Aportul de zaharoză scade disponibilitatea receptorului μ-opioid și dopamină D2 / 3 în creierul porcin (2020)

Consumul excesiv de zaharoză provoacă o poftă asemănătoare dependenței, care poate susține epidemia de obezitate. Opioidele și dopamina mediază efectele recompense ale drogurilor de abuz și ale recompenselor naturale de la stimuli, cum ar fi alimentele gustoase. Am investigat efectele zaharozei folosind imagistica PET cu [¹¹C]carfentanil (agonist al receptorilor μ-opioizi) și [¹¹C]raclopridă (antagonist al receptorului dopaminergic D2/3) la șapte femele de porci Göttingen anesteziați. Apoi le-am dat porcilor mini-porci acces la soluția de zaharoză timp de o oră în 12 zile consecutive și am efectuat din nou imagistica la 24 de ore după accesul final de zaharoză. Într-un eșantion mai mic de cinci porci mini, am efectuat un alt [¹¹C]carfentanil ședință PET după prima expunere la zaharoză. Am calculat potențialele de legare în funcție de voxel (BP_ND) folosind cerebelul ca regiune de legare nedeplasabilă, a analizat diferențele cu cartografiere statistică neparametrică și a efectuat o analiză regională. După 12 zile de acces la zaharoză, BP_ND dintre ambii trasori au scăzut semnificativ în striat, nucleus accumbens, talamus, amigdală, cortex cingulat și cortex prefrontal, în concordanță cu reglarea în jos a densităților receptorilor. După o singură expunere la zaharoză, am constatat o legare scăzută a [¹¹C]carfentanil în nucleul accumbens și cortexul cingulat, în concordanță cu eliberarea de opioide. Disponibilitatea mai scăzută a receptorilor opioizi și dopaminergici poate explica potențialul de dependență asociat cu aportul de zaharoză.

Cinci la sută din populația lumii este obeză clinic¹. Ca semn distinctiv al sindromului metabolic, obezitatea este asociată cu diabet de tip 2, boli cardiovasculare, probleme respiratorii și risc de depresie și posibil demență.². Consumul crescut de alimente cu densitate energetică a exagerat distincția fiziologică dintre foamea homeostatică care urmează privării de hrană și foamea hedonică, sau „pofta”, care apare în absența deprivării.^3,4. Deoarece regularea homeostatică singură nu poate explica creșterea actuală a obezității, este obligatoriu să se testeze efectul asupra mecanismelor creierului de recompensă și plăcere al proprietăților de dependență ale alimentelor foarte gustoase.

Consumul de zaharoză este asociat cu obezitatea, iar zaharoza este considerată din ce în ce mai mult o substanță care dă dependență⁵. Unele constatări sunt în contradicție cu această afirmație din cauza dificultăților de a separa consumul de alimente negustătoare de răspunsurile alimentare hedonice și de a determina ingredientul care provoacă dependență din alimentele procesate, precum și diferitele mecanisme prin care alimentele modifică circuitele creierului prin căi naturale.⁶. Cu toate acestea, în contexte specifice, aportul de zaharoză induce recompensă și dorință, comparabile ca amploare cu cele induse de drogurile care creează dependență, care duc la supraconsum și eventual obezitate.^6,7.

Foamea este asociată cu „dorința”, care este strâns legată de efectele neurotransmisiei dopaminergice într-o serie de circumstanțe de recompensă.⁸, dar rămâne neclar modul în care acțiunea dopaminei (DA) este modulată ca răspuns la alimentația compulsivă. Consumul de alimente gustoase este legat de „apreciere”, mediat în primul rând de sistemul opioid endogen, în special de receptorul μ-opioid (μOR)^9,10, care poate promova consumul excesiv atunci când este dereglementat. În prezentul raport, testăm afirmația că zaharoza duce la eliberarea de opioide și dopamină care scade disponibilitatea receptorilor μOR și DA D2/3. Disponibilitatea este un indice al numărului de receptori neocupați disponibili pentru legarea trasorului și, în principiu, nu face distincție între ocuparea ligandului și densitatea receptorului¹¹.

Debutul alimentației compulsive depinde de mai mulți factori, iar studiile cauzale la oameni ridică probleme etice. Prin urmare, majoritatea studiilor se concentrează pe comportamentul de hrănire la șobolani¹². Deși șobolanii au un „dinte dulce”, mecanismele lor homeostatice importante pentru creșterea în greutate, metabolismul și tipul de acumulare de grăsime, diferă semnificativ de cele ale oamenilor. Miniporcul Göttingen este un animal omnivor mare, cu un creier girencefalic bine dezvoltat, care poate fi fotografiat la o rezoluție suficientă. Regiunile sale corticale subcorticale și prefrontale bine definite¹³ permite o traducere mai directă la funcția creierului uman. Aici, utilizăm tomografia cu emisie de pozitroni (PET) pentru a testa in vivo Disponibilitatea μOR și DA D2/3 într-un model de miniporc de expunere subcronică la zaharoză. Într-un eșantion mai mic, am investigat efectele imediate asupra ocupării μOR după prima expunere la zaharoză. În cele din urmă, am testat relația dintre modificările disponibilității receptorilor celor doi trasori.

Hărți parametrice medii ale [¹¹C] carfentanil și [¹¹Potențialul de legare a raclopridei (BP_ND) sunt prezentate în fig. 1. Pentru a analiza modificările care apar după prima expunere la zaharoză la cinci porci mini, comparativ cu valoarea inițială și o zi după cei 12^th Accesul zaharozei la șapte porci mini-porci comparativ cu valoarea inițială, am folosit teoria permutării și analiza întregului creier nerestricționată la nivel regional, metoda preferată pentru mostre de această dimensiune¹⁴.

Potențial mediu de legare nedeplasabil în funcție de voxel (BP_ND) hărți suprapuse imaginilor RMN în vedere sagitală. Datele sunt prezentate pentru [¹¹C] carfentanil BP_ND dintre cei 5 porci minii fotografiați la momentul inițial, după expunerea inițială la zaharoză și după 12 zile de expunere la zaharoză (rândul de sus). [¹¹C] carfentanil BP_ND din toți cei 7 miniporci fotografiați la momentul inițial și după 12 zile de acces la zaharoză sunt prezentați în rândul din mijloc. [¹¹C] racloprid BP_ND din toți cei 7 miniporci fotografiați la momentul inițial și după 12 zile de acces la zaharoză sunt afișați în rândul de jos. Rețineți că scara de culori este exponențială pentru a evidenția [¹¹C] racloprid BP_ND în regiunile extrastriatale.

Imagine de dimensiune completă

Expunerea inițială la zaharoză

În cei cinci porci minii fotografiați cu [¹¹C] carfentanil la momentul inițial și imediat după prima expunere la zaharoză, am găsit o legare semnificativ redusă a trasorului în cortexul cingulat anterior și nucleul accumbens ca răspuns la zaharoză, prezentată în culoare în Fig. 2, indicând p < 0.05. Am detectat o scădere cu până la 14% a legăturii trasorului în ambele zone în comparație cu valoarea inițială.

Scăderi semnificative ale [¹¹C] carfentanil BP_ND după prima expunere la apă cu zaharoză comparativ cu valoarea inițială (n = 5). Doar voxeli cu (p < 0.05) scăderi sunt prezentate ca zone colorate proiectate pe tăieturi RMN ponderate T1 la nivelul cortexului cingulat anterior (stânga) și nucleului accumbens (mijloc) dintr-un atlas stereotaxic al creierului miniporc. Rețineți că nivelul maxim de semnificație care poate fi atins cu 5 animale este 2^-5 ≈ 0.031 (vezi bara de culori). Datele sunt prezentate pe secțiunile coronale ale creierului de porc la nivelurile indicate pe imaginea sagitală (dreapta).

Imagine de dimensiune completă

12 zile de acces la zaharoză

Apoi am efectuat analiza a șapte porci minii fotografiați cu [¹¹C]carfentanil la momentul inițial și după 12 zile de acces la zaharoză și a constatat o legare semnificativ redusă a trasorului la animalele expuse la zaharoză în comparație cu valoarea inițială. Cele mai puternic afectate regiuni sunt prezentate cu roșu în Fig. 3 (p < 0.01) și includ părți ale structurilor olfactive, nucleul accumbens/striatul ventral și cortexul/lobul temporal, urmate de zonele prezentate în galben (p < 0.015) care includ părți ale cortexului prefrontal, cortexului cingulat, amigdală și trunchiului cerebral . Pentru a obține BP_ND valorile și evaluăm modificarea procentuală, am efectuat o analiză regională și am obținut valori medii în fiecare regiune la momentul inițial și după consumul de zaharoză (Fig. 4).

Scăderi semnificative ale [¹¹Potențialul de legare a C]carfentanilului (BP_ND) între momentul inițial și după 12 zile de expunere la apă cu zaharoză (n = 7). Voxelii cu (p < 0.05) scăderile sunt arătate ca zone colorate proiectate pe tăieturi RMN ponderate T1 dintr-un atlas stereotaxic al creierului de miniporci. Datele sunt prezentate pe secțiuni coronale ale creierului la nivelurile indicate pe imaginea sagitală (dreapta jos). Rețineți că nivelul maxim de semnificație care poate fi atins cu 7 animale este 2^-7 ≈ 0.0078 (vezi bara de culori).

Imagine de dimensiune completă

Analiza regională a [¹¹Potențialul de legare a C]carfentanilului (BP_ND) între momentul inițial și după 12 zile de expunere la apă cu zaharoză (n = 7). Datele sunt prezentate ca medii ± eroare standard.

Imagine de dimensiune completă

Noi am folosit [¹¹C]racloprida ca trasor al receptorilor DA D2/3 în regiunile creierului striat și extrastriat la porci mini la momentul inițial și după 12 zile de acces la zaharoză (Fig. 1). Am găsit o scădere a legării trasorului la animalele expuse la zaharoză, în comparație cu valoarea inițială cu efecte cele mai mari (p < 0.01) în zonele cortexului prefrontal, nucleus accumbens/striatul ventral, cortexul cingulat, amigdala, talamusul, mezencefalul, regiunile hipocampului și zonele olfactive. (Smochin. 5). Datele din analiza regională sunt prezentate în Fig. 6.

Scăderi semnificative ale [¹¹Potențialul de legare a raclopridei (BP_ND) între momentul inițial și după 12 zile de expunere la apă cu zaharoză (n = 7). Voxelii cu (p < 0.05) scăderile sunt arătate ca zone colorate proiectate pe tăieturi RMN ponderate T1 dintr-un atlas stereotaxic al creierului de miniporci. Datele sunt prezentate pe secțiunile coronale ale creierului de porc la nivelurile indicate pe imaginea sagitală (dreapta jos). Rețineți că nivelul maxim de semnificație care poate fi atins cu 7 animale este 2^-7 ≈ 0.0078 (vezi bara de culori).

Imagine de dimensiune completă

Analiza regională a [¹¹Potențialul de legare a raclopridei (BP_ND) între momentul inițial și după 12 zile de expunere la apă cu zaharoză (n = 7). Datele sunt prezentate ca medii ± eroare standard.

Imagine de dimensiune completă

Corelații între [¹¹C] raclopridă și [¹¹C]carfentanil date

Am testat potențiala corelație între [¹¹C] raclopridă și [¹¹Valorile C]carfentanilului BP_ND în regiunile striatale și non-striatale la porci mini la momentul inițial și după 12 zile de aport de zaharoză, fără asocieri observate. Apoi am testat dacă scăderile legării trasorului au fost corelate și am comparat modificările TA_ND pentru [¹¹C]raclopridă cu modificările TA_ND pentru [¹¹C]carfentanil numai la porcii mini care au avut TA mai scăzută_ND a ambilor trasori după aportul de zaharoză (n = 6). Am găsit corelații negative semnificative în extrastriatale medie (r² = 0.91, p < 0.01), dar nu în regiunile striatale (Fig. 7).

Corelații între pre- minus post- scăderi de [¹¹C] raclopridă și [¹¹Potențialele de legare a C]carfentanilului (BP_ND) la porci mini cu legarea trasorului scăzută după aportul de zaharoză (n = 6). Sunt prezentate date din regiunile extrastriatale medii (sus) și striatum (jos). Coeficientul de determinare (r²) și valorile p sunt afișate pentru fiecare grafic.

Imagine de dimensiune completă

Am determinat efectele accesului intermitent repetat la zaharoză asupra neurotransmisiei opioidelor și DA în creierul mamiferelor. Longitudinal in vivo Imagistica PET a receptorilor μOR și DA D2/3 a dezvăluit o disponibilitate redusă a receptorilor în întregul circuit de recompensă, inclusiv nucleul accumbens, cortexul prefrontal și cortexul cingulat anterior. Rezultatele demonstrează clar că zaharoza afectează mecanismele de recompensă într-un mod similar cu cel al drogurilor de abuz.

Se știe că aportul de zaharoză ca substanță gustoasă eliberează DA și induce dependență la rozătoare¹⁵, cu zaharoza dovedit a fi chiar mai plăcută decât cocaina la rozătoare în anumite contexte. Astfel, rozătoarele lucrează mai intens pentru a obține zaharoză decât cocaina, chiar și în absența lipsei de hrană.⁵. Cu toate acestea, efectele zaharozei sunt reglate atât de sistemul homeostatic, cât și de circuitele hedonice de recompensă.^16,17 care poate media distincția între aspectele nutriționale și hedonice ale acțiunii zaharozei¹⁸. Am optat pentru un program de o oră pe zi pentru a promova „bingingul”, deoarece studiile anterioare la șobolani au evidențiat un aport mai mare în prima oră de acces zilnic într-un program intermitent.^15,19. Studiile comportamentale ale consumului de alimente vizează adesea animalele cu restricții alimentare, dar designul poate să nu reflecte neapărat aceleași mecanisme neuronale active în obezitate. Porcii din prezentul studiu nu au avut restricții alimentare și au fost hrăniți cu cantitățile obișnuite din dieta lor normală, în plus față de accesul la zaharoză.

Receptorii opioizi (OR) sunt exprimați pe scară largă în creier, în special în structuri cunoscute pentru modularea proceselor de alimentație și de recompensă.²⁰. S-au dovedit a fi importante pentru efectele recompensatoare și recidivante ale cocainei^21,22,23,24. Modificările legate de legare au fost, de asemenea, legate de răspunsurile homeostatice la mâncare și de plăcerea asociată cu alimentele gustoase.²⁵. În special, „placerea” alimentelor este legată de sistemul opioid endogen, în special de μOR^9,10 în învelișul nucleului accumbens și în pallidum ventral²⁶. Infuziile unui agonist μOR în porțiuni distincte ale nucleului accumbens și pallidum ventral îmbunătățesc puternic comportamentele de „placere”, inclusiv proeminențele limbii și lingerea labelor, în urma aportului crescut de alimente.^27,28,29. Alte dovezi pentru semnalizarea opioidelor în procesarea reglării hedoniste provin de la antagoniştii μOR care atenuează consumul de mâncare gustoasă în ambele ad libitum-animale hrănite și alimentate cu restricții, dar cu un efect mai limitat asupra aportului de pelete standard negustoase^30,31. La om, antagoniștii μOR scad aportul alimentar pe termen scurt și reduc plăcerea alimentelor gustoase.^32,33,34. Semnalizarea opioidelor din amigdala bazolaterală contribuie, de asemenea, la „dorința” de hrană prin modularea căutării recompensei și a valorii stimulative a alimentelor.³⁵.

Cu [¹¹C]carfentanil, am obținut imagini de legare a trasorului care este sensibilă atât la nivelurile de μOR, cât și la eliberarea de către creier a opioidelor endogene.^36,37. Am detectat pierderea imediată a disponibilității μOR în zonele nucleului accumbens și ale cortexului cingulat anterior, regiuni specifice ale creierului ale căii recompensei, după consumul inițial de zaharoză de către cinci miniporci, în concordanță cu eliberarea opioidelor endogene. Studiile anterioare au arătat că mâncarea gustoasă poate duce la sentimente de plăcere³⁸ prin stimularea eliberării opioidelor. După 12 zile de acces la zaharoză, am observat o scădere [¹¹Legarea C]carfentanilului, care are mai multe explicații posibile³⁹ inclusiv eliberarea endogenă a opioidelor și legarea la μOR, internalizarea μOR ca urmare a legării crescute a opioidelor și creșterea activării receptorului DA D2/3 care duce la desensibilizarea heterologă a μOR⁴⁰.

În sprijinul prezentelor constatări, [¹¹Studii cu C]carfentanil la pacienții cu bulimie⁴¹, obezitate^42,43,44, și tulburarea de alimentație excesivă⁴⁵, arată o disponibilitate scăzută a receptorilor. Cu toate acestea, acestea sunt afecțiuni cronice, în timp ce porcii mini au primit zaharoză doar timp de 12 zile. Într-un studiu al comportamentului alimentar acut la bărbații sănătoși, hrănirea a condus la o eliberare cerebrală endogenă robustă și pe scară largă, atât în ​​prezența, cât și în absența hedoniei, sugerând că eliberarea de opioide reflectă răspunsuri metabolice și homeostatice, precum și hedonice.²⁵. Acest studiu, împreună cu altul care a făcut imagini pacienților după o masă lichidă cu aromă de ciocolată⁴⁴, este direct relevant pentru studiul acut pe cinci porci mini după prima expunere la zaharoză, dar este diferit de studiul subcronic de expunere la zaharoză timp de 12 zile, unde disponibilitatea redusă a receptorilor reflectă mai probabil suprastimularea repetată și reglarea concomitentă a μOR.

Cortexul prefrontal este important în luarea deciziilor și atribuirea de valoare articolelor și, prin urmare, μOR din cortexul prefrontal poate fi responsabil pentru evaluarea modificată a proeminenței alimentelor, ceea ce poate crește potențialul de dependență al alimentelor. Am găsit o legare scăzută în cortexul prefrontal, în concordanță cu studiile anterioare care arată că dieta bogată în grăsimi reduce nivelurile de ARNm μOR în cortexul prefrontal.⁴⁶ și acea perfuzie a unui agonist μOR în cortexul prefrontal crește aportul de alimente dulci⁴⁷. Din nou, totuși, se pune problema dacă dieta bogată în grăsimi este o afecțiune mai cronică care mediază mai probabil reglarea în jos a receptorului, în comparație cu designul de hrănire cu zaharoză pe termen mai scurt, sugerând eliberarea susținută a opioidelor endogene care înlocuiește carfentanilul trasor legat de μOR. , chiar și după 12 zile de zaharoză.

DA a fost implicat în recompense atât din partea drogurilor, cât și a comportamentului. S-a descoperit că consumul cronic de cocaină inhibă semnalizarea DA⁴⁸. Nivelurile receptorilor DA D1 și D2/3 sunt modificate de nicotină în creierul de porc⁴⁹și la primate non-umane cu antecedente de abuz de cocaină⁵⁰, în concordanță cu reglarea în jos a receptorilor D2/3 din creierul dependenților de cocaină^51,52. În ceea ce privește drogurile de abuz, s-a demonstrat că zaharoza reglează receptorii DA D1¹⁹ și crește eliberarea DA⁵³, întărind rolul DA în „dorință” în raport cu alimentele gustoase. Studiile PET anterioare au demonstrat o scădere a disponibilității receptorilor DA D2/3 striatali în obezitatea morbidă față de greutatea medie^54,55, similară ca amploare cu reducerea numărului de pacienți dependenți de droguri⁵⁶, iar la animale cu modele de obezitate⁵⁷. În studiile la rozătoare, distrugerea receptorului D2/3 în striat promovează dezvoltarea căutării compulsive de hrană la șobolani cu acces la hrană gustoasă.⁵⁷.

Observațiile noastre privind scăderea disponibilității receptorilor D2/3 la porc pot indica niveluri crescute de DA ca răspuns la importanța stimulentului asociată cu aportul de zaharoză, deoarece DA este eliberată ca parte a dorinței de droguri de abuz și a altor activități plăcute.^52,58,59,60. Deoarece porcii au fost anesteziați în timpul imagisticii și nu au primit zaharoză în 24 de ore, a scăzut D2/3 BP_ND reflectă mai probabil o reducere a numărului de receptori ca răspuns la creșterea prelungită a eliberării DA la fiecare dintre cele 12 zile de acces la zaharoză. Reducerea poate crește pragurile de recompensă ale creierului, asociate cu reglarea în jos a receptorilor DA D2 striatali. Acest lucru poate explica susceptibilitatea crescută la droguri de abuz observată în studiile anterioare despre șobolanii care consumau exces de zaharoză, ceea ce a dus la sensibilizare încrucișată la cocaină, hiperactivitate după doze mici de amfetamina, consum crescut de alcool atunci când se abțin de la zaharoză și toleranță la efectele analgezice ale opiaceelor.⁶.

Un studiu anterior al obezității la porcul Göttingen a identificat scăderea fluxului sanguin cerebral în nucleul accumbens, zona tegmentală ventrală (VTA) și cortexul prefrontal, cu tomografie computerizată cu emisie de fotoni unici (SPECT) a creierului.⁶¹. În conformitate cu aceste constatări, am observat o legare redusă a DA D2/3 în regiunea ventroforencefal care conține nucleul accumbens și în cortexul prefrontal. Nivelurile extracelulare de DA sunt crescute de 3 ori în nucleul accumbens după aportul de zaharoză la șobolanii care se mișcă liber, supuși microdializei⁶². La animalele dependente de zaharoză, aportul repetat de zaharoză poate duce la eliberarea DA din coaja nucleului accumbens⁶³. Animalele hrănite cu o dietă restricționată, cu acces limitat la zaharoză, au avut o legare mai mică a receptorului DA D2 în coaja nucleului accumbens și în striatul dorsal⁶⁴. Dietele restricționate bogate în grăsimi și zaharoză pot duce la reglarea susținută în jos a ARNm a receptorilor D1 și D2 din nucleul accumbens⁶⁵. Un studiu de microdializă a efectelor alimentelor gustoase a evidențiat o eliberare crescută de DA în nucleul accumbens și cortexul prefrontal atunci când mâncarea era încă considerată nouă; odată ce șobolanii s-au obișnuit cu noua hrană, eliberarea crescută a fost tocită în nucleul accumbens, dar nu și în cortexul prefrontal⁶⁶. Susceptibilitatea diferențială la obișnuire și condiționare a activității în două regiuni poate explica creșterea mai mare observată în cortexul prefrontal decât în ​​nucleul accumbens al porcilor mini-porci expuși la aceeași substanță gustoasă care și-a pierdut noutatea după douăsprezece zile. Cu toate acestea, deoarece nu am imaginat miniporci cu [¹¹C]raclopridă după prima administrare de zaharoză, această explicație este speculativă.

Cortexul prefrontal modulează funcția executivă, luarea deciziilor și autocontrolul⁶⁷. Neurotransmisia DA disfuncțională în cortexul prefrontal afectează modularea procesării recompensei, sugerând afectarea funcției executive și a abilităților de luare a deciziilor la persoanele obeze.^68,69. Mai mult decât atât, un studiu PET uman a corelat scăderea metabolismului cortexului frontal cu scăderea legării D2 striatale în obezitate.⁷⁰. Aici, găsim o disponibilitate redusă a receptorilor D2/3 în cortexul prefrontal, inclusiv cortexul orbitofrontal al porcilor expuși la regimul de zaharoză.

Neuronii dopaminergici ai VTA trimit proiecții către hipocamp și amigdală, unde susțin comportamente asemănătoare obiceiurilor⁷¹ și mediază codificarea și recuperarea condiționării la drog^72,73 și indicii alimentare^74,75. Imagistica creierului uman a arătat activarea hipocampului ca răspuns la pofta de mâncare și gust⁷⁶. În concordanță cu constatările noastre privind o disponibilitate redusă a receptorilor D2/3 hipocampali și amigdalari ca răspuns la zaharoză, cartografierea creierului uman cu [¹⁸F]fallypride a arătat eliberare de DA indusă de cocaină în amigdală și hipocamp⁷⁷. În creierul rozătoarelor, expunerea la cocaină a declanșat eliberarea DA în amigdala⁷⁸, iar modificările nivelurilor de DA amigdalei au influențat comportamentul de căutare a cocainei indus de indicii⁷⁹.

Într-un studiu efectuat pe indivizi obezi, asocierea dintre disponibilitățile D2/3 și μOR, despre care se știe că există în regiunile striate ale indivizilor slabi, a fost perturbată în striatul ventral.⁸⁰. Am comparat valorile TA_ND dintre cei doi trasori pentru a testa dacă datele au reprodus acest efect. Spre deosebire de oamenii slabi, creierul actual al porcilor nu avea nicio corelație între valorile BP_ND dintre cei doi trasori, la momentul inițial sau după expunerea la zaharoză. Apoi am testat dacă animalele cu cele mai mari scăderi ale legării trasorului de raclopridă ar avea, de asemenea, cele mai mari scăderi ale legării trasorului de carfentanil, dar în schimb am găsit o corelație negativă în regiunile extrastriatale medii, sugerând că animalele cu cea mai mare modificare a potențialului de legare a trasorul de raclopridă a avut cea mai mică modificare a potențialului de legare al trasorului carfentanil. Relația inversă dintre modificări sugerează că efectele aportului de zaharoză asupra disponibilităților receptorilor respectivi sunt reglate în direcții opuse. Se știe că consumul excesiv de alimente gustoase sau de droguri poate fi determinat de dorință sau de plăcere, sau de ambele^60,81. Este posibil ca amploarea dorinței determinată de dopamină să anuleze amploarea plăcerii determinată de opioide sau invers. Dovezile recente indică rolurile GABA_A receptorii din VTA și terminalele colinergice din striat și posibil cortexul care acționează ca comutatori între mecanismele de acțiune opioide dependente de dopamină și independente de dopamină^82,83 care poate explica reciprocitatea efectelor dopaminei și opioide în regiunile extrastriatale porcine determinate aici.

Un dezavantaj al PET, de asemenea, la animalele relativ mari, este rezoluția spațială limitată a tomografiei care afectează rezultatele din regiunile mici ale creierului implicate în comportamentele asociate cu alimentele. Cu toate acestea, în ciuda acestor preocupări, [¹¹Legarea c]raclopridei a fost înregistrată anterior atât în ​​regiunile striatale cât și extrastriatale^84,85,86,87. Utilizarea [¹¹C]racloprida pentru a eticheta același tip de receptori nu ridică nicio îngrijorare cu privire la potențialele diferențe de afinitate care pot afecta utilizarea de trasori separați pentru aceiași receptori în regiuni diferite. Studiile recente au inclus înregistrări ale legării extrastriatale a [¹¹C]raclopridă. Alakurtti et al. a constatat o reproductibilitate bună a măsurilor de legare a raclopridei striate în striat, cu reproductibilitate numai bună până la moderată în cortex⁸⁵. Într-un studiu ulterior, Svensson et al. a discutat mai multe probleme care afectează utilizarea [¹¹C]racloprida ca marker al receptorilor extrastriatali D2/3 într-un studiu asupra oamenilor sănătoși, inclusiv reproductibilitatea slabă în cortex și declinul limitat al legării extrastriatale în cortexul frontal ca răspuns la un agent de blocare D2/3⁸⁸. Comparațiile test-retest au evidențiat variații de 4-7% în striat și 13-59% în regiunile corticale, dar timpul dintre examinări a fost în medie de 20 de zile, spre deosebire de cele mai informative 1-2 zile ale majorității studiilor. O serie de factori din viața acelor subiecți ar fi avut timp să influențeze concluziile. Într-adevăr, arătăm aici că simpla adăugare a consumului de zaharoză la o rutină de dimineață timp de 12 zile poate să fi influențat măsurile obligatorii obținute două săptămâni mai târziu. Alți factori la fel de frecventi precum jocul de jocuri video, cumpărăturile, intrarea în noi relații romantice și activități sexuale, consumul de droguri sau schimbarea dietei și exercițiile fizice pot influența nivelurile extrastriatale de dopamină cu potențial pentru o mare variație a setului de date. Studiul actual la porci mini a introdus un set-up bine controlat, singura variabilă fiind absența sau prezența zaharozei în dietă. În acest context, datele de la șapte animale au avut o variabilitate suficient de scăzută în regiunile extrastriatale relevante pentru a identifica o reducere semnificativă statistic a legării ca răspuns la zaharoză.

O limitare a studiului actual este utilizarea anestezicelor necesare pentru a asigura imobilitatea în timpul in vivo imagistica animalelor. Efectele anestezicelor specifice și interacțiunile lor cu medicamente sau alte intervenții pot încurca legarea radioliganzilor^89,90. Ketamina este un medicament anti-glutamatergic cu efecte antidepresive rapide în doze sub-anestezice^91,92,93, care nu reduc striata [¹¹Legarea c]raclopridei la om⁹⁴. Cu toate acestea, s-a descoperit că S-ketamină reduce disponibilitatea de legare a receptorilor dopaminergici D2/3 în striatul primatelor non-umane conștiente.⁹⁵. Izofluranul este un anestezic comun în PET-ul animal. În studiile anterioare, am găsit acumularea striată de [¹¹C]SCH23390, un radioligand al receptorilor dopaminergici D1, este semnificativ mai mare la porcii mini-anesteziați cu izofluran, mai degrabă decât cu propofol, ceea ce sugerează susceptibilitatea neurotransmisiei dopaminergice la efectele anesteziei.⁹⁶. În studiul actual, toți porcii mini au fost fotografiați la ambele momente sub pre-medicație cu ketamina și anestezie cu izofluran, făcând comparațiile prezente valabile.

Consumul excesiv de alimente gustoase poate provoca și deveni rezultatul dependenței cu consecințe directe asupra sănătății prin obezitate. Am testat afirmația că opioidele și dopamina mediază recompense, importante pentru supraviețuire, precum și pentru abuzul de droguri. Miniporcii cu acces intermitent la o soluție de zaharoză timp de 12 zile consecutive au demonstrat o scădere a disponibilității receptorilor de dopamină D2/3 și μ-opioizi în regiunile striatale și extrastriatale ale creierului, ceea ce implică faptul că alimentele bogate în zaharoză influențează circuitele de recompensă ale creierului în moduri similare cu cele observate în cazul drogurilor care creează dependență. sunt consumate. Expunerea inițială unică la zaharoză a fost în concordanță cu eliberarea de opioide în regiunile creierului active în recompensă. Modificările disponibilității opioidelor și dopaminei explică potențialul de dependență al zaharozei consumate în exces.

Etica animalelor

Acest studiu a fost aprobat și reglementat de Inspectoratul Danez pentru Experimente pe Animale și toate experimentele au fost efectuate în conformitate cu directiva 2010/63/UE a Parlamentului European și a Consiliului privind protecția animalelor utilizate în scopuri științifice și cu liniile directoare ARRIVE. Am folosit șapte femele de porci Göttingen în vârstă de paisprezece luni (Ellegaard, Dalmose, Danemarca). Porcii au fost hrăniți cu o dietă cu pelete (6 dL, de 2 ori pe zi, Servicii de diete speciale, Aarhus, Danemarca) cu apă de la robinet disponibilă ad libitum. Temperatura mediului a fost de 20–22 °C, umiditatea relativă 50–55%, iar aerul a fost schimbat de opt ori la fiecare oră.

Consumul intermitent de zaharoză

Am fotografiat șapte porci mini cu [¹¹C] raclopridă și [¹¹C]carfentanil la momentul inițial și din nou la o zi după 12 zile consecutive de expunere la apă cu zaharoză. Expunerea la zaharoză a constat într-o oră de acces la apă la zaharoză (zaharoză, Dansukker, Copenhaga, Danemarca) (500 de grame de zaharoză în 2 litri de apă), zilnic, pe o perioadă de 12 zile. A fost înregistrată cantitatea de zaharoză și toți porcii au consumat 2 litri în fiecare zi. De asemenea, am fotografiat cinci dintre aceiași porci mini cu [¹¹C]carfentanil, la 30 de minute după primul acces de zaharoză, pentru a studia eliberarea acută de opioide.

Porcii mini au câștigat o medie de 13.6% greutate corporală de la 25.4 kg (±0.73 SEM) la momentul inițial la 28.9 kg (±0.69 SEM) după expunerea de 12 zile la zaharoză, care a fost semnificativ mai mare (test t cu o singură coadă, p < 0.001) decât creșterile observate la un eșantion de porci martor miniporci obținut în studiile anterioare, unde greutățile au crescut în medie cu doar 4.9%, în aceeași perioadă de dezvoltare.

Imagistica PET a creierului

Am ținut porcii peste noapte cu acces liber la apă înainte de imagistică. Am premedicat și anesteziat miniporci așa cum s-a descris anterior⁹⁷ și le-a plasat în decubit dorsal într-un dispozitiv PET/CT (Siemens Biograph 64 Truepoint PET). Am efectuat o scanare CT cu doze mici înainte de fiecare achiziție PET pentru definirea anatomică și corectarea atenuării datelor de emisie PET. Am administrat intravenos [¹¹C]raclopridă la momentul inițial (360 ± 18 MBq, activitate specifică 77 ± 76 GBq/μmol, masa injectată 0.12 ± 0.08 μg/kg) și după 12 zile de zaharoză (374 ± 54 MBq, activitate specifică 127 ± 85 GBq/μmol, masa injectată 0.06 ± 0.05 μg/kg) și [¹¹C]carfentanil la momentul inițial (377 ± 43 MBq, activitate specifică 311 ± 195 GBq/μmol, masa injectată 0.03 ± 0.02 μg/kg) și după 12 zile de zaharoză (337 ± 71 MBq, activitate specifică 177 ± 157 GBq/μmol) masa injectată 0.06 ± 0.08 μg/kg) prin vena urechii, în 10 ml ser fiziologic, în primul minut al unei scanări de 90 de minute. Am reconstruit datele PET folosind TrueX 3D OSEM (3 iterații, 21 de subseturi), o matrice de 256 × 256 × 109 și un filtru Gauss de 2 mm, folosind o structură de interval de timp de 5 × 60, 3 × 300, 4 × 600. , 2 × 900 de secunde (total 14 cadre, 90 de minute). La momentul inițial și după 12 zile de zaharoză, porcii mini au fost fotografiați cu ambii trasori injectați la cel puțin 100 de minute, datorită timpului de înjumătățire de [[¹¹C] Trasoare PET. La finalizarea ultimei sesiuni de PET, am eutanasiat porci mini sub anestezie profundă printr-o supradoză intravenoasă de pentobarbital (100 mg/kg).

Analize cantitative și statistici

Am efectuat pași de preprocesare folosind PMOD 3.7 (PMOD Technologies Ltd, Zurich, Elveția). Pentru a defini parametrii de transformare stereotactică din imaginile PET cu medie în timp, am folosit șabloane specifice ligandului. Am aplicat matricele de transformare generate și câmpurile de deformare pe seria de timp PET dinamică corespunzătoare. Am generat imagini parametrice ale [¹¹Potențialul de legare a raclopridei (BP_ND) prin metoda țesutului de referință multiliniar a lui Ichise și colaboratorii⁹⁸. Am creat o mască personalizată a cerebelului care excludea vermisul pentru a obține radioactivitatea țesutului cerebelos în timp într-o regiune cu densitate neglijabilă a receptorului DA D2/3. Am generat imagini parametrice ale [¹¹C]carfentanil folosind o implementare a modelului de țesut de referință Logan^99,100 cu t* = 30 min. Studii ale [¹¹Legarea C]carfentanilului în creierul uman a folosit cortexul occipital ca regiune de referință³⁶; cu toate acestea, la porc, în conformitate cu curbele de activitate în timp, legarea nedeplasabilă a fost mai mică în cerebel decât în ​​cortexul occipital, în concordanță cu constatările dintr-un studiu de autoradiografie la șobolan.¹⁰¹. Prin urmare, am selectat cerebelul ca regiune de referință în studiul actual.

analize statistice

Am supus hărțile unei analize în funcție de voxel cu cartografiere statistică non-parametrică (SnPM v13.01, http://warwick.ac.uk/snpm) Setul de instrumente SPM care utilizează teoria permutării non-parametrice pentru a oferi un cadru pentru inferența statistică, o abordare care s-a dovedit a funcționa bine pentru eșantioane mici datorită controlului strict al fals pozitive¹⁴ și aplicat așa cum s-a descris anterior¹⁰². Un expert în neuroanatomia porcului (DO) a comparat imaginile rezultate pragizate la un nivel de semnificație de 5% cu un atlas de miniporci Göttingen de înaltă rezoluție^103,104 pentru a defini și a eticheta regiunile de DA D2/3 și μOR BP scăzute_ND de la momentul inițial până la starea postzaharoză. Apoi am efectuat o analiză a regiunii de interes (ROI) pentru a extrage BP_ND valorile regiunilor specifice găsite a fi de interes pe baza analizei SnPM, inclusiv striatul, nucleul accumbens, talamusul, amigdala, cortexul cingulat și cortexul prefrontal. Nu s-au efectuat statistici suplimentare privind analiza ROI, deoarece aceste regiuni s-au dovedit deja semnificative folosind SnPM.

Un „grant pentru dezvoltarea proiectelor AU Ideas” al Universității Aarhus pentru AML a finanțat studiul. Suntem recunoscători pentru suportul tehnic din partea personalului de la Centrul PET al Spitalului Universitar din Aarhus și al Fermei Universității din Aarhus pentru ajutor cu tratamentul animalelor. Mulțumim profesorului Morten Kringelbach, profesorului Jørgen Scheel-Kruger și profesorului asociat Arne Møller pentru ajutor la inițierea acestor studii.

Afilieri

1. Departamentul de Medicină Nucleară și Centrul PET, Universitatea Aarhus, Aarhus, Danemarca
   • Michael Winterdahl
   • , Ove Noer
   • , Anna C. Schacht
   • , Steen Jakobsen
   • , Aage KO Alstrup
   • , Albert Gjedde
   •  & Anne M. Landau
2. Departamentul de Neurochirurgie și CENSE, Spitalul Universitar Aarhus, Aarhus, Danemarca
   • Dariusz Orlowski
3. Departamentul de Medicină Nucleară, Universitatea din Danemarca de Sud și Spitalul Universitar Odense, Odense, Danemarca
   • Albert Gjedde
4. Departamentul de Neurostiinte, Universitatea din Copenhaga, Copenhaga, Danemarca
   • Albert Gjedde
5. Departamentul de Neurologie și Neurochirurgie, Universitatea McGill, Montreal, Canada
   • Albert Gjedde
6. Unitatea de Neuropsihiatrie Translațională, Universitatea Aarhus, Aarhus, Danemarca
   • Anne M. Landau

Contribuții

MW și AML au conceput studiul și analiza; ACS și SJ au sintetizat trasoarele PET; MW, AKOA și AML s-au ocupat de miniporci și au efectuat scanări PET; MW, ON și AML au efectuat analiza datelor; DO a oferit expertiză anatomică, MW, AG și AML au interpretat datele; MW și AML au scris manuscrisul cu sprijinul AG; toți autorii au aprobat versiunea finală a manuscrisului.

autorul corespunzator

Corespondența cu Anne M. Landau.

Interese concurente

Autorii nu declară interese concurente.

Nota editorului Springer Nature rămâne neutră în ceea ce privește pretențiile jurisdicționale în hărțile publicate și afilierile instituționale.

Reimprimări și permisiuni