Sucrose-inname verlaagt de beschikbaarheid van μ-opioïden en dopamine D2 / 3-receptoren in de hersenen van varkens (2020)

Overmatig gebruik van sucrose roept verslavingachtige trek op die de obesitas-epidemie kan ondersteunen. Opioïden en dopamine bemiddelen de lonende effecten van drugs van misbruik, en van natuurlijke beloningen van stimuli zoals smakelijk voedsel. We hebben de effecten van sucrose onderzocht met behulp van PET-beeldvorming met [¹¹C] carfentanil (μ-opioïde receptoragonist) en [¹¹C] raclopride (dopamine D2 / 3-receptorantagonist) in zeven vrouwelijke geanesthetiseerde Göttingen-minivarkens. Vervolgens gaven we minipigs toegang tot sucrose-oplossing gedurende één uur op 12 opeenvolgende dagen en hebben we 24 uur na de laatste sucrose-toegang opnieuw beeldvorming uitgevoerd. In een kleinere steekproef van vijf minivarkens hebben we een extra [¹¹C] carfentanil PET-sessie na de eerste blootstelling aan sucrose. We berekenden voxelgewijze bindingspotentialen (BP_ND) gebruik van het cerebellum als een gebied van niet-verplaatsbare binding, analyseerde verschillen met statistische niet-parametrische mapping en voerde een regionale analyse uit. Na 12 dagen toegang tot sucrose, BP_ND van beide tracers was significant gedaald in striatum, nucleus accumbens, thalamus, amygdala, cingulate cortex en prefrontale cortex, consistent met down-regulatie van receptordichtheden. Na een enkele blootstelling aan sucrose vonden we een verminderde binding van [¹¹C] carfentanil in nucleus accumbens en cingulate cortex, consistent met opioïde afgifte. De lagere beschikbaarheid van opioïde- en dopaminereceptoren kan het verslavende potentieel van de inname van sucrose verklaren.

Vijf procent van de wereldbevolking is klinisch zwaarlijvig¹. Als kenmerk van het metabool syndroom wordt obesitas geassocieerd met diabetes type 2, hart- en vaatziekten, ademhalingsproblemen en het risico op depressie en mogelijk dementie². De toegenomen consumptie van energierijk voedsel heeft het fysiologische onderscheid tussen homeostatische honger die volgt op voedselgebrek en hedonische honger of 'verlangen', dat optreedt in afwezigheid van ontbering, overdreven^3,4. Omdat de homeostatische regulering alleen de huidige toename van obesitas niet kan verklaren, is het verplicht om het effect op de hersenmechanismen van beloning en plezier van de verslavende eigenschappen van zeer smakelijk voedsel te testen.

Consumptie van sucrose wordt geassocieerd met obesitas en sucrose wordt steeds meer als een verslavende stof beschouwd⁵. Sommige bevindingen zijn in tegenspraak met deze claim vanwege problemen bij het scheiden van niet-smakelijke voedselconsumptie van hedonische voedselreacties, en bij het bepalen van het verslavende ingrediënt in verwerkt voedsel, evenals de verschillende mechanismen waarmee voedsel hersencircuits verandert via natuurlijke paden⁶. Desalniettemin veroorzaakt de inname van sucrose in specifieke contexten beloning en verlangen, vergelijkbaar in omvang als die veroorzaakt door verslavende medicijnen, die leiden tot overconsumptie en uiteindelijke obesitas^6,7.

Honger wordt geassocieerd met 'willen' dat nauw verband houdt met effecten van dopaminerge neurotransmissie in een aantal beloningsomstandigheden⁸, maar het blijft onduidelijk hoe de werking van dopamine (DA) wordt gemoduleerd als reactie op dwangmatig eten. Consumptie van smakelijk voedsel is gekoppeld aan "smaak", voornamelijk gemedieerd door het endogene opioïde systeem, vooral de μ-opioïde receptor (μOR)^9,10, die overconsumptie kan bevorderen wanneer gedereguleerd. In het huidige rapport testen we de claim dat sucrose leidt tot afgifte van opioïden en dopamine die de beschikbaarheid van μOR- en DA D2 / 3-receptoren verlaagt. De beschikbaarheid is een index van het aantal niet-bezette receptoren beschikbaar voor tracerbinding en maakt in principe geen onderscheid tussen ligandbezetting en receptordichtheid¹¹.

Het begin van dwangmatig eten is afhankelijk van meerdere factoren en causaal onderzoek bij mensen roept ethische problemen op. De meeste onderzoeken richten zich daarom op het voedingsgedrag bij ratten¹². Hoewel ratten een "zoetekauw" hebben, verschillen hun homeostatische mechanismen die belangrijk zijn voor gewichtstoename, metabolisme en type vetophoping aanzienlijk van die van mensen. De minipig van Göttingen is een groot omnivoor dier met een goed ontwikkeld gyrencefalisch brein, dat met voldoende resolutie kan worden afgebeeld. De goed gedefinieerde subcorticale en prefrontale corticale regio's¹³ een meer directe vertaling naar de menselijke hersenfunctie mogelijk maken. Hier gebruiken we positronemissietomografie (PET) -beeldvorming om te testen in vivo μOR en DA D2 / 3 beschikbaarheid in een minipig model van subchronische blootstelling aan sucrose. In een kleinere steekproef onderzochten we de onmiddellijke effecten op de bezettingsgraad van μOR na de eerste blootstelling aan sucrose. Ten slotte hebben we de relatie getest tussen de veranderingen in receptorbeschikbaarheid van de twee tracers.

Gemiddelde parametrische kaarten van [¹¹C] carfentanil en [¹¹C] raclopride bindend potentieel (BP_ND) worden getoond in Fig. 1. Om de veranderingen te analyseren die optreden na de eerste blootstelling aan sucrose bij vijf minivarkens ten opzichte van de uitgangswaarde en één dag na de 12^th sucrose-toegang in zeven minivarkens vergeleken met de uitgangswaarde, we gebruikten permutatietheorie en niet-regionaal beperkte gehele hersenen-analyse, de voorkeursmethode voor monsters van deze grootte¹⁴.

Gemiddeld voxelgewijs niet-verplaatsbaar bindingspotentieel (BP_ND) kaarten gesuperponeerd op MRI-afbeeldingen in sagittale weergave. Gegevens worden gepresenteerd voor [¹¹C] carfentanil BP_ND van de 5 minivarkens afgebeeld bij aanvang, na initiële blootstelling aan sucrose en na 12 dagen blootstelling aan sucrose (bovenste rij). [¹¹C] carfentanil BP_ND van alle 7 minivarkens afgebeeld op basislijn en na 12 dagen toegang tot sucrose worden gepresenteerd in de middelste rij. [¹¹C] raclopride BP_ND van alle 7 minivarkens afgebeeld op basislijn en na 12 dagen toegang tot sucrose worden weergegeven in de onderste rij. Merk op dat de kleurenschaal exponentieel is om de [¹¹C] raclopride BP_ND in extrastriatale gebieden.

Afbeelding op volledige grootte

Eerste blootstelling aan sucrose

In de vijf minivarkens afgebeeld met [¹¹C] carfentanil bij aanvang en onmiddellijk na de eerste blootstelling aan sucrose, vonden we een aanzienlijk verminderde tracerbinding in de voorste cingulaire cortex en de nucleus accumbens in reactie op sucrose, in kleur weergegeven in Fig. 2, wat aangeeft p <0.05. We ontdekten maar liefst 14% verminderde tracerbinding in beide gebieden in vergelijking met de basislijn.

Aanzienlijke dalingen van [¹¹C] carfentanil BP_ND na de eerste blootstelling aan sucrose water vergeleken met baseline (n = 5). Alleen voxels met significante (p <0.05) afnames worden weergegeven als gekleurde gebieden die worden geprojecteerd op T1-gewogen MRI-coupes op het niveau van de anterieure cingulate cortex (links) en nucleus accumbens (midden) vanuit een stereotactische minipig-hersenatlas. Merk op dat het maximale significantieniveau dat haalbaar is met 5 dieren 2 is^-5 ≈ 0.031 (zie kleurenbalk). Gegevens worden gepresenteerd over coronale secties van de varkenshersenen op de niveaus aangegeven op het sagittale beeld (rechts).

Afbeelding op volledige grootte

12 dagen toegang tot sucrose

We hebben vervolgens de analyse uitgevoerd van zeven minivarkens afgebeeld met [¹¹C] carfentanil bij aanvang en na 12 dagen toegang tot sucrose en vond significant verminderde tracerbinding bij aan sucrose blootgestelde dieren in vergelijking met uitgangswaarde. De meest sterk getroffen gebieden worden in Fig. 3 (p <0.01) en omvatten delen van de reukstructuren, nucleus accumbens / ventrale striatum en de temporale cortex / lob, gevolgd door gebieden die in geel zijn weergegeven (p <0.015) die delen van de prefrontale cortex, cingulaire cortex, amygdala en hersenstam omvatten . Om BP te krijgen_ND waarden en beoordelen percentage verandering, voerden we regionale analyse uit en verkregen gemiddelde waarden in elke regio bij aanvang en na sucrose consumptie (Fig. 4).

Aanzienlijke dalingen van [¹¹C] carfentanil bindend potentieel (BP_ND) tussen nulmeting en na 12 dagen blootstelling aan sucrose water (n = 7). De voxels met significante (p <0.05) afnames worden weergegeven als gekleurde gebieden die worden geprojecteerd op T1-gewogen MRI-coupes van een stereotactische minivarkensatlas. Gegevens worden gepresenteerd op coronale hersencoupes op de niveaus die zijn aangegeven op de sagittale afbeelding (rechtsonder). Merk op dat het maximale significantieniveau dat haalbaar is met 7 dieren 2 is^-7 ≈ 0.0078 (zie kleurenbalk).

Afbeelding op volledige grootte

Regionale analyse van [¹¹C] carfentanil bindend potentieel (BP_ND) tussen nulmeting en na 12 dagen blootstelling aan sucrose water (n = 7). Gegevens worden gepresenteerd als gemiddelde ± standaardfout.

Afbeelding op volledige grootte

We gebruikten [¹¹C] raclopride als de tracer van DA D2 / 3-receptoren in striatale en extrastriatale hersengebieden in minivarkens bij aanvang en na 12 dagen toegang tot sucrose (Fig. 1). We vonden verminderde tracerbinding bij aan sucrose blootgestelde dieren, vergeleken met de basislijn met de grootste effecten (p <0.01) in gebieden van de prefrontale cortex, nucleus accumbens / ventraal striatum, cingulaire cortex, amygdala, thalamus, mesencephalon, hippocampusgebieden en reukgebieden. (Afb. 5). Gegevens uit regionale analyse worden gepresenteerd in Fig. 6.

Aanzienlijke dalingen van [¹¹C] raclopride bindend potentieel (BP_ND) tussen nulmeting en na 12 dagen blootstelling aan sucrose water (n = 7). De voxels met significante (p <0.05) afnames worden weergegeven als gekleurde gebieden die worden geprojecteerd op T1-gewogen MRI-coupes van een stereotactische minivarkensatlas. Gegevens worden gepresenteerd over coronale secties van de varkenshersenen op de niveaus die zijn aangegeven op de sagittale afbeelding (rechtsonder). Merk op dat het maximale significantieniveau dat haalbaar is met 7 dieren 2 is^-7 ≈ 0.0078 (zie kleurenbalk).

Afbeelding op volledige grootte

Regionale analyse van [¹¹C] raclopride bindend potentieel (BP_ND) tussen nulmeting en na 12 dagen blootstelling aan sucrose water (n = 7). Gegevens worden gepresenteerd als gemiddelde ± standaardfout.

Afbeelding op volledige grootte

Correlaties tussen [¹¹C] raclopride en [¹¹C] carfentanil gegevens

We hebben de potentiële correlatie getest tussen [¹¹C] raclopride en [¹¹C] carfentanil waarden van BP_ND in striatale en niet-striatale gebieden bij minivarkens bij aanvang en na 12 dagen sucrose-inname, zonder associaties waargenomen. We hebben vervolgens getest of dalingen van tracerbinding gecorreleerd waren en we vergeleken de veranderingen van BP_ND voor [¹¹C] raclopride met de veranderingen van BP_ND voor [¹¹C] carfentanil alleen in de minivarkens die een lagere bloeddruk hadden_ND van beide tracers na inname van sucrose (n = 6). We vonden significante negatieve correlaties in gemiddeld extrastriataal (r² = 0.91, p <0.01), maar niet in striatale regio's (Fig. 7).

Correlaties tussen pre-minus post-dalingen van [¹¹C] raclopride en [¹¹C] carfentanil bindend potentieel (BP_ND) bij minivarkens met verminderde tracerbinding na sucrose-inname (n = 6). Gegevens van de gemiddelde extrastriatale gebieden (boven) en striatum (onder) worden gepresenteerd. De bepalingscoëfficiënt (r²) en de p-waarden worden voor elke grafiek weergegeven.

Afbeelding op volledige grootte

We bepaalden de effecten van herhaalde intermitterende toegang tot sucrose op opioïde en DA neurotransmissie in zoogdierhersenen. lengte- in vivo PET-beeldvorming van de μOR- en DA D2 / 3-receptoren onthulde een verminderde beschikbaarheid van de receptor gedurende het hele beloningscircuit, inclusief de nucleus accumbens, prefrontale cortex en de voorste cingulaire cortex. De resultaten tonen duidelijk aan dat sucrose beloningsmechanismen beïnvloedt op een manier die vergelijkbaar is met die van drugs.

Het is bekend dat de inname van sucrose als een smakelijke stof DA vrijmaakt en afhankelijkheid bij knaagdieren veroorzaakt¹⁵, waarbij sucrose in bepaalde contexten zelfs nog aangenamer is dan cocaïne bij knaagdieren. Aldus werken knaagdieren intensiever om sucrose te verkrijgen dan cocaïne, zelfs in afwezigheid van voedselgebrek⁵. De effecten van sucrose worden echter zowel gereguleerd door het homeostatische systeem als door hedonische beloningscircuits^16,17 dat het onderscheid tussen voedings- en hedonische aspecten van sucrose-actie kan bemiddelen¹⁸. We kozen voor een schema van één uur per dag om 'binging' te bevorderen, omdat eerdere studies bij ratten een hogere inname hadden aangetoond tijdens het eerste uur van dagelijkse toegang in een intermitterend schema^15,19. Gedragsstudies van voedselinname zijn vaak gericht op voedselbeperkte dieren, maar het ontwerp hoeft niet noodzakelijk dezelfde neurale mechanismen te weerspiegelen die actief zijn bij obesitas. Varkens in het huidige onderzoek hadden geen voedselbeperking en kregen naast de toegang tot sucrose de gebruikelijke hoeveelheden van hun normale dieet.

Opioïdereceptoren (OF) komen op grote schaal tot expressie in de hersenen, met name in structuren waarvan bekend is dat ze eet- en beloningsprocessen moduleren²⁰. Van OR's is aangetoond dat ze belangrijk zijn voor de lonende en recidiverende effecten van cocaïne^21,22,23,24. Wijzigingen in binding zijn ook in verband gebracht met de homeostatische reacties op eten en het plezier geassocieerd met smakelijk voedsel²⁵. In het bijzonder is het 'liken' van voedsel gekoppeld aan het endogene opioïde systeem, met name de μOR^9,10 in de schil van de nucleus accumbens en het ventrale pallidum²⁶. Infusies van een μOR-agonist in afzonderlijke gedeelten van de nucleus accumbens en ventrale pallidum verbeteren het "liking" -gedrag sterk, inclusief tonguitsteeksels en likken van de poot, na verhoogde smakelijke voedselinname^27,28,29. Verder bewijs voor opioïdensignalering bij de verwerking van hedonische regulatie is afkomstig van μOR-antagonisten die de consumptie van smakelijke chow in beide verminderen ad libitum-diervoeders en voedselbeperkte dieren, maar met een beperkter effect op de inname van niet-smakelijke standaardpellets^30,31. Bij mensen verminderen μOR-antagonisten de voedselinname op de korte termijn en verminderen de aangenaamheid van smakelijk voedsel^32,33,34. Opioïdesignalering in de basolaterale amygdala draagt ​​ook bij aan het 'willen' van voedsel door modulatie van beloning zoeken en de stimulerende waarde van voedsel³⁵.

Met [¹¹C] carfentanil, we hebben beelden verkregen van tracerbinding die gevoelig is voor zowel μOR-niveaus als voor de afgifte van endogene opioïden door de hersenen^36,37. We ontdekten onmiddellijk verlies van μOR beschikbaarheid in gebieden van de nucleus accumbens en anterior cingulate cortex, specifieke hersengebieden van de beloningsroute, na initiële consumptie van sucrose door vijf minivarkens, consistent met endogene opioïde afgifte. Eerdere studies hebben aangetoond dat smakelijk eten kan leiden tot gevoelens van plezier³⁸ door opioïde afgifte te stimuleren. Na 12 dagen toegang tot sucrose, namen we af [¹¹C] carfentanil binding, die verschillende mogelijke verklaringen heeft³⁹ inclusief endogene opioïde afgifte en binding aan μOR, μOR internalisatie als gevolg van verhoogde opioïde binding en verhoogde DA D2 / 3-receptoractivatie leidend tot heterologe desensitisatie van μOR⁴⁰.

Ter ondersteuning van de huidige bevindingen, [¹¹C] carfentanil studies bij patiënten met boulimia⁴¹obesitas^42,43,44en eetstoornis⁴⁵, tonen verminderde beschikbaarheid van de receptor. Dit zijn echter chronische aandoeningen, terwijl de minivarkens slechts 12 dagen sucrose ontvingen. In een onderzoek naar acuut voedingsgedrag bij gezonde mannen leidde voeding tot robuuste en wijdverspreide endogene cerebrale opioïde afgifte, zowel in aanwezigheid als afwezigheid van hedonia, hetgeen suggereert dat opioïde afgifte metabolische en homeostatische, evenals hedonische reacties weergeeft²⁵. Deze studie, samen met een andere die patiënten in beeld bracht na een vloeibare chocoladesmaak⁴⁴, is direct relevant voor het acute onderzoek van vijf minivarkens na de eerste blootstelling aan sucrose, maar verschilt van het onderzoek naar subchronische blootstelling aan sucrose gedurende 12 dagen, waar de verminderde beschikbaarheid van de receptor waarschijnlijk een weerspiegeling is van herhaalde overstimulatie en gelijktijdige verlaging van μOR.

De prefrontale cortex is belangrijk bij het nemen van beslissingen en het toekennen van waarde aan items en daarom kan de μOR in de prefrontale cortex verantwoordelijk zijn voor de veranderde evaluatie van de voedselsufficiëntie, die het verslavende potentieel van voedsel kan verhogen. We hebben een verminderde binding in de prefrontale cortex gevonden, consistent met eerdere studies die aantonen dat een vetrijk dieet de hoeveelheid μOR mRNA in de prefrontale cortex verlaagt⁴⁶ en dat infusie van een μOR-agonist in de prefrontale cortex de inname van zoet voedsel verhoogt⁴⁷. Wederom rijst echter de vraag of het vetrijke dieet een meer chronische aandoening is die waarschijnlijk de receptor-downregulatie bemiddelt, in vergelijking met het sucrose-voedende ontwerp op kortere termijn, wat suggereert aanhoudende afgifte van endogene opioïden die tracer carfentanil verdringt gebonden aan μOR , zelfs na 12 dagen sucrose.

DA is betrokken bij zowel beloningen van drugs als van gedrag. Chronisch cocaïnegebruik bleek DA-signalering te remmen⁴⁸. DA D1- en D2 / 3-receptorniveaus worden veranderd door nicotine in varkenshersenen⁴⁹, en in niet-menselijke primaten met een geschiedenis van cocaïne-misbruik⁵⁰, consistent met de downregulatie van D2 / 3-receptoren in de hersenen van cocaïneverslaafden^51,52. Wat betreft geneesmiddelen voor misbruik is aangetoond dat sucrose DA D1-receptoren opreguleert¹⁹ en verhoog de DA-release⁵³, het versterken van de rol van DA in "willen" in relatie tot smakelijk voedsel. Eerdere PET-studies hebben een afname aangetoond in de beschikbaarheid van striatale DA D2 / 3-receptoren in morbide obesitas versus gemiddeld gewicht^54,55, vergelijkbaar in grootte met de vermindering van drugsverslaafde patiënten⁵⁶en in dieren met modellen van obesitas⁵⁷. In knaagdierstudies bevordert D2 / 3-receptor knockdown in het striatum de ontwikkeling van dwangmatig voedsel zoeken bij ratten met toegang tot smakelijk voedsel⁵⁷.

Onze waarnemingen van verminderde D2 / 3-receptorbeschikbaarheid van het varken kunnen duiden op verhoogde DA-waarden als reactie op de stimulerende saillantie geassocieerd met de inname van sucrose, omdat DA wordt vrijgegeven als onderdeel van het willen van drugs van misbruik en andere plezierige activiteiten^52,58,59,60. Omdat de varkens tijdens de beeldvorming waren verdoofd en binnen 24 uur geen sucrose hadden ontvangen, nam de verlaagde D2 / 3 BP af_ND meer waarschijnlijk weerspiegelt een vermindering van het aantal receptoren in reactie op langdurige toename van DA-afgifte bij elk van de 12 dagen van toegang tot sucrose. De reductie kan de beloningsdrempels van de hersenen verhogen, geassocieerd met downregulatie van striatale DA D2-receptoren. Dit kan de verhoogde gevoeligheid voor misbruik van medicijnen verklaren die in eerdere studies met te veel sucrose bij ratten zijn waargenomen, wat leidde tot kruisgevoeligheid voor cocaïne, hyperactiviteit na een lage dosis amfetamine, verhoogde alcoholinname bij het onthouden van sucrose en tolerantie voor de pijnstillende effecten van opiaten⁶.

Een eerdere studie van obesitas in de minipig van Göttingen identificeerde een verminderde cerebrale bloedstroom in de nucleus accumbens, ventrale tegmentale zone (VTA) en prefrontale cortex, met single photon emissie computertomografie (SPECT) van de hersenen⁶¹. In overeenstemming met deze bevindingen zagen we een verminderde DA D2 / 3-binding in het ventroforebraingebied met de nucleus accumbens en in de prefrontale cortex. Extracellulaire niveaus van DA worden 3-voudig verhoogd in de nucleus accumbens na opname van sucrose in vrij bewegende ratten die microdialyse ondergaan⁶². Bij van sucrose afhankelijke dieren kan herhaalde inname van sucrose leiden tot afgifte van DA uit de schil van nucleus accumbens⁶³. Dieren die een beperkt dieet met beperkte toegang tot sucrose kregen, hadden een lagere DA D2-receptorbinding in de nucleus accumbens shell en het dorsale striatum⁶⁴. Beperkte diëten met hoog vet- en sucrosegehalte kunnen leiden tot langdurige downregulatie van D1- en D2-receptormRNA in de nucleus accumbens⁶⁵. Een microdialyse-onderzoek naar de effecten van smakelijk voedsel onthulde een verhoogde DA-afgifte in de nucleus accumbens en prefrontale cortex toen het voedsel nog als nieuw werd beschouwd; zodra de ratten gewend waren aan het nieuwe voer, werd de verhoogde afgifte afgestompt in de nucleus accumbens, maar niet in de prefrontale cortex⁶⁶. De differentiële gevoeligheid voor gewenning en conditionering van de activiteit in twee regio's kan de grotere toename in waargenomen in prefrontale cortex verklaren dan in nucleus accumbens van minivarkens blootgesteld aan dezelfde smakelijke substantie die na twaalf dagen nieuwigheid verloor. Omdat we minipigs echter niet hebben afgebeeld met [¹¹C] raclopride na de eerste sucrose-toediening, deze verklaring is speculatief.

De prefrontale cortex moduleert uitvoerende functie, besluitvorming en zelfbeheersing⁶⁷. Dysfunctionele DA-neurotransmissie in de prefrontale cortex schaadt modulatie van beloningsverwerking, hetgeen suggereert dat een verminderde uitvoerende functie en besluitvormingsvaardigheden bij zwaarlijvige individuen^68,69. Bovendien correleerde een humaan PET-onderzoek een verminderd metabolisme van de frontale cortex met een verminderde striatale D2-binding bij obesitas⁷⁰. Hier vinden we een verminderde beschikbaarheid van D2 / 3-receptoren in de prefrontale cortex, inclusief de orbitofrontale cortex van varkens die zijn blootgesteld aan het sucrose-regime.

Dopaminerge neuronen van de VTA sturen projecties naar de hippocampus en amygdala, waar ze gewoonteachtig gedrag ondersteunen⁷¹ en bemiddelen bij het coderen en ophalen van conditionering tot medicijn^72,73 en eten signalen^74,75. Beeldvorming van het menselijk brein heeft hippocampale activering aangetoond als reactie op hunkering en smaak⁷⁶. Consistent met onze bevindingen van een verminderde beschikbaarheid van hippocampale en amygdalaire D2 / 3-receptoren in reactie op sucrose, in kaart brengen van menselijke hersenen met [¹⁸F] fallypride vertoonde door cocaïne cue geïnduceerde DA-afgifte in amygdala en hippocampus⁷⁷. In knaagdierhersenen veroorzaakte blootstelling aan cocaïne cue DA-afgifte in de amygdala⁷⁸en veranderingen van de amygdala DA-niveaus hadden invloed op door cue veroorzaakt cocaïnezoekend gedrag⁷⁹.

In een onderzoek onder zwaarlijvige individuen werd de associatie tussen D2 / 3 en μOR beschikbaarheid, waarvan bekend is dat deze voorkomt in striatale regio's van magere individuen, verstoord in het ventrale striatum⁸⁰. We vergeleken de waarden van BP_ND van de twee tracers om te testen of de gegevens dit effect reproduceren. In tegenstelling tot magere mensen, hadden de huidige hersenen van varkens geen verband tussen de waarden van BP_ND van de twee tracers, bij aanvang of na de blootstelling aan sucrose. We hebben vervolgens getest of de dieren met de grootste afname van de tracer-raclopride-binding ook de grootste afname van de tracer-carfentanil-binding zouden hebben, maar in plaats daarvan vonden we een negatieve correlatie in de gemiddelde extrastriatale regio's, wat suggereert dat dieren met de grootste verandering in het bindingspotentieel van tracer raclopride had de laagste verandering van het bindingspotentieel van tracer carfentanil. De omgekeerde relatie tussen de veranderingen suggereert dat de effecten van sucrose-inname op de beschikbaarheid van de respectieve receptoren in tegengestelde richtingen worden gereguleerd. Het is bekend dat overmatige consumptie van smakelijk voedsel of medicijnen kan worden aangedreven door willen of leuk vinden, of beide^60,81. Het is mogelijk dat de grootte van willen gedreven door dopamine de grootte van likeren gedreven door opioïden teniet doet, of vice versa. Recent bewijs wijst op rollen van GABA_A receptoren in de VTA en cholinerge terminals in striatum en mogelijk cortex die fungeren als schakelaars tussen dopamine-afhankelijke en dopamine-onafhankelijke mechanismen van opioïde werking^82,83 dat kan de wederkerigheid van dopamine- en opioïde-effecten in extrastriatale regio's bij varkens verklaren.

Een tekort aan PET, ook bij relatief grote dieren, is de beperkte ruimtelijke resolutie van de tomografie die de resultaten beïnvloedt van kleine hersengebieden die betrokken zijn bij voedselgerelateerd gedrag. Ondanks deze zorgen is [¹¹C] raclopride binding werd eerder zowel in striatale als extrastriatale gebieden geregistreerd^84,85,86,87. Het gebruik van [¹¹C] raclopride om hetzelfde type receptoren te labelen, geeft geen aanleiding tot mogelijke affiniteitsverschillen die het gebruik van afzonderlijke tracers voor dezelfde receptoren in verschillende regio's kunnen beïnvloeden. Recente studies omvatten records van extrastriatale binding van [¹¹C] raclopride. Alakurtti c.s.. vond goede reproduceerbaarheid van maatregelen van striatale raclopride-binding in het striatum, met alleen goede tot matige reproduceerbaarheid in de cortex⁸⁵. In een latere studie, Svensson c.s.. verschillende kwesties besproken die van invloed zijn op het gebruik van [¹¹C] raclopride als marker voor extrastriatale D2 / 3-receptoren in een onderzoek bij gezonde mensen, waaronder slechte reproduceerbaarheid in cortex en beperkte afname van extrastriatale binding in frontale cortex in reactie op een D2 / 3-blokkeermiddel⁸⁸. De test-hertest-vergelijkingen onthulden variabelen van 4-7% in striatum en 13-59% in corticale regio's, maar de tijd tussen onderzoeken bedroeg gemiddeld 20 dagen, in tegenstelling tot de meer informatieve 1-2 dagen van de meeste onderzoeken. Een aantal factoren in het leven van die proefpersonen heeft misschien tijd gehad om de bevindingen te beïnvloeden. We laten hier inderdaad zien dat alleen het toevoegen van sucroseconsumptie aan een ochtendroutine gedurende 12 dagen mogelijk bindende maatregelen heeft beïnvloed die twee weken later werden verkregen. Andere factoren die zo vaak voorkomen als het spelen van videogames, winkelen, het aangaan van nieuwe romantische relaties en seksuele activiteit, het gebruik van drugs of het veranderen van dieet en lichaamsbeweging kunnen de extrastriatale dopamine-niveaus beïnvloeden met potentieel voor grote variatie aan datasets. De huidige studie bij minivarkens introduceerde een goed gecontroleerde opzet met als enige variabele de afwezigheid of aanwezigheid van sucrose in het dieet. In deze context hadden de gegevens van zeven dieren een voldoende lage variabiliteit in relevante extrastriatale gebieden om een ​​statistisch significante vermindering van binding in respons op sucrose te identificeren.

Een beperking van de huidige studie is het gebruik van anesthetica die nodig is om immobiliteit tijdens te garanderen in vivo beeldvorming van dieren. De effecten van specifieke anesthetica en hun interacties met geneesmiddelen of andere interventies kunnen de binding van radioliganden verstoren^89,90. Ketamine is een anti-glutamatergisch medicijn met snelle antidepressieve effecten in subanesthetica^91,92,93, die striatal niet verminderen [¹¹C] raclopride binding bij mensen⁹⁴. S-ketamine bleek echter de bindingsbeschikbaarheid van dopamine D2 / 3-receptoren in het striatum van bewuste niet-menselijke primaten te verminderen⁹⁵. Isofluraan is een algemeen verdovingsmiddel in dierlijk PET. In eerdere studies vonden we striatale accumulatie van [¹¹C] SCH23390, een radioligand van de dopamine D1-receptoren die significant hoger is bij minivarkens verdoofd met isofluraan in plaats van propofol, hetgeen duidt op gevoeligheid van de dopaminerge neurotransmissie voor effecten van anesthesie⁹⁶. In het huidige onderzoek werden alle minivarkens op beide tijdstippen afgebeeld onder ketamine-voormedicatie en isofluraananesthesie, waardoor de huidige vergelijkingen geldig zijn.

Overmatige consumptie van smakelijk voedsel kan zowel verslaving als het gevolg zijn van verslaving met directe gevolgen voor de gezondheid door obesitas. We hebben de bewering getest dat opioïden en dopamine beloningen bemiddelen, belangrijk voor zowel overleving als drugsmisbruik. Minivarkens met intermitterende toegang tot een sucrose-oplossing op 12 opeenvolgende dagen toonden verminderde dopamine D2 / 3 en μ − opioïdereceptorbeschikbaarheid in striatale en extrastriatale hersenregio's, wat impliceert dat voedingsmiddelen met veel sucrose hersenbeloningscircuits beïnvloeden op dezelfde manier als waargenomen bij verslavende geneesmiddelen worden geconsumeerd. De eerste eenmalige blootstelling aan sucrose was consistent met de afgifte van opioïden in hersengebieden die actief waren in beloning. De veranderingen in de beschikbaarheid van opioïden en dopamine verklaren het verslavende potentieel van te veel geconsumeerde sucrose.

Dierethiek

Deze studie werd goedgekeurd en gereguleerd door de Deense Inspectie voor dierproeven en alle experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijn 2010/63 / EU van het Europees Parlement en de Raad inzake de bescherming van dieren die voor wetenschappelijke doeleinden worden gebruikt en de ARRIVE-richtlijnen. We gebruikten zeven veertien maanden oude vrouwelijke Göttingen-minivarkens (Ellegaard, Dalmose, Denemarken). Minivarkens kregen een pelletdieet (6 dL, 2 keer per dag, Special Diets Services, Aarhus, Denemarken) met leidingwater beschikbaar ad libitum. De omgevingstemperatuur was 20-22 ° C, de relatieve luchtvochtigheid 50-55% en de lucht werd acht keer per uur ververst.

Intermitterend sucrose-verbruik

We hebben zeven minivarkens afgebeeld met [¹¹C] raclopride en [¹¹C] carfentanil bij aanvang, en opnieuw één dag na 12 opeenvolgende dagen blootstelling aan sucrose water. Blootstelling aan sucrose bestond uit één uur sucrose (sucrose, Dansukker, Kopenhagen, Denemarken) toegang tot water (500 gram sucrose in 2 liter water), dagelijks gedurende een periode van 12 dagen. De hoeveelheid sucrose-inname werd geregistreerd en alle minivarkens consumeerden elke dag 2 liter. We hebben ook vijf van dezelfde minivarkens afgebeeld met [¹¹C] carfentanil, 30 minuten na de eerste toegang tot sucrose, om acute afgifte van opioïden te bestuderen.

De minivarkens wonnen gemiddeld 13.6% lichaamsgewicht van 25.4 kg (± 0.73 SEM) bij aanvang tot 28.9 kg (± 0.69 SEM) na de 12-daagse blootstelling aan sucrose, wat significant hoger was (eenzijdige t-test, p < 0.001) dan de toenames die werden waargenomen in een steekproef van controle-minivarkens verkregen in eerdere onderzoeken, waar het gewicht gemiddeld slechts met 4.9% toenam, tijdens dezelfde ontwikkelingsperiode.

Hersenen PET-beeldvorming

We vasten varkens 's nachts met vrije toegang tot water voorafgaand aan beeldvorming. We hebben minivarkens met medicijnen behandeld en onder narcose gebracht zoals eerder beschreven⁹⁷ en plaatste ze in rugligging in een PET / CT-apparaat (Siemens Biograph 64 Truepoint PET). We hebben voorafgaand aan elke PET-acquisitie een lage dosis CT-scan uitgevoerd voor anatomische definitie en demping van PET-emissiegegevens. We hebben intraveneus toegediend [¹¹C] raclopride bij aanvang (360 ± 18 MBq, specifieke activiteit 77 ± 76 GBq / μmol, geïnjecteerde massa 0.12 ± 0.08 μg / kg) en na 12 dagen sucrose (374 ± 54 MBq, specifieke activiteit 127 ± 85 GBq / μmol, geïnjecteerde massa 0.06 ± 0.05 μg / kg), en [¹¹C] carfentanil bij aanvang (377 ± 43 MBq, specifieke activiteit 311 ± 195 GBq / μmol, geïnjecteerde massa 0.03 ± 0.02 μg / kg) en na 12 dagen sucrose (337 ± 71 MBq, specifieke activiteit 177 ± 157 GBq / μmol, geïnjecteerde massa 0.06 ± 0.08 μg / kg) via oorader, in 10 ml zoutoplossing, tijdens de eerste minuut van een scan van 90 minuten. We hebben PET-gegevens gereconstrueerd met behulp van TrueX 3D OSEM (3 iteraties, 21 subsets), een matrix van 256 × 256 × 109 en een Gauss-filter van 2 mm, met een tijdframe-structuur van 5 × 60, 3 × 300, 4 × 600 , 2 × 900 seconden (totaal 14 frames, 90 minuten). Bij aanvang en na 12 dagen sucrose werden minivarkens afgebeeld met beide tracers met een tussenpoos van ten minste 100 minuten, vanwege de halfwaardetijd van [¹¹C] PET-tracers. Na voltooiing van de laatste PET-sessie euthaniseerden we minivarkens onder diepe anesthesie door een intraveneuze overdosis pentobarbital (100 mg / kg).

Kwantitatieve analyses en statistieken

We hebben preprocessing-stappen uitgevoerd met PMOD 3.7 (PMOD Technologies Ltd, Zürich, Zwitserland). Om de stereotactische transformatieparameters uit tijdgemiddelde PET-afbeeldingen te definiëren, gebruikten we ligand-specifieke sjablonen. We hebben de gegenereerde transformatiematrices en krommingsvelden toegepast op de overeenkomstige dynamische PET-tijdreeksen. We hebben parametrische afbeeldingen gegenereerd van [¹¹C] raclopride bindend potentieel (BP_ND) door middel van de multilineaire referentieweefselmethode van Ichise en collega's⁹⁸. We hebben een op maat gemaakt masker van het cerebellum gemaakt dat het vermis uitsluit om de radioactiviteit van het cerebellaire weefsel in de tijd te verkrijgen in een gebied met een verwaarloosbare DA D2 / 3-receptordichtheid. We hebben parametrische afbeeldingen gegenereerd van [¹¹C] carfentanil met behulp van een implementatie van het Logan referentieweefselmodel^99,100 met t * = 30 minuten. Studies van [¹¹C] carfentanilbinding in menselijke hersenen heeft de occipitale cortex als referentiegebied gebruikt³⁶; in het varken was echter volgens de tijdactiviteitskrommen de niet-verplaatsbare binding lager in het cerebellum dan in de occipitale cortex, consistent met bevindingen uit een autoradiografieonderzoek bij ratten¹⁰¹. Daarom hebben we in het huidige onderzoek het cerebellum als referentiegebied gekozen.

statistische analyse

We hebben kaarten onderworpen aan een voxelgewijze analyse met statistische niet-parametrische kaarten (SnPM v13.01, http://warwick.ac.uk/snpm) SPM-toolbox die niet-parametrische permutatietheorie gebruikt om een ​​kader voor statistische inferentie te bieden, een benadering die goed werkt voor kleine steekproeven vanwege strikte controle van valse positieven¹⁴ en toegepast zoals eerder beschreven¹⁰². Een expert in neuroanatomie van varkens (DO) vergeleek de resulterende beelden met een drempelwaarde van 5% met een hoge resolutie Göttingen minipig-atlas^103,104 om gebieden met verminderde DA D2 / 3 en μOR BP te definiëren en te labelen_ND van baseline tot de post-sucrose conditie. Vervolgens hebben we een regio-van-belang-analyse (ROI) uitgevoerd om BP te extraheren_ND waarden van specifieke regio's die interessant zijn gebleken op basis van de SnPM-analyse, waaronder het striatum, nucleus accumbens, thalamus, amygdala, cingulaire cortex en prefrontale cortex. Er zijn geen aanvullende statistieken uitgevoerd over de ROI-analyse, omdat deze regio's al significant bleken met behulp van SnPM.

Een "AU Ideas Project Development Grant" van Aarhus University aan AML heeft het onderzoek gefinancierd. We zijn dankbaar voor de technische ondersteuning van het personeel van het PET-centrum van het Aarhus University Hospital en de Farm Farm van Aarhus voor hulp bij de behandeling van de dieren. We danken professor Morten Kringelbach, professor Jørgen Scheel-Kruger en universitair hoofddocent Arne Møller voor hulp bij het initiëren van deze studies.

AFFILIATIE

1. Afdeling nucleaire geneeskunde en PET-centrum, Universiteit van Aarhus, Aarhus, Denemarken
   • Michaël Winterdahl
   • , Ove Noer
   • Anna C. Schacht
   • , Steen Jakobsen
   • , Aage KO Alstrup
   • , Albert Gjedde
   •  & Anne M. Landau
2. Afdeling Neurochirurgie en CENSE, Universitair Ziekenhuis Aarhus, Aarhus, Denemarken
   • Dariusz Orlowski
3. Afdeling Nucleaire Geneeskunde, Universiteit van Zuid-Denemarken & Odense Universitair Ziekenhuis, Odense, Denemarken
   • Albert Gjedde
4. Afdeling Neurowetenschappen, Universiteit van Kopenhagen, Kopenhagen, Denemarken
   • Albert Gjedde
5. Afdeling Neurologie en Neurochirurgie, McGill University, Montreal, Canada
   • Albert Gjedde
6. Translational Neuropsychiatry Unit, Aarhus University, Aarhus, Denemarken
   • Anne M. Landau

Bijdragen

MW en AML ontwierpen de studie en analyse; ACS en SJ synthetiseerden de PET-tracers; MW, AKOA en AML hebben de minivarkens behandeld en de PET-scans uitgevoerd; MW, ON en AML hebben de gegevensanalyse uitgevoerd; DO leverde anatomische expertise, MW, AG en AML interpreteerden de gegevens; MW en AML schreven het manuscript met steun van AG; alle auteurs keurden de definitieve versie van het manuscript goed.

Corresponderende auteur

Correspondentie aan Anne M. Landau.

Tegenstrijdige belangen

De auteurs verklaren geen concurrerende belangen.

Opmerking van uitgever Springer Nature blijft neutraal met betrekking tot rechtsvorderingen in gepubliceerde kaarten en institutionele voorkeuren.

Herdrukken en machtigingen