Defizite der mesolimbischen Dopamin-Neurotransmission bei diätetischer Adipositas bei Ratten (2009)

Kommentare: Studie zeigt, dass übermäßiger Verzehr von „Cafeteria-Essen“ zu Fettleibigkeit führt, was zu einem Rückgang des Dopaminspiegels und einer abgeschwächten Dopaminreaktion auf normales Rattenfutter führt. Die Ratten reagierten jedoch immer noch auf das Cafeteria-Essen. Eine von vielen Studien, die Gehirnveränderungen zeigen, die denen von Drogenabhängigen ähneln. Übermäßiger Konsum übernatürlicher Versionen natürlicher Belohnungen kann zur Sucht führen.

Neurowissenschaften. 2009. April 10;159(4):1193-9. doi: 10.1016/j.neuroscience.2009.02.007. Epub 2009, 11. Februar.

BM Geiger,a M. Haburcak,a NM Avena,b,c MC Moyer,c BG Höbel,c und DE Pothosa,*

Die endgültig bearbeitete Version dieses Artikels des Herausgebers finden Sie unter Neuroscience

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Abstrakt

Eine erhöhte Kalorienaufnahme bei ernährungsbedingter Fettleibigkeit könnte durch zentrale Mechanismen verursacht werden, die das belohnungssuchende Verhalten regulieren. Das mesolimbische Dopaminsystem und insbesondere der Nucleus accumbens liegen sowohl der Nahrungs- als auch der Drogenbelohnung zugrunde. Wir untersuchten, ob ernährungsbedingte Fettleibigkeit bei Ratten mit Veränderungen der dopaminergen Neurotransmission in dieser Region zusammenhängt. Sprague-Dawley-Ratten erhielten eine Cafeteria-Diät, um Fettleibigkeit zu induzieren, oder eine Labor-Chow-Diät, um eine normale Gewichtszunahme aufrechtzuerhalten. Der extrazelluläre Dopaminspiegel wurde gemessen in vivo Mikrodialyse. Die elektrisch hervorgerufene Dopaminfreisetzung wurde ex vivo in koronalen Schnitten des Nucleus accumbens und des dorsalen Striatums mittels Echtzeit-Kohlefaseramperometrie gemessen. Im Laufe von 15 Wochen wurden Ratten, die mit Cafeteria-Diät gefüttert wurden, fettleibig (>20 % Zunahme des Körpergewichts) und wiesen niedrigere extrazelluläre Accumbens-Dopaminspiegel auf als Ratten mit normalem Gewicht (0.007 ± 0.001 vs. 0.023 ± 0.002 pmol/Probe; P<0.05). Die Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens fettleibiger Ratten wurde durch eine Cafeteria-Diät-Provokation stimuliert, reagierte jedoch nicht auf eine Labormahlzeit. Verwaltung von d-Amphetamin (1.5 mg/kg ip) zeigte bei adipösen Ratten ebenfalls eine abgeschwächte Dopaminreaktion. Experimente zur Messung des elektrisch hervorgerufenen Dopaminsignals ex vivo in Nucleus-acumbens-Schnitten zeigten eine viel schwächere Reaktion bei adipösen Tieren (12 vs. 25 × 10).6 Dopaminmoleküle pro Stimulation, P<0.05). Die Ergebnisse zeigen, dass Defizite in der mesolimbischen Dopamin-Neurotransmission mit ernährungsbedingter Fettleibigkeit zusammenhängen. Eine verminderte Dopaminausschüttung kann dazu führen, dass fettleibige Tiere dies durch den Verzehr von schmackhafter „Komfortnahrung“ kompensieren, ein Stimulus, der Dopamin freisetzte, als die Laborfütterung versagte.

Stichwort: Nucleus accumbens, Striatum, Ernährung, Körpergewicht, Amphetamin, Hyperphagie

Der rasche Anstieg der ernährungsbedingten Fettleibigkeit in industrialisierten Gesellschaften deutet darauf hin, dass nicht-homöostatische Signalwege, die eine chronisch positive Energieaufnahme ermöglichen, dafür verantwortlich sein könnten. Eine entscheidende Frage ist, warum Versuchstiere und Menschen weiterhin so viel energiereiche, schmackhafte Nahrung zu sich nehmen, dass sie fettleibig werden. Aus evolutionärer Sicht ist zu erwarten, dass das Gehirn ein System entwickelt hat, um auf natürliche Belohnungen wie Nahrung zu reagieren. Diese zentralen Mechanismen bleiben artenübergreifend erhalten, um das Überleben zu sichern (Kelley und Berridge, 2002) und könnte mit den Schaltkreisen, die das Körpergewicht regulieren, interagieren oder diese modulieren. Daher kann die Verfügbarkeit von lohnender, schmackhafter Nahrung zu einer erhöhten Kalorienaufnahme und Gewichtszunahme führen, die durch homöostasegesteuerte Mechanismen, die ihren Ursprung hauptsächlich im Hypothalamus haben, möglicherweise nicht überwunden werden kann. Diese Möglichkeit könnte zumindest teilweise das epidemische Ausmaß der ernährungsbedingten Fettleibigkeit erklären.

Unter den neuronalen Systemen sind die mesolimbischen Dopaminwege hervorzuheben, bei denen bekannt ist, dass die Wirkung von Dopamin, insbesondere in den Nucleus accumbens-Terminals, Verstärkungsmechanismen vermittelt. Die Aktivierung dieses Systems umfasst einen Anstieg des Dopaminspiegels und Veränderungen im Dopaminumsatz nach natürlichen Belohnungsverhalten wie dem Füttern (Hernandez und Hoebel, 1988; Radhakishun et al., 1988). Darüber hinaus ist bekannt, dass Dopamin im Nucleus accumbens (und im angrenzenden dorsalen Striatum) mit der Exposition gegenüber ernährungsbedingten Reizen und der motorischen Aktivität im Zusammenhang mit der Nahrungsaufnahme zunimmt (Mogenson und Wu, 1982; Bradberry et al., 1991; Salamone et al., 1991). Daher kann davon ausgegangen werden, dass ernährungsbedingte Fettleibigkeit mit der mesolimbischen Dopaminfreisetzungsfähigkeit schmackhafter, energiereicher Lebensmittel zusammenhängt.

In dieser Studie untersuchten wir, ob die chronische Exposition (15 Wochen) von Ratten gegenüber einer energiereichen, schmackhaften Cafeteria-Diät zu Veränderungen des Dopamins im Nucleus accumbens führt. Diese äußerst schmackhafte Diät löst erfolgreich ernährungsbedingte Fettleibigkeit bei Ratten aus und ist für die Entwicklung menschlicher Fettleibigkeit am relevantesten (Sclafani und Springer, 1976). Darüber hinaus ermöglichte uns die Cafeteria-Diät die Unterscheidung zwischen fettreichen und kohlenhydratreichen Vorlieben und ob diese Vorlieben die mesolimbische Dopaminfreisetzung beeinflussten. Wir fanden heraus, dass Sprague-Dawley-Ratten den Großteil ihrer täglichen Kalorienaufnahme aus kohlenhydratreichen Quellen bezogen und ernährungsbedingte Fettleibigkeit (DIO) entwickelten. Darüber hinaus zeigten sie eine verminderte basale Dopaminfreisetzung im Nucleus accumbens und eine abgeschwächte Dopaminreaktion auf eine Standard-Chow-Mahlzeit oder die systemische Verabreichung von d-Amphetamin.

EXPERIMENTELLE VERFAHREN

Tiere

Weibliche Albino-Sprague-Dawley-Ratten (Taconic, Hudson, NY, USA) wurden im Alter von 300 Monaten auf ein Körpergewicht von jeweils 3 g abgestimmt. Die Wahl fiel auf weibliche Tiere, da das Körpergewicht der mit Laborfutter gefütterten Weibchen im Gegensatz zu männlichen Ratten über die Zeit relativ stabil ist. Die Tiere wurden einzeln im selben Raum unter einem 12-stündigen umgekehrten Hell-Dunkel-Zyklus untergebracht (Licht an: 6 Uhr, Licht aus: 6 Uhr). Unter diesen Bedingungen beobachteten wir keinen Einfluss der Brunstzyklusphase auf die mesolimbische Dopaminfreisetzung (Geiger et al., 2008). Alle Tiere wurden gemäß den veröffentlichten Richtlinien der US National Institutes of Health (NIH) und des Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der Tufts University und des Tufts Medical Center verwendet. Es wurden alle Anstrengungen unternommen, um die Anzahl der verwendeten Tiere zu begrenzen, um den Einsatz und das Leiden der Tiere zu minimieren.

Zusammensetzung der Cafeteria-Diät

Die Tiere wurden in die Cafeteria-DIO-Gruppe (im Folgenden auch als fettleibige Gruppe beschrieben) und die Laborgruppe, die mit Futter gefüttert wurde (Normalgewichtsgruppe), eingeteilt. Alle Gruppen wurden gefüttert ad libitum. Die Cafeteria-Diät umfasste fettreiche Bestandteile wie Crisco (33 % pflanzliches Backfett, 67 % Purina-Pulver), Salami, Cheddar-Käse und Erdnussbutter; und kohlenhydratreiche Komponenten wie gesüßte Kondensmilch (Marke Magnolia gemischt mit Wasser, 1:1), Schokoladenkekse, Milchschokolade, Bananen, Marshmallows und eine 32 %ige Saccharoselösung. Es hat sich gezeigt, dass diese äußerst schmackhafte Diät bei der Auslösung von ernährungsbedingter Fettleibigkeit bei Ratten sehr wirksam ist und die Entwicklung menschlicher Fettleibigkeit nachahmt (Sclafani und Springer, 1976). Jede der Komponenten war jederzeit verfügbar und wurde viermal pro Woche gewechselt. Für die Cafeteria-DIO-Gruppe wurde neben schmackhaftem Essen auch gesorgt ad libitum Zugang zu Purina-Laborfutter. Um die Ernährungspräferenzen zu ermitteln, wurde die Aufnahme jeder Komponente der Cafeteria-Diät über zwei 48-Stunden-Zeiträume in der elften Diätwoche gemessen. Das Körpergewicht wurde einmal pro Woche aufgezeichnet.

Stereotaxische Chirurgie

In Woche 7 der Studie wurde eine stereotaktische Operation durchgeführt (n=24 Cafeteria-DIO-Ratten, n=32 Labor-Chow-Ratten). Die Tiere wurden mit Ketamin (60 mg/kg ip) und Xylazin (10 mg/kg ip) anästhesiert, um bilaterale 10 mm, 21 Gauge Mikrodialyse-Führungskanülen aus rostfreiem Stahl zu implantieren, die auf die hintere Hüllenregion des Nucleus accumbens gerichtet waren. Die stereotaktischen Koordinaten lagen 10 mm vor dem interauralen Nullpunkt, 1.2 mm seitlich des Sinus sagittalis media und 4 mm ventral der ebenen Schädeloberfläche. Die Dialysefaser der Sonde dehnte sich weitere 4 mm nach ventral aus, um die Zielstelle zu erreichen (Paxinos und Watson, 2007). Nach der Operation wurden alle Tiere in ihre Käfige zurückgebracht und setzten ihre Ernährung fort.

Mikrodialyse und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie mit elektrochemischem Detektionsverfahren (HPLC-EC).

In Woche 14 der Studie wurde eine Mikrodialyse durchgeführt, um eine angemessene Erholung nach der Operation zu ermöglichen. Für jede Mikrodialysesitzung wurden die Tiere einzeln in Mikrodialysekäfige gesetzt und die Sonden 12–15 Stunden vor der Entnahme der ersten Probe in die Mikrodialysekanülen eingesetzt. Die Implantationsstelle (links vs. rechts) war ausgeglichen. Mikrodialysesonden waren vom konzentrischen Typ, wurden lokal hergestellt und zeigten eine 10-prozentige Rückgewinnung von Neurochemikalien in vitro Tests wie zuvor beschrieben (Hernandezet al., 1986). Die Sonden wurden mit einer Ringer-Lösung (142 mM NaCl, 3.9 mM KCl, 1.2 mM CaCl) perfundiert21.0 mM MgCl2, 1.4 mM Na2HPO4, 0.3 mM NaN2PO4) mit einer Rate von 1° µl/min. Das Dialysat wurde in 40-µl-Fläschchen gesammelt, die 5 µl Konservierungsmittel (0.1 M HCl und 100 µM EDTA) enthielten, um die Oxidation von Monoaminen zu verlangsamen. Die Probenentnahme begann in der Mitte des Dunkelzyklus und das gesamte Futter wurde 3 Stunden vor der Probenahme für alle Tiere entfernt. Proben wurden in 30-Minuten-Intervallen für mindestens 2 Stunden nach dem Ausgangswert entnommen, gefolgt von einer systemischen Injektion von d-Amphetamin (1.5 mg/kg ip; Sigma, St. Louis, MO, USA). Von jeder Probe wurden 25 µl Dialysat in ein amperometrisches Antec HPLC-EC-System (GBC, Inc., Boston, MA, USA) mit einer 10 cm Rainin-Säule und einem Phosphatpuffer für die mobile Phase injiziert, der Dopamin trennt und nachweist die Dopamin-Metaboliten Dihydroxyphenylessigsäure (DOPAC) und Homovanillinsäure (HVA). Die resultierenden Peaks wurden dann gemessen und aufgezeichnet. Die Platzierung der Mikrodialysesonde an der Zielstelle wurde am Ende des Experiments durch histologische Untersuchung des Sondentrakts nach Fixierung des Gehirns mit Paraformaldehyd überprüft.

Für Tiere, die stattdessen einer 30-minütigen Labor-Chow- oder Cafeteria-Diät-Mahlzeit-Challenge unterzogen werden d-Amphetamin wurde allen Gruppen vor dem Mikrodialyseexperiment 12 Stunden lang die Nahrung entzogen, um eine ausreichende Motivation zum Essen sicherzustellen.

Scheibenelektrophysiologie

Rattengehirne wurden auf einem Leica VT1000S-Vibratom (Leica Microsystems, Wetzlar, Deutschland) schnell in eiskalte, mit Sauerstoff angereicherte künstliche Zerebrospinalflüssigkeit (aCSF) gelegt und in 300 µm dicke koronale Scheiben geschnitten. Das Schnittbad enthielt aCSF (124 mM NaCl, 2.0 mM KCl, 1.25 mM KH).2PO42.0 mM MgSO4, 25 mM NaHCO3, 1.0 mM CaCl2, 11 mM Glucose, pH=7.3). Nach 1 Stunde in aCSF wurden die Scheiben in die Aufzeichnungskammer überführt, wobei die Perfusion von sauerstoffhaltigem aCSF auf 1 ml/min bei 37 °C eingestellt war. Kohlefaserelektroden mit einem Durchmesser von 5 µm und einer frisch geschnittenen Oberfläche wurden in der Schale des Nucleus accumbens oder im dorsalen Striatum ca. 50 µm in die Scheibe eingebracht, wobei die Referenzelektrode (Ag/AgCl-Draht) in das aCSF-Bad eingeführt und die Spannung eingestellt wurde bis + 700 mV (Axopatch 200 B, Axon Instruments Inc., Union City, CA, USA). Die bipolare Stimulationselektrode mit verdrilltem Draht (Drahtdurchmesser 0.005 Zoll: MS 303/3, Plastics One, Inc., Roanoke, VA, USA) wurde innerhalb von 100–200 µm von der Kohlefaserelektrode platziert. Ein konstanter monophasischer Stromreiz von 2 ms bei +500 µA wurde von einem Isoflex-Stimulusisolator (AMPI, Inc., Jerusalem, Israel) abgegeben, der von einem Konstantstromstimulator (Modell S88; Grass Technologies, West Warwick, RI, USA) ausgelöst wurde. . Die Reaktion der amperometrischen Elektrode (Änderung der Grundlinie) wurde mit der Superscope-Software (GW Instruments, Inc., Somerville, MA, USA) überwacht und quantifiziert. Die Elektroden wurden vor und nach der Verwendung mit hintergrundsubtrahierten Voltammogrammen kalibriert (fünf angelegte und gemittelte Wellen, 300 V/s, –400 bis +1000 mV, im Aufzeichnungsmedium und Medium mit 10 µM Dopamin). Amperometrische Peaks wurden als Ereignisse identifiziert, die größer als das 3.5-fache des Effektivrauschens der Basislinie waren. Die Ereignisbreite war die Dauer zwischen (a) dem Basislinienabschnitt der maximalen Steigung von der Basislinie bis zum ersten Punkt, der den Grenzwert überschritt, und (b) dem ersten Datenpunkt nach der maximalen Amplitude, der einen Wert von ≤ 0 pA registrierte. Die maximale Amplitude (dmax) des Ereignisses war der höchste Wert innerhalb des Ereignisses. Um die Gesamtzahl der Moleküle zu bestimmen (N) freigesetzt, die Gesamtladung des Ereignisses zwischen den Basislinienabschnitten bestimmt und die Anzahl der Moleküle anhand der Beziehung geschätzt N=Q/nF, wobei Q die Ladung ist, n die Anzahl der pro Molekül abgegebenen Elektronen und F ist die Faradaysche Konstante (96,485 C pro Äquivalent). Die Schätzungen basierten auf der Annahme, dass pro oxidiertem Dopaminmolekül zwei Elektronen abgegeben werden (Ciolkowski et al., 1994).

Gewebe-Mikrostanzen

Cafeteria DIO oder mit Futter im Labor gefütterte Ratten (n=11/Gruppe) wurden wie im vorherigen Experiment eingeschläfert und aus 1 µm großen Hirnschnitten wurden Stanzen des dorsalen Striatums und des Nucleus accumbens mit einem Durchmesser von 300 mm entnommen. Anschließend wurden die Stempel 40 Minuten lang einer 3 mM KCl-Lösung ausgesetzt, um die Dopaminfreisetzung zu stimulieren. Anschließend wurden die extrazellulären Dopaminspiegel mithilfe der oben beschriebenen HPLC-Methode gemessen.

Datenanalyse

Für die Analyse der Mikrodialysedaten wurde eine Zwei-Wege-ANOVA (Gruppe × Zeit) mit wiederholten Messungen und gegebenenfalls einer Fisher-Post-hoc-Analyse verwendet. Für alle anderen Tests wurde eine einfaktorielle ANOVA verwendet. Für die Schichtexperimente wurden die Ergebnisse von fünf verschiedenen Stimulationen auf derselben Schicht pro Schicht gemittelt, bevor die ANOVA durchgeführt wurde. Die Ergebnisse werden als Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts (SEM) ausgedrückt.

ERGEBNISSE

Übergewichtige Ratten haben eine starke Vorliebe für sehr schmackhafte Nahrung

Cafeteria-DIO-Ratten zeigten eine starke Präferenz für süße Milch (74.4 ± 6.4 g; 241 ± 21 kcal) und die 32 %ige Saccharoselösung (31.4 ± 4.1 g; 40 ± 5 kcal) (Abb. 1A, B, F(9,127) = 116.9854, P<0.01). Darüber hinaus fraßen diese Tiere deutlich weniger Purina-Futter (5.66 ± 1.02 g) im Vergleich zu den mit Laborfutter gefütterten Tieren (54.7 ± 2.3 g; F(1,27) = 419.681, P<0.01). Nach 14 Wochen der Cafeteria-Diät nahmen die Ratten 53.7 % ihres ursprünglichen Körpergewichts auf ein Endgewicht von 444.9 ± 19.0 g zu. Nach dem gleichen Zeitraum erreichten Ratten mit Laborfutter ein Endgewicht von 344.0 ± 10.8 (Abb. 2A).

Abb.. 1 

Präferenzen der Komponenten der Cafeteria-Diät bei adipösen Ratten. Der durchschnittliche Verzehr von Komponenten der Cafeteria-Diät in Gramm (A) und kcal (B) über zwei 48-Stunden-Zeiträume während Woche 11 der Diät zeigt eine Präferenz für süße Milch und Saccharoselösung (Mittelwert ± SEM; ...
Abb.. 2 

Bei übergewichtigen Ratten sind die Grund-, Amphetamin- und Laborfuttermehl-belasteten Dopaminspiegel im Nucleus accumbens verringert. (A) Das Körpergewicht von Cafeteria-DIO-Ratten war über einen Zeitraum von 14 Wochen deutlich höher als das der Laborratten, die mit Futter gefüttert wurden ...

Übergewichtige Ratten haben einen niedrigen Basal-Dopaminspiegel und eine verminderte Amphetamin-stimulierte Dopaminfreisetzung

In Woche 14 der Studie wiesen Cafeteria-DIO-Ratten niedrigere extrazelluläre Dopaminspiegel im Nucleus accumbens auf als Laborratten, die mit Futter gefüttert wurden (0.007 ± 0.001 pmol/25 µl Probe gegenüber 0.023 ± 0.002 pmol/25 µl Probe; Abb. 2B, F(1,19) = 11.205; P<0.01), gemessen mit in vivo Mikrodialyse. Es wurde auch festgestellt, dass die Ausgangswerte der Dopamin-Metaboliten DOPAC und HVA bei den Cafeteria-DIO-Ratten deutlich niedriger waren. Die DOPAC-Werte bei DIO-Ratten in der Cafeteria betrugen 3.13 ± 0.42 gegenüber 8.53 ± 0.56 pmol bei Ratten, die im Labor mit Futter gefüttert wurden (F(1,10) = 14.727, P<0.01). Die HVA-Werte betrugen 1.0 ± 0.28 vs. 4.28 ± 0.33 pmol (F(1,20) = 6.931, P<0.05). Nachdem ein stabiler Dopamin-Ausgangswert erreicht war, wurde den Ratten eine ip-Injektion von 1.5 mg/kg Amphetamin verabreicht. Die Gesamtfreisetzung der stimulierten Dopaminspiegel war bei DIO-Ratten in der Cafeteria geringer als bei Tieren, die im Labor mit Futter gefüttert wurden (Abb. 2B, F(9,162) = 2.659, P

Übergewichtige Ratten setzen Dopamin im Nucleus accumbens frei, wenn sie sehr schmackhafte Nahrung zu sich nehmen, nicht einfaches Laborfutter

Abb. 2D zeigt, dass der extrazelluläre Dopaminspiegel bei den Cafeteria-DIO-Ratten als Reaktion auf eine Mahlzeit mit Laborfutter nicht nachweisbar anstieg. Die Tiere aßen durchschnittlich 1.3 ± 0.4 g Futter über 30 Minuten. Wenn jedoch eine Untergruppe dieser Tiere (n=8) wurde dann 30 Minuten lang mit der Cafeteria-Diät gefüttert, Dopamin stieg um 19.3 % von 0.027 ± 0.003 auf 0.033 ± 0.004 pmol/25 µL Probe (F(11,187) = 8.757, P<0.05). Auch die DOPAC-Werte stiegen um 17.13 % ± 6.14 %. Im Gegensatz dazu stiegen die Dopaminspiegel bei den Labortieren, die mit Futter gefüttert wurden, um 51.10 % ± 17.31 % (F(7,119) = 3.902, P<0.05) 1 h nach der Futtermahlzeit (Tiere fraßen durchschnittlich 5.7 ± 0.8 g, deutlich mehr als die DIO-Tiere; F(1,33) = 26.459, P<0.01). Wir gehen jedoch nicht davon aus, dass die geringere Nahrungsaufnahme der DIO-Tiere die direkte Ursache für die mangelnde Dopaminfreisetzung bei diesen Tieren ist, da bereits eine Futteraufnahme von nur 0.6 g Berichten zufolge die Dopaminfreisetzung im Nucleus accumbens von Ratten stimuliert (Martel und Fantino, 1996). Darüber hinaus haben andere Studien gezeigt, dass Unterschiede in der Menge des freigesetzten Dopamins nicht unbedingt direkt mit der Menge des vorhandenen Futters korrelieren, sondern auch durch andere Reize wie das Sättigungsgefühl des Tieres, Schmackhaftigkeit und Neuheitseffekte des angebotenen Futters beeinflusst werden können (Hoebel et al., 2007). Eine Cafeteria-Diät wurde den Labortieren, die mit Futter gefüttert wurden, nicht als Herausforderung angeboten, da erwartet wurde, dass sie Neuheitseffekte hervorruft, die jeden Vergleich mit den DIO-Tieren in der Cafeteria verfälschen würden.

Die elektrisch stimulierte Dopaminfreisetzung ist in akuten koronalen Hirnschnitten von fettleibigen Ratten abgeschwächt

Abb. 3A zeigt repräsentative amperometrische Spuren aus Schalenschnitten des Nucleus accumbens normaler und fettleibiger Ratten (n=30 Stimulationen in sieben Schichten vs. 24 Stimulationen in jeweils fünf Schichten). Cafeteria-DIO-Ratten hatten eine geringere elektrisch hervorgerufene Dopaminfreisetzung als Ratten, die im Labor mit Futter gefüttert wurden (12×10).6± 4 × 106 vs. 25×106± 6 × 106 Moleküle; Abb. 3B, F(1,52) = 2.1428, P<0.05). Dieser Unterschied in der hervorgerufenen Dopaminfreisetzung spiegelt sowohl eine Abnahme der Ereignisamplitude (5.16 ± 1.10 pA bei Cafeteria-DIO-Ratten gegenüber 7.06 ± 0.80 pA bei mit Laborfutter gefütterten Ratten) wider; Abb. 3C, F(1,52) = 2.4472, P<0.05) und Breite (2.45 ± 0.73 s bei Cafeteria-DIO-Ratten vs. 4.43 ± 0.70 s bei mit Laborfutter gefütterten Ratten). Abb. 3D, F(1,52) = 3.851, P

Abb.. 3 

Hervorgerufene Dopaminfreisetzung aus dem Nucleus accumbens in Hirnschnitten (A) Repräsentative Spuren aus akuten koronalen Nucleus accumbens-Schnitten von mit Futter gefütterten Tieren (oben; n=30 Stimulationen in sieben Schnitten) und Cafeteria-DIO-Tiere (unten; n=24 Stimulationen ...

Abb.. 4 zeigt, dass die gleichen Trends in dorsalen Striatalschnitten der adipösen Ratten zu beobachten waren. Repräsentative Spuren aus dem Labor, das mit Futter gefüttert wurde (n=31 Stimulationen in sieben Schichten) und Cafeteria DIO (n=15 Stimulationen in vier Schichten) Gruppen sind in dargestellt Abb. 4A. Die elektrisch hervorgerufene Dopaminfreisetzung aus dem Striatum betrug 0.8×106± 0.1 × 106 in Cafeteria-DIO-Ratten vs. 44×106± 11 × 106 Moleküle (Abb. 4B, F(1,45) = 6.0546, P<0.01) bei mit Futter gefütterten Labortieren. Dies spiegelt wiederum eine Abnahme sowohl der Ereignisamplitude (2.77 ± 0.42 vs. 9.20 ± 1.88 pA; F(1,45) = 7.8468, P<0.01) und Breite (0.22 ± 0.03 vs. 5.90 ± 0.98 s; F(1,45) = 17.2823, P<=0.01) in der Cafeteria-DIO-Gruppe (Abb. 4C, 4D).

Abb.. 4 

Hervorgerufene Dopaminfreisetzung aus dem dorsalen Striatum in Hirnschnitten. (A) Repräsentative Spuren von akuten koronalen dorsalen Striatum-Scheiben von mit Futter gefütterten Tieren (oben; n=31 Stimulationen in sieben Schnitten) und Cafeteria-DIO-Tiere (unten; n=15 Stimulationen in ...

Die durch Kalium stimulierte Dopaminfreisetzung in Gewebemikrostanzen ist im Nucleus accumbens und im Striatum fettleibiger Ratten verringert

Die extrazellulären Dopaminspiegel nach der KCl-Stimulation wurden mittels HPLC-EC gemessen und sind in dargestellt Abb.. 5. Die extrazellulären Dopaminspiegel betrugen 0.16 ± 0.08 pmol/Probe in den Accumbens-Mikrostanzen fettleibiger Tiere (n=10 Mikrostanzungen) im Vergleich zu 0.65 ± 0.23 pmol/Probe in den Mikrostanzungen der Kontrolltiere (n=11 Mikrostanzen; Abb. 5A; F(1,19) = 4.1911, P<0.01). Die extrazellulären Dopaminspiegel betrugen 5.9 ± 1.7 pmol/Probe in den striatalen Mikrostanzungen von adipösen Patienten (n=8 Mikrostanzen) Ratten und 11.3 ± 1.9 pmol/Probe an derselben Stelle aus der Kontrolle (n=11 Mikroschläge) Ratten (Abb. 5B; F(1,17) = 7.5064, P

Abb.. 5 

Extrazelluläre Dopaminspiegel aus kaliumstimulierten Gewebemikrostanzen. Menge an Dopamin, die aus (A) Nucleus Accumbens freigesetzt wird (n=11 Mikrostanzen aus jeder Gruppe) und (B) dorsales Striatum (n=8 Mikroschläge von Fettleibigen und n=11 Mikrostanzungen aus Kontrollen) ...

DISKUSSION

In dieser Studie wurden Ratten durch den Verzehr einer Cafeteria-Diät mit einer Vorliebe für kohlenhydratreiche Nahrungsmittel übergewichtig. In ihrem übergewichtigen Zustand hatten sie einen niedrigeren basalen extrazellulären Dopaminspiegel sowie Chow-stimuliertes oder Amphetamin-stimuliertes Dopamin im Nucleus accumbens. In Studien mit Drogenmissbrauch versuchen Tiere, den Dopaminspiegel im Nucleus accumbens über einem bestimmten Wert zu halten (Wise et al., 1995a,b; Ranaldi et al., 1999). In der vorliegenden Studie handelt es sich bei der missbrauchten „Substanz“ um schmackhafte Nahrung, sodass der niedrige extrazelluläre Dopaminspiegel im Accumbens zu einem erhöhten Verzehr schmackhafter Nahrung führt.

Übergewichtige Ratten zeigten auch abgeschwächte Spiegel von elektrisch stimuliertem Dopamin in Hirnschnitten und Kalium-stimuliertem Dopamin in Gewebemikrostanzen aus dem Nucleus accumbens und dem dorsalen Striatum. Ein zentrales präsynaptisches Defizit bei der Dopamin-Exozytose ist daher bei ernährungsbedingter Fettleibigkeit offensichtlich, da eine Depression der hervorgerufenen Dopaminfreisetzung vorliegt in vivo, in akuten striatalen und akkumbalen Hirnschnitten und in Gewebemikrostanzen von ernährungsbedingt fettleibigen Tieren. Wir haben einen ähnlichen Effekt in einem genetischen Modell der Veranlagung zu Fettleibigkeit gesehen. In diesem Modell ist die mRNA- und Proteinexpression von Regulatoren der Dopaminsynthese und Exozytose, einschließlich Tyrosinhydroxylase und des neuronalen vesikulären Monoamintransporters (VMAT2), in Dopaminneuronen im ventralen tegmentalen Bereich (VTA) von zu Fettleibigkeit neigenden Tieren verringert (Geiger et al., 2008). Ein weiterer möglicher Ort einer präsynaptischen Veränderung ist der Dopamin-Wiederaufnahmetransporter der Plasmamembran, DAT. Die elektrophysiologischen Schnittstudien ermöglichen es uns, zwischen Unterschieden in der Dopaminfreisetzungs- und Wiederaufnahmekinetik zu unterscheiden. Der Unterschied in der Spike-Breite deutet im Prinzip darauf hin, dass Tiere mit adipöser Ernährung nicht nur eine geringere evozierte Freisetzung, sondern auch Veränderungen in der Wiederaufnahme aufgrund von Unterschieden in den aktiven DAT-Transporterstellen auf der Plasmamembran aufweisen. In Zuckerfett (fa/fa) Ratten wurden im VTA erhöhte mRNA-Spiegel des DAT-Transporters berichtet (Figlewicz et al., 1998). Die Möglichkeit einer erhöhten Dopamin-Clearance ist mit dem verringerten evozierten Dopaminsignal bei DIO-Ratten in der vorliegenden Studie vereinbar.

Wir sollten beachten, dass die Fähigkeit von Amphetamin, Dopamin freizusetzen, bei den fettleibigen Tieren nicht abgeschwächt war (in Bezug auf die prozentuale Veränderung gegenüber dem Ausgangswert), und dass dies zusammen mit den niedrigeren absoluten Dopaminspiegeln „verschwören“ könnte, um die Motivation fettleibiger Tiere zu steigern, Reize zur Dopaminfreisetzung zu erhalten. Amphetamin ist eine schwache Base, die Dopamin aus den Vesikeln in das Zytosol verdrängt und über den umgekehrten Transport zu einem Anstieg des extrazellulären Dopamins führt (Sulzer und Rayport, 1990). In Fällen schwerwiegender Defizite in den vesikulären Dopamin-Pools, wie zum Beispiel im Fall von Mäusen mit einem Mangel an vesikulärem Transporter VMAT2, stimuliert die Injektion von Amphetamin vorübergehend die Synthese von neuem Dopamin im Zytosol (Fon et al., 1997). Ein durch Amphetamin induzierter vorübergehender Anstieg des zytosolischen Dopamins könnte den vorübergehenden Anstieg der prozentualen Änderung des Accumbens-Dopamins bei adipösen Tieren gegenüber dem bei normalgewichtigen Tieren beobachteten erklären und kann zur Anfälligkeit der adipösen Tiere für Dopamin freisetzende Reize zusammen mit dem niedrigeren absoluten extrazellulären Wert beitragen Dopaminspiegel im Accumbens.

Welche Mechanismen könnten das präsynaptische Dopamindefizit bei fettleibigen Tieren beeinflussen und ihre Ernährungspräferenzen beeinflussen? Der Zusammenhang zwischen der Nahrungspräferenz und dem Dopamin des Nucleus accumbens zeigt sich deutlich in der abgeschwächten Reaktion der fettleibigen Tiere auf Futter, nicht jedoch auf eine schmackhafte Nahrung. Unsere Ergebnisse ergänzen aktuelle Arbeiten, die zeigen, dass ein Dopamin-D1-Rezeptor-Agonist (D1) die Präferenz von Ratten für sehr schmackhafte Nahrung verstärkt (Cooper und Al-Naser, 2006). Darüber hinaus wird Dopamin im Nucleus accumbens bei Ratten aktiviert, die darauf trainiert sind, Saccharose zu sich zu nehmen (Avena et al., 2008), was die Beteiligung von zentralem Dopamin an der Vorliebe für schmackhafte, kohlenhydratreiche Lebensmittel weiter unterstützt. Wir haben das in der vorliegenden Studie berichtete zentrale Dopamindefizit in weiteren Adipositasmodellen nachgewiesen, darunter dem ob / ob Leptin-defiziente Maus und die durch Inzucht zu Fettleibigkeit neigende Ratte (Fulton et al., 2006; Geiger et al., 2008). Daher könnte Leptin ein mögliches Signal sein, das den Verzehr schmackhafter Nahrungsmittel mit der Dopaminfreisetzung von Accumbens in Verbindung bringt. Bei Menschen mit einem angeborenen Leptinmangel verringert der Ersatz von Leptin ihre Hyperphagie und verändert die Aktivierung ihres ventralen Striatums in Bezug auf die Visualisierung schmackhafter Nahrung (Farooqi et al., 2007). Bei Ratten wurde auch gezeigt, dass Leptin die Selbstverabreichung von Saccharose verringert (Figlewicz et al., 2006, 2007). Es wurde auch gezeigt, dass andere orexigene Inputs wie Ghrelin und Orexin an der Aktivierung des Dopaminsystems im Mittelhirn beteiligt sind (Rada et al., 1998; Helm et al., 2003; Abizaid et al., 2006; Naritaet al., 2006). Es wäre interessant, weiter zu untersuchen, ob die Umstellung adipöser Tiere auf ein normales Laborfutter auf chronischer Basis ihre Vorliebe für schmackhaftes Futter und die damit verbundene Accumbens-Dopamin-Reaktion darauf unabhängig von den erwarteten Veränderungen von Leptin, Ghrelin oder Orexin und anderen Signalen aufrechterhalten würde im Zusammenhang mit der Appetitregulierung.

FAZIT

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass das mesolimbische Dopaminsystem eine entscheidende Rolle bei der Präferenz für energiereiche Diäten, Hyperphagie und der daraus resultierenden ernährungsbedingten Fettleibigkeit spielt. Die dopaminerge Neurotransmission des Nucleus accumbens und des dorsalen Striatums ist bei fettleibigen Ratten unterdrückt. Die Tiere können den Dopaminspiegel vorübergehend wiederherstellen, indem sie sehr schmackhafte, energiereiche Nahrung zu sich nehmen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das selektive Targeting präsynaptischer Regulatoren des mesolimbischen Dopaminsystems einen vielversprechenden Ansatz für die Behandlung von ernährungsbedingter Fettleibigkeit darstellt.

Anerkennungen

Diese Arbeit wurde von DK065872 (ENP), F31 DA023760 (BMG, ENP), einem Smith Family Foundation Award of Excellence in Biomedical Research (ENP) und P30 NS047243 (Tufts Center for Neuroscience Research) unterstützt.

Abkürzungen

  • aCSF
  • künstliche Liquorflüssigkeit
  • DAT
  • Dopamin-Plasmamembrantransporter
  • GOTT
  • ernährungsbedingte Fettleibigkeit
  • DOPAC
  • Dihydroxyphenylessigsäure
  • HPLC-EC
  • Hochleistungs-Flüssigchromatographie mit elektrochemischer Detektion
  • HVA
  • Homovanillinsäure
  • VMAT2
  • neuronaler vesikulärer Monoamintransporter
  • VTA
  • ventrales Tegmentum

REFERENZEN

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