MORPHO-FUNCTIONAL STATE OF RATS PANCREAS UNDER MELATONIN ADMINISTRATION DURING OBESITY DEVELOPMENT: CHRONOTHERAPEUTIC APPROACH: DOI: doi.org/10.17721/1728_2748.2020.80.50-56

O.  KALMUKOVA; K.  CHUMAK; O.  VORONINA; M.  DZERZHYNSKY

Автор(и)

О. КАЛМИКОВА Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
К. ЧУМАК Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
О. ВОРОНІНА Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
М. ДЗЕРЖИНСЬКИЙ Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна

Ключові слова:

мелатонін, ожиріння, хронобіологія, острівці Лангерганса, висококалорійна дієта, ацинарні клітини підшлункової залози

Анотація

Зайва вага та ожиріння часто викликають такі супутні хвороби, як інсулінорезистентність, діабет другого типу, рак, серцево-судинні патології тощо. Підшлункова залоза грає важливу роль для вуглеводного обміну та сигнальних шляхів інсуліну, що в умовах ожиріння зазнають патологічних змін. Для зменшення несприятливих наслідків ожиріння в ролі терапевтичного агента розглядається мелатонін – багатофункціональний гормон епіфіза. З огляду на розвиток точної медицини, яка включає обробку персональних даних про послідовність геному організму, мікробіому, індивідуальний режим дня/ночі тощо, підбір часу прийому ліків для максимальної ефективності та мінімізації побічних ефектів для кожного пацієнта відповідно до циркадного ритму індивідуального організму становить основну мету у хронотерапевтичному підході. Тому метою нашого дослідження було визначення морфофункціонального стану (зміни структури клітин екзо- та ендокринної частин; морфометричні параметри: площі поперечного перерізу острівців Лангерганса, ацинусів та ядер ацинарних клітин) підшлункової залози у щурів з ожирінням, індукованим висококалорійною (з високим вмістом жиру) дієтою, після введення мелатоніну у визначений час доби (увечері або вранці). Мелатонін вводили щоденно протягом 7 тижнів дозою 30 мг/кг за 1 год до вимкнення світла (ZT11, увечері) або 1 год після включення світла (ZT01, уранці) щурам, які перебували на висококалорійній дієті (ВКД). Щури із ВКД мали патологічні зміни в будові клітин підшлункової залози екзо- та ендокринної частин, що виявлялись у наявності макрофагів, лейкоцитарної інфільтрації острівців, вакуолізації та ліпідних крапель у цитоплазмі ациноцитів; у той же час розміри площі поперечного перерізу острівців, ацинусів та ядер ацинарних клітин зменшувалися. Щури з ожирінням, яким вводили мелатонін, демонстрували зменшення вияву патологічних змін, пов'язаних із впливом ВКД на підшлункову залозу. А саме, збільшилась площа острівців підшлункової залози порівняно з групою ВКД; крім того, площа ацинусів підшлункової залози досягла контрольних значень. Виявили різницю між ранковим і вечірнім введенням мелатоніну за параметрами площі ядер ациноцитів: вечірнє введення виявляло більш ефективну дію в досягненні контрольного рівня. У сукупності мелатонін чинить амеліоративну дію на морфофункціональний стан екзо- та ендокринної частин підшлункової залози в умовах розвитку ожиріння, спричиненого ВКД. Причому після вечірнього введення мелатоніну (за 1 год до вимкнення світла) спостерігається краща тенденція до відновлення змінених параметрів підшлункової залози до контрольного рівня порівняно з ранковим.

Посилання

1. Pothuraju R., Rachagani S., Junker W. M., Chaudhary S., Saraswathi V., Kaur, S., et al. Pancreatic cancer associated with obesity and diabetes: an alternative approach for its targeting. Journal of Experimental & Clinical Cancer Research. 2018; 37(1): 1-15.

2. Mendrick D. L., Diehl A. M., Topor L. S., Dietert R. R., Will Y., La Merrill M. A., et al. Metabolic syndrome and associated diseases: from the bench to the clinic. Toxicological Sciences. 2018; 162(1): 36-42.

3. Catanzaro R., Cuffari B., Italia A., Marotta F. Exploring the metabolic syndrome: Nonalcoholic fatty pancreas disease. World journal of gastroenterology. 2016; 22(34): 7660.

4. Apovian C. M. Obesity: definition, comorbidities, causes, and burden. Am J Manag Care. 2016; 22(7): 176-85.

5. Leshchenko I. V. Patofiziolohichna rol ozhyrinnia u rozvytku zakhvoriuvan pidshlunkovoi zalozy / I. V. Leshchenko, V. H. Shevchuk,

S. A. Sukhodolia [et al.] // Visnyk Vinnytskoho natsionalnoho medychnoho universytetu. – 2013. – Vol. 17, №. 2. – P. 499-504.

6. Sakai N. S., Taylor S. A., Chouhan M. D. Obesity, metabolic disease and the pancreas–Quantitative imaging of pancreatic fat. The British journal of radiology. 2018; 91(1089): 20180267.

7. Esser N., Legrand-Poels S., Piette J., Scheen A. J., & Paquot N. Inflammation as a link between obesity, metabolic syndrome and type 2 diabetes. Diabetes research and clinical practice. 2014;105(2): 141-150.

8. Hansen S. E., Madsen C. M., Varbo A., Nordestgaard B. G. Body Mass Index, Triglycerides, and Risk of Acute Pancreatitis: A Population-Based Study of 118 000 Individuals. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 2020;105(1): dgz059.

9. Dirweesh A., Khan M. Y., Li Y., Choo C., Freeman,M. L., Trikudanathan G. Isolated peripancreatic necrosis (PPN) is associated with better clinical outcomes compared with combined pancreatic and peripancreatic involvement (CPN)-a systematic review and meta-analysis. Pancreatology. 2019; 20(1): 1-8.

10. Peschke E., Bähr I., Mühlbauer E. Melatonin and pancreatic islets: interrelationships between melatonin, insulin and glucagon. International journal of molecular sciences. 2013; 14(4): 6981-7015.

11. Tordjman S., Chokron S., Delorme R., Charrier A., Bellissant E., Jaafari N., et al. Melatonin: pharmacology, functions and therapeutic benefits. Current neuropharmacology. 2017; 15(3): 434-443.

12. Jaworek J., Leja-Szpak A., Nawrot-Porąbka K., Szklarczyk, J., Kot M., Pierzchalski P., et al. Effects of melatonin and its analogues on pancreatic

inflammation, enzyme secretion, and tumorigenesis. International journal of molecular sciences. 2017; 18(5): 1014.

13. Halenova T., Raksha N., Vovk T., Savchuk O., Ostapchenko L., Prylutskyy Y., et al. Effect of C60 fullerene nanoparticles on the dietinduced obesity in rats. International journal of obesity (2005). 2018; 42(12): 1987-1998.

14. Suttie A. W., Masson R., Schutten, M. Exocrine pancreas. In: Boorman's Pathology of the Rat. Academic Press. 2018: 107-122.

15. Ray I., Mahata S. K., De R. K. Obesity: an immunometabolic perspective. Frontiers in endocrinology. 2016;7: 157.

16. Olefsky JM, Glass CK. Macrophages, inflammation, and insulin resistance. Annu Rev Physiol. 2010; 72:219–46.

17. Biczo G., Vegh E. T., Shalbueva N., Mareninova O. A., Elperin J., Lotshaw, E., et al. Mitochondrial dysfunction, through impaired autophagy, leads to endoplasmic reticulum stress, deregulated lipid metabolism, and pancreatitis in animal models. Gastroenterology. 2018;154(3): 689-703.

18. Kos K., Wilding J. P. SPARC: a key player in the pathologies associated with obesity and diabetes. Nature reviews endocrinology. 2010;6(4): 225.

19. Tomita T. Apoptosis in pancreatic β-islet cells in Type 2 diabetes. Bosnian journal of basic medical sciences. 2016;16(3): 162.

20. Ying W., Fu W., Lee Y. S., Olefsky J. M. The role of macrophages in obesity-associated islet inflammation and β-cell abnormalities. Nature Reviews Endocrinology. 2019;16: 81-90.

21. Rebours V., Garteiser P., Ribeiro-Parenti L., Cavin J. B., Doblas S., Pagé G., et al. Obesity-induced pancreatopathy in rats is reversible after bariatric surgery. Scientific reports. 2018; 8(1): 1-11.

22. McPherson N. O., Lane M., Sandeman L., Owens J. A., Fullston T. An exercise‐only intervention in obese fathers restores glucose and insulin regulation in conjunction with the rescue of pancreatic islet cell morphology and microRNA expression in male offspring. Nutrients. 2017;9(2): 122.

23. Duan L. F., Xu X. F., Zhu L. J., Liu F., Zhang X. Q., Wu N., et al. Dachaihu decoction ameliorates pancreatic fibrosis by inhibiting macrophage infiltration in chronic pancreatitis. World journal of gastroenterology. 2017;23(40): 7242-7252.

24. Esser N., Legrand-Poels S., Piette J., Scheen A. J., Paquot N. Inflammation as a link between obesity, metabolic syndrome and type 2 diabetes. Diabetes research and clinical practice. 2014; 105(2): 141-150.

25. Shah N., Rocha J. P., Bhutiani N., Omer E. Nonalcoholic Fatty Pancreas Disease. Nutrition in Clinical Practice. 2019; 34: 49-S56.

26. Sheng Q., Xiao X., Prasadan K., Chen C., Ming Y., Fusco J., et al. Autophagy protects pancreatic beta cell mass and function in the setting of a high-fat and high-glucose diet. Scientific reports. 2017; 7(1): 1-10.

27. Miyake H., Sakagami J., Yasuda H., Sogame Y., Kato R., Suwa K., et al. Association of fatty pancreas with pancreatic endocrine and exocrine function. PloS one. 2018; 13(12).

28. Jaworek J., Leja-Szpak A., Nawrot-Porąbka K., Szklarczyk J., Kot M., Pierzchalski P., et al. Effects of melatonin and its analogues on pancreatic inflammation, enzyme secretion, and tumorigenesis. International journal of molecular sciences. 2017; 18(5): 1014.

29. Owino S., Buonfiglio D. D. C., Tchio C., Tosini G. Melatonin signaling a key regulator of glucose homeostasis and energy metabolism. Frontiers in endocrinology. 2019; 10: 488.

30. Grupp K., Erbes J., Poppe A., Wodack K., Gocht A., Trepte, C., et al. Melatonin treatment of pigs with acute pancreatitis reduces inflammatory reaction of pancreatic tissue and enhances fitness score of pigs: experimental research. World Journal of Emergency Surgery. 2019; 14(1): 18.

31. Li T., Ni L., Zhao Z., Liu X., Lai Z., Di X., et al. Melatonin attenuates smoking‐induced hyperglycemia via preserving insulin secretion and hepatic glycogen synthesis in rats. Journal of pineal research. 2018; 64(4): 12475.

32. Vieira E., Burris T. P., Quesada I. Clock genes, pancreatic function, and diabetes. Trends in molecular medicine. 2014; 20(12): 685-693. 33. Harada N., Inagaki N. Role of clock genes in insulin secretion. Journal of diabetes investigation. 2016; 7(6): 822.

34. Waly N. E., Hallworth R. Circadian pattern of melatonin MT1 and MT2 receptor localization in the rat suprachiasmatic nucleus. Journal of circadian rhythms. 2015; 13: 1-7.