La ingesta de sacarosa reduce la disponibilidad de receptores μ-opioides y dopamina D2 / 3 en el cerebro porcino (2020)

El consumo excesivo de sacarosa provoca antojos de adicción que pueden apuntalar la epidemia de obesidad. Los opioides y la dopamina median los efectos gratificantes de las drogas de abuso y de las recompensas naturales de los estímulos como la comida sabrosa. Investigamos los efectos de la sacarosa usando imágenes PET con [¹¹C] carfentanilo (agonista del receptor opioide μ) y [¹¹C] racloprida (antagonista del receptor de dopamina D2 / 3) en siete minipigs de Gotinga anestesiados. Luego le dimos acceso a minipigs a la solución de sacarosa durante una hora en 12 días consecutivos y realizamos imágenes nuevamente 24 horas después del acceso final a la sacarosa. En una muestra más pequeña de cinco minipigs, realizamos un [¹¹C] sesión de PET con carfentanilo después de la primera exposición a sacarosa. Calculamos los potenciales de unión vóxel-sabio (BP_ND) utilizando el cerebelo como una región de unión no desplazable, analizó las diferencias con el mapeo estadístico no paramétrico y realizó un análisis regional. Después de 12 días de acceso a sacarosa, BP_ND de ambos trazadores había disminuido significativamente en el cuerpo estriado, el núcleo accumbens, el tálamo, la amígdala, la corteza cingulada y la corteza prefrontal, lo que concuerda con la baja regulación de las densidades de los receptores. Después de una sola exposición a sacarosa, encontramos una disminución de la unión de [¹¹C] carfentanilo en el núcleo accumbens y la corteza cingulada, consistente con la liberación de opioides. La menor disponibilidad de receptores de opioides y dopamina puede explicar el potencial adictivo asociado con la ingesta de sacarosa.

El cinco por ciento de la población mundial es clínicamente obeso¹. Como sello distintivo del síndrome metabólico, la obesidad se asocia con diabetes tipo 2, enfermedad cardiovascular, problemas respiratorios y riesgo de depresión y posiblemente demencia.². El aumento del consumo de alimentos densos en energía ha exagerado la distinción fisiológica entre el hambre homeostática que sigue a la privación de alimentos y el hambre hedónica, o "antojo", que ocurre en ausencia de privación.^3,4. Como la regulación homeostática por sí sola no puede explicar el aumento actual de la obesidad, es obligatorio probar el efecto sobre los mecanismos cerebrales de recompensa y placer de las propiedades adictivas de los alimentos altamente sabrosos.

El consumo de sacarosa está asociado con la obesidad, y la sacarosa se considera cada vez más una sustancia adictiva.⁵. Algunos hallazgos están en desacuerdo con esta afirmación debido a las dificultades para separar el consumo de alimentos no apetecibles de las respuestas de alimentos hedónicos, y para determinar el ingrediente adictivo en los alimentos procesados, así como los diferentes mecanismos por los cuales los alimentos alteran los circuitos cerebrales a través de las vías naturales.⁶. Sin embargo, en contextos específicos, la ingesta de sacarosa induce recompensa y ansia, comparable en magnitud a las inducidas por drogas adictivas, que conducen al consumo excesivo y la obesidad eventual^6,7.

El hambre se asocia con “querer” que está estrechamente relacionado con los efectos de la neurotransmisión dopaminérgica en varias circunstancias de recompensa.⁸, pero no está claro cómo se modula la acción de la dopamina (DA) en respuesta a la alimentación compulsiva. El consumo de alimentos sabrosos está relacionado con el "gusto", mediado principalmente por el sistema opioide endógeno, especialmente el receptor de opioides μ (μOR)^9,10, que puede promover el consumo excesivo cuando se desregula. En el presente informe, probamos la afirmación de que la sacarosa conduce a la liberación de opioides y dopamina que disminuye la disponibilidad de los receptores μOR y DA D2 / 3. La disponibilidad es un índice del número de receptores desocupados disponibles para la unión del marcador y, en principio, no distingue entre la ocupación del ligando y la densidad del receptor¹¹.

El inicio de la alimentación compulsiva depende de múltiples factores, y los estudios causales en humanos plantean problemas éticos. Por lo tanto, la mayoría de los estudios se centran en el comportamiento de alimentación en ratas.¹². Aunque las ratas son “golosas”, sus mecanismos homeostáticos importantes para el aumento de peso, el metabolismo y el tipo de acumulación de grasa difieren significativamente de los de los humanos. El minipig de Göttingen es un gran animal omnívoro con un cerebro gyrencephalic bien desarrollado, que se puede obtener imágenes con una resolución suficiente. Sus regiones corticales subcorticales y prefrontales bien definidas¹³ permitir una traducción más directa a la función del cerebro humano. Aquí, utilizamos imágenes de tomografía por emisión de positrones (PET) para probar in vivo Disponibilidad de μOR y DA D2 / 3 en un modelo de minipig de exposición subcrónica a sacarosa. En una muestra más pequeña, investigamos los efectos inmediatos sobre la ocupación de μOR después de la primera exposición a sacarosa. Finalmente, probamos la relación entre los cambios en la disponibilidad del receptor de los dos trazadores.

Mapas paramétricos promedio de [¹¹C] carfentanilo y [¹¹C] potencial de unión a racloprida (BP_ND) se muestran en la Fig. 1. Analizar los cambios que ocurren después de la primera exposición a sacarosa en cinco minipigs en comparación con la línea de base, y un día después de las 12^th acceso a sacarosa en siete minipigs en comparación con la línea de base, utilizamos la teoría de permutación y el análisis de cerebro completo restringido no regionalmente, el método preferido para muestras de este tamaño¹⁴.

Promedio de potencial de unión no desplazable en voxel (BP)_ND) mapas superpuestos en imágenes de resonancia magnética en vista sagital. Los datos se presentan para [¹¹C] carfentanilo BP_ND de los 5 minipigs fotografiados al inicio del estudio, después de la exposición inicial a sacarosa y después de 12 días de exposición a sacarosa (fila superior). [¹¹C] carfentanilo BP_ND de los 7 minipigs fotografiados al inicio del estudio y después de 12 días de acceso a sacarosa se presentan en la fila central. [¹¹C] racloprida BP_ND de los 7 minipigs fotografiados al inicio del estudio y después de 12 días de acceso a sacarosa se muestran en la fila inferior. Tenga en cuenta que la escala de colores es exponencial para resaltar el [¹¹C] racloprida BP_ND en regiones extraestriatales.

Imagen de tamaño completo

Exposición inicial a sacarosa

En los cinco minipigs fotografiados con [¹¹C] carfentanilo al inicio del estudio e inmediatamente después de la primera exposición a sacarosa, encontramos una unión del marcador significativamente reducida en la corteza cingulada anterior y el núcleo accumbens en respuesta a la sacarosa, que se muestra en color en la Fig. 2, lo que indica p <0.05. Detectamos hasta un 14% de disminución de la unión del trazador en ambas áreas en comparación con la línea de base.

Disminuciones significativas en [¹¹C] carfentanilo BP_ND después de la primera exposición al agua de sacarosa en comparación con la línea de base (n = 5). Solo vóxeles con significativa (p <0.05) las disminuciones se muestran como áreas coloreadas proyectadas en cortes de resonancia magnética ponderados en T1 al nivel de la corteza cingulada anterior (izquierda) y el núcleo accumbens (centro) de un atlas estereotáxico de cerebro minipig. Tenga en cuenta que el nivel de significancia máximo que se puede lograr con 5 animales es 2^-5 ≈ 0.031 (ver barra de colores). Los datos se presentan en secciones coronales del cerebro del cerdo en los niveles indicados en la imagen sagital (derecha).

Imagen de tamaño completo

12 días de acceso a sacarosa

Luego realizamos el análisis de siete minipigs fotografiados con [¹¹C] carfentanilo al inicio del estudio y después de 12 días de acceso a sacarosa y encontró una unión del marcador significativamente reducida en animales expuestos a sacarosa en comparación con el inicio. Las regiones más significativamente afectadas se muestran en rojo en la Fig. 3 (p <0.01) e incluyen partes de las estructuras olfativas, núcleo accumbens / estriado ventral y la corteza / lóbulo temporal, seguidas de áreas que se muestran en amarillo (p <0.015) que incluyen partes de la corteza prefrontal, corteza cingulada, amígdala y tronco encefálico . Para obtener BP_ND valores y evaluar el porcentaje de cambio, realizamos análisis regionales y obtuvimos valores medios en cada región al inicio y después del consumo de sacarosa (Fig. 4).

Disminuciones significativas en [¹¹C] potencial de unión a carfentanilo (BP_ND) entre la línea de base y después de 12 días de exposición al agua de sacarosa (n = 7). Los vóxeles con significativa (p <0.05) las disminuciones se muestran como áreas coloreadas proyectadas en cortes de resonancia magnética ponderados en T1 de un atlas de cerebro estereotáxico de minipig. Los datos se presentan en secciones cerebrales coronales en los niveles indicados en la imagen sagital (abajo a la derecha). Tenga en cuenta que el nivel de significancia máximo alcanzable con 7 animales es 2^-7 ≈ 0.0078 (ver barra de colores).

Imagen de tamaño completo

Análisis regional de [¹¹C] potencial de unión a carfentanilo (BP_ND) entre la línea de base y después de 12 días de exposición al agua de sacarosa (n = 7). Los datos se presentan como medias ± error estándar.

Imagen de tamaño completo

Nosotros usamos [¹¹C] racloprida como el marcador de receptores DA D2 / 3 en regiones del cerebro estriatal y extraestriatal en minipigs al inicio del estudio y después de 12 días de acceso a sacarosa (Fig. 1). Encontramos una disminución de la unión del trazador en animales expuestos a sacarosa, en comparación con la línea de base con mayores efectos (p <0.01) en áreas de la corteza prefrontal, núcleo accumbens / estriado ventral, corteza cingulada, amígdala, tálamo, mesencéfalo, regiones del hipocampo y áreas olfativas. (Higo. 5) Los datos del análisis regional se presentan en la Fig. 6.

Disminuciones significativas en [¹¹C] potencial de unión a racloprida (BP_ND) entre la línea de base y después de 12 días de exposición al agua de sacarosa (n = 7). Los vóxeles con significativa (p <0.05) las disminuciones se muestran como áreas coloreadas proyectadas en cortes de resonancia magnética ponderados en T1 de un atlas de cerebro de minipig estereotáxico. Los datos se presentan en secciones coronales del cerebro de cerdo en los niveles indicados en la imagen sagital (abajo a la derecha). Tenga en cuenta que el nivel de significancia máximo alcanzable con 7 animales es 2^-7 ≈ 0.0078 (ver barra de colores).

Imagen de tamaño completo

Análisis regional de [¹¹C] potencial de unión a racloprida (BP_ND) entre la línea de base y después de 12 días de exposición al agua de sacarosa (n = 7). Los datos se presentan como medias ± error estándar.

Imagen de tamaño completo

Correlaciones entre [¹¹C] raclopride y [¹¹C] datos de carfentanilo

Probamos la posible correlación entre [¹¹C] raclopride y [¹¹C] valores de carfentanilo de BP_ND en regiones estriatales y no estriatales en minipigs al inicio del estudio y después de 12 días de consumo de sacarosa, sin asociaciones observadas. Luego probamos si las disminuciones de la unión del marcador estaban correlacionadas y comparamos los cambios de la PA._ND para [¹¹C] racloprida con los cambios de BP_ND para [¹¹C] carfentanilo solo en las minipigs que tenían una PA más baja_ND de ambos trazadores después de la ingesta de sacarosa (n = 6). Encontramos correlaciones negativas significativas en el promedio extraestriatal (r² = 0.91, p <0.01), pero no en las regiones estriatales (Fig. 7).

Correlaciones entre las disminuciones previas y posteriores de [¹¹C] raclopride y [¹¹C] potenciales de unión a carfentanilo (BP_ND) en minipigs con disminución de la unión del marcador después de la ingesta de sacarosa (n = 6). Se presentan datos de las regiones extraestriatales promedio (arriba) y el cuerpo estriado (abajo). El coeficiente de determinación (r²) y los valores de p se muestran para cada gráfico.

Imagen de tamaño completo

Determinamos los efectos del acceso intermitente repetido a sacarosa en la neurotransmisión de opioides y DA en el cerebro de los mamíferos. Longitudinal in vivo Las imágenes PET de los receptores μOR y DA D2 / 3 revelaron una disponibilidad reducida del receptor en todo el circuito de recompensa, incluidos el núcleo accumbens, la corteza prefrontal y la corteza cingulada anterior. Los resultados demuestran claramente que la sacarosa afecta los mecanismos de recompensa de manera similar a la de las drogas de abuso.

Se sabe que la ingesta de sacarosa como sustancia sabrosa libera DA e induce dependencia en roedores¹⁵, con sacarosa demostrado ser aún más placentero que la cocaína en roedores en ciertos contextos. Por lo tanto, los roedores trabajan más intensamente para obtener sacarosa que la cocaína, incluso en ausencia de privación de alimentos.⁵. Sin embargo, los efectos de la sacarosa están regulados tanto por el sistema homeostático como por los circuitos de recompensa hedónica.^16,17 que puede mediar la distinción entre los aspectos nutricionales y hedónicos de la acción de sacarosa¹⁸. Optamos por un horario de una hora por día para promover el "atracón", ya que estudios previos en ratas habían revelado una mayor ingesta durante la primera hora de acceso diario en un horario intermitente^15,19. Los estudios de comportamiento de la ingesta de alimentos a menudo se dirigen a animales con restricción de alimentos, pero el diseño puede no reflejar necesariamente los mismos mecanismos neuronales activos en la obesidad. Los cerdos en el presente estudio no tenían restricción de alimentos y se les alimentó con las cantidades habituales de su dieta normal además del acceso a sacarosa.

Los receptores opioides (OR) se expresan ampliamente en el cerebro, específicamente en estructuras conocidas por modular los procesos de alimentación y recompensa.²⁰. Se ha demostrado que las RUP son importantes en los efectos gratificantes y recurrentes de la cocaína.^21,22,23,24. Las alteraciones en la unión también se han relacionado con las respuestas homeostáticas a la comida y al placer asociado con la comida sabrosa.²⁵. En particular, el "gusto" de los alimentos está relacionado con el sistema opioide endógeno, especialmente el μOR^9,10 en el caparazón del núcleo accumbens y el pálido ventral²⁶. Las infusiones de un agonista μOR en distintas partes del núcleo accumbens y el pálido ventral mejoran en gran medida los comportamientos de "gusto", incluidas las protuberancias de la lengua y lamer las patas, después del aumento de la ingesta sabrosa de alimentos.^27,28,29. La evidencia adicional para la señalización de opioides en el procesamiento de la regulación hedónica proviene de antagonistas μOR que atenúan el consumo de comida sabrosa en ambos ad libitum-alimentos y alimentos restringidos, pero con un efecto más limitado en la ingesta de pellets estándar no apetecibles^30,31. En humanos, los antagonistas μOR disminuyen la ingesta de alimentos a corto plazo y reducen el placer de los alimentos sabrosos.^32,33,34. La señalización de opioides en la amígdala basolateral también contribuye a la falta de alimentos mediante la modulación de la búsqueda de recompensas y el valor de incentivo de los alimentos³⁵.

Con [¹¹C] carfentanilo, obtuvimos imágenes de la unión del marcador que es sensible tanto a los niveles de μOR como a la liberación de opioides endógenos en el cerebro^36,37. Detectamos la pérdida inmediata de la disponibilidad de μOR en áreas del núcleo accumbens y la corteza cingulada anterior, regiones cerebrales específicas de la vía de recompensa, después del consumo inicial de sacarosa por cinco minipigs, lo que es compatible con la liberación endógena de opioides. Estudios anteriores han demostrado que la comida sabrosa puede provocar sensaciones de placer.³⁸ estimulando la liberación de opioides. Después de 12 días de acceso a sacarosa, observamos una disminución [¹¹C] unión de carfentanilo, que tiene varias explicaciones posibles³⁹ incluyendo la liberación endógena de opioides y la unión a μOR, la internalización de μOR como resultado de una mayor unión de opioides y una mayor activación del receptor DA D2 / 3 que conduce a la desensibilización heteróloga de μOR⁴⁰.

En apoyo de los hallazgos actuales, [¹¹C] estudios de carfentanilo en pacientes con bulimia⁴¹, obesidad^42,43,44y trastorno por atracón⁴⁵, muestran una disminución de la disponibilidad del receptor. Sin embargo, estas son condiciones crónicas, mientras que los minipigs solo recibieron sacarosa durante 12 días. En un estudio sobre el comportamiento de alimentación aguda en hombres sanos, la alimentación condujo a una liberación endógena de opioides cerebrales robusta y generalizada, tanto en presencia como en ausencia de hedonia, lo que sugiere que la liberación de opioides refleja respuestas metabólicas y homeostáticas, así como hedónicas.²⁵. Este estudio, junto con otro que tomó imágenes de pacientes después de una comida líquida con sabor a chocolate⁴⁴, es directamente relevante para el estudio agudo de cinco minipigs después de la primera exposición a sacarosa, pero es diferente del estudio subcrónico de exposición a sacarosa durante 12 días, donde la disponibilidad reducida del receptor probablemente refleje una sobreestimulación repetida y una regulación descendente concomitante de μOR.

La corteza prefrontal es importante en la toma de decisiones y la atribución de valor a los elementos y, por lo tanto, el μOR en la corteza prefrontal puede ser responsable de la evaluación alterada de la prominencia de los alimentos, lo que puede aumentar el potencial adictivo de los alimentos. Hemos encontrado una disminución de la unión en la corteza prefrontal, de acuerdo con estudios anteriores que muestran que una dieta rica en grasas reduce los niveles de ARNm μOR en la corteza prefrontal⁴⁶ y que la infusión de un agonista μOR en la corteza prefrontal aumenta la ingesta de alimentos dulces⁴⁷. Sin embargo, una vez más, surge el problema de si la dieta alta en grasas es una afección más crónica que probablemente medie la disminución de la regulación del receptor, en comparación con el diseño de alimentación con sacarosa a corto plazo, lo que sugiere la liberación sostenida de opioides endógenos que desplazan el carfentanilo marcador unido a μOR , incluso después de 12 días de sacarosa.

DA ha sido implicado en recompensas tanto de drogas como de comportamiento. Se ha encontrado que el consumo crónico de cocaína inhibe la señalización de DA⁴⁸. Los niveles de receptores DA D1 y D2 / 3 están alterados por la nicotina en el cerebro de cerdo⁴⁹, y en primates no humanos con antecedentes de abuso de cocaína⁵⁰, consistente con la regulación negativa de los receptores D2 / 3 en el cerebro de los adictos a la cocaína humana^51,52. En cuanto a las drogas de abuso, se ha demostrado que la sacarosa regula al alza los receptores DA D1¹⁹ y aumentar la liberación de DA⁵³, reforzando el papel de DA en "querer" en relación con la comida sabrosa. Estudios previos de PET han demostrado una disminución en la disponibilidad del receptor DA D2 / 3 estriatal en obesidad mórbida versus peso promedio^54,55, similar en magnitud a la reducción en pacientes drogadictos⁵⁶y en animales con modelos de obesidad⁵⁷. En estudios con roedores, la caída del receptor D2 / 3 en el cuerpo estriado promueve el desarrollo de la búsqueda compulsiva de alimentos en ratas con acceso a alimentos sabrosos⁵⁷.

Nuestras observaciones sobre la disminución de la disponibilidad del receptor D2 / 3 del cerdo pueden indicar un aumento de los niveles de DA en respuesta a la prominencia de incentivos asociada con la ingesta de sacarosa ya que se libera DA como parte de la falta de drogas de abuso y otras actividades placenteras^52,58,59,60. Como los cerdos fueron anestesiados durante las imágenes y no habían recibido sacarosa en 24 horas, la disminución de D2 / 3 BP_ND Es más probable que refleje una reducción en el número de receptores en respuesta al aumento prolongado de la liberación de DA en cada uno de los 12 días de acceso a sacarosa. La reducción puede elevar los umbrales de recompensa cerebral, asociados con la baja regulación de los receptores estriados D2 de DA. Esto puede explicar el aumento de la susceptibilidad a las drogas de abuso visto en estudios previos de ratas que comían en exceso sacarosa que condujo a la sensibilización cruzada a la cocaína, hiperactividad después de dosis bajas de anfetamina, aumento de la ingesta de alcohol al abstenerse de sacarosa y tolerancia a los efectos analgésicos de los opiáceos.⁶.

Un estudio previo de obesidad en el minipig de Gotinga identificó disminución del flujo sanguíneo cerebral en el núcleo accumbens, área tegmental ventral (VTA) y corteza prefrontal, con tomografía computarizada de emisión de fotón único (SPECT)⁶¹. De acuerdo con estos hallazgos, observamos una reducción de la unión de DA D2 / 3 en la región ventroforebrain que contiene el núcleo accumbens y en la corteza prefrontal. Los niveles extracelulares de DA aumentan 3 veces en el núcleo accumbens después de la ingesta de sacarosa en ratas que se mueven libremente sometidas a microdiálisis⁶². En animales dependientes de sacarosa, la ingesta repetida de sacarosa puede conducir a la liberación de DA del caparazón del núcleo accumbens⁶³. Los animales alimentados con una dieta restringida con acceso limitado a sacarosa tuvieron una menor unión del receptor DA D2 en la cubierta del núcleo accumbens y el cuerpo estriado dorsal⁶⁴. Las dietas restringidas altas en grasas y sacarosa pueden conducir a una regulación negativa sostenida del ARNm del receptor D1 y D2 en el núcleo accumbens⁶⁵. Un estudio de microdiálisis de los efectos de la comida sabrosa reveló una mayor liberación de DA en el núcleo accumbens y la corteza prefrontal cuando la comida todavía se consideraba nueva; Una vez que las ratas se acostumbraron a la nueva comida, la liberación aumentada se redujo en el núcleo accumbens, pero no en la corteza prefrontal⁶⁶. La susceptibilidad diferencial a la habituación y el acondicionamiento de la actividad en dos regiones puede explicar el mayor aumento observado en la corteza prefrontal que en el núcleo accumbens de minipigs expuestos a la misma sustancia palatable que perdió la novedad después de doce días. Sin embargo, como no hicimos imágenes de minipigs con [¹¹C] racloprida después de la primera administración de sacarosa, esta explicación es especulativa.

La corteza prefrontal modula la función ejecutiva, la toma de decisiones y el autocontrol.⁶⁷. La neurotransmisión DA disfuncional en la corteza prefrontal perjudica la modulación del procesamiento de recompensas, lo que sugiere una función ejecutiva deteriorada y habilidades de toma de decisiones en individuos obesos^68,69. Además, un estudio de PET humano correlacionó la disminución del metabolismo de la corteza frontal con la disminución de la unión del D2 estriatal en la obesidad⁷⁰. Aquí, encontramos una disponibilidad reducida del receptor D2 / 3 en la corteza prefrontal, incluida la corteza orbitofrontal de los cerdos expuestos al régimen de sacarosa.

Las neuronas dopaminérgicas del VTA envían proyecciones al hipocampo y la amígdala, donde apoyan comportamientos similares a los hábitos.⁷¹ y mediar en la codificación y recuperación del condicionamiento a las drogas^72,73 y señales de comida^74,75. Las imágenes del cerebro humano han demostrado la activación del hipocampo en respuesta al antojo y la degustación de alimentos.⁷⁶. De acuerdo con nuestros hallazgos de una reducción en la disponibilidad del receptor D2 / 3 de hipocampo y amígdala en respuesta a sacarosa, mapeo del cerebro humano con [¹⁸F] fallypride mostró liberación de DA inducida por señal de cocaína en amígdala e hipocampo⁷⁷. En cerebros de roedores, la exposición a la señal de cocaína desencadenó la liberación de DA en la amígdala⁷⁸, y las alteraciones de los niveles de amígdala DA influyeron en el comportamiento de búsqueda de cocaína inducido por señales⁷⁹.

En un estudio de individuos obesos, la asociación entre las disponibilidades D2 / 3 y μOR, que se sabe que existe en las regiones estriatales de los individuos delgados, se vio interrumpida en el cuerpo estriado ventral.⁸⁰. Comparamos los valores de BP_ND de los dos trazadores para probar si los datos reprodujeron este efecto. A diferencia de los humanos delgados, los cerebros actuales de los cerdos no tenían correlación entre los valores de BP_ND de los dos trazadores, al inicio del estudio o después de la exposición a sacarosa. Luego probamos si los animales con las mayores disminuciones de la unión del raclopride marcador también tendrían las mayores disminuciones de la unión del carfentanilo marcador, pero en su lugar encontramos una correlación negativa en las regiones extraestriatales promediadas, lo que sugiere que los animales con el mayor cambio del potencial de unión de el raclopride trazador tuvo el cambio más bajo del potencial de unión del carfentanilo trazador. La relación inversa entre los cambios sugiere que los efectos de la ingesta de sacarosa en la disponibilidad de los receptores respectivos están regulados en direcciones opuestas. Se sabe que el consumo excesivo de alimentos sabrosos, o drogas, puede ser impulsado por el deseo o el gusto, o ambos^60,81. Es posible que la magnitud del deseo impulsado por la dopamina niegue la magnitud del gusto provocado por los opioides, o viceversa. La evidencia reciente apunta a los roles de GABA_A receptores en el VTA y terminales colinérgicos en el cuerpo estriado y posiblemente en la corteza que actúan como interruptores entre los mecanismos de acción opioide dependientes de dopamina e independientes de dopamina^82,83 eso puede explicar la reciprocidad de los efectos de la dopamina y los opioides en las regiones extraestriatales porcinas determinadas aquí.

Una deficiencia del PET, también en animales comparativamente grandes, es la resolución espacial limitada de la tomografía que afecta los resultados de las regiones cerebrales pequeñas involucradas en los comportamientos relacionados con los alimentos. Sin embargo, a pesar de estas preocupaciones, [¹¹C] la unión de racloprida se registró previamente tanto en regiones estriatales como extraestriatales^84,85,86,87. El uso de [¹¹C] racloprida para etiquetar el mismo tipo de receptores no genera preocupación por las posibles diferencias de afinidad que pueden afectar el uso de trazadores separados para los mismos receptores en diferentes regiones. Estudios recientes incluyeron registros de unión extraestriatal de [¹¹C] racloprida. Alakurtti et al. encontró buena reproducibilidad de las medidas de unión de racloprida estriatal en el cuerpo estriado, con solo una reproducibilidad buena a moderada en la corteza⁸⁵. En un estudio posterior, Svensson et al. discutió varios problemas que afectan el uso de [¹¹C] racloprida como marcador de receptores D2 / 3 extraestriatales en un estudio de humanos sanos, que incluye una reproducibilidad deficiente en la corteza y una disminución limitada de la unión extraestriatal en la corteza frontal en respuesta a un agente bloqueante D2 / 3⁸⁸. Las comparaciones test-retest revelaron variabilidades del 4–7% en el cuerpo estriado y del 13–59% en las regiones corticales, pero el tiempo entre exámenes promedió 20 días, a diferencia de los 1-2 días más informativos de la mayoría de los estudios. Varios factores en la vida de esos sujetos pueden haber tenido tiempo de influir en los hallazgos. De hecho, mostramos aquí que simplemente agregar el consumo de sacarosa a una rutina matutina durante 12 días puede haber influido en las medidas de unión obtenidas dos semanas después. Otros factores tan comunes como jugar videojuegos, ir de compras, entablar nuevas relaciones románticas y actividad sexual, usar drogas o cambiar la dieta y el ejercicio pueden influir en los niveles de dopamina extraestriatal con potencial para una gran variación de los conjuntos de datos. El estudio actual en minipigs introdujo una configuración bien controlada con la única variable que es la ausencia o presencia de sacarosa en la dieta. En este contexto, los datos de siete animales tenían una variabilidad suficientemente baja en las regiones extraestriatales relevantes para identificar una reducción estadísticamente significativa de la unión en respuesta a la sacarosa.

Una limitación del estudio actual es el uso de anestésicos necesarios para garantizar la inmovilidad durante in vivo Imágenes de animales. Los efectos de anestésicos específicos y sus interacciones con medicamentos u otras intervenciones pueden confundir la unión de radioligandos.^89,90. La ketamina es un fármaco antiglutamatérgico con rápidos efectos antidepresivos en dosis sub anestésicas.^91,92,93, que no reducen el estriado [¹¹C] unión de racloprida en humanos⁹⁴. Sin embargo, se encontró que la S-ketamina reduce la disponibilidad de unión de los receptores de dopamina D2 / 3 en el cuerpo estriado de primates no humanos conscientes⁹⁵. El isoflurano es un anestésico común en la PET animal. En estudios previos, encontramos acumulación estriatal de [¹¹C] SCH23390, un radioligando de los receptores de dopamina D1 para ser significativamente más alto en minipigs anestesiados con isoflurano en lugar de propofol, lo que sugiere la susceptibilidad de la neurotransmisión dopaminérgica a los efectos de la anestesia⁹⁶. En el estudio actual, se tomaron imágenes de todos los minipigs en ambos puntos temporales con premedicación de ketamina y anestesia con isoflurano, lo que hace que las comparaciones actuales sean válidas.

El consumo excesivo de alimentos sabrosos puede causar y convertirse en el resultado de una adicción con consecuencias directas para la salud por la obesidad. Pusimos a prueba la afirmación de que los opioides y la dopamina median las recompensas, importantes para la supervivencia y el abuso de drogas. Las minipigs con acceso intermitente a una solución de sacarosa durante 12 días consecutivos demostraron una disminución de la disponibilidad de receptores de opioides D2 / 3 y μ-opioide en las regiones del cerebro estriatal y extraestriatal, lo que implica que los alimentos con alto contenido de sacarosa influyen en los circuitos de recompensa cerebral de manera similar a los observados cuando las drogas adictivas son consumidos La exposición única inicial a sacarosa fue consistente con la liberación de opioides en las regiones del cerebro activas en la recompensa. Los cambios en la disponibilidad de opioides y dopamina explican el potencial adictivo de la sacarosa consumida en exceso.

Ética animal

Este estudio fue aprobado y regulado por la Inspección Danesa de Experimentos con Animales y todos los experimentos se llevaron a cabo de conformidad con la directiva 2010/63 / UE del Parlamento Europeo y del Consejo sobre la Protección de Animales Usados ​​con Fines Científicos y las directrices ARRIVE. Utilizamos siete minipigs hembra de Göttingen de catorce meses (Ellegaard, Dalmose, Dinamarca). Los minipigs fueron alimentados con una dieta de pellets (6 dL, 2 veces al día, Special Diets Services, Aarhus, Dinamarca) con agua del grifo disponible ad libitum. La temperatura ambiental era de 20 a 22 ° C, la humedad relativa de 50 a 55% y el aire se cambiaba ocho veces cada hora.

Consumo intermitente de sacarosa

Hemos fotografiado siete minipigs con [¹¹C] raclopride y [¹¹C] carfentanilo al inicio del estudio, y nuevamente un día después de 12 días consecutivos de exposición al agua de sacarosa. La exposición a la sacarosa consistió en una hora de acceso al agua de sacarosa (sacarosa, Dansukker, Copenhague, Dinamarca) (500 gramos de sacarosa en 2 litros de agua), diariamente durante un período de 12 días. Se registró la cantidad de consumo de sacarosa y todas las minipigs consumieron 2 litros cada día. También tomamos imágenes de cinco de los mismos minipigs con [¹¹C] carfentanilo, 30 minutos después del primer acceso a sacarosa, para estudiar la liberación aguda de opioides.

Los minicerdos ganaron un promedio de 13.6% de peso corporal de 25.4 kg (± 0.73 SEM) al inicio del estudio a 28.9 kg (± 0.69 SEM) después de la exposición de 12 días a sacarosa, que fue significativamente mayor (prueba t de una cola, p < 0.001) que los aumentos observados en una muestra de minicerdos control obtenida en estudios previos, donde los pesos aumentaron en promedio solo 4.9%, durante el mismo período de desarrollo.

Imagen PET cerebral

Ayunamos a los cerdos durante la noche con acceso libre al agua antes de la imagen. Pre-medicamos y anestesiamos minipigs como se describió anteriormente⁹⁷ y los colocó en posición supina en un dispositivo PET / CT (Siemens Biograph 64 Truepoint PET). Realizamos una tomografía computarizada de baja dosis antes de cada adquisición de PET para la definición anatómica y la corrección de atenuación de los datos de emisión de PET. Administramos por vía intravenosa [¹¹C] racloprida al inicio del estudio (360 ± 18 MBq, actividad específica 77 ± 76 GBq / μmol, masa inyectada 0.12 ± 0.08 μg / kg) y después de 12 días de sacarosa (374 ± 54 MBq, actividad específica 127 ± 85 GBq / μmol, masa inyectada 0.06 ± 0.05 μg / kg), y [¹¹C] carfentanilo al inicio del estudio (377 ± 43 MBq, actividad específica 311 ± 195 GBq / μmol, masa inyectada 0.03 ± 0.02 μg / kg) y después de 12 días de sacarosa (337 ± 71 MBq, actividad específica 177 ± 157 GBq / μmol, masa inyectada 0.06 ± 0.08 μg / kg) a través de la vena del oído, en 10 ml de solución salina, durante el primer minuto de una exploración de 90 minutos. Reconstruimos los datos de PET utilizando TrueX 3D OSEM (3 iteraciones, 21 subconjuntos), una matriz de 256 × 256 × 109 y un filtro Gauss de 2 mm, utilizando una estructura de marco temporal de 5 × 60, 3 × 300, 4 × 600 , 2 × 900 segundos (total 14 cuadros, 90 minutos). Al inicio del estudio y después de 12 días de sacarosa, se tomaron imágenes de minipigs con ambos trazadores inyectados con al menos 100 minutos de diferencia, debido a la vida media de [¹¹C] trazadores de PET. Al finalizar la sesión final de PET, sacrificamos minipigs bajo anestesia profunda mediante una sobredosis intravenosa de pentobarbital (100 mg / kg).

Análisis cuantitativos y estadísticas.

Realizamos pasos de preprocesamiento utilizando PMOD 3.7 (PMOD Technologies Ltd, Zurich, Suiza). Para definir los parámetros de transformación estereotáctica a partir de imágenes PET promediadas en el tiempo, utilizamos plantillas específicas de ligando. Aplicamos las matrices de transformación generadas y los campos de deformación en las series temporales de PET dinámicas correspondientes. Generamos imágenes paramétricas de [¹¹C] potencial de unión a racloprida (BP_ND) mediante el método de tejido de referencia multilineal de Ichise y colaboradores⁹⁸. Creamos una máscara del cerebelo a medida que excluía el vermis para obtener la radioactividad del tejido cerebeloso con el tiempo en una región de densidad de receptor DA D2 / 3 insignificante. Generamos imágenes paramétricas de [¹¹C] carfentanilo utilizando una implementación del modelo de tejido de referencia Logan^99,100 con t * = 30 min. Estudios de [¹¹C] la unión de carfentanilo en el cerebro humano ha utilizado la corteza occipital como región de referencia³⁶; sin embargo, en el cerdo, de acuerdo con las curvas de actividad temporal, la unión no desplazable fue menor en el cerebelo que en la corteza occipital, de acuerdo con los hallazgos de un estudio de autorradiografía de ratas¹⁰¹. Por lo tanto, seleccionamos el cerebelo como la región de referencia en el estudio actual.

análisis estadístico

Sometimos los mapas a un análisis basado en vóxeles con mapeo estadístico no paramétrico (SnPM v13.01, http://warwick.ac.uk/snpm) Caja de herramientas SPM que utiliza la teoría de permutación no paramétrica para proporcionar un marco para la inferencia estadística, un enfoque que funciona bien para muestras pequeñas debido al control estricto de falsos positivos¹⁴ y aplicado como se describió previamente¹⁰². Un experto en neuroanatomía (DO) de cerdo comparó las imágenes resultantes con un nivel de significación del 5% con un atlas de minipig de alta resolución de Gotinga^103,104 para definir y etiquetar regiones de disminución de DA D2 / 3 y μOR BP_ND desde el inicio hasta la condición posterior a la sacarosa. Luego realizamos un análisis de la región de interés (ROI) para extraer BP_ND Los valores de regiones específicas que resultan de interés se basan en el análisis SnPM, incluidos el cuerpo estriado, el núcleo accumbens, el tálamo, la amígdala, la corteza cingulada y la corteza prefrontal. No se realizaron estadísticas adicionales en el análisis de ROI, ya que se descubrió que estas regiones eran significativas usando SnPM.

Una "Subvención para el Desarrollo del Proyecto de Ideas AU" de la Universidad de Aarhus para AML financió el estudio. Agradecemos el apoyo técnico del personal del Centro de PET del Hospital de la Universidad de Aarhus y la Granja de la Universidad de Aarhus por su ayuda con el tratamiento de los animales. Agradecemos al profesor Morten Kringelbach, al profesor Jørgen Scheel-Kruger y al profesor asociado Arne Møller por su ayuda con el inicio de estos estudios.

Afiliaciones

1. Departamento de Medicina Nuclear y Centro PET, Universidad de Aarhus, Aarhus, Dinamarca
   • Michael Winterdahl
   • , Ove Noer
   • , Anna C. Schacht
   • , Steen Jakobsen
   • , Aage KO Alstrup
   • , Albert Gjedde
   •  Y Anne M. Landau
2. Departamento de Neurocirugía y CENSO, Hospital Universitario de Aarhus, Aarhus, Dinamarca
   • Dariusz Orlowski
3. Departamento de Medicina Nuclear, Universidad del Sur de Dinamarca y Hospital Universitario de Odense, Odense, Dinamarca
   • albert gjedde
4. Departamento de Neurociencia, Universidad de Copenhague, Copenhague, Dinamarca.
   • albert gjedde
5. Departamento de Neurología y Neurocirugía, Universidad McGill, Montreal, Canadá.
   • albert gjedde
6. Unidad de Neuropsiquiatría Traslacional, Universidad de Aarhus, Aarhus, Dinamarca
   • Anne M Landau

Contribuciones

MW y AML diseñaron el estudio y el análisis; ACS y SJ sintetizaron los trazadores de PET; MW, AKOA y AML manejaron los minipigs y realizaron los escaneos PET; MW, ON y AML realizaron el análisis de datos; DO proporcionó experiencia anatómica, MW, AG y AML interpretaron los datos; MW y AML escribieron el manuscrito con el apoyo de AG; Todos los autores aprobaron la versión final del manuscrito.

Autor correspondiente

Correspondencia a Anne M Landau.

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nota del editor Springer Nature permanece neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Reimpresiones y permisos