Die Aufnahme von Saccharose senkt die Verfügbarkeit von μ-Opioiden und Dopamin-D2 / 3-Rezeptoren im Schweinehirn (2020)

Übermäßiger Saccharosekonsum löst suchtähnliches Verlangen aus, das die Adipositas-Epidemie untermauern kann. Opioide und Dopamin vermitteln die wohltuende Wirkung von Drogenmissbrauch und natürlichen Belohnungen durch Reize wie schmackhafte Lebensmittel. Wir untersuchten die Auswirkungen von Saccharose mithilfe der PET-Bildgebung mit [¹¹C] Carfentanil (μ-Opioidrezeptoragonist) und [¹¹C] Racloprid (Dopamin-D2 / 3-Rezeptor-Antagonist) bei sieben weiblichen anästhesierten Göttinger Minischweinen. Dann gaben wir den Minischweinen an 12 aufeinanderfolgenden Tagen eine Stunde lang Zugang zu Saccharoselösung und führten 24 Stunden nach dem endgültigen Zugang zu Saccharose erneut eine Bildgebung durch. In einer kleineren Stichprobe von fünf Minipigs führten wir eine zusätzliche [¹¹C] Carfentanil-PET-Sitzung nach der ersten Saccharose-Exposition. Wir berechneten voxelweise Bindungspotentiale (BP_ND) unter Verwendung des Kleinhirns als Region der nicht verschiebbaren Bindung, analysierte Unterschiede mit statistischen nicht parametrischen Kartierungen und führte eine regionale Analyse durch. Nach 12 Tagen Saccharose-Zugang wird BP_ND der beiden Tracer waren in Striatum, Nucleus accumbens, Thalamus, Amygdala, cinguliertem Cortex und präfrontalem Cortex signifikant zurückgegangen, was mit einer Herunterregulierung der Rezeptordichten vereinbar war. Nach einmaliger Exposition gegenüber Saccharose fanden wir eine verminderte Bindung von [¹¹C] Carfentanil im Nucleus accumbens und im cingulären Kortex im Einklang mit der Opioidfreisetzung. Die geringere Verfügbarkeit von Opioid- und Dopaminrezeptoren könnte das Suchtpotential erklären, das mit der Einnahme von Saccharose verbunden ist.

Fünf Prozent der Weltbevölkerung sind klinisch fettleibig¹. Fettleibigkeit ist ein Kennzeichen des metabolischen Syndroms und wird mit Typ-2-Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Atemwegserkrankungen sowie dem Risiko für Depressionen und möglicherweise Demenz in Verbindung gebracht². Der erhöhte Verbrauch von energiedichten Nahrungsmitteln hat die physiologische Unterscheidung zwischen homöostatischem Hunger, der auf Nahrungsentzug folgt, und hedonischem Hunger oder "Verlangen", das ohne Entzug auftritt, übertrieben^3,4. Da die homöostatische Regulation allein den gegenwärtigen Anstieg der Fettleibigkeit nicht erklären kann, ist es obligatorisch, die Wirkung der süchtig machenden Eigenschaften von hoch schmackhaften Nahrungsmitteln auf die Belohnungs- und Genussmechanismen des Gehirns zu testen.

Der Konsum von Saccharose ist mit Fettleibigkeit verbunden, und Saccharose wird zunehmend als Suchtmittel angesehen⁵. Einige Ergebnisse stehen im Widerspruch zu dieser Behauptung, da es schwierig ist, nicht schmackhaften Lebensmittelkonsum von hedonischen Lebensmittelreaktionen zu trennen und den süchtig machenden Inhaltsstoff in verarbeiteten Lebensmitteln sowie die verschiedenen Mechanismen zu bestimmen, durch die Lebensmittel die Schaltkreise des Gehirns über natürliche Pfade verändern⁶. In bestimmten Situationen führt die Einnahme von Saccharose jedoch zu Belohnungen und Begierden, die in ihrer Größe mit denen von Suchtmitteln vergleichbar sind und zu Überkonsum und eventuellem Übergewicht führen^6,7.

Hunger ist mit „Wollen“ verbunden, das in einer Reihe von Belohnungssituationen eng mit den Auswirkungen der dopaminergen Neurotransmission zusammenhängt⁸Es bleibt jedoch unklar, wie die Wirkung von Dopamin (DA) als Reaktion auf zwanghaftes Essen moduliert wird. Der Verzehr von schmackhaften Nahrungsmitteln hängt mit dem „Liken“ zusammen, das in erster Linie durch das endogene Opioidsystem, insbesondere den μ-Opioidrezeptor (μOR), vermittelt wird.^9,10Dies kann bei einer Deregulierung zu einem Überkonsum führen. In diesem Bericht testen wir die Behauptung, dass Saccharose zu einer Opioid- und Dopaminfreisetzung führt, die die Verfügbarkeit von μOR- und DA D2 / 3-Rezeptoren senkt. Die Verfügbarkeit ist ein Index für die Anzahl der nicht besetzten Rezeptoren, die für die Tracerbindung verfügbar sind, und unterscheidet im Prinzip nicht zwischen Ligandenbelegung und Rezeptordichte¹¹.

Das Einsetzen von zwanghaftem Essen hängt von mehreren Faktoren ab, und Kausalstudien am Menschen werfen ethische Fragen auf. Die Mehrzahl der Studien befasst sich daher mit dem Fütterungsverhalten bei Ratten¹². Obwohl Ratten einen „süßen Zahn“ haben, unterscheiden sich ihre homöostatischen Mechanismen, die für die Gewichtszunahme, den Stoffwechsel und die Art der Fettansammlung wichtig sind, erheblich von denen des Menschen. Das Göttinger Minipig ist ein großes Allesfresser-Tier mit einem gut entwickelten gyrencephalen Gehirn, das mit ausreichender Auflösung abgebildet werden kann. Seine gut definierten subkortikalen und präfrontalen kortikalen Regionen¹³ ermöglichen eine direktere Übersetzung in die menschliche Gehirnfunktion. Hier verwenden wir die Positronenemissionstomographie (PET) zum Testen in vivo Verfügbarkeit von μOR und DA D2 / 3 in einem Minipig-Modell der subchronischen Saccharoseexposition. In einer kleineren Stichprobe untersuchten wir die unmittelbaren Auswirkungen auf die μOR-Belegung nach der ersten Exposition gegenüber Saccharose. Schließlich testeten wir die Beziehung zwischen den Änderungen der Rezeptorverfügbarkeit der beiden Tracer.

Durchschnittliche Parameterkarten von [¹¹C] Carfentanil und [¹¹C] Racloprid-Bindungspotential (BP_ND) sind in Abb. 1. Analyse der Veränderungen, die nach der ersten Saccharoseexposition bei fünf Minipigs im Vergleich zum Ausgangswert und einen Tag nach dem Zwölften aufgetreten sind^th Der Saccharose-Zugang bei sieben Minischweinen im Vergleich zum Ausgangswert wurde mithilfe der Permutationstheorie und der nicht regional beschränkten Ganzhirnanalyse untersucht, die für Proben dieser Größe die bevorzugte Methode war¹⁴.

Durchschnittliches voxelweises nicht verschiebbares Bindungspotential (BP_ND) Karten überlagern MRT-Bilder in sagittaler Ansicht. Daten werden präsentiert für [¹¹C] Carfentanil BP_ND der 5 zu Studienbeginn abgebildeten Minischweine nach anfänglicher Saccharoseexposition und nach 12 Tagen Saccharoseexposition (obere Reihe). [¹¹C] Carfentanil BP_ND Von allen 7 zu Studienbeginn und nach 12 Tagen Saccharose-Zugang abgebildeten Minischweinen sind in der mittleren Reihe dargestellt. [¹¹C] Racloprid BP_ND Von allen 7 zu Studienbeginn und nach 12 Tagen Saccharosezugang abgebildeten Minischweinen sind in der unteren Reihe gezeigt. Beachten Sie, dass die Farbskala exponentiell ist, um die [¹¹C] Racloprid BP_ND in extrastriatalen Regionen.

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Anfängliche Saccharose-Exposition

In den fünf mit [¹¹C] Carfentanil zu Studienbeginn und unmittelbar nach der ersten Saccharoseexposition fanden wir eine signifikant verringerte Tracerbindung im vorderen cingulären Kortex und im Nucleus accumbens als Reaktion auf Saccharose, dargestellt in Farbe in Abb. 2, was p <0.05 anzeigt. Wir konnten in beiden Bereichen eine um bis zu 14% verringerte Tracerbindung im Vergleich zum Ausgangswert feststellen.

Signifikante Abnahmen in [¹¹C] Carfentanil BP_ND nach der ersten Saccharosewasserexposition im Vergleich zum Ausgangswert (n = 5). Nur Voxel mit signifikanten (p <0.05) Abnahmen werden als farbige Bereiche gezeigt, die auf T1-gewichtete MRT-Schnitte in Höhe des vorderen cingulären Kortex (links) und des Nucleus accumbens (Mitte) eines stereotaktischen Minipig-Hirnatlas projiziert werden. Beachten Sie, dass das mit 5 Tieren erreichbare maximale Signifikanzniveau 2 beträgt^-5 0.031 (siehe Farbbalken). Die Daten werden an koronalen Schnitten des Schweinehirns in den auf dem Sagittalbild (rechts) angegebenen Konzentrationen präsentiert.

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12 Tage Saccharose-Zugang

Wir führten dann die Analyse von sieben Minischweinen durch, die mit [¹¹C] Carfentanil zu Studienbeginn und nach 12-tägigem Zugang zu Saccharose und zeigte bei Saccharose-exponierten Tieren im Vergleich zu Studienbeginn eine signifikant verringerte Tracerbindung. Die am stärksten betroffenen Regionen sind in Abb. XNUMX rot dargestellt. 3 (p <0.01) und umfassen Teile der Geruchsstrukturen, des Nucleus accumbens / ventralen Striatum und des temporalen Kortex / Lappens, gefolgt von gelb dargestellten Bereichen (p <0.015), die Teile des präfrontalen Kortex, des cingulären Kortex, der Amygdala und des Hirnstamms enthielten . Um BP zu erhalten_ND Englisch: eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUri...XNUMX: EN: HTML Wir führten eine regionale Analyse durch und bewerteten die prozentuale Veränderung. Dabei ermittelten wir Mittelwerte für jede Region zu Studienbeginn und nach Saccharose - Verbrauch (Abb. 4).

Signifikante Abnahmen in [¹¹C] Carfentanil-Bindungspotential (BP_ND) zwischen dem Ausgangswert und nach 12 Tagen Exposition gegenüber Saccharosewasser (n = 7). Die Voxel mit signifikanten (p <0.05) Abnahmen werden als farbige Bereiche gezeigt, die auf T1-gewichtete MRT-Schnitte aus einem stereotaktischen Minipig-Hirnatlas projiziert werden. Die Daten werden auf koronalen Hirnschnitten in den auf dem Sagittalbild (unten rechts) angegebenen Werten dargestellt. Beachten Sie, dass das mit 7 Tieren erreichbare maximale Signifikanzniveau 2 beträgt^-7 ≈ 0.0078 (siehe Farbbalken).

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Regionale Analyse von [¹¹C] Carfentanil-Bindungspotential (BP_ND) zwischen dem Ausgangswert und nach 12 Tagen Exposition gegenüber Saccharosewasser (n = 7). Die Daten werden als Mittelwert ± Standardfehler dargestellt.

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Wir verwendeten [¹¹C] Racloprid als Tracer für DA D2 / 3 - Rezeptoren in striatalen und extrastriatalen Hirnregionen bei Minischweinen zu Studienbeginn und nach 12 Tagen Saccharosezugang (Abb. 1). Wir fanden eine verringerte Tracerbindung bei Tieren, die Saccharose ausgesetzt waren, im Vergleich zum Ausgangswert mit den größten Effekten (p <0.01) in Bereichen des präfrontalen Kortex, des Nucleus accumbens / ventralen Striatum, des cingulierten Kortex, der Amygdala, des Thalamus, des Mesencephalons, der Hippocampusregionen und der Riechbereiche (Feige. 5). Daten aus der regionalen Analyse sind in Abb. 6.

Signifikante Abnahmen in [¹¹C] Racloprid-Bindungspotential (BP_ND) zwischen dem Ausgangswert und nach 12 Tagen Exposition gegenüber Saccharosewasser (n = 7). Die Voxel mit signifikanten (p <0.05) Abnahmen werden als farbige Bereiche gezeigt, die auf T1-gewichtete MRT-Schnitte aus einem stereotaktischen Minipig-Hirnatlas projiziert werden. Die Daten werden an koronalen Schnitten des Schweinehirns in den auf dem Sagittalbild (unten rechts) angegebenen Werten dargestellt. Beachten Sie, dass das mit 7 Tieren erreichbare maximale Signifikanzniveau 2 beträgt^-7 ≈ 0.0078 (siehe Farbbalken).

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Regionale Analyse von [¹¹C] Racloprid-Bindungspotential (BP_ND) zwischen dem Ausgangswert und nach 12 Tagen Exposition gegenüber Saccharosewasser (n = 7). Die Daten werden als Mittelwert ± Standardfehler dargestellt.

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Korrelationen zwischen [¹¹C] Racloprid und []¹¹C] Carfentanil-Daten

Wir haben die mögliche Korrelation zwischen [¹¹C] Racloprid und []¹¹C] Carfentanil-Werte von BP_ND in striatalen und nichtstriatalen Regionen bei Minischweinen zu Studienbeginn und nach 12-tägiger Saccharoseaufnahme, ohne dass Assoziationen beobachtet wurden. Wir testeten dann, ob die Abnahme der Tracerbindung korreliert war, und verglichen die Veränderungen des Blutdrucks_ND zum [¹¹C] Racloprid mit den Veränderungen des BP_ND zum [¹¹C] Carfentanil nur bei den Minipigs mit niedrigerem Blutdruck_ND beider Tracer nach Saccharoseaufnahme (n = 6). Wir fanden signifikante negative Korrelationen in gemittelten extrastriatalen (r² = 0.91, p <0.01), jedoch nicht in striatalen Regionen (Abb. 7).

Korrelationen zwischen vor minus nach Rückgang von [¹¹C] Racloprid und []¹¹C] Carfentanil-Bindungspotentiale (BP_ND) bei Minipigs mit verminderter Tracerbindung nach Saccharoseaufnahme (n = 6). Es werden Daten aus den gemittelten extrastriatalen Regionen (oben) und dem Striatum (unten) dargestellt. Der Bestimmungskoeffizient (r²) und die p-Werte werden für jedes Diagramm angezeigt.

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Wir haben die Auswirkungen eines wiederholten intermittierenden Zugangs zu Saccharose auf die Opioid- und DA-Neurotransmission im Gehirn von Säugetieren bestimmt. Längsrichtung in vivo Die PET-Bildgebung der μOR- und DA D2 / 3-Rezeptoren ergab eine verringerte Rezeptorverfügbarkeit im gesamten Belohnungskreislauf, einschließlich des Nucleus accumbens, des präfrontalen Kortex und des anterioren cingulären Kortex. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass Saccharose die Belohnungsmechanismen auf ähnliche Weise beeinflusst wie Drogenmissbrauch.

Es ist bekannt, dass die Aufnahme von Saccharose als schmackhafte Substanz DA freisetzt und bei Nagetieren eine Abhängigkeit hervorruft¹⁵, wobei gezeigt wurde, dass Saccharose bei Nagetieren in bestimmten Zusammenhängen noch angenehmer ist als Kokain. Daher arbeiten Nagetiere auch ohne Nahrungsentzug intensiver an der Gewinnung von Saccharose als an Kokain⁵. Die Wirkungen von Saccharose werden jedoch sowohl durch das homöostatische System als auch durch hedonische Belohnungskreise reguliert^16,17 Dies kann die Unterscheidung zwischen ernährungsphysiologischen und hedonistischen Aspekten der Saccharosewirkung vermitteln¹⁸. Wir entschieden uns für einen Tagesplan von einer Stunde, um das „Binging“ zu fördern, da frühere Studien an Ratten in einem intermittierenden Zeitplan eine höhere Aufnahme während der ersten Stunde des täglichen Zugangs gezeigt hatten^15,19. Verhaltensstudien zur Nahrungsaufnahme zielen häufig auf Tiere mit Nahrungsmittelbeschränkung ab, aber das Design muss nicht unbedingt dieselben neuronalen Mechanismen widerspiegeln, die bei Fettleibigkeit aktiv sind. Schweine in der vorliegenden Studie waren nicht auf Nahrungsmittel beschränkt und erhielten neben dem Zugang zu Saccharose die üblichen Mengen ihrer normalen Nahrung.

Opioidrezeptoren (OR) sind im Gehirn weit verbreitet, insbesondere in Strukturen, von denen bekannt ist, dass sie Ess- und Belohnungsprozesse modulieren²⁰. Es hat sich gezeigt, dass OPs für die lohnenden und rezidivierenden Wirkungen von Kokain wichtig sind^21,22,23,24. Bindungsänderungen wurden auch mit den homöostatischen Reaktionen auf das Essen und dem Genuss von schmackhaftem Essen in Verbindung gebracht²⁵. Insbesondere hängt das „Mögen“ von Lebensmitteln mit dem endogenen Opioidsystem, insbesondere dem μOR, zusammen^9,10 in der Schale des Nucleus accumbens und des ventralen Pallidums²⁶. Infusionen eines μOR-Agonisten in bestimmte Teile des Nucleus accumbens und des ventralen Pallidums verstärken das „Liking“ -Verhalten, einschließlich Zungenvorsprüngen und Pfoten lecken, nach einer erhöhten schmackhaften Nahrungsaufnahme^27,28,29. Weitere Hinweise auf Opioidsignale bei der Verarbeitung der hedonischen Regulation stammen von μOR-Antagonisten, die den Verzehr von wohlschmeckendem Futter in beiden Fällen dämpfen ad libitumTiere mit Futter- und Lebensmittelbeschränkungen, jedoch mit geringerem Einfluss auf die Aufnahme von nicht schmackhaften Standardpellets^30,31. Beim Menschen verringern μOR-Antagonisten die kurzfristige Nahrungsaufnahme und verringern die Angenehmheit von schmackhaften Nahrungsmitteln^32,33,34. Opioidsignale in der basolateralen Amygdala tragen auch dazu bei, dass Lebensmittel „fehlen“, indem sie die Belohnungssuche und den Anreizwert von Lebensmitteln modulieren³⁵.

Mit [¹¹C] Carfentanil erhielten wir Bilder der Tracer-Bindung, die sowohl auf μOR-Spiegel als auch auf die Freisetzung endogener Opioide im Gehirn ansprechen^36,37. Wir stellten einen sofortigen Verlust der μOR-Verfügbarkeit in Bereichen des Nucleus accumbens und des anterioren cingulären Kortex, spezifischen Gehirnregionen des Belohnungswegs, nach anfänglichem Verbrauch von Saccharose durch fünf Minischweine fest, was mit einer endogenen Opioidfreisetzung vereinbar ist. Frühere Studien haben gezeigt, dass schmackhaftes Essen zu Lustgefühlen führen kann³⁸ durch Stimulierung der Opioidfreisetzung. Nach 12 Tagen Saccharose-Zugang beobachteten wir einen Rückgang [¹¹C] Carfentanil-Bindung, die mehrere mögliche Erklärungen hat³⁹ einschließlich endogener Opioidfreisetzung und Bindung an μOR, μOR-Internalisierung als Ergebnis einer erhöhten Opioidbindung und einer erhöhten DA D2 / 3-Rezeptoraktivierung, was zu einer heterologen Desensibilisierung von μOR führt⁴⁰.

Zur Untermauerung der vorliegenden Ergebnisse [¹¹C] Carfentanil-Studien an Patienten mit Bulimie⁴¹Fettleibigkeit^42,43,44und Essstörung⁴⁵, zeigen eine verminderte Rezeptorverfügbarkeit. Dies sind jedoch chronische Zustände, während die Minischweine nur 12 Tage lang Saccharose erhielten. In einer Studie zum akuten Fütterungsverhalten bei gesunden Männern führte die Fütterung zu einer robusten und weit verbreiteten endogenen zerebralen Opioidfreisetzung, sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von Hedonie, was darauf hindeutet, dass die Opioidfreisetzung metabolische und homöostatische sowie hedonische Reaktionen widerspiegelt²⁵. Diese Studie bildete zusammen mit einer anderen die Patienten nach einer flüssigen Mahlzeit mit Schokoladengeschmack ab⁴⁴, ist direkt relevant für die akute Untersuchung von fünf Minipigs nach der ersten Saccharoseexposition, unterscheidet sich jedoch von der subchronischen Saccharoseexposition über 12 Tage, bei der die verringerte Rezeptorverfügbarkeit eher auf wiederholte Überstimulation und gleichzeitige Herunterregulierung von μOR zurückzuführen ist.

Der präfrontale Kortex ist wichtig für die Entscheidungsfindung und die Wertschätzung von Gegenständen. Daher kann das μOR im präfrontalen Kortex für die veränderte Bewertung der Lebensmittelqualität verantwortlich sein, die das Suchtpotenzial von Lebensmitteln erhöhen kann. Wir haben eine verminderte Bindung im präfrontalen Kortex festgestellt, was mit früheren Studien übereinstimmt, die zeigten, dass eine fettreiche Ernährung die Konzentration von μOR-mRNA im präfrontalen Kortex senkt⁴⁶ und dass die Infusion eines μOR-Agonisten in die präfrontale Kortikalis die Aufnahme von Süßspeisen erhöht⁴⁷. Es stellt sich jedoch erneut die Frage, ob die fettreiche Ernährung eine chronischere Erkrankung ist, die mit größerer Wahrscheinlichkeit eine Herunterregulierung des Rezeptors bewirkt, als dies bei der kurzfristigen Fütterung mit Saccharose der Fall ist Auch nach 12 Tagen Saccharose.

DA wurde in Belohnungen von Drogen und Verhalten verwickelt. Es wurde festgestellt, dass chronischer Kokainkonsum die DA-Signalübertragung hemmt⁴⁸. DA D1- und D2 / 3-Rezeptorwerte werden durch Nikotin im Schweinehirn verändert⁴⁹und bei nichtmenschlichen Primaten mit Kokainmissbrauch in der Vorgeschichte⁵⁰Dies steht im Einklang mit der Herunterregulierung von D2 / 3-Rezeptoren im Gehirn menschlicher Kokainsüchtiger^51,52. In Bezug auf Drogenmissbrauch wurde gezeigt, dass Saccharose DA D1-Rezeptoren hochreguliert¹⁹ und erhöhen Sie die DA-Version⁵³Dies stärkt die Rolle von DA, wenn es darum geht, in Bezug auf schmackhafte Lebensmittel „zu wollen“. Frühere PET-Studien haben eine Abnahme der Verfügbarkeit von DA D2 / 3-Rezeptoren bei krankhafter Fettleibigkeit im Vergleich zum Durchschnittsgewicht gezeigt^54,55in der Größenordnung ähnlich wie bei drogenabhängigen Patienten⁵⁶und bei Tieren mit Adipositas-Modellen⁵⁷. In Nagerstudien fördert der Abbau des D2 / 3-Rezeptors im Striatum die Entwicklung von Zwangsfutter bei Ratten mit Zugang zu wohlschmeckendem Futter⁵⁷.

Unsere Beobachtungen einer verminderten D2 / 3-Rezeptorverfügbarkeit des Schweins können auf einen erhöhten DA-Spiegel als Reaktion auf die mit der Saccharoseaufnahme verbundene Anreizwirkung hinweisen, da DA als Teil des Mangels an Drogen und anderen lustvollen Aktivitäten freigesetzt wird^52,58,59,60. Da die Schweine während der Bildgebung anästhesiert wurden und innerhalb von 24 Stunden keine Saccharose erhalten hatten, verringerte sich der D2 / 3-Blutdruck_ND Wahrscheinlicher ist eine Verringerung der Anzahl der Rezeptoren als Reaktion auf einen längeren Anstieg der DA-Freisetzung an jedem der 12 Tage nach dem Zugang zu Saccharose. Die Reduktion kann die Belohnungsschwellen des Gehirns erhöhen, was mit einer Herunterregulierung der DA-D2-Rezeptoren im Striatum zusammenhängt. Dies könnte die erhöhte Anfälligkeit für Drogenmissbrauch erklären, die in früheren Studien an Ratten bei übermäßigem Verzehr von Saccharose beobachtet wurde und zu einer Kreuzsensibilisierung gegen Kokain, einer Hyperaktivität nach niedrig dosiertem Amphetamin, einem erhöhten Alkoholkonsum bei Verzicht auf Saccharose und einer Toleranz gegenüber analgetischen Wirkungen von Opiaten führte⁶.

Eine frühere Studie über Fettleibigkeit am Göttinger Minischwein identifizierte einen verminderten zerebralen Blutfluss im Nucleus accumbens, im ventralen tegmentalen Bereich (VTA) und im präfrontalen Kortex mit der Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) des Gehirns⁶¹. In Übereinstimmung mit diesen Befunden beobachteten wir eine verminderte DA D2 / 3-Bindung in der Ventroforebrain-Region, die den Nucleus accumbens enthält, und im präfrontalen Kortex. Die extrazellulären DA-Spiegel im Nucleus accumbens sind nach Saccharoseaufnahme bei sich frei bewegenden Ratten, die einer Mikrodialyse unterzogen werden, um das Dreifache erhöht⁶². Bei saccharoseabhängigen Tieren kann die wiederholte Aufnahme von Saccharose zur Freisetzung von DA aus der Hülle des Nucleus accumbens führen⁶³. Tiere, die mit eingeschränkter Nahrung mit eingeschränktem Zugang zu Saccharose gefüttert wurden, wiesen eine geringere DA-D2-Rezeptorbindung in der Nucleus-accumbens-Schale und im dorsalen Striatum auf⁶⁴. Eine eingeschränkte Ernährung mit hohem Fett- und Saccharosegehalt kann zu einer anhaltenden Herunterregulierung der D1- und D2-Rezeptor-mRNA im Nucleus accumbens führen⁶⁵. Eine Mikrodialysestudie der Wirkungen schmackhafter Lebensmittel ergab eine erhöhte DA-Freisetzung im Nucleus accumbens und im präfrontalen Kortex, als das Lebensmittel noch als neu galt. Sobald sich die Ratten an das neue Futter gewöhnt hatten, war die erhöhte Freisetzung im Nucleus accumbens, nicht jedoch im präfrontalen Kortex, abgestumpft⁶⁶. Die unterschiedliche Anfälligkeit für Gewöhnung und Konditionierung der Aktivität in zwei Regionen erklärt möglicherweise die stärkere Zunahme des präfrontalen Kortex als bei Nucleus accumbens von Minipigs, die derselben schmackhaften Substanz ausgesetzt waren und nach zwölf Tagen an Neuheit verloren haben. Da wir jedoch keine Minischweine mit [¹¹C] Racloprid nach der ersten Saccharoseverabreichung, diese Erklärung ist spekulativ.

Der präfrontale Kortex moduliert die exekutive Funktion, Entscheidungsfindung und Selbstkontrolle⁶⁷. Eine gestörte DA-Neurotransmission im präfrontalen Kortex beeinträchtigt die Modulation der Belohnungsverarbeitung, was auf eine Beeinträchtigung der Exekutivfunktion und Entscheidungsfähigkeit bei übergewichtigen Personen hindeutet^68,69. Darüber hinaus korrelierte eine humane PET-Studie einen verminderten frontalen Kortexstoffwechsel mit einer verminderten striatalen D2-Bindung bei Adipositas⁷⁰. Hier finden wir eine verringerte Verfügbarkeit von D2 / 3-Rezeptoren im präfrontalen Cortex, einschließlich des orbitofrontalen Cortex von Schweinen, die dem Saccharose-Regime ausgesetzt waren.

Dopaminerge Neuronen der VTA senden Projektionen an den Hippocampus und die Amygdala, wo sie das gewohnheitsmäßige Verhalten unterstützen⁷¹ und Vermittlung der Kodierung und Wiedergewinnung der Konditionierung zum Arzneimittel^72,73 und Essen Hinweise^74,75. Die Bildgebung des menschlichen Gehirns hat eine Aktivierung des Hippocampus als Reaktion auf Heißhunger und Verkostung von Lebensmitteln gezeigt⁷⁶. In Übereinstimmung mit unseren Erkenntnissen über eine verringerte Verfügbarkeit von Hippocampus- und Amygdalar-D2 / 3-Rezeptoren als Reaktion auf Saccharose wurde die Kartierung des menschlichen Gehirns mit [¹⁸F] Fallyprid zeigte eine Kokain-Cue-induzierte DA-Freisetzung in Amygdala und Hippocampus⁷⁷. In Gehirnen von Nagetieren löste die Exposition gegenüber Kokain eine DA-Freisetzung in der Amygdala aus⁷⁸Veränderungen des Amygdala-DA-Spiegels beeinflussten das Verhalten bei der Suche nach Kokain⁷⁹.

In einer Studie an adipösen Personen wurde der Zusammenhang zwischen D2 / 3 und μOR-Verfügbarkeiten, von denen bekannt ist, dass sie in striatalen Regionen von schlanken Personen bestehen, im ventralen Striatum gestört⁸⁰. Wir haben die Werte von BP verglichen_ND der beiden Tracer, um zu testen, ob die Daten diesen Effekt reproduzieren. Im Gegensatz zu schlanken Menschen hatten die gegenwärtigen Gehirne von Schweinen keine Korrelation zwischen den BP-Werten_ND der beiden Tracer zu Studienbeginn oder nach Exposition gegenüber Saccharose. Wir testeten dann, ob die Tiere mit der größten Abnahme der Tracer-Racloprid-Bindung auch die größte Abnahme der Tracer-Carfentanil-Bindung aufweisen würden. Stattdessen fanden wir eine negative Korrelation in den gemittelten extrastriatalen Regionen, was darauf schließen lässt, dass Tiere mit der größten Änderung des Bindungspotentials von Tracer-Racloprid hatte die geringste Veränderung des Bindungspotentials von Tracer-Carfentanil. Die umgekehrte Beziehung zwischen den Änderungen legt nahe, dass die Auswirkungen der Saccharoseaufnahme auf die Verfügbarkeit der jeweiligen Rezeptoren in entgegengesetzte Richtungen reguliert werden. Es ist bekannt, dass übermäßiger Konsum von schmackhaften Nahrungsmitteln oder Drogen durch Mangel oder Gefallen oder durch beides verursacht werden kann^60,81. Es ist möglich, dass das Ausmaß des von Dopamin getriebenen Wunsches das Ausmaß des von Opioiden getriebenen Wunsches negiert oder umgekehrt. Jüngste Erkenntnisse deuten auf die Rolle der GABA hin_A Rezeptoren in den VTA- und cholinergen Terminals im Striatum und möglicherweise im Cortex, die als Schalter zwischen dopaminabhängigen und dopaminunabhängigen Mechanismen der Opioidwirkung fungieren^82,83 Dies könnte die Reziprozität von Dopamin- und Opioideffekten in den hier bestimmten extrastriatalen Regionen von Schweinen erklären.

Ein Nachteil von PET, auch bei vergleichsweise großen Tieren, ist die begrenzte räumliche Auflösung der Tomographie, die sich auf die Ergebnisse kleiner Gehirnregionen auswirkt, die an Verhaltensweisen im Zusammenhang mit Lebensmitteln beteiligt sind. Trotz dieser Bedenken [¹¹Die Bindung von C] Racloprid wurde zuvor sowohl in striatalen als auch in extrastriatalen Regionen aufgezeichnet^84,85,86,87. Die Verwendung von [¹¹C] Racloprid zur Markierung des gleichen Rezeptortyps wirft keine Bedenken hinsichtlich möglicher Affinitätsunterschiede auf, die sich auf die Verwendung separater Tracer für die gleichen Rezeptoren in verschiedenen Regionen auswirken können. Jüngste Studien enthielten Aufzeichnungen über die extrastriatale Bindung von [¹¹C] Racloprid. Alakurtti et al. fanden eine gute Reproduzierbarkeit der Messungen der striatalen Raclopridbindung im Striatum bei nur guter bis mäßiger Reproduzierbarkeit im Kortex⁸⁵. In einer späteren Studie, Svensson et al. erörterte mehrere Probleme, die die Verwendung von [¹¹C] Racloprid als Marker für extrastriatale D2 / 3-Rezeptoren in einer Studie an gesunden Menschen, einschließlich schlechter Reproduzierbarkeit im Kortex und begrenzter Abnahme der extrastriatalen Bindung im frontalen Kortex als Reaktion auf ein D2 / 3-Blockierungsmittel⁸⁸. Die Test-Retest-Vergleiche ergaben Variabilitäten von 4–7% im Striatum und 13–59% in kortikalen Regionen, aber die Zeit zwischen den Untersuchungen betrug im Gegensatz zu den informativeren 20–1 Tagen der meisten Studien durchschnittlich 2 Tage. Möglicherweise hatten einige Faktoren im Leben dieser Probanden Zeit, die Ergebnisse zu beeinflussen. In der Tat zeigen wir hier, dass die bloße Zugabe von Saccharose zu einer Morgenroutine für 12 Tage die zwei Wochen später erhaltenen Bindungsmaßnahmen beeinflusst haben kann. Andere Faktoren, wie das Spielen von Videospielen, das Einkaufen, das Eingehen neuer romantischer Beziehungen und sexueller Aktivitäten, der Konsum von Drogen oder das Ändern von Ernährung und Bewegung, können den extrastriatalen Dopaminspiegel beeinflussen und möglicherweise die Datenmengen stark variieren. Die aktuelle Studie an Minischweinen führte eine gut kontrollierte Regelung ein, wobei die einzige Variable das Fehlen oder Vorhandensein von Saccharose im Futter war. In diesem Zusammenhang wiesen die Daten von sieben Tieren in relevanten extrastriatalen Regionen eine ausreichend geringe Variabilität auf, um eine statistisch signifikante Verringerung der Bindung als Reaktion auf Saccharose zu identifizieren.

Eine Einschränkung der aktuellen Studie ist der Einsatz von Anästhetika, die zur Sicherstellung der Immobilität während der Studie erforderlich sind in vivo Bildgebung von Tieren. Die Wirkungen spezifischer Anästhetika und ihre Wechselwirkungen mit Arzneimitteln oder anderen Interventionen können die Bindung von Radioliganden stören^89,90. Ketamin ist ein Antiglutamatergikum mit schneller antidepressiver Wirkung in subanästhetischen Dosen^91,92,93, die nicht striatal reduzieren [¹¹C] Raclopridbindung beim Menschen⁹⁴. Es wurde jedoch festgestellt, dass S-Ketamin die Bindungsverfügbarkeit von Dopamin-D2 / 3-Rezeptoren im Striatum von bewussten nicht-menschlichen Primaten verringert⁹⁵. Isofluran ist ein gängiges Anästhetikum in der Tier-PET. In früheren Studien fanden wir eine striatale Akkumulation von [¹¹C] SCH23390, ein Radioligand der Dopamin-D1-Rezeptoren, der bei mit Isofluran anästhesierten Minischweinen signifikant höher ist als bei Propofol, was darauf hindeutet, dass die dopaminerge Neurotransmission anfällig für Narkoseeffekte ist⁹⁶. In der aktuellen Studie wurden alle Minischweine zu beiden Zeitpunkten unter Ketaminvorbehandlung und Isoflurananästhesie abgebildet, was die vorliegenden Vergleiche gültig machte.

Übermäßiger Verzehr von schmackhaften Nahrungsmitteln kann sowohl zu einer Abhängigkeit führen als auch zu einer Folge davon mit direkten Folgen für die Gesundheit durch Fettleibigkeit. Wir testeten die Behauptung, dass Opioide und Dopamin Belohnungen vermitteln, die sowohl für das Überleben als auch für den Drogenmissbrauch wichtig sind. Minischweine mit intermittierendem Zugang zu einer Saccharoselösung an 12 aufeinanderfolgenden Tagen zeigten eine verminderte Verfügbarkeit von Dopamin D2 / 3 und μ-Opioidrezeptoren in Hirnregionen im striatalen und extrastriatalen Bereich verbraucht werden. Die anfängliche einmalige Exposition gegenüber Saccharose stimmte mit der Opioidfreisetzung in belohnend aktiven Hirnregionen überein. Die Veränderungen der Opioid- und Dopaminverfügbarkeit erklären das Suchtpotential von übermäßig konsumierter Saccharose.

Tierethik

Diese Studie wurde von der dänischen Aufsichtsbehörde für Tierversuche genehmigt und reguliert. Alle Versuche wurden gemäß der Richtlinie 2010/63 / EU des Europäischen Parlaments und des Rates zum Schutz von Tieren für wissenschaftliche Zwecke und den ARRIVE-Richtlinien durchgeführt. Wir verwendeten sieben 6 Monate alte weibliche Göttinger Minischweine (Ellegaard, Dalmose, Dänemark). Den Minipigs wurde eine Pelletdiät (2 dl, XNUMX-mal täglich, Special Diets Services, Aarhus, Dänemark) mit Leitungswasser zur Verfügung gestellt ad libitum. Die Umgebungstemperatur betrug 20–22 ° C, die relative Luftfeuchtigkeit 50–55%, und die Luft wurde achtmal pro Stunde gewechselt.

Intermittierender Saccharose-Verbrauch

Wir haben sieben Minischweine mit [¹¹C] Racloprid und []¹¹C] Carfentanil zu Studienbeginn und erneut einen Tag nach 12 aufeinanderfolgenden Tagen Saccharosewasserexposition. Die Saccharoseexposition bestand aus einer Stunde Saccharose (Saccharose, Dansukker, Kopenhagen, Dänemark) Wasserzugang (500 Gramm Saccharose in 2 Litern Wasser) täglich während eines Zeitraums von 12 Tagen. Die Menge der Saccharoseaufnahme wurde aufgezeichnet und alle Minischweine verbrauchten an jedem Tag 2 Liter. Wir haben auch fünf gleiche Minischweine mit [¹¹C] Carfentanil, 30 Minuten nach dem ersten Saccharosezugang, um die akute Opioidfreisetzung zu untersuchen.

Die Minischweine nahmen nach der 13.6-tägigen Saccharoseexposition, die signifikant höher war (einseitiger t-Test, p <), durchschnittlich 25.4% Körpergewicht von 0.73 kg (± 28.9 SEM) zu Studienbeginn auf 0.69 kg (± 12 SEM) zu Studienbeginn zu 0.001) als die Erhöhungen, die bei einer Stichprobe von Kontroll-Minischweinen beobachtet wurden, die in früheren Studien erhalten wurden, in denen das Gewicht im gleichen Entwicklungszeitraum im Durchschnitt nur um 4.9% zunahm.

Gehirn-PET-Bildgebung

Wir fasteten Schweine über Nacht mit freiem Zugang zu Wasser vor der Bildgebung. Wir haben Minischweine wie zuvor beschrieben vorbehandelt und anästhesiert⁹⁷ und liegend in ein PET / CT-Gerät (Siemens Biograph 64 Truepoint PET) gelegt. Wir führten vor jeder PET-Erfassung einen CT-Scan mit niedriger Dosis durch, um die anatomischen Daten zu bestimmen und die Abschwächung der PET-Emissionsdaten zu korrigieren. Wir verabreichten intravenös [¹¹C] Racloprid zu Studienbeginn (360 ± 18 MBq, spezifische Aktivität 77 ± 76 GBq / μmol, injizierte Masse 0.12 ± 0.08 μg / kg) und nach 12 Tagen Saccharose (374 ± 54 MBq, spezifische Aktivität 127 ± 85 GBq / μmol), eingespritzte Masse 0.06 ± 0.05 μg / kg) und [¹¹C] Carfentanil zu Studienbeginn (377 ± 43 MBq, spezifische Aktivität 311 ± 195 GBq / μmol, injizierte Masse 0.03 ± 0.02 μg / kg) und nach 12 Tagen Saccharose (337 ± 71 MBq, spezifische Aktivität 177 ± 157 GBq / μmol), injizierte Masse (0.06 ± 0.08 μg / kg) über die Ohrvene in 10 ml Kochsalzlösung während der ersten Minute eines 90-minütigen Scans. Wir haben PET-Daten mit TrueX 3D OSEM (3 Iterationen, 21 Teilmengen), einer 256 × 256 × 109-Matrix und einem 2-mm-Gauß-Filter unter Verwendung einer Zeitrahmenstruktur von 5 × 60, 3 × 300, 4 × 600 rekonstruiert 2 × 900 Sekunden (insgesamt 14 Bilder, 90 Minuten). Zu Studienbeginn und nach 12 Tagen Saccharose wurden die beiden Tracer aufgrund der Halbwertszeit von [¹¹C] PET-Tracer. Nach Abschluss der letzten PET-Sitzung haben wir die Minischweine unter Vollnarkose durch eine intravenöse Überdosis Pentobarbital (100 mg / kg) eingeschläfert.

Quantitative Analysen und Statistiken

Wir haben Vorverarbeitungsschritte mit PMOD 3.7 (PMOD Technologies Ltd, Zürich, Schweiz) durchgeführt. Um die stereotaktischen Transformationsparameter aus zeitgemittelten PET-Bildern zu definieren, verwendeten wir ligandenspezifische Templates. Wir haben die generierten Transformationsmatrizen und Warping-Felder auf die entsprechenden dynamischen PET-Zeitreihen angewendet. Wir haben parametrische Bilder von [¹¹C] Racloprid-Bindungspotential (BP_ND) mittels der multilinearen Referenzgewebemethode von Ichise et al⁹⁸. Wir haben eine maßgeschneiderte Maske des Kleinhirns erstellt, die die Vermis ausschließt, um die Radioaktivität des Kleinhirngewebes im Laufe der Zeit in einem Bereich mit vernachlässigbarer DA D2 / 3-Rezeptordichte zu erhalten. Wir haben parametrische Bilder von [¹¹C] Carfentanil unter Verwendung einer Implementierung des Logan-Referenzgewebemodells^99,100 mit t * = 30 min Studien von [¹¹C] Carfentanil-Bindung im menschlichen Gehirn haben den Occipitalcortex als Referenzregion verwendet³⁶; In Übereinstimmung mit den Zeitaktivitätskurven war jedoch bei Schweinen die nicht verschiebbare Bindung im Kleinhirn geringer als im Occipitalcortex¹⁰¹. Wir haben daher in der vorliegenden Studie das Kleinhirn als Referenzregion ausgewählt.

statistische Analyse

Wir haben die Karten einer voxelweisen Analyse mit Statistical Non-Parametric Mapping (SnPM v13.01, http://warwick.ac.uk/snpm) SPM-Toolbox, die eine nichtparametrische Permutationstheorie verwendet, um einen Rahmen für statistische Inferenz zu schaffen, ein Ansatz, der sich aufgrund der strengen Kontrolle falsch positiver Ergebnisse für kleine Stichproben bewährt¹⁴ und wie zuvor beschrieben angewendet¹⁰². Ein Experte für Schweine-Neuroanatomie (DO) verglich die resultierenden Bilder mit einer Signifikanzschwelle von 5% mit einem hochauflösenden Göttinger Minipig-Atlas^103,104 Regionen mit vermindertem DA D2 / 3 und μOR BP zu definieren und zu markieren_ND vom Ausgangswert bis zum Zustand nach Saccharose. Anschließend führten wir eine ROI-Analyse (Region-of-Interest) durch, um den BP zu extrahieren_ND Werte spezifischer Regionen, die aufgrund der SnPM-Analyse von Interesse waren, einschließlich Striatum, Nucleus accumbens, Thalamus, Amygdala, cingulierter Cortex und präfrontaler Cortex. Es wurden keine zusätzlichen Statistiken zur ROI-Analyse durchgeführt, da diese Regionen mit SnPM bereits als signifikant befunden wurden.

Die Studie wurde mit einem „AU Ideas Project Development Grant“ der Universität Aarhus an AML finanziert. Wir sind dankbar für die technische Unterstützung durch die Mitarbeiter des PET-Zentrums der Aarhus University Hospital und der Aarhus University Farm bei der Behandlung der Tiere. Wir danken Professor Morten Kringelbach, Professor Jørgen Scheel-Kruger und Associate Professor Arne Møller für die Unterstützung bei der Initiierung dieser Studien.

MITGLIEDSCHAFTEN

1. Klinik für Nuklearmedizin und PET-Zentrum, Universität Aarhus, Aarhus, Dänemark
   • Michael Winterdahl
   • , Ove Noer
   • Anna C. Schacht
   • , Steen Jakobsen
   • , Aage KO Alstrup
   • Albert Gjedde
   •  & Anne M. Landau
2. Klinik für Neurochirurgie und CENSE, Universitätsklinikum Aarhus, Aarhus, Dänemark
   • Dariusz Orlowski
3. Abteilung für Nuklearmedizin, Universität von Süddänemark & ​​Universitätsklinikum Odense, Odense, Dänemark
   • Albert Gjedde
4. Institut für Neurowissenschaften, Universität Kopenhagen, Kopenhagen, Dänemark
   • Albert Gjedde
5. Klinik für Neurologie und Neurochirurgie, McGill University, Montreal, Kanada
   • Albert Gjedde
6. Translationale Neuropsychiatrie, Universität Aarhus, Aarhus, Dänemark
   • Anne M. Landau

Beiträge

MW und AML entwarfen die Studie und Analyse; ACS und SJ synthetisierten die PET-Tracer. MW, AKOA und AML handhabten die Minischweine und führten die PET-Scans durch; MW, ON und AML führten die Datenanalyse durch; DO stellte anatomisches Fachwissen zur Verfügung, MW, AG und AML interpretierten die Daten; MW und AML haben das Manuskript mit Unterstützung der AG verfasst. Alle Autoren haben die endgültige Fassung des Manuskripts gebilligt.

Korrespondierender Autor

Korrespondenz Anne M. Landau.

Konkurrierende Interessen

Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

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Nachdrucke und Genehmigungen