. Zijn de selectielijnen wel beter aangepast aan een situatie waarin zij grotere afstanden moeten lopen om aan voedsel te komen? Dit is onderzocht in Hoofdstuk 3. Loopwielen werden aangesloten op voedselverdelers die een voerbrokje van 45 mg loslieten wanneer het dier een bepaald aantal rondjes had gelopen in het wiel. Dat aantal rondjes per pellet werd langzaam opgevoerd en veranderingen in lichaamsgewicht, voedselopname, stress hormoon en energie budget werden gemeten. Het lichaamsgewicht nam af en het corticosteron niveau nam toe (wat duidt op stress) zowel bij controle als bij geselekteerde muizen. Beide typen waren in staat hetzelfde maximale loopniveau te bereiken. Op dit niveau lieten ze ook dezelfde veranderingen ten opzichte van het basisniveau zien in lichaamsgewicht, hormoon niveau s en energiebudget. Op het hoge werkniveau was er een positieve relatie tussen de afgelegde afstand en het energieverbruik, maar er waren geen significante verschillen meetbaar tussen controle en geselekteerde dieren. Dieren die veel renden, hadden in rust een lager metabolisme, maar gemiddeld over de dag een hoger energieverbruik. Metabole hormonen spelen een belangrijke rol in het handhaven van de energieregeling in het lichaam. In Hoofdstuk 4 is onderzocht of er verschillen zijn ontstaan in de niveaus van de hormonen leptine en adiponectine tussen controle en geselekteerde muizen en of de aanwezigheid van een loopwiel deze niveau s beinvloedt. Bij de geselekteerde muizen (met of zonder loopwiel) vonden wij verhoogde niveau s van adiponectine. De leptine in het bloed (gecorrigeerd voor vet massa van de dieren) verschilde niet tussen de groepen. De hogere adiponectine in het bloed van op aktiviteit geselecteerde muizen zou betrokken kunnen zijn bij het bepalen van het lagere gewicht bij een verhoogde voedselopname. Het is bekend dat adiponectine injecties bij muizen leiden tot gewichtsafname bij een gelijke voedselopname. Ook

5 Dutch summary 199 speelt adiponectine een belangrijke rol bij de insuline resistentie. Insuline resistentie ontstaat met name in mensen die leiden aan obesitas en veroorzaakt een aantal problemen voor de gezondheid. De geselekteerde muizen met hun hoge adiponectine niveau zijn dus wellicht beter beschermd tegen het ontwikkelen van insuline resistentie en andere symptomen van het metabole syndroom. Om dit te testen hebben wij in Hoofdstuk 5 geselekteerde vrouwen en mannen blootgesteld aan een vet dieet en het effect hiervan op voedselopname, lichaamsgewicht en metabole hormonen onderzocht. Op het vet dieet lieten de vrouwtjes in de geselekteerde lijn geen gewichtstoename zien, terwijl de mannen en vrouwen van de andere groepen wel zwaarder werden. Ook was de voedselopname in de geselekteerde vrouwen verhoogd op het vette dieet, terwijl de voedselopname lager was in de andere groepen. Dit wijst erop dat de voedselefficiëntie verlaagd was bij de vrouwtjes. Deze waren dus beter beschermd op het vet dieet. Ze waren ook de enige groep die moeite had met het wegwerken van glucose op dit dieet. Juist doordat deze dieren anders reageren op het vet dieet zijn zij een goed model om het metabole syndroom te bestuderen. Metabolisme en Veroudering Voor het toetsen van de rate of living theorie heb ik dus gebruik gemaakt van de op aktiviteit geselecteerde muizen. Deze selectie is door Garland al 31 generaties volgehouden. Muizen uit deze lijn leggen inmiddels een ruim twee keer grotere afstand afleggen per dag in een loopwiel dan controle muizen. In het tweede experiment heb ik het energieverbruik verhoogd door muizen bloot te stellen aan kou (10 C) en te vergelijken met een controle groep die werd gehuisvest bij 22 C. In deze verouderingsexperimenten bestond elke experimentele groep uit 100 dieren. Zestig hiervan werden regelmatig gewogen en voor elk van hen werd de dag genoteerd dat zij dood gingen. Bij de overige 40 muizen werden op verschillende leeftijden (2-3, 10-11, en maanden) voedselopname, stofwisseling (met behulp van de dubbel gemerkt water methode) en lichaamssamenstelling bepaald op elke leeftijd bij ~8 muizen.. Ook werden monsters van de lever, hart, spier en vetweefsel ingevroren voor analyses van antioxidant enzymen, ontkoppelings eiwitten en eiwit synthese snelheid. In het eerste experiment (Hoofstukken 6 en 7) hebben wij gebruik gemaakt van drie experimentele groepen: 1. Controle muizen met loopwiel (C+), 2. Geselek-teerde muizen met loopwiel (S+), en 3. Geselekteerde muizen zonder loopwiel (S-). Ook in het tweede experiment (Hoofstukken 8 en 9) hebben wij metingen verricht aan drie groepen muizen: 1. Dieren gehuisvest bij 22 C (warm, WW), 2. Dieren gehuisvest bij 10 C (koud, CC) en 3. Dieren die het eerste deel van hun leven (tot 15 maanden) gehuisvest waren bij 10 C en vervolgens bij 22 C (koud-warm, CW). Deze laatste groep test de voorspelling van de rate of living theorie dat een hoog energieverbruik vroeg in het leven ook een effect heeft op de uiteindelijke levensduur.

6 200 Samenvatting In beide experimenten was het energieverbruik sterk verhoogd in de tweede groep (S+ en CC) in vergelijking met de andere groepen in het experiment (Hoofdstukken 6 en 8). Bij de actieve muizen was het energieverbruik verhoogd met 14% en in de muizen in de kou met 46%. Toch leidden deze verschillen niet tot verschillen in levensduur. De geselekteerde muizen gehuisvest met loopwiel hadden een gemiddelde levensduur (704 dagen) die niet verschilde van die van de muizen zonder loopwiel (711 dagen). Ook de dieren in de kou hadden een gemiddelde levensduur (798 dagen) nagenoeg gelijk aan die in de warmte (801 dagen) en de dieren die eerst in de kou en later in de warmte waren gehuisvest (768 dagen). Er bestond dus geen directe relatie tussen de verbruikte energie en de levensduur. De totale energie verbruikt over het leven (LEP) was geen constante voor de soort, ook niet als we die LEP uitdrukken per gram orgaangewicht. Wij vonden geen grote verschillen in de activiteit van antioxidant enzymen of sterke veranderingen in eiwitsynthese (Hoofdstukken 7 en 9), die misschien zouden verklaren dat de snelheid van veroudering niet toeneemt. Bij de actieve dieren was de eiwitsynthese iets verhoogd in de spieren op jonge leeftijd (als zij veel rennen). Op latere leeftijd, als dit proces belangrijker wordt om de accumulatie van beschadigde eiwitten te voorkomen, vonden wij geen verschillen tussen actieve en niet actieve dieren. In de lever was er op beide leeftijden geen verschil (Hoofdstuk 7). Ook de antioxidant enzym activiteiten waren niet verschillend in hart, lever of spier in de geselekteerde dieren versus de controles. Wanneer dit werd uitgedrukt in de bescherming per verbruikte kilojoule (energieverbruik) bleek de bescherming tegen vrije radikalen ook gelijk in beide groepen. In de koude dieren was de antioxidant enzym activiteit verlaagd in 19 maanden oude dieren vergeleken met de warme dieren op deze leeftijd. Door hun veel hogere energieverbruik was de resulterende bescherming door antioxidanten verlaagd (Hoofdstuk 9). Ondanks deze schijnbaar lagere bescherming in koude dieren, werd de levensduur niet beïnvloed. In beide experimenten was de hoeveelheid lichaamsvet verlaagd in de groepen waarin het energieverbruik verhoogd werd (de S+ en CC muizen). Zowel de actieve geselekteerde dieren, en de dieren gehuisvest in de kou hadden minder vet en leefden langer dan wij verwachtten gebaseerd op de rate of living theorie. Vet kan het ontstaan van tumoren bevorderen. Bij muizen met hoge activiteit of die in de kou zitten is aangetoond dat zij minder tumoren ontwikkelen. Mogelijk wordt dus een negatief effect van energieverbruik op levensduur te niet gedaan door het lage vetgehalte van deze dieren. Conclusies Muizen die zijn geselekteerd op een hoge loopwielactiviteit waren niet beter aangepast aan een situatie waarin zij waren gehuisvest in de kou of wanneer zij moesten werken voor hun voedsel en lieten geen andere veranderingen in energieverbruik en lichaamssamenstelling zien dan controles. Wel bleken de vrouwtjes beter bestand

7 Dutch summary 201 tegen de negatieve effecten van een vet dieet zoals het ontwikkelen van obesitas. In geen van beide grote experimenten leidde verhoogd energieverbruik tot een kortere levensduur. Dit kon niet verklaard worden door compenserende veranderingen in ontkoppelingseiwit, antioxidant enzym activiteit of eiwit synthese snelheid. Wellicht spelen veranderingen in metabole hormonen als adiponectine in actieve geselekteerde muizen een rol,. Tevens zou het lage vetgehalte van actieve en koude muizen beschermend kunnen werken en de negatieve effecten van hun hogere energieverbruik te niet kunnen doen. Veroudering is een complex proces met vele oorzaken. Terwijl energie zeer goed een rol hierbij kan spelen zijn er vele andere aspecten van verhoogd energieverbuik die een simpele voorspelling als in de rate of living theorie doorkruisen. De Life Time Energy Potential is daardoor geen constante voor de soort, hoe we hem ook uitdrukken, per muis, per gram muis, of per gram van de energetisch duren organen.

8 202