Příjem sacharózy snižuje dostupnost opioidních a dopaminových receptorů D2 / 3 v mozku prasat (2020)

Nadměrná spotřeba sacharózy vyvolává touhu po závislosti, která může podpořit epidemii obezity. Opioidy a dopamin zprostředkovávají prospěšné účinky drog zneužívání a přírodních výhod z podnětů, jako je chutné jídlo. Zkoumali jsme účinky sacharózy pomocí PET zobrazování pomocí [¹¹C] karfentanil (agonista μ-opioidního receptoru) a [¹¹C] racloprid (antagonista dopaminového D2 / 3 receptoru) u sedmi ženských anestetizovaných miniprasů Göttingen. Poté jsme umožnili miniprasům přístup k roztoku sacharózy po dobu jedné hodiny ve 12 po sobě následujících dnech a znovu jsme provedli zobrazování 24 hodin po posledním přístupu k sacharóze. U menšího vzorku pěti miniprasek jsme provedli další [¹¹C] carfentanil PET relace po první expozici sacharózy. Vypočítali jsme vazebné potenciály voxel (BP_ND) s využitím mozečku jako oblasti nevysunitelné vazby, analyzováním rozdílů se statistickým neparametrickým mapováním a provedením regionální analýzy. Po 12 dnech přístupu k sacharóze, BP_ND U obou indikátorů došlo k významnému poklesu ve striatu, nucleus accumbens, thalamus, amygdala, cingulate cortex a prefrontal cortex, což je v souladu se snížením hustoty receptorů. Po jediné expozici sacharóze jsme zjistili sníženou vazbu [¹¹C] karfentanil v jádru accumbens a cingulate cortex, v souladu s uvolňováním opioidů. Nižší dostupnost opioidních a dopaminových receptorů může vysvětlit návykový potenciál spojený s příjmem sacharózy.

Pět procent světové populace je klinicky obézních¹. Jako punc metabolického syndromu je obezita spojena s diabetem 2. typu, kardiovaskulárním onemocněním, respiračními problémy a rizikem deprese a možná demence.². Zvýšená spotřeba energeticky hustých potravin zveličovala fyziologické rozlišení mezi homeostatickým hladem, který následuje po nedostatku potravy, a hedonickým hladem, neboli „touhou“, ke které dochází při absenci nedostatku.^3,4. Protože samotný homeostatický předpis nemůže vysvětlit současný nárůst obezity, je nutné testovat účinek odměn a potěšení návykových vlastností vysoce chutného jídla na mozkové mechanismy.

Spotřeba sacharózy je spojena s obezitou a sacharóza je stále více považována za návykovou látku⁵. Některá zjištění jsou v rozporu s tímto tvrzením kvůli obtížím při oddělování nepřijatelné konzumace potravin od hedonických potravinových reakcí a při určování návykové složky ve zpracovaných potravinách, jakož i různých mechanismů, kterými potravina mění obvody mozku přirozenými cestami.⁶. Ve specifických kontextech však příjem sacharózy vyvolává odměnu a touhu, srovnatelnou s těmi, které vyvolávají návykové drogy, což vede k nadměrné spotřebě a eventuální obezitě^6,7.

Hlad je spojen s „touhou“, která úzce souvisí s účinky dopaminergní neurotransmise za řady okolností odměňování⁸, ale zůstává nejasné, jak je modulován účinek dopaminu (DA) v reakci na nutkavé stravování. Spotřeba chutných potravin je spojena s „laskavostí“, zprostředkovanou primárně endogenním opioidním systémem, zejména μ-opioidním receptorem (μOR)^9,10, což může podpořit nadměrnou spotřebu při deregulaci. V této zprávě testujeme tvrzení, že sacharóza vede k uvolňování opioidů a dopaminu, což snižuje dostupnost μOR a DA D2 / 3 receptorů. Dostupnost je indexem počtu neobsazených receptorů dostupných pro navázání na stopovací látky a v zásadě nerozlišuje mezi obsazením ligandu a hustotou receptoru¹¹.

Nástup kompulzivního stravování závisí na mnoha faktorech a kauzální studie na lidech vyvolávají etické problémy. Většina studií se proto zaměřuje na stravovací chování u potkanů¹². Ačkoli krysy mají „sladký zub“, jejich homeostatické mechanismy důležité pro přibírání na váze, metabolismus a typ hromadění tuku se výrazně liší od mechanismů u lidí. Göttingenův minipig je velké všežravé zvíře s dobře vyvinutým gyrencefálním mozkem, který lze zobrazovat v dostatečném rozlišení. Její dobře definované subkortikální a prefrontální kortikální oblasti¹³ umožňují přímější překlad do funkce lidského mozku. K testování používáme zde pozitronovou emisní tomografii (PET) in vivo Dostupnost μOR a DA D2 / 3 v minipraskovém modelu subchronické expozice sacharóze. V menším vzorku jsme zkoumali okamžité účinky na obsazenost μOR po první expozici sacharóze. Nakonec jsme testovali vztah mezi změnami v dostupnosti receptoru těchto dvou indikátorů.

Průměrné parametrické mapy [¹¹C] carfentanil a [¹¹C] raclopridový vazebný potenciál (BP_ND) jsou znázorněny na obr. 1. Analyzovat změny, které nastaly po první expozici sacharóze u pěti minipraserů ve srovnání s výchozím stavem, a jeden den po 12^th přístup k sacharóze v sedmi miniprasech ve srovnání s výchozím stavem, použili jsme permutační teorii a ne-regionálně omezenou analýzu celého mozku, preferovanou metodu pro vzorky této velikosti¹⁴.

Průměrný nevypojitelný vazebný potenciál voxelů (BP_ND) mapy umístěné na MRI obrazech v sagitálním pohledu. Data jsou uvedena pro [¹¹C] karfentanil BP_ND z 5 miniparů zobrazených na počátku, po počáteční expozici sacharóze a po 12 dnech expozice sacharóze (horní řada). [¹¹C] karfentanil BP_ND všech 7 miniparů zobrazených na začátku a po 12 dnech přístupu ke sacharóze je uvedeno ve střední řadě. [¹¹C] racloprid BP_ND všech 7 miniparů zobrazených na začátku a po 12 dnech přístupu ke sacharóze je uvedeno ve spodním řádku. Mějte na paměti, že barevná stupnice je exponenciální pro zvýraznění [¹¹C] racloprid BP_ND v mimozemských regionech.

Obrázek v plné velikosti

Počáteční expozice sacharóze

U pěti miniparů zobrazených pomocí [¹¹C] karfentanilu na počátku a bezprostředně po první expozici sacharosy jsme zjistili signifikantně sníženou vazbu stopovací látky v kortexu předního cingulátu a jádro accumbens v reakci na sacharózu, znázorněné barevně na Obr. 2, což naznačuje p <0.05. Zjistili jsme až 14% snížení vazby značkovače v obou oblastech ve srovnání s výchozí hodnotou.

Významné snížení v [¹¹C] karfentanil BP_ND po první expozici sacharosové vody ve srovnání s výchozím stavem (n = 5). Pouze voxely s významným (p <0.05) poklesy jsou zobrazeny jako barevné oblasti promítané na řezy MRI vážené T1 na úrovni přední cingulární kůry (vlevo) a nucleus accumbens (uprostřed) ze stereotaxického atlasu minipig prasete. Všimněte si, že maximální úroveň významnosti dosažitelná u 5 zvířat je 2^-5 ≈ 0.031 (viz barevná lišta). Údaje jsou uvedeny na koronálních řezech mozku prasete v hladinách uvedených na sagitálním obrázku (vpravo).

Obrázek v plné velikosti

12 dnů přístupu k sacharóze

Poté jsme provedli analýzu sedmi miniprasek zobrazených pomocí [¹¹C] karfentanil na začátku a po 12 dnech přístupu ke sacharóze a zjistil signifikantně sníženou vazbu stopovacích látek u zvířat vystavených sacharóze ve srovnání se základní hodnotou. Nejvýrazněji postižené oblasti jsou na obr. XNUMX znázorněny červeně. 3 (p <0.01) a zahrnují části čichových struktur, nucleus accumbens / ventrální striatum a temporální kůru / lalok, následované žlutými oblastmi (p <0.015), které zahrnovaly části prefrontální kůry, cingulární kůru, amygdalu a mozkový kmen . Za účelem získání BP_ND hodnoty a vyhodnotit procentuální změnu, provedli jsme regionální analýzu a získali průměrné hodnoty v každém regionu na začátku a po konzumaci sacharózy (Obr. 4).

Významné snížení v [¹¹C] vazebný potenciál karfentanilu (BP_ND) mezi základní hodnotou a po 12 dnech expozice sacharosové vodě (n = 7). Voxely s významnými (p <0.05) poklesy jsou zobrazeny jako barevné oblasti promítané na řezy MRI vážené T1 ze stereotaxického atlasu mozku mini prasat. Data jsou prezentována na řezech koronálního mozku na úrovních uvedených na sagitálním obrázku (vpravo dole). Všimněte si, že maximální úroveň významnosti dosažitelná u 7 zvířat je 2^-7 ≈ 0.0078 (viz barevná lišta).

Obrázek v plné velikosti

Regionální analýza [¹¹C] vazebný potenciál karfentanilu (BP_ND) mezi základní hodnotou a po 12 dnech expozice sacharosové vodě (n = 7). Data jsou uvedena jako průměr ± standardní chyba.

Obrázek v plné velikosti

Použili jsme [¹¹C] racloprid jako indikátor DA D2 / 3 receptorů ve striatálních a extrastriatálních mozkových oblastech v miniprasách na začátku a po 12 dnech přístupu ke sacharóze (Obr. 1). Zjistili jsme sníženou vazebnou stopu u zvířat exponovaných sacharóze ve srovnání s výchozí hodnotou s největšími účinky (p <0.01) v oblastech prefrontální kůry, nucleus accumbens / ventral striatum, cingulate cortex, amygdala, thalamus, mesencephalon, hipokampální oblasti a čichové oblasti (Obr. 5). Data z regionální analýzy jsou uvedena na Obr. 6.

Významné snížení v [¹¹C] raclopridový vazebný potenciál (BP_ND) mezi základní hodnotou a po 12 dnech expozice sacharosové vodě (n = 7). Voxely s významnými (p <0.05) poklesy jsou zobrazeny jako barevné oblasti promítané na řezy MRI vážené T1 ze stereotaxického atlasu mozku mini prasat. Data jsou prezentována na koronálních částech vepřového mozku v úrovních uvedených na sagitálním obrázku (vpravo dole). Všimněte si, že maximální úroveň významnosti dosažitelná u 7 zvířat je 2^-7 ≈ 0.0078 (viz barevná lišta).

Obrázek v plné velikosti

Regionální analýza [¹¹C] raclopridový vazebný potenciál (BP_ND) mezi základní hodnotou a po 12 dnech expozice sacharosové vodě (n = 7). Data jsou uvedena jako průměr ± standardní chyba.

Obrázek v plné velikosti

Korelace mezi [¹¹C] racloprid a [¹¹C] carfentanil data

Testovali jsme potenciální korelaci mezi [¹¹C] racloprid a [¹¹C] hodnoty karfentanilu BP_ND ve striatálních a nestraniálních regionech v miniprasatech na začátku a po 12 dnech příjmu sacharózy, bez pozorování asociací. Potom jsme testovali, zda poklesy vazby indikátorů korelovaly, a porovnali jsme změny BP_ND pro [¹¹C] raclopride se změnami BP_ND pro [¹¹C] carfentanil pouze v miniprasatech, které měly nižší BP_ND obou indikátorů po příjmu sacharózy (n = 6). Zjistili jsme signifikantní negativní korelace v průměrném mimstriatálním (r² = 0.91, p <0.01), ale ne ve striatálních oblastech (obr. 7).

Korelace mezi pre-minus post-odmítnutí [¹¹C] racloprid a [¹¹C] vazebné potenciály karfentanilu (BP_ND) u miniprasů se sníženou vazbou stopovacího činidla po příjmu sacharózy (n = 6). Jsou uvedena data z průměrovaných mimstriatálních oblastí (nahoře) a striata (dole). Koeficient stanovení (r²) a hodnoty p jsou zobrazeny pro každý graf.

Obrázek v plné velikosti

Stanovili jsme účinky opakovaného přerušovaného přístupu k sacharóze na opioidní a DA neurotransmise v mozku savců. Podélný in vivo PET zobrazování receptorů μOR a DA D2 / 3 odhalilo sníženou dostupnost receptoru v okruhu odměňování, včetně nucleus accumbens, prefrontální kůry a přední mozkové kůry. Výsledky jasně ukazují, že sacharóza ovlivňuje mechanismy odměňování podobným způsobem jako zneužívání drog.

Je známo, že příjem sacharózy jako chutné látky uvolňuje DA a vyvolává závislost na hlodavcích¹⁵, se sacharózou se ukázalo být ještě příjemnější než kokain u hlodavců v určitých kontextech. Hlodavci tedy intenzivněji pracují na získání sacharózy než kokainu, a to i při nedostatku potravy⁵. Účinky sacharózy jsou však regulovány jak homeostatickým systémem, tak hedonickými systémy odměňování^16,17 to může zprostředkovat rozlišení mezi nutričními a hedonickými aspekty působení sacharózy¹⁸. Rozhodli jsme se pro hodinový rozvrh hodin za účelem podpory „bingingu“, protože předchozí studie na potkanech odhalily vyšší příjem během první hodiny denního přístupu v přerušovaném režimu^15,19. Behaviorální studie příjmu potravy se často zaměřují na zvířata omezená na potraviny, ale návrh nemusí nutně odrážet stejné nervové mechanismy aktivní v obezitě. Prasata v této studii nebyla omezena na potraviny a kromě přístupu ke sacharóze byla krmena obvyklým množstvím jejich normální stravy.

Opioidní receptory (OR) jsou široce exprimovány v mozku, konkrétně ve strukturách, o nichž je známo, že modulují procesy stravování a odměňování²⁰. Ukázalo se, že nejvzdálenější regiony jsou důležité v odměňovacích a relabujících účincích kokainu^21,22,23,24. Změny ve vazbě byly také spojeny s homeostatickými odpověďmi na jídlo a potěšením spojeným s chutným jídlem²⁵. Zejména „obliba“ jídla je spojena s endogenním opioidním systémem, zejména s μOR^9,10 ve skořápce nucleus accumbens a ventrálním pallidum²⁶. Infuze agonisty μOR do odlišných částí nucleus accumbens a ventrálního pallidum silně zvyšují „oblíbená“ chování, včetně výběžků jazyka a olizování tlapky, po zvýšeném chutném příjmu potravy^27,28,29. Další důkaz pro opioidní signalizaci při zpracování hedonické regulace pochází od μOR antagonistů, kteří utlumují spotřebu chutné chow v obou podle libosti- zvířata s omezeným příjmem potravy a zvířat s omezeným přístupem k potravě, ale s omezenějším účinkem na příjem neochutnatelných standardních pelet^30,31. U lidí antagonisté μOR snižují krátkodobý příjem potravy a snižují příjemnost chutných potravin^32,33,34. Signalizace opioidů v bazolaterální amygdale také přispívá k „chtění“ jídla prostřednictvím modulace hledání odměn a motivační hodnoty jídla³⁵.

S [¹¹C] carfentanil, získali jsme obrázky vazby stopovacích látek, které jsou citlivé jak na hladiny μOR, tak na uvolňování endogenních opioidů v mozku.^36,37. Zjistili jsme okamžitou ztrátu dostupnosti μOR v oblastech jádra accumbens a předního cingulate cortexu, specifických oblastech mozku odměnové dráhy, po počáteční konzumaci sacharózy pěti miniprasami, což odpovídá endogennímu uvolňování opioidů. Předchozí studie ukázaly, že chutné jídlo může vést k pocitům potěšení³⁸ stimulací uvolňování opioidů. Po 12 dnech přístupu k sacharóze jsme pozorovali pokles [¹¹C] vazba karfentanilu, která má několik možných vysvětlení³⁹ včetně uvolňování endogenního opioidu a vazby na μOR, internalizace μOR v důsledku zvýšené vazby opioidů a zvýšené aktivace DA D2 / 3 receptoru, což vede k heterologní desenzibilizaci μOR⁴⁰.

Na podporu současných zjištění [¹¹C] studie karfentanilu u pacientů s bulimií⁴¹, obezita^42,43,44a porucha příjmu potravy⁴⁵, ukazují sníženou dostupnost receptoru. Jedná se však o chronické stavy, zatímco miniprasata dostala sacharózu pouze 12 dní. Ve studii akutního chování při výživě u zdravých mužů vedlo krmení k robustnímu a rozšířenému endogennímu uvolňování opioidů v mozku, a to jak v přítomnosti, tak v nepřítomnosti hedonie, což naznačuje, že uvolňování opioidů odráží metabolické a homeostatické i hedonické reakce²⁵. Tato studie, spolu s další, která zobrazovala pacienty po tekutém jídle s čokoládovou příchutí⁴⁴, je přímo relevantní pro akutní studii pěti miniprasů po první expozici sacharóze, ale liší se od subchronické studie expozice sacharóze po dobu 12 dnů, kde snížená dostupnost receptoru s větší pravděpodobností odráží opakovanou nadstimulaci a souběžné snižování μOR.

Prefrontální kůra je důležitá při rozhodování a přisuzování hodnoty jednotlivým položkám, a proto μOR v prefrontální kůře může být odpovědný za pozměněné hodnocení potravinového významu, což může zvýšit návykový potenciál jídla. Zjistili jsme sníženou vazbu v prefrontální kůře, v souladu s předchozími studiemi, které ukazují, že strava s vysokým obsahem tuku snižuje hladiny μOR mRNA v prefrontální kůře⁴⁶ a že infuze agonisty μOR v prefrontální kůře zvyšuje příjem sladkého jídla⁴⁷. Znovu však vyvstává problém, zda strava s vysokým obsahem tuků je chroničtější stav, který s větší pravděpodobností zprostředkovává down-regulaci receptoru, ve srovnání s krátkodobějším návrhem krmení sacharózou, což naznačuje trvalé uvolňování endogenních opioidů, které vytlačují stopovací karfentanil vázaný na μOR , dokonce i po 12 dnech sacharózy.

DA se podílí na odměnách za drogy i chování. Bylo zjištěno, že chronické užívání kokainu inhibuje signalizaci DA⁴⁸. Hladiny DA D1 a D2 / 3 receptoru se v mozku prasete mění nikotinem⁴⁹, a u primátů (kromě člověka) s anamnézou zneužívání kokainu⁵⁰, v souladu s downregulací D2 / 3 receptorů v mozcích závislých na lidském kokainu^51,52. Co se týče drog zneužívání, ukázalo se, že sacharóza upreguluje receptory DA D1¹⁹ a zvýšit uvolnění DA⁵³, posílení role DA v „chtění“ ve vztahu k chutnému jídlu. Předchozí PET studie prokázaly snížení dostupnosti striatálního DA D2 / 3 receptoru u morbidní obezity vs. průměrné hmotnosti^54,55, podobně jako je tomu u pacientů závislých na drogách⁵⁶a u zvířat s modely obezity⁵⁷. Ve studiích na hlodavcích podporuje knockdown receptoru D2 / 3 ve striatu vývoj nutkavého hledání potravy u potkanů ​​s přístupem k chutnému jídlu⁵⁷.

Naše pozorování snížené dostupnosti D2 / 3 receptoru u prasete může naznačovat zvýšené hladiny DA v reakci na motivační význam spojený s příjmem sacharózy, protože DA se uvolňuje jako součást potřeby zneužívání drog a dalších příjemných aktivit.^52,58,59,60. Protože prasata byla během zobrazování anestetizována a neobdržela sacharózu během 24 hodin, snížený D2 / 3 BP_ND více pravděpodobně odráží snížení počtu receptorů v reakci na prodloužené zvýšení uvolňování DA v každém ze 12 dnů přístupu k sacharóze. Redukce může zvýšit prahové hodnoty mozkové odměny spojené s down-regulací striatálních DA D2 receptorů. To může vysvětlit zvýšenou náchylnost k zneužívání drog, která byla pozorována v předchozích studiích u potkanů ​​přejídajících sacharózu, která vedla ke zkřížené senzibilizaci na kokain, hyperaktivitě po nízké dávce amfetaminu, zvýšenému příjmu alkoholu při abstinenci od sacharózy a toleranci k analgetickým účinkům opiátů.⁶.

Předchozí studie o obezitě v mincovníku Göttingen identifikovala snížený průtok krve mozkem v nucleus accumbens, ventrální tegmentální oblasti (VTA) a prefrontální kůře, s mozkovou tomografií s jedinou fotonovou emisí (SPECT) mozku⁶¹. V souladu s těmito zjištěními jsme pozorovali sníženou vazbu DA D2 / 3 v oblasti ventroforebrain obsahující jádro accumbens a v prefrontální kůře. Extracelulární hladiny DA se po příjmu sacharózy u volně se pohybujících potkanů ​​podstupujících mikrodialýzu 3krát zvyšují v nucleus accumbens⁶². U zvířat závislých na sacharóze může opakovaný příjem sacharózy vést k uvolnění DA z obalu nucleus accumbens⁶³. Zvířata krmená omezenou stravou s omezeným přístupem k sacharóze měla nižší vazbu DA D2 receptoru ve skořápce nucleus accumbens a dorzálním striatu⁶⁴. Omezená strava s vysokým obsahem tuků a sacharózy může vést k trvalé regulaci mRNA receptoru D1 a D2 v nucleus accumbens⁶⁵. Mikrodialyzační studie účinků chutného jídla odhalila zvýšené uvolňování DA v jádru accumbens a prefrontální kůře, když bylo jídlo stále považováno za nové; jakmile byly krysy zvyklé na nové jídlo, zvýšené uvolňování bylo otupeno v nucleus accumbens, ale ne v prefrontální kůře⁶⁶. Rozdílná citlivost na návyk a kondicici aktivity ve dvou regionech může vysvětlit větší nárůst pozorovaný v prefrontální kůře než v jádrových accumbens miniprasů vystavených stejné chutné látce, která ztratila novost po dvanácti dnech. Nicméně, protože jsme si nepředstavovali minipigs s [¹¹C] racloprid po prvním podání sacharózy, toto vysvětlení je spekulativní.

Prefrontální kůra moduluje výkonné funkce, rozhodování a sebeovládání⁶⁷. Dysfunkční DA neurotransmise v prefrontální kůře narušuje modulaci zpracování odměn, což u obézních jedinců naznačuje zhoršenou výkonnou funkci a rozhodovací dovednosti^68,69. Studie lidského PET navíc korelovala snížený metabolismus frontální kůry se sníženou vazbou striatální D2 v obezitě⁷⁰. Zde nalézáme sníženou dostupnost D2 / 3 receptoru v prefrontální kůře, včetně orbitofrontální kůry prasat exponovaných režimu sacharózy.

Dopaminergní neurony VTA odesílají projekce do hippocampu a amygdaly, kde podporují návyková chování⁷¹ a zprostředkovávají kódování a získávání kondicionování do léku^72,73 a narážky na jídlo^74,75. Zobrazování lidského mozku ukázalo hippocampální aktivaci v reakci na chuť k jídlu a chuť⁷⁶. V souladu s našimi nálezy snížené dostupnosti hipokampálního a amygdalarového D2 / 3 receptoru v reakci na sacharózu, mapování lidského mozku pomocí [¹⁸F] fallyprid vykazoval uvolňování DA vyvolané kokainem v amygdale a hippocampu⁷⁷. U mozků hlodavců vyvolala expozice kokainu v amygdale uvolnění DA⁷⁸, a změny hladin DA amygdaly ovlivňovaly chování při hledání kokainu⁷⁹.

Ve studii obézních jedinců byla ve ventrálním striatu přerušena asociace mezi dostupností D2 / 3 a μOR, o nichž je známo, že existují ve striatálních oblastech štíhlých jedinců.⁸⁰. Srovnali jsme hodnoty BP_ND dvou indikátorů k testování, zda data reprodukovaly tento účinek. Na rozdíl od štíhlých lidí neměli současné mozky prasat žádnou korelaci mezi hodnotami BP_ND dvou indikátorů, na začátku nebo po expozici sacharóze. Potom jsme testovali, zda by zvířata s největším poklesem vazby sledovacího raclopridu měla také největší pokles vazby sledovacího karfentanilu, ale místo toho jsme našli negativní korelaci v průměrovaných mimstriatálních oblastech, což naznačuje, že zvířata s největší změnou vazebného potenciálu sledovací racloprid měl nejnižší změnu vazebného potenciálu sledovacího karfentanilu. Inverzní vztah mezi změnami naznačuje, že účinky příjmu sacharózy na dostupnost příslušných receptorů jsou regulovány v opačných směrech. Je známo, že nadměrná konzumace chutných potravin nebo drog může být řízena chtíčem nebo chutěním, nebo obojí^60,81. Je možné, že velikost touhy poháněné dopaminem neguje rozsah touhy poháněné opioidy nebo naopak. Nedávné důkazy ukazují na roli GABA_A receptory ve VTA a cholinergních terminálech ve striatu a případně kůře, které působí jako přepínače mezi dopaminovými a dopaminově nezávislými mechanismy působení opioidů^82,83 což může vysvětlit vzájemnost vzájemného působení dopaminu a opioidů v mimstriatálních oblastech prasat.

Nedostatkem PET, také u poměrně velkých zvířat, je omezené prostorové rozlišení tomografie, které ovlivňuje výsledky malých mozkových oblastí zapojených do chování spojeného s jídlem. Přes tyto obavy však [¹¹Vazba C] raclopridu byla dříve zaznamenána ve striatálních i extrastriatálních oblastech^84,85,86,87. Použití [¹¹C] racloprid pro označení stejného typu receptorů nevyvolává žádné obavy z potenciálních afinitních rozdílů, které mohou ovlivnit použití oddělených značek pro stejné receptory v různých regionech. Nedávné studie zahrnovaly záznamy extrastriatální vazby [¹¹C] racloprid. Alakurtti et al. našel dobrou reprodukovatelnost měření striatální vazby raclopridu ve striatu, s pouze dobrou až střední reprodukovatelností v kůře⁸⁵. V pozdější studii, Svensson et al. projednali několik otázek ovlivňujících použití [¹¹C] racloprid jako marker extrastriatálních receptorů D2 / 3 ve studii zdravých lidí, včetně špatné reprodukovatelnosti v kůře a omezeného poklesu extrastriatální vazby v čelní kůře v reakci na činidlo blokující D2 / 3⁸⁸. Porovnání testů a opakovaných testů odhalilo variabilitu 4–7% ve striatu a 13–59% v kortikálních regionech, ale doba mezi zkouškami byla v průměru 20 dní, na rozdíl od informativnějších 1–2 dnů většiny studií. Řada faktorů v životě těchto subjektů mohla mít čas ovlivnit zjištění. Ve skutečnosti zde ukazujeme, že pouhé přidání spotřeby sacharózy do ranní rutiny po dobu 12 dnů mohlo mít vliv na vazebná opatření získaná o dva týdny později. Jiné běžné faktory, jako je hraní videoher, nakupování, vstup do nových romantických vztahů a sexuální aktivity, užívání drog nebo změna stravovacích návyků a cvičení, mohou mít vliv na extrastriatální hladiny dopaminu s potenciálem velké variace datových sad. Současná studie na miniprascích zavedla dobře kontrolované uspořádání, přičemž jedinou proměnnou byla absence nebo přítomnost sacharózy ve stravě. V této souvislosti měly údaje od sedmi zvířat dostatečně nízkou variabilitu v relevantních mimostraniálních regionech, aby bylo možné identifikovat statisticky významné snížení vazby v reakci na sacharózu.

Omezením současné studie je použití anestetik potřebných k zajištění imobility během in vivo zobrazování zvířat. Účinky specifických anestetik a jejich interakce s drogami nebo jinými zásahy mohou zmást vazbu radioligandů^89,90. Ketamin je antimagamatergické léčivo s rychlými antidepresivními účinky v sub anestetických dávkách^91,92,93, které nesnižují striatal [¹¹C] vázání raclopridu u lidí⁹⁴. Bylo však zjištěno, že S-ketamin snižuje vazebnou dostupnost dopaminových D2 / 3 receptorů ve striatu vědomých nehumánních primátů.⁹⁵. Isofluran je běžným anestetikem u zvířecích PET. V předchozích studiích jsme zjistili striatální akumulaci [¹¹C] SCH23390, radioligand dopaminových D1 receptorů, který má být významně vyšší u miniprasů anestetizovaných izofluranem spíše než propofolem, což naznačuje citlivost dopaminergní neurotransmise na účinky anestezie⁹⁶. V této studii byly všechny miniprapy zobrazeny v obou časových bodech pod předběžnou medikací ketaminem a anestézií isofluranem, což činí současné srovnání platným.

Nadměrná konzumace chutných potravin může způsobovat závislost s přímými následky na zdraví způsobenou obezitou a stát se jejím výsledkem. Testovali jsme tvrzení, že opioidy a dopamin zprostředkovávají odměny, důležité pro přežití i pro zneužívání drog. Minipigy s přerušovaným přístupem k roztoku sacharózy ve 12 po sobě jdoucích dnech prokázaly sníženou dostupnost dopaminu D2 / 3 a μ-opioidního receptoru ve striatálních a extrastriatálních mozkových oblastech, což naznačuje, že potraviny s vysokým obsahem sacharózy ovlivňují obvody odměňování mozku podobným způsobem, jaký je pozorován u návykových látek jsou spotřebovány. Počáteční jednorázová expozice sacharóze byla konzistentní s uvolňováním opioidů v mozkových oblastech aktivních za odměnu. Změny dostupnosti opioidů a dopaminu vysvětlují nadměrný návykový potenciál sacharózy.

Etika zvířat

Tato studie byla schválena a regulována Dánským inspektorátem pokusů na zvířatech a všechny experimenty byly provedeny v souladu se směrnicí Evropského parlamentu a Rady 2010/63 / EU o ochraně zvířat používaných pro vědecké účely a pokyny ARRIVE. Použili jsme sedm čtrnáctiměsíční fena Göttingen (Ellegaard, Dalmose, Dánsko). Miniprasata byla krmena peletovou dietou (6 dL, 2krát denně, Special Diets Services, Aarhus, Dánsko) s dostupnou vodovodní vodou podle libosti. Teplota prostředí byla 20–22 ° C, relativní vlhkost 50–55% a vzduch byl měněn osmkrát každou hodinu.

Přerušovaná spotřeba sacharózy

Zobrazili jsme sedm miniprasek pomocí [¹¹C] racloprid a [¹¹C] carfentanil na začátku a znovu jeden den po 12 po sobě jdoucích dnech expozice sacharosové vodě. Expozice sacharóze spočívala v jedné hodině přístupu k vodě se sacharózou (sacharóza, Dansukker, Kodaň, Dánsko) (500 gramů sacharózy ve 2 litrech vody), denně po dobu 12 dnů. Bylo zaznamenáno množství příjmu sacharosy a všechna miniprasátka spotřebovala každý den 2 litry. Také jsme zobrazili pět stejných miniprasek pomocí [¹¹C] karfentanil, 30 minut po prvním přístupu k sacharóze, aby se studovalo akutní uvolňování opioidů.

Miniprasátka získala průměrně 13.6% tělesné hmotnosti z 25.4 kg (± 0.73 SEM) na začátku do 28.9 kg (± 0.69 SEM) po 12denní expozici sacharóze, která byla významně vyšší (jednostranný t-test, p < 0.001) než zvýšení pozorovaná u vzorku kontrolních miniprasat získaných v předchozích studiích, kde se váhy ve stejném vývojovém období zvýšily v průměru pouze o 4.9%.

Mozkové PET zobrazování

Před zobrazením jsme prasata přes noc nechali hladovět s volným přístupem k vodě. Jak bylo popsáno výše, předběžně jsme léčili a anestetizovali miniprasata⁹⁷ a položil je na záda do zařízení PET / CT (Siemens Biograph 64 Truepoint PET). Před každou akvizicí PET jsme provedli CT sken s nízkou dávkou pro anatomickou definici a korekci útlumu emisních dat PET. Intravenózně jsme podali [¹¹C] racloprid ve výchozím stavu (360 ± 18 MBq, měrná aktivita 77 ± 76 GBq / μmol, vstřikovaná hmotnost 0.12 ± 0.08 μg / kg) a po 12 dnech sacharózy (374 ± 54 MBq, měrná aktivita 127 ± 85 GBq / μmol, vstřikovaná hmotnost 0.06 ± 0.05 μg / kg) a [¹¹C] karfentanil ve výchozím stavu (377 ± 43 MBq, měrná aktivita 311 ± 195 GBq / μmol, vstřikovaná hmota 0.03 ± 0.02 μg / kg) a po 12 dnech sacharózy (337 ± 71 MBq, měrná aktivita 177 ± 157 GBq / μmol, injektovaná hmotnost 0.06 ± 0.08 μg / kg) do ušní žíly v 10 ml fyziologického roztoku, během první minuty 90 minutového skenování. Rekonstruovali jsme PET data pomocí TrueX 3D OSEM (3 iterace, 21 podmnožin), matice 256 × 256 × 109 a 2 mm Gaussova filtru pomocí struktury časových rámců 5 × 60, 3 × 300, 4 × 600 , 2 × 900 sekund (celkem 14 snímků, 90 minut). Na začátku a po 12 dnech sacharózy byly zobrazeny miniprasata s oběma indikátory injikovanými nejméně 100 minut od sebe, vzhledem k poločasu [¹¹C] PET indikátory. Po ukončení poslední PET relace jsme eutanizovali miniprasata v hluboké anestezii intravenózním předávkováním pentobarbitálem (100 mg / kg).

Kvantitativní analýzy a statistiky

Provedli jsme kroky předběžného zpracování pomocí PMOD 3.7 (PMOD Technologies Ltd, Curych, Švýcarsko). K definování stereotaktických transformačních parametrů z časově průměrovaných PET obrazů jsme použili templáty specifické pro ligand. Generované transformační matice a deformační pole jsme aplikovali na odpovídající dynamickou PET časovou řadu. Vygenerovali jsme parametrické obrazy [¹¹C] raclopridový vazebný potenciál (BP_ND) pomocí metody víceřádkové referenční tkáně Ichise a spolupracovníků⁹⁸. Vytvořili jsme na míru vyrobenou masku mozečku, která vylučovala vermis za účelem získání radioaktivity mozkové tkáně v čase v oblasti zanedbatelné hustoty receptoru DA D2 / 3. Vygenerovali jsme parametrické obrazy [¹¹C] carfentanil pomocí implementace referenčního modelu tkáně Logan^99,100 s t * = 30 min. Studie [¹¹Vazba C] karfentanilu v lidském mozku použila jako referenční oblast okcipitální kůru³⁶; u prasat však podle křivek časové aktivity byla nevypovídatelná vazba nižší v mozečku než v týlní kůře, což je v souladu se zjištěními autoradiografické studie na potkanech¹⁰¹. Proto jsme vybrali mozek jako referenční oblast v této studii.

Statistická analýza

Mapy jsme podrobili analýze voxelů pomocí statistického neparametrického mapování (SnPM v13.01, http://warwick.ac.uk/snpm) Sada nástrojů SPM, která využívá neparametrickou permutační teorii, aby poskytla rámec pro statistickou inferenci, což je přístup ukázaný jako vhodný pro malé vzorky díky přísné kontrole falešných pozitiv¹⁴ a aplikováno, jak bylo popsáno výše¹⁰². Odborník na neuroanatomii prasat (DO) porovnal výsledné obrazy s prahovou hodnotou 5% významnosti s Göttingenovým atlasem minipig s vysokým rozlišením^103,104 definovat a označit oblasti sníženého DA D2 / 3 a μOR BP_ND od výchozího stavu po stav po sacharóze. Poté jsme provedli analýzu zájmového regionu (ROI), abychom mohli extrahovat BP_ND hodnoty specifických oblastí, o kterých se zjistilo, že jsou zajímavé, na základě analýzy SnPM, včetně striata, nucleus accumbens, thalamu, amygdaly, cingulate cortex a prefrontální cortex. Nebyly provedeny žádné další statistiky týkající se analýzy návratnosti investic, protože tyto oblasti již byly zjištěny jako významné pomocí SnPM.

Studii financovala „Aarhus University University“ Grants Project Development Grant pro projekt AML. Jsme vděčni za technickou podporu pracovníků Centra PEThuské nemocnice v Aarhusu a Farma v Aarhus University za pomoc s léčbou zvířat. Děkujeme profesorce Mortenovi Kringelbachovi, profesorovi Jørgenovi Scheel-Krugerovi a docentovi Arne Møllerovi za pomoc při zahájení těchto studií.

Mezinárodní spolupráce

1. Oddělení nukleární medicíny a PET centra, Aarhus University, Aarhus, Denmark
   • Michael Winterdahl
   • Ove Noere
   • , Anna C. Schacht
   • , Steen Jakobsen
   • , Aage KO Alstrup
   • , Albert Gjedde
   •  & Anne M. Landau
2. Klinika neurochirurgie a CENSE, Aarhus University Hospital, Aarhus, Denmark
   • Dariusz Orlowski
3. Oddělení nukleární medicíny, University of Southern Denmark & ​​Odense University Hospital, Odense, Dánsko
   • Albert Gjedde
4. Oddělení neurověd, Kodaňská univerzita, Kodaň, Dánsko
   • Albert Gjedde
5. Oddělení neurologie a neurochirurgie, McGill University, Montreal, Kanada
   • Albert Gjedde
6. Translační neuropsychiatrická jednotka, Aarhus University, Aarhus, Denmark
   • Anne M. Landauové

Příspěvky

MW a AML navrhly studii a analýzu; ACS a SJ syntetizovaly PET indikátory; MW, AKOA a AML zpracovaly miniprachy a provedly PET skenování; MW, ON a AML provedly analýzu dat; DO poskytovala anatomické odborné znalosti, data interpretovala MW, AG a AML; MW a AML napsali rukopis s podporou AG; všichni autoři schválili konečnou verzi rukopisu.

Odpovídající autor

Korespondence na Anne M. Landauové.

Konkurenční zájmy

Autoři neprohlašují žádné konkurenční zájmy.

Poznámka vydavatele Springer Nature zůstává neutrální, pokud jde o jurisdikční nároky v publikovaných mapách a institucionálních vztazích.

Reprinty a oprávnění