A ingestão de sacarose reduz a disponibilidade de receptores μ-opioides e dopamina D2 / 3 no cérebro de suínos (2020)

O consumo excessivo de sacarose provoca um desejo semelhante ao vício que pode sustentar a epidemia de obesidade. Os opióides e a dopamina mediam os efeitos gratificantes das drogas de abuso e das recompensas naturais de estímulos como alimentos saborosos. Investigamos os efeitos da sacarose usando imagens PET com [¹¹C] carfentanil (agonista dos receptores opioides μ) e [¹¹C] racloprida (antagonista do receptor da dopamina D2 / 3) em sete minipigs de Göttingen anestesiados. Demos então aos mini-porcos acesso à solução de sacarose por uma hora em 12 dias consecutivos e realizamos a geração de imagens novamente 24 horas após o acesso final à sacarose. Em uma amostra menor de cinco minipigs, realizamos um [¹¹C] sessão de PET com carfentanil após a primeira exposição à sacarose. Calculamos o potencial de ligação do voxel (BP_ND) usando o cerebelo como uma região de ligação não deslocável, analisou diferenças com o mapeamento estatístico não paramétrico e realizou uma análise regional. Após 12 dias de acesso à sacarose, a BP_ND dos dois traçadores declinaram significativamente no estriado, núcleo accumbens, tálamo, amígdala, córtex cingulado e córtex pré-frontal, consistente com a regulação negativa da densidade de receptores. Após uma única exposição à sacarose, descobrimos uma ligação reduzida de [¹¹C] carfentanil no núcleo accumbens e córtex cingulado, consistente com a liberação de opióides. A menor disponibilidade de receptores opióides e dopamina pode explicar o potencial viciante associado à ingestão de sacarose.

Cinco por cento da população mundial são clinicamente obesos¹. Como marca registrada da síndrome metabólica, a obesidade está associada ao diabetes tipo 2, doenças cardiovasculares, problemas respiratórios e risco de depressão e possivelmente demência². O aumento do consumo de alimentos densos em energia exagerou a distinção fisiológica entre a fome homeostática que segue a privação de alimentos e a fome hedônica, ou "desejo", que ocorre na ausência de privação^3,4. Como a regulação homeostática sozinha não pode explicar o atual aumento da obesidade, é obrigatório testar o efeito nos mecanismos cerebrais de recompensa e prazer das propriedades viciantes de alimentos altamente palatáveis.

O consumo de sacarose está associado à obesidade e a sacarose é cada vez mais considerada uma substância viciante⁵. Algumas descobertas estão em desacordo com essa alegação devido a dificuldades em separar o consumo não palatável de respostas hedônicas e em determinar o ingrediente viciante em alimentos processados, bem como os diferentes mecanismos pelos quais os alimentos alteram os circuitos cerebrais por caminhos naturais.⁶. Contudo, em contextos específicos, a ingestão de sacarose induz recompensa e desejo, comparáveis ​​em magnitude aos induzidos por drogas viciantes, que levam ao consumo excessivo e eventual obesidade^6,7.

A fome está associada ao "desejo" que está intimamente relacionado aos efeitos da neurotransmissão dopaminérgica em várias circunstâncias de recompensa⁸, mas ainda não está claro como a ação da dopamina (DA) é modulada em resposta à alimentação compulsiva. O consumo de alimentos palatáveis ​​está associado ao "gosto", mediado principalmente pelo sistema opioide endógeno, especialmente o receptor μ-opioide (μOR)^9,10, que pode promover o consumo excessivo quando desregulado. No presente relatório, testamos a alegação de que a sacarose leva à liberação de opioides e dopamina que diminui a disponibilidade dos receptores μOR e DA D2 / 3. A disponibilidade é um índice do número de receptores desocupados disponíveis para ligação ao marcador e, em princípio, não distingue entre a ocupação do ligante e a densidade do receptor.¹¹.

O início da alimentação compulsiva depende de múltiplos fatores, e estudos causais em humanos levantam questões éticas. Portanto, a maioria dos estudos concentra-se no comportamento alimentar de ratos¹². Embora os ratos tenham um “dente doce”, seus mecanismos homeostáticos importantes para ganho de peso, metabolismo e tipo de acúmulo de gordura diferem significativamente dos humanos. O minipig de Göttingen é um grande animal onívoro, com um cérebro girencefálico bem desenvolvido, que pode ser visualizado em resolução suficiente. Suas regiões corticais subcorticais e pré-frontais bem definidas¹³ permitir uma tradução mais direta da função do cérebro humano. Aqui, usamos imagens de tomografia por emissão de pósitrons (PET) para testar in vivo Disponibilidade de μOR e DA D2 / 3 em um modelo de minipig de exposição subcrônica à sacarose. Em uma amostra menor, investigamos os efeitos imediatos na ocupação do μOR após a primeira exposição à sacarose. Finalmente, testamos a relação entre as alterações na disponibilidade de receptores dos dois rastreadores.

Mapas paramétricos médios de [¹¹C] carfentanil e [¹¹C] potencial de ligação à racloprida (BP_ND) são mostrados na Fig. 1. Analisar as alterações que ocorreram após a primeira exposição à sacarose em cinco minipigs em comparação à linha de base e um dia após as 12^th acesso à sacarose em sete minipigs comparado à linha de base, usamos a teoria da permutação e a análise do cérebro inteiro não regionalmente restrita, o método preferido para amostras desse tamanho¹⁴.

Potencial médio de ligação não deslocável em termos de voxel (BP_ND) mapas sobrepostos a imagens de ressonância magnética na vista sagital. Os dados são apresentados para [¹¹C] carfentanil BP_ND dos 5 mini-porcos fotografados na linha de base, após exposição inicial à sacarose e após 12 dias de exposição à sacarose (linha superior). [¹¹C] carfentanil BP_ND de todos os 7 minipigs fotografados na linha de base e após 12 dias de acesso à sacarose são apresentados na linha do meio. [¹¹C] racloprida BP_ND de todos os 7 minipigs fotografados na linha de base e após 12 dias de acesso à sacarose são mostrados na linha inferior. Observe que a escala de cores é exponencial para destacar o [¹¹C] racloprida BP_ND em regiões extrastriatais.

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Exposição inicial à sacarose

Nos cinco minipigs fotografados com [¹¹C] carfentanil na linha de base e imediatamente após a primeira exposição à sacarose, encontramos uma redução significativa da ligação do marcador no córtex cingulado anterior e no núcleo accumbens em resposta à sacarose, mostrado em cores na Fig. 2, indicando p <0.05. Detectamos uma diminuição de até 14% na ligação do traçador em ambas as áreas em comparação com a linha de base.

Diminuições significativas em [¹¹C] carfentanil BP_ND após a primeira exposição à água com sacarose em comparação com a linha de base (n = 5). Apenas voxels com significante (p <0.05) diminuições são mostradas como áreas coloridas projetadas em cortes de ressonância magnética ponderados em T1 no nível do córtex cingulado anterior (à esquerda) e do núcleo accumbens (no meio) de um atlas estereotáxico do cérebro de minipíg. Observe que o nível de significância máximo alcançável com 5 animais é 2^-5 ≈ 0.031 (consulte a barra de cores). Os dados são apresentados em seções coronais do cérebro de porco nos níveis indicados na imagem sagital (direita).

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12 dias de acesso à sacarose

Em seguida, realizamos a análise de sete minipigs fotografados com [¹¹C] carfentanil na linha de base e após 12 dias de acesso à sacarose e encontrou ligação do marcador significativamente reduzida em animais expostos à sacarose em comparação à linha de base. As regiões mais altamente afetadas são mostradas em vermelho na Fig. 3 (p <0.01) e incluem partes das estruturas olfatórias, nucleus accumbens / estriado ventral e córtex / lobo temporal, seguido por áreas mostradas em amarelo (p <0.015) que incluíram partes do córtex pré-frontal, córtex cingulado, amígdala e tronco cerebral . A fim de obter BP_ND e avaliamos a variação percentual, realizamos análises regionais e obtivemos valores médios em cada região na linha de base e após o consumo de sacarose (Fig. 4).

Diminuições significativas em [¹¹C] potencial de ligação ao carfentanil (BP_ND) entre a linha de base e após 12 dias de exposição à água com sacarose (n = 7). Os voxels com significante (p <0.05) as diminuições são mostradas como áreas coloridas projetadas em cortes de ressonância magnética ponderados em T1 de um atlas cerebral de minipígios estereotáxicos. Os dados são apresentados em seções coronais do cérebro nos níveis indicados na imagem sagital (canto inferior direito). Observe que o nível de significância máximo alcançável com 7 animais é 2^-7 ≈ 0.0078 (consulte a barra de cores).

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Análise regional de [¹¹C] potencial de ligação ao carfentanil (BP_ND) entre a linha de base e após 12 dias de exposição à água com sacarose (n = 7). Os dados são apresentados como média ± erro padrão.

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Nós costumavamos [¹¹C] racloprida como o rastreador de receptores DA D2 / 3 em regiões cerebrais estriatais e extrastriatais em minipigs na linha de base e após 12 dias de acesso à sacarose (Fig. 1) Encontramos diminuição da ligação do traçador em animais expostos à sacarose, em comparação com a linha de base com maiores efeitos (p <0.01) em áreas do córtex pré-frontal, nucleus accumbens / estriado ventral, córtex cingulado, amígdala, tálamo, mesencéfalo, regiões hipocampais e áreas olfatórias (FIG. 5) Os dados da análise regional são apresentados na Fig. 6.

Diminuições significativas em [¹¹C] potencial de ligação à racloprida (BP_ND) entre a linha de base e após 12 dias de exposição à água com sacarose (n = 7). Os voxels com significante (p <0.05) as diminuições são mostradas como áreas coloridas projetadas em cortes de ressonância magnética ponderados em T1 de um atlas cerebral de minipígios estereotáxicos. Os dados são apresentados em seções coronais do cérebro de porco nos níveis indicados na imagem sagital (canto inferior direito). Observe que o nível de significância máximo alcançável com 7 animais é 2^-7 ≈ 0.0078 (consulte a barra de cores).

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Análise regional de [¹¹C] potencial de ligação à racloprida (BP_ND) entre a linha de base e após 12 dias de exposição à água com sacarose (n = 7). Os dados são apresentados como média ± erro padrão.

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Correlações entre [¹¹C] raclopride e [¹¹C] dados de carfentanil

Testamos a correlação potencial entre [¹¹C] raclopride e [¹¹C] valores de carfentanil da PA_ND nas regiões estriatal e não estriatal em minipigs na linha de base e após 12 dias de ingestão de sacarose, sem associação observada. Em seguida, testamos se os declínios na ligação do marcador estavam correlacionados e comparamos as alterações da pressão arterial_ND para [¹¹C] raclopride com as alterações da BP_ND para [¹¹C] carfentanil apenas nos minipig que apresentaram menor PA_ND dos dois marcadores após a ingestão de sacarose (n = 6). Encontramos correlações negativas significativas na média extrastriatal (r² = 0.91, p <0.01), mas não nas regiões estriatal (Fig. 7).

Correlações entre pré e pós-declínio de [¹¹C] raclopride e [¹¹C] potenciais de ligação ao carfentanil (BP_ND) em mini-porcos com diminuição da ligação do marcador após ingestão de sacarose (n = 6). São apresentados dados das regiões extrastriatais médias (em cima) e estriado (em baixo). O coeficiente de determinação (r²) e os valores de p são mostrados para cada gráfico.

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Determinamos os efeitos do acesso intermitente repetido à sacarose na neurotransmissão de opióides e DA no cérebro de mamíferos. Longitudinal in vivo A imagem PET dos receptores μOR e DA D2 / 3 revelou uma disponibilidade reduzida de receptores em todo o circuito de recompensa, incluindo o núcleo accumbens, o córtex pré-frontal e o córtex cingulado anterior. Os resultados demonstram claramente que a sacarose afeta os mecanismos de recompensa de maneira semelhante à das drogas de abuso.

Sabe-se que a ingestão de sacarose como substância palatável libera DA e induz dependência em roedores¹⁵, com a sacarose demonstrando ser ainda mais agradável que a cocaína em roedores em certos contextos. Assim, roedores trabalham mais intensamente para obter sacarose do que cocaína, mesmo na ausência de privação de alimentos⁵. No entanto, os efeitos da sacarose são regulados tanto pelo sistema homeostático quanto pelos circuitos de recompensa hedônicos^16,17 que podem mediar a distinção entre aspectos nutricionais e hedônicos da ação da sacarose¹⁸. Optamos por um horário de uma hora por dia para promover a “compulsão”, pois estudos anteriores em ratos haviam revelado uma maior ingestão durante a primeira hora de acesso diário em um horário intermitente^15,19. Os estudos comportamentais da ingestão de alimentos geralmente têm como alvo animais com restrição de alimentos, mas o design pode não refletir necessariamente os mesmos mecanismos neurais ativos na obesidade. Os porcos do presente estudo não tiveram restrição alimentar e foram alimentados com as quantidades usuais de sua dieta normal, além do acesso à sacarose.

Os receptores opióides (OR) são amplamente expressos no cérebro, especificamente em estruturas conhecidas por modular os processos de comer e recompensar²⁰. Demonstrou-se que as RUPs são importantes nos efeitos recompensadores e recorrentes da cocaína^21,22,23,24. Alterações na ligação também têm sido associadas às respostas homeostáticas à alimentação e ao prazer associado à comida saborosa²⁵. Em particular, o “gosto” de alimentos está ligado ao sistema opióide endógeno, especialmente o μOR^9,10 na concha do núcleo accumbens e no pálido ventral²⁶. As infusões de um agonista μOR em partes distintas do núcleo accumbens e do pálido ventral melhoram fortemente os comportamentos de "gostar", incluindo saliências na língua e lambedura de patas, após o aumento da ingestão palatável de alimentos^27,28,29. Outras evidências para a sinalização de opióides no processamento da regulação hedônica vêm de antagonistas da μOR que atenuam o consumo de comida palatável em ambos ad libitumanimais alimentados com alimentos e restritos a alimentos, mas com um efeito mais limitado na ingestão de pellets padrão não palatáveis^30,31. Nos seres humanos, os antagonistas do μOR diminuem a ingestão de alimentos a curto prazo e reduzem o prazer de alimentos palatáveis^32,33,34. A sinalização opióide na amígdala basolateral também contribui para a “falta” de alimentos através da modulação da busca de recompensas e do valor de incentivo dos alimentos³⁵.

Com [¹¹C] carfentanil, obtivemos imagens de ligação do marcador sensíveis tanto aos níveis de μOR quanto à liberação de opióides endógenos no cérebro^36,37. Detectamos uma perda imediata da disponibilidade de μOR em áreas do núcleo accumbens e córtex cingulado anterior, regiões cerebrais específicas da via da recompensa, após o consumo inicial de sacarose por cinco mini-porcos, consistente com a liberação endógena de opióides. Estudos anteriores mostraram que comida saborosa pode levar a sentimentos de prazer³⁸ estimulando a liberação de opióides. Após 12 dias de acesso à sacarose, observamos uma diminuição [¹¹C] ligação do carfentanil, que tem várias explicações possíveis³⁹ incluindo liberação endógena de opióides e ligação a μOR, internalização de μOR como resultado do aumento da ligação a opióides e aumento da ativação do receptor DA D2 / 3, levando à dessensibilização heteróloga de μOR⁴⁰.

Em apoio às presentes conclusões, [¹¹C] estudos de carfentanil em pacientes com bulimia⁴¹obesidade^42,43,44e transtorno da compulsão alimentar⁴⁵, mostram diminuição da disponibilidade do receptor. No entanto, essas são condições crônicas, enquanto os minipig receberam apenas sacarose por 12 dias. Em um estudo do comportamento alimentar agudo em homens saudáveis, a alimentação levou à liberação endógena e robusta de opioides cerebrais, tanto na presença quanto na ausência de hedonia, sugerindo que a liberação de opioides reflete respostas metabólicas, homeostáticas e hedônicas.²⁵. Este estudo, junto com outro que fotografou pacientes após uma refeição líquida com sabor de chocolate⁴⁴, é diretamente relevante para o estudo agudo de cinco mini-porcos após a primeira exposição à sacarose, mas é diferente do estudo subcrônico de exposição à sacarose por 12 dias, em que a disponibilidade reduzida de receptores reflete mais provavelmente o excesso de estimulação repetida e a regulação concomitante de μOR.

O córtex pré-frontal é importante na tomada de decisão e atribui valor aos itens e, portanto, a μOR no córtex pré-frontal pode ser responsável pela avaliação alterada da saliência alimentar, o que pode aumentar o potencial viciante da comida. Descobrimos uma ligação reduzida no córtex pré-frontal, consistente com estudos anteriores que mostram que a dieta rica em gordura reduz os níveis de mRNA μOR no córtex pré-frontal⁴⁶ e que a infusão de um agonista μOR no córtex pré-frontal aumenta a ingestão de alimentos doces⁴⁷. Mais uma vez, no entanto, surge a questão de saber se a dieta rica em gordura é uma condição mais crônica que provavelmente medeia a regulação negativa dos receptores, em comparação com o projeto de alimentação com sacarose a curto prazo, sugerindo a liberação sustentada de opióides endógenos que deslocam o traçador carfentanil ligado ao μOR , mesmo após 12 dias de sacarose.

A DA tem sido implicada em recompensas tanto por drogas quanto por comportamento. Verificou-se que o uso crônico de cocaína inibe a sinalização DA⁴⁸. Os níveis de receptores DA D1 e D2 / 3 são alterados pela nicotina no cérebro de porco⁴⁹e em primatas não humanos com histórico de abuso de cocaína⁵⁰, consistente com a regulação negativa dos receptores D2 / 3 no cérebro de viciados em cocaína humana^51,52. Quanto às drogas de abuso, a sacarose demonstrou regular positivamente os receptores DA D1¹⁹ e aumentar a liberação do DA⁵³, reforçando o papel da AD em “querer” em relação a alimentos saborosos. Estudos anteriores de PET demonstraram uma diminuição na disponibilidade estriada do receptor DA D2 / 3 na obesidade mórbida versus peso médio^54,55, semelhante em magnitude à redução em pacientes dependentes de drogas⁵⁶, e em animais com modelos de obesidade⁵⁷. Em estudos com roedores, a derrubada do receptor D2 / 3 no estriado promove o desenvolvimento de busca compulsiva de alimentos em ratos com acesso a alimentos palatáveis⁵⁷.

Nossas observações da disponibilidade reduzida de receptores D2 / 3 do porco podem indicar níveis aumentados de DA em resposta à saliência de incentivo associada à ingestão de sacarose, uma vez que a DA é liberada como parte do desejo de drogas de abuso e outras atividades agradáveis^52,58,59,60. Como os porcos foram anestesiados durante a imagem e não receberam sacarose em 24 horas, a diminuição da pressão arterial D2 / 3_ND provavelmente reflete uma redução no número de receptores em resposta ao aumento prolongado da liberação de DA em cada um dos 12 dias de acesso à sacarose. A redução pode aumentar os limiares de recompensa do cérebro, associados à regulação negativa dos receptores estriados da DA D2. Isso pode explicar o aumento da suscetibilidade a drogas de abuso observadas em estudos anteriores de ratos que consumiram demais sacarose que levaram a sensibilização cruzada à cocaína, hiperatividade após baixas doses de anfetamina, aumento da ingestão de álcool ao se abster de sacarose e tolerância aos efeitos analgésicos dos opiáceos.⁶.

Um estudo anterior da obesidade no minipig de Göttingen identificou diminuição do fluxo sanguíneo cerebral no núcleo accumbens, área tegmentar ventral (ATV) e córtex pré-frontal, com tomografia computadorizada de emissão de fóton único (SPECT) do cérebro⁶¹. Consistente com esses achados, observamos uma redução da ligação do DA D2 / 3 na região ventroforebrain contendo o núcleo accumbens e no córtex pré-frontal. Os níveis extracelulares de DA são aumentados em três vezes no núcleo accumbens após a ingestão de sacarose em ratos em movimento livre submetidos à microdiálise⁶². Em animais dependentes de sacarose, a ingestão repetida de sacarose pode levar à liberação de DA da concha do núcleo accumbens⁶³. Os animais alimentados com dieta restrita e com acesso limitado à sacarose apresentaram menor ligação ao receptor DA D2 na concha do núcleo accumbens e no estriado dorsal⁶⁴. Dietas restritas com alto teor de gordura e sacarose podem levar a uma regulação negativa sustentada do mRNA dos receptores D1 e D2 no núcleo accumbens⁶⁵. Um estudo de microdiálise dos efeitos de alimentos palatáveis ​​revelou aumento da liberação de DA no núcleo accumbens e no córtex pré-frontal quando o alimento ainda era considerado novo; uma vez que os ratos estavam acostumados com o novo alimento, o aumento da liberação era embotado no núcleo accumbens, mas não no córtex pré-frontal.⁶⁶. A suscetibilidade diferencial à habituação e condicionamento da atividade em duas regiões pode explicar o aumento maior observado no córtex pré-frontal do que no núcleo accumbens de minipigs expostos à mesma substância palatável que perdeu a novidade após doze dias. No entanto, como não imaginamos minipigs com [¹¹C] racloprida após a primeira administração de sacarose, esta explicação é especulativa.

O córtex pré-frontal modula a função executiva, a tomada de decisões e o autocontrole⁶⁷. A neurotransmissão DA disfuncional no córtex pré-frontal prejudica a modulação do processamento da recompensa, sugerindo função executiva prejudicada e habilidades de tomada de decisão em indivíduos obesos^68,69. Além disso, um estudo em PET humano correlacionou a diminuição do metabolismo do córtex frontal com a diminuição da ligação estriada D2 na obesidade⁷⁰. Aqui, encontramos uma disponibilidade reduzida de receptores D2 / 3 no córtex pré-frontal, incluindo o córtex orbitofrontal de porcos expostos ao regime de sacarose.

Os neurônios dopaminérgicos do ATV enviam projeções para o hipocampo e a amígdala, onde eles apóiam comportamentos semelhantes aos hábitos⁷¹ e mediar a codificação e recuperação do condicionamento ao medicamento^72,73 e sugestões de comida^74,75. A imagem do cérebro humano mostrou ativação do hipocampo em resposta ao desejo e degustação de alimentos⁷⁶. Consistente com nossas descobertas de uma disponibilidade reduzida de receptores hipocampais e amigdalianos D2 / 3 em resposta à sacarose, mapeamento do cérebro humano com [¹⁸F] fallypride mostrou liberação de DA induzida por cocaína na amígdala e no hipocampo⁷⁷. Nos cérebros de roedores, a exposição à cocaína desencadeou a liberação de DA na amígdala⁷⁸, e alterações nos níveis de amígdala DA influenciaram o comportamento de busca de cocaína induzida por pistas⁷⁹.

Em um estudo de indivíduos obesos, a associação entre as disponibilidades de D2 / 3 e μOR, conhecida por existir em regiões estriatais de indivíduos magros, foi interrompida no estriado ventral⁸⁰. Comparamos os valores da PA_ND dos dois rastreadores para testar se os dados reproduziram esse efeito. Ao contrário dos humanos magros, os cérebros atuais dos porcos não tinham correlação entre os valores da PA_ND dos dois marcadores, na linha de base ou após a exposição à sacarose. Em seguida, testamos se os animais com os maiores declínios da ligação ao raclopride do traçador também teriam as maiores diminuições da ligação ao carfentanil do traçador, mas, em vez disso, encontramos uma correlação negativa nas regiões extrastriatais médias, sugerindo que os animais com maior alteração no potencial de ligação do traçador. A racloprida do traçador apresentou a menor alteração no potencial de ligação do traçador carfentanil. A relação inversa entre as mudanças sugere que os efeitos da ingestão de sacarose nas disponibilidades dos respectivos receptores são regulados em direções opostas. Sabe-se que o consumo excessivo de alimentos saborosos, ou drogas, pode ser impulsionado pelo desejo ou pelo gosto, ou ambos^60,81. É possível que a magnitude do desejo impulsionado pela dopamina negue a magnitude do gosto impulsionado pelos opióides, ou vice-versa. Evidências recentes apontam para papéis do GABA_A receptores no ATV e terminais colinérgicos no estriado e possivelmente no córtex que atuam como alternadores entre os mecanismos de ação opióide dependentes e independentes da dopamina^82,83 isso pode explicar a reciprocidade dos efeitos da dopamina e dos opióides nas regiões extrastriatais porcinas determinadas aqui.

Uma deficiência do PET, também em animais comparativamente grandes, é a resolução espacial limitada da tomografia que afeta os resultados de pequenas regiões cerebrais envolvidas em comportamentos associados a alimentos. No entanto, apesar dessas preocupações, [¹¹C] a ligação racloprida foi previamente registrada nas regiões estriatal e extrastriatal^84,85,86,87. O uso de [¹¹C] raclopride para rotular o mesmo tipo de receptores não suscita preocupação com possíveis diferenças de afinidade que podem afetar o uso de rastreadores separados para os mesmos receptores em diferentes regiões. Estudos recentes incluíram registros de ligação extrastriatal de [¹¹C] racloprida. Alakurtti et al. encontraram boa reprodutibilidade das medidas de ligação do raclopride estriatal no estriado, com reprodutibilidade apenas boa a moderada no córtex⁸⁵. Em um estudo posterior, Svensson et al. discutimos várias questões que afetam o uso de [¹¹C] racloprida como marcador de receptores extrastriatais D2 / 3 em um estudo com humanos saudáveis, incluindo baixa reprodutibilidade no córtex e declínio limitado da ligação extrastriatal no córtex frontal em resposta a um agente bloqueador D2 / 3⁸⁸. As comparações teste-reteste revelaram variabilidades de 4-7% no estriado e 13-59% nas regiões corticais, mas o tempo entre os exames foi em média de 20 dias, diferentemente dos 1-2 dias mais informativos da maioria dos estudos. Vários fatores na vida desses indivíduos podem ter tido tempo para influenciar os resultados. De fato, mostramos aqui que a simples adição de consumo de sacarose a uma rotina matinal por 12 dias pode ter influenciado as medidas vinculativas obtidas duas semanas depois. Outros fatores tão comuns como jogar videogame, fazer compras, entrar em novos relacionamentos românticos e atividade sexual, usar drogas ou mudar a dieta e o exercício podem influenciar os níveis extrastriatais de dopamina, com potencial para grande variação de conjuntos de dados. O estudo atual em minipigs introduziu uma configuração bem controlada, com a única variável sendo a ausência ou presença de sacarose na dieta. Neste contexto, os dados de sete animais apresentaram variabilidade suficientemente baixa em regiões extrastriatais relevantes para identificar uma redução estatisticamente significativa da ligação em resposta à sacarose.

Uma limitação do estudo atual é o uso de anestésicos necessários para garantir a imobilidade durante in vivo imagiologia de animais. Os efeitos de anestésicos específicos e suas interações com medicamentos ou outras intervenções podem confundir a ligação de radioligandos^89,90. A cetamina é um medicamento anti-glutamatérgico com rápido efeito antidepressivo em doses sub-anestésicas^91,92,93, que não reduzem o estriatal [¹¹C] ligação à racloprida em humanos⁹⁴. No entanto, verificou-se que a S-cetamina reduz a disponibilidade de ligação dos receptores da dopamina D2 / 3 no estriado de primatas não humanos conscientes⁹⁵. O isoflurano é um anestésico comum no PET animal. Em estudos anteriores, encontramos acúmulo estriatal de [¹¹C] SCH23390, um radioligando dos receptores da dopamina D1 por ser significativamente maior em minipigs anestesiados com isoflurano em vez de propofol, sugerindo suscetibilidade da neurotransmissão dopaminérgica a efeitos da anestesia⁹⁶. No presente estudo, todos os mini-porcos foram fotografados em ambos os momentos sob pré-medicação com cetamina e anestesia com isoflurano, validando as comparações atuais.

O consumo excessivo de alimentos palatáveis ​​pode causar e tornar-se resultado de dependência com consequências diretas para a saúde devido à obesidade. Testamos a alegação de que opióides e dopamina mediam recompensas, importantes para a sobrevivência e também para o abuso de drogas. Minipigs com acesso intermitente a uma solução de sacarose por 12 dias consecutivos demonstraram diminuição da disponibilidade de dopamina D2 / 3 e μ-opioide em regiões cerebrais estriatais e extrastriatais, implicando que alimentos ricos em sacarose influenciam os circuitos de recompensa cerebral de maneira semelhante à observada quando drogas viciantes são consumidos. A exposição inicial inicial à sacarose foi consistente com a liberação de opióides nas regiões cerebrais ativas como recompensa. As mudanças na disponibilidade de opióides e dopamina explicam o potencial viciante de sacarose consumida em excesso.

Ética animal

Este estudo foi aprovado e regulamentado pela Inspetoria Dinamarquesa de Experimentação Animal e todas as experiências foram realizadas de acordo com a diretiva 2010/63 / UE do Parlamento Europeu e do Conselho sobre a proteção de animais utilizados para fins científicos e as diretrizes da ARRIVE. Utilizamos sete minipigs Göttingen fêmeas de quatorze meses de idade (Ellegaard, Dalmose, Dinamarca). Os minipig foram alimentados com uma dieta de pellets (6 dL, 2 vezes ao dia, Special Diets Services, Aarhus, Dinamarca) com água da torneira disponível ad libitum. A temperatura ambiente era de 20 a 22 ° C, a umidade relativa de 50 a 55% e o ar era trocado oito vezes a cada hora.

Consumo intermitente de sacarose

Imaginamos sete minipigs com [¹¹C] raclopride e [¹¹C] carfentanil na linha de base e novamente um dia após 12 dias consecutivos de exposição à água com sacarose. A exposição à sacarose consistia em uma hora de acesso à água com sacarose (sacarose, Dansukker, Copenhague, Dinamarca) (500 gramas de sacarose em 2 litros de água), diariamente durante um período de 12 dias. A quantidade de ingestão de sacarose foi registrada e todos os mini-porcos consumiram 2 litros por dia. Também fotografamos cinco dos mesmos minipigs com [¹¹C] carfentanil, 30 minutos após o primeiro acesso à sacarose, para estudar a liberação aguda de opioides.

Os miniporcos ganharam uma média de 13.6% do peso corporal de 25.4 kg (± 0.73 SEM) na linha de base para 28.9 kg (± 0.69 SEM) após a exposição à sacarose de 12 dias, que foi significativamente maior (teste t unicaudal, p < 0.001) do que os aumentos observados em uma amostra de miniporcos controle obtidos em estudos anteriores, onde os pesos aumentaram em média apenas 4.9%, durante o mesmo período de desenvolvimento.

Imagem PET do cérebro

Jejuamos porcos durante a noite com acesso livre à água antes da imagem. Nós pré-medicamos e anestesiamos os minipigs como descrito anteriormente⁹⁷ e os colocou em decúbito dorsal em um dispositivo PET / CT (Siemens Biograph 64 Truepoint PET). Realizamos uma tomografia computadorizada de dose baixa antes de cada aquisição de PET para definição anatômica e correção de atenuação dos dados de emissão de PET. Administramos por via intravenosa [¹¹C] racloprida na linha de base (360 ± 18 MBq, atividade específica 77 ± 76 GBq / μmol, massa injetada 0.12 ± 0.08 μg / kg) e após 12 dias de sacarose (374 ± 54 MBq, atividade específica 127 ± 85 GBq / μmol, massa injetada 0.06 ± 0.05 μg / kg) e [¹¹C] carfentanil na linha de base (377 ± 43 MBq, atividade específica 311 ± 195 GBq / μmol, massa injetada 0.03 ± 0.02 μg / kg) e após 12 dias de sacarose (337 ± 71 MBq, atividade específica 177 ± 157 GBq / μmol, massa injetada de 0.06 ± 0.08 μg / kg) via veia da orelha, em 10 mL de solução salina, durante o primeiro minuto de uma varredura de 90 minutos. Reconstruímos dados PET usando TrueX 3D OSEM (3 iterações, 21 subconjuntos), uma matriz 256 × 256 × 109 e um filtro Gauss de 2 mm, usando uma estrutura de tempo de 5 × 60, 3 × 300, 4 × 600 , 2 × 900 segundos (total de 14 quadros, 90 minutos). Na linha de base e após 12 dias de sacarose, os minipigs foram fotografados com os dois marcadores injetados com pelo menos 100 minutos de intervalo, devido à meia-vida de [¹¹C] traçadores de PET. Após a conclusão da sessão final de PET, nós sacrificamos os mini-porcos sob anestesia profunda com uma overdose intravenosa de pentobarbital (100 mg / kg).

Análises quantitativas e estatísticas

Realizamos etapas de pré-processamento usando o PMOD 3.7 (PMOD Technologies Ltd, Zurique, Suíça). Para definir os parâmetros de transformação estereotáxica a partir de imagens PET com média de tempo, foram utilizados modelos específicos de ligantes. Aplicamos as matrizes de transformação geradas e os campos de distorção nas séries temporais dinâmicas correspondentes do PET. Geramos imagens paramétricas de [¹¹C] potencial de ligação à racloprida (BP_ND) por meio do método multilinear de tecidos de referência de Ichise e colegas de trabalho⁹⁸. Criamos uma máscara personalizada do cerebelo que excluía o vermis para obter a radioatividade do tecido cerebelar ao longo do tempo em uma região com densidade insignificante de receptores DA D2 / 3. Geramos imagens paramétricas de [¹¹C] carfentanil usando uma implementação do modelo de tecido de referência Logan^99,100 com t * = 30 min. Estudos de [¹¹C] ligação do carfentanil no cérebro humano usou o córtex occipital como região de referência³⁶; no entanto, no porco, de acordo com as curvas de atividade do tempo, a ligação não deslocável era mais baixa no cerebelo do que no córtex occipital, consistente com os achados de um estudo de autoradiografia em ratos¹⁰¹. Portanto, selecionamos o cerebelo como região de referência no presente estudo.

Análise estatística

Submetemos os mapas a uma análise voxel com o mapeamento estatístico não paramétrico (SnPM v13.01, http://warwick.ac.uk/snpm) Caixa de ferramentas SPM que utiliza a teoria não paramétrica de permutação para fornecer uma estrutura para inferência estatística, uma abordagem que se mostra adequada para pequenas amostras devido ao controle rigoroso de falsos positivos¹⁴ e aplicado conforme descrito anteriormente¹⁰². Um especialista em neuroanatomia dos porcos (DO) comparou as imagens resultantes com um nível de significância de 5% com um atlas de Göttingen minipig de alta resolução^103,104 definir e rotular regiões de DA D2 / 3 e μOR BP diminuídos_ND da linha de base à condição pós-sacarose. Em seguida, realizamos uma análise de região de interesse (ROI) para extrair BP_ND valores de regiões específicas consideradas interessantes com base na análise SnPM, incluindo estriado, núcleo accumbens, tálamo, amígdala, córtex cingulado e córtex pré-frontal. Nenhuma estatística adicional foi realizada na análise do ROI, pois essas regiões já foram consideradas significativas usando o SnPM.

Um “Auxílio ao Desenvolvimento de Projetos de Ideias da UA” da Universidade de Aarhus para a AML financiou o estudo. Somos gratos pelo apoio técnico da equipe do Centro PET do Hospital da Universidade de Aarhus e da Fazenda da Universidade de Aarhus pela ajuda no tratamento dos animais. Agradecemos ao professor Morten Kringelbach, ao professor Jørgen Scheel-Kruger e ao professor associado Arne Møller pela ajuda no início desses estudos.

Afiliações

1. Departamento de Medicina Nuclear e Centro PET, Universidade de Aarhus, Aarhus, Dinamarca
   • Michael Winterdal
   • , Ove Noer
   • , Anna C. Schacht
   • , Steen Jakobsen
   • , Aage KO Alstrup
   • , Albert Gjedde
   •  & Anne M. Landau
2. Departamento de Neurocirurgia e CENSE, Hospital Universitário Aarhus, Aarhus, Dinamarca
   • Dariusz Orlowski
3. Departamento de Medicina Nuclear, University of Southern Denmark e Odense University Hospital, Odense, Dinamarca
   • Albert Gjedde
4. Departamento de Neurociência, Universidade de Copenhague, Copenhague, Dinamarca
   • Albert Gjedde
5. Departamento de Neurologia e Neurocirurgia, Universidade McGill, Montreal, Canadá
   • Albert Gjedde
6. Unidade de Neuropsiquiatria Translacional, Universidade de Aarhus, Aarhus, Dinamarca
   • Anne M. Landau

Contribuições

MW e AML projetaram o estudo e a análise; ACS e SJ sintetizaram os traçadores de PET; MW, AKOA e AML manipularam os minipigs e realizaram os exames de PET; MW, ON e AML realizaram a análise dos dados; O DO forneceu conhecimento anatômico, MW, AG e AML interpretaram os dados; MW e AML escreveram o manuscrito com o apoio da AG; Todos os autores aprovaram a versão final do manuscrito.

autor correspondente

Correspondência para Anne M. Landau.

Interesses concorrentes

Os autores declaram não haver interesses conflitantes.

Nota do editor A Springer Nature permanece neutra em relação a reivindicações jurisdicionais em mapas publicados e afiliações institucionais.

Reimpressões e permissões