Обезогенные диеты могут дифференциально изменять дофаминовый контроль приема сахарозы и фруктозы у крыс (2011)

1. Введение

Десятилетия исследований Хобеля и его учеников предоставили важную информацию о роли дофаминергической системы мозга в регуляции кормления, тем самым развивая концепцию «пищевого вознаграждения» [1–4]. Примечательно, что ранние эксперименты Хобеля установили, что дофамин среднего мозга является ключевым фактором хронического переедания и, как следствие, ожирения [5–8], задолго до того, как были получены прямые данные из исследований изображений [9, 10].

Представление о том, что пища оказывает контроль над приемом пищи и, в свою очередь, что постоянный или периодический доступ к вкусным блюдам (т. Е. С высоким содержанием сахара и жиров) может вызвать длительные изменения в системах регулирования кормления, долгое время занимало центральное место в теориях Хобеля о развитии запойное поведение. В начале своей карьеры он также применил элементы этого рассуждения к ожирению. В обзоре 1977 г. Хобель отметил, что могут быть «разные виды ожирения, требующие различного лечения» [11]. С тех пор множество исследований по ожирению действительно выявили различные генетические, метаболические и экологические факторы, которые могут объяснить изменения в развитии, последствиях и лечении ожирения [12–15]. Однако наше понимание конкретного вклада макронутриентов в изменение функций пищевого вознаграждения далеко не полное. В данной статье обобщены данные исследования, вдохновленного исследованием Барта и призванного сократить этот пробел в наших знаниях.

В рамках многогранной этиологии ожирения диета остается ключевым фактором в развитии ожирения. Обезболивающие диеты - это диеты с высокой калорийностью, часто вкусные продукты, которые приводят к ожирению после длительного воздействия [16]. Однако макроэлементный состав обезболивающих диет может различаться, и это изменение может повлиять на изменения нейронных систем при ожирении, такие как допамин. Было показано, что поддержание обезболивающей диеты снижает уровень допамина в акцепменах, а также снижает реактивность мезокортиколимической системы, так что требуется более приемлемая диета для достижения аналогичного увеличения количества внеклеточного дофамина, вызванного пищевыми продуктами, как видно из чау-чау -fed control [17]. Одним из потенциальных механизмов является адаптивная понижающая регуляция из-за усиленной и хронической стимуляции вкусными продуктами [18]. Фактически, исследования из нашей лаборатории показали, что даже стимуляция раздражением либо сахарозой, либо жиром является достаточной для стимуляции высвобождения допамина в ядре accumbens [19, 20]. Особенно актуально, что жиры и сахара, по-видимому, влияют на системы вознаграждения по-разному, поскольку это вытекает из большей эффективности сахаров, чтобы вызвать привыкание к поведению [21]. Другие недавние исследования показали дифференциальные эффекты на нейроэндокринную систему и более позднюю восприимчивость к увеличению веса, основанную на соотношении жира и углеводов в обезболивающих диетах [22, 23]. Кроме того, повышенное внимание было уделено потенциальным особенностям в регулятивных ответах на диету с высоким содержанием фруктозы и кукурузном сиропе и предполагаемые последствия очевидной легкости, с которой она может вызывать ожирение и нарушение правил питания. В частности, недавние исследования Avena и Hoebel показали, что крысы, имеющие доступ к кукурузному сиропу с высоким содержанием фруктозы (HFCS) в течение 12 hrs каждый день в течение 8 недель, получали значительно больший вес тела, чем животные, при равном доступе к 10% сахарозе, хотя они потребляли такое же количество общих калорий, но меньше калорий из HFCS, чем сахароза [24]. Растущая распространенность ожирения и потенциал для открытия новых методов лечения требует исследования того, как потребление обычных высокоэнергетических и вкусных продуктов, таких как сахароза и фруктоза, контролируется в условиях диетического ожирения.

Поэтому в настоящем исследовании исследовалась дофаминовая регуляция потребления сахарозы и фруктозы у крыс, которые стали ожирением в результате длительного обслуживания двух стандартных высокоэнергетических диет, широко используемых для производства диетического ожирения у крыс и варьирования содержания жира и углеводов. В частности, мы оценили участие двух основных классов дофаминовых рецепторов с использованием периферического (внутрибрюшинно, ip) введения антагониста дофамина D1 (D1R) SCH23390 или антагонистом рецептора дофамина D2 (D2R) raclopride у бедных и диетических тучных крыс в коротком (2-hr) однокамерном исследовании на входе в сахарозу или фруктозу. Эти распространенные углеводы распространены в рационах человека, легко потребляются крысами и обладают положительными артериальными свойствами [25–28]. Ранее было показано, что потребление сахарозы стимулирует высвобождение дофамина в ядре accumbens [3, 19, 29] и периферическое введение обоих SCH23390 и раклоприд уменьшает сахарозу фиктивное кормление [30]. Несмотря на повышенный интерес со стороны научного сообщества, а также средств массовой информации, подобные эффекты антагонистов дофамина на потребление фруктозы были исследованы только в контексте приобретения и выражения условных предпочтений, и эти исследования также были ограничены жирными крысами [31–33]. Несмотря на потенциальные последствия, влияние антагонистов рецептора допамина на потребление углеводов в различных моделях ожирения и при отсутствии гомеостатического притока (т. Е. Следующих периодов ограничения питания) не исследовалось. Таким образом, крысы в ​​текущем исследовании были сохранены, чтобы избежать путающих эффектов от голода и дефицита энергии.

2. методы

2.3 антагонисты допамина, тестовые решения и процедура тестирования

Антагонист дофамина D1R SCH23390 (HFHE: n = 6; FCHE: n = 5; Chow: n = 4) и антагонист рецептора дофамина D2 raclopride (HFHE: n = 5; FCHE: n = 6; Chow: n = 4). SCH23390 и raclopride (Tocris Biosciences, Ellisville, MO) растворяли в стерильном физиологическом растворе и вводили внутрибрюшинно 10 минут до 2-hr доступа к 0.3 M сахарозе или 0.4 M фруктозе. Эти концентрации были выбраны, поскольку они очень приемлемы для крыс и поэтому были широко использованы в предыдущих исследованиях [3, 19, 32, 34]. Сахароза и фруктоза (Fisher-Scientific, Fair Lawn, NJ) растворялись в отфильтрованной водопроводной воде не более чем за 24 часов до тестирования.

Животных учили пить тестируемые растворы во время ежедневных сессий, где 2-часовой доступ (начиная с 1000 часов) к сахарозе или фруктозе был обеспечен за 8 дней до тестирования для достижения стабильного исходного уровня потребления, т.е. Обучение и тестирование проходили в помещении домашней колонии животных, при этом пластиковые бутылки объемом 100 мл были временно прикреплены к передней части домашней клетки так, чтобы носики выходили в клетку. Введение носителя (физиологического раствора) или антагонистов дофамина начиналось через 24 недели поддерживающей диеты, после чего обе группы, придерживавшиеся диеты с ожирением (HFHE и FCHE), имели значительно более высокую массу тела, чем контрольная группа с пищей (Рисунок 1). Между днями инъекции давали минимум 48 часов, чтобы наркотики полностью метаболизировались. Никаких изменений массы тела или приема пищи 24 в час не произошло после лечения антагонистами дофамина.

 

Рисунок 1

Вес тела в период до и в течение периода фармакологического тестирования (серый бар)

Статистический анализ 2.4

Вес тела и ¹Данные H-ЯМР анализировали с использованием одностороннего независимого анализа образцов дисперсии (ANOVA) с диетой в качестве независимой переменной.

Внутрь измеряли при потреблении мл и представляли как среднее ± SEM. Исходное потребление (после введения, например, инъекции солевого раствора) тестировалось на различия между группами диеты в трех вариантах ANOVA с диетой, наркотиками и углеводами в качестве независимых переменных. Не было значительных эффектов диеты (F_(2,48)= 0.3533, p= 0.704), препарат (F_(1,48)= 0.1482, p= 0.701), и не было значительных эффектов взаимодействия (диета × препарат: F_(2,48)= 0.4144,p= 0.66; диета × углевод: F_(2,48)= 0.2759, p= 0.76; наркотик × углевод: F_(1,48)= 0.0062, p= 0.73; диета × наркотик × углевод: F_(2,48)= 0.3108, p= 0.73). Однако значительное влияние углеводов (F_(1,48)= 8.8974, p<0.01) наблюдалось (Таблица 1). Таким образом, для всех последующих анализов потребление было преобразовано в процентное снижение по сравнению с исходным уровнем (прием следующей дозы × [мл] / прием после 0 мкг / кг [мл]) и анализировали с использованием дисперсионного анализа дисперсии (ANOVA) с диетой (HFHE, FCHE или Chow) и лекарственного средства (raclopride или SCH23390) как независимые переменные и доза (0, 50, 200, 400 или 600 нмоль / кг SCH23390 или raclopride) в качестве повторной меры. Ингибирующая доза (ID₅₀), необходимое для снижения потребления до 50% базовой линии (0 нмоль / кг), рассчитывали, как описано ранее [35]. Различия в ID₅₀ сравнивались как функция диеты и лекарства с использованием двухфакторного дисперсионного анализа. Все анализы проводились с использованием Statistica (v6.0, StatSoft® Inc., Tulsa, OK), а значимые результаты были дополнительно проанализированы с использованием апостериорных критериев наименьшего значимого различия (LSD) Фишера. Различия считались статистически значимыми, если р <0.05.

 

Таблица 1

Прием сахарозы и фруктозы в испытаниях 2-h. Абсолютные значения потребления (в мл) приема сахарозы и фруктозы в диетических группах после инъекции (0 нмоль / кг). Никаких различий в исходном потреблении между рационом питания или группами лекарств не наблюдалось. Базовая сахароза ...

3. Результаты

3.2 Влияние дофамина D1R и D2R антагонизма на потребление сахарозы

Потребление сахарозы было уменьшено на SCH23390 во всех группах (Рисунок 2a). Раклоприд уменьшал потребление сахарозы у крыс HFHE, но был намного менее эффективным у крыс Chow и FCHE (Рисунок 2b). Повторные меры ANOVA показали общий эффект препарата (F_(1,24)= 8.8446, p<0.01), доза (F_(4,96)= 27.1269, p<0.001), и доза в зависимости от лекарственного взаимодействия (F_(4,96)= 2.9799, p<0.05). В то время как общий эффект диеты был незначительным (F_(1,24)= 2.5787, p= 0.09), post hoc сравнения показали значительные различия в лечении раклопридом между группами HFHE и Chow (p<0.05) и между группами HFHE и FCHE (p

 

Рисунок 2

Изменения в потреблении сахарозы после антагонистов дофаминовых рецепторов

Послеоперационный анализ показал, что SCH23390 был значительно более эффективен при снижении потребления сахарозы в целом по сравнению с раклопридом (p SCH23390 подавление сахарозы у крыс HFHE при всех проверенных дозах и подавлении приема у крыс FCHE и Chow при 200 нмоль и более высоких дозах (Рисунок 2a). Потребление сахарозы было подавлено у крыс HFHE всеми дозами раклоприда, но только наибольшая доза уменьшала потребление сахарозы значительно у крыс FCHE, в то время как ни одна из доз не подавляла потребление сахарозы крысами Chow (Рисунок 2b).

Анализ идентификатора₅₀ (Таблица 2) не выявило эффекта Диеты (F_(2,24)= 0.576, p= 0.57) или наркотиков (F_(1,24)= 2.988, p= 0.09), несмотря на очевидные различия в ID₅₀ для raclopride. Это отсутствие эффекта может быть связано с существенной дисперсией внутри групп.

 

Таблица 2

Эффективность антагонистов рецептора допамина, выраженная как ID50. ID50 представляет собой дозу, при которой потребление будет уменьшено до 50% от базовой линии (транспортного средства). Никаких различий между группами для ...

3.3 Влияние дофамина D1R и D2R антагонизма на потребление фруктозы

SCH23390 снижение потребления фруктозы во всех группах (Рисунок 3a). С другой стороны, Raclopride значительно снижает потребление в группе FCHE (Рисунок 3b). Повторные измерения ANOVA показали общий эффект препарата (F_(1,24)= 5.7400, p<0.05), доза (F_(4,96)= 33.9351, p<0.001) и значительная доза при взаимодействии лекарств (F_(4,96)= 3.0296, p<0.05), но без эффекта диеты (F_(2,24)= 1.5205, p= 0.24). Однако, опять же, послеоперационные анализы показали значительную разницу в лечении раклопридом между группами HFHE и FCHE (p

 

Рисунок 3

Изменения в потреблении фруктозы после введения антагонистов рецептора допамина

Послеоперационный анализ показал, что SCH23390 был в целом более эффективным при подавлении приема фруктозы, чем раклоприд (p<0.05), причем дозозависимым образом (Рисунок 3). SCH23390 снижение потребления во всех группах диеты при 400 и 600 нмоль и снижение потребления фруктозы уже в дозе 200 нмоль у крыс HFHE (Рисунок 3a). Однако влияние Raclopride на потребление фруктозы ограничивалось крысами FCHE с постхоковым анализом, что выявляло значительное снижение потребления фруктозы у крыс FCHE в дозах 200 нмоль и более высоких дозах, при этом ни одна из доз раклоприда, подавляющая потребление фруктозы у крыс HFHE или Chow (Рисунок 3b).

ANOVA на идентификаторе₅₀ (Таблица 2) выявил эффект препарата (F_(1,24)= 4.548, p<0.05), но не диета (F_(2,24)= 1.495, p= 0.25). SCH23390 требуется более низкие дозы в целом, чем раклоприд, чтобы уменьшить потребление до половины базового уровня (p<0.05). В соответствии с анализом фактических доз, ретроспективный анализ ID₅₀ также выявляют значительно повышенную чувствительность в обеих группах с ожирением по сравнению с крысами Chow (p

4. обсуждение

В настоящем исследовании сравнивалась чувствительность к блокаде рецепторов допамина в снижении потребления двух приемлемых углеводных растворов, сахарозы или фруктозы в двух диетических моделях животных с ожирением. Мы использовали две диеты для имитации хронического потребления либо диеты с преобладанием жира (HFHE), либо комбинации диетического жира (FCHE), как видно из западной диеты [25]. Как и ожидалось, обе диеты вызывали значительное увеличение веса и ожирение, начиная с 12 недель, с продолжающимся увеличением массы тела в течение всего эксперимента (Рисунок 1). Затем эти группы сравнивали с контролируемыми по возрасту регуляторами, контролируемыми чау-чау, в их относительной чувствительности к специфической блокаде D1 и D2-рецепторам подтипом SCH23390 или raclopride, соответственно. Мы обнаружили, что блокада рецепторов D1 уменьшает потребление сахарозы и фруктозы во всех группах диеты. Независимо от того, потребляют ли крысы растворы сахарозы или фруктозы, крысы HFHE реагируют на несколько более низкие дозы SCH23390 по сравнению с их ожирением FCHE или худшими коллегами Chow (Рисунок 2a, , 3a) .3a). Это очевидное повышение чувствительности к антагонизму рецептора DOPNUMX дофамина крысами HFHE также наблюдалось после блокады рецептора D1 во время теста на сахарозу. Действительно, крысы HFHE реагировали на все дозы раклоприда с уменьшением потребления сахарозы, тогда как крысы FCHE реагировали только на самую высокую дозу, а крысы Chow не демонстрировали значительного подавления потребления сахарозы после лечения раклопридом (Рисунок 3b). Интересно, однако, что крысы HFHE не уменьшали потребление фруктозы после лечения раклопридом. Вместо этого raclopride значительно подавлял потребление фруктозы только у крыс FCHE. Повышенная чувствительность к антагонистам рецептора допамина свидетельствует о снижении передачи сигналов допамина, т. Е. Из-за меньшего количества рецепторов, снижения конкуренции от эндогенного DA на рецепторных сайтах или их комбинации. На самом деле есть доказательства того, что любой из этих механизмов может быть применим к нашей модели. Например, воздействие диет с высоким содержанием жиров даже до рождения может привести к уменьшению D2R [36]. Кроме того, употребление продуктов с высоким содержанием жиров показало снижение естественного или электрически вызванного высвобождения дофамина и ослабление оборота допамина [37–39]. В то время как лежащий в основе механизм требует дальнейших исследований, наши данные вместе с этими и другими предыдущими наблюдениями подтверждают мнение о том, что употребление определенных продуктов питания - потенциально независимых от ожирения - может привести к изменениям в дофаминовой системе, напоминающим нейропластичность для злоупотребления наркотиками [40]. Фактически, недавние исследования показывают, что диеты с высоким содержанием жиров усиливают сенсибилизацию к препаратам, действующим на дофаминовые системы [41, 42].

Предыдущие исследования у постных крыс показали дифференцированную эффективность блокады D1 и D2 для снижения потребления углеводов с использованием концентраций, совместимых с теми, которые использовались в настоящем исследовании [31–33, 43]. Считается, что эти эффекты частично опосредуются областями головного мозга, участвующими в пищевом вознаграждении, и D2-рецепторы в этих областях могут быть особенно восприимчивыми к изменениям, вызванным ожирением [31, 33, 44–46]. Настоящее исследование расширилось на основании результатов модуляции дофаминовых рецепторов потребления углеводов у постных крыс и комплиментов тем исследованиям, которые свидетельствуют о длительной пластичности в системе вознаграждения при ожирении. В то время как сложность систем и факторов, которые могут влиять на такое взаимодействие (острый контроль за потреблением хронически измененной системой), очевидно, увеличивает индивидуальные отклонения и, следовательно, уменьшает эффекты взаимодействия в общих ANOVA, прямые (пост-hoc) сравнения эффектов доза-реакция выявляют дифференциальную чувствительность к изомолярным дозам антагониста рецептора между группами диеты. Изменения, влияющие на D2R, определенно оказывались зависимыми от содержания углеводов, также присутствующих в диетах с высоким содержанием жиров, что указывает на то, что содержание макронутриентов в диетах может по-разному изменять систему вознаграждения.

Дифференциальные эффекты чувствительности к раклоприду в тесте сахарозы могут быть обусловлены наличием сахарозы в диетах. Хотя обе обезболивающие диеты содержали сахарозу, диета FCHE содержала 23% сахарозы, чем диета HFHE. Таким образом, отсутствие ответа на раклоприд в результате проблемы сахарозы крысами FCHE, но не крысами HFHE, могло быть связано с усиленным воздействием сахарозы в рационе HFHE. Тем не менее, ни обезболивающая диета не содержала фруктозу, но различия были отмечены в ответах обезболивающих диетических групп на раклоприд в тесте фруктозы. Кроме того, никакой сахарозы не присутствовали в диете Чжоу, но ответы группы Chow на raclopride в тесте сахарозы были более похожи на ответы, сделанные FCHE, чем крысы HFHE. Это указывает на то, что другие факторы могут быть основанием дифференциальных ответов на лечение раклопридом в зависимости от диеты и тестового углевода.

Альтернативные объяснения могут включать дифференциальные нейронные и гормональные postingestive эффекты, оказываемые фруктозой и сахарозой. В то время как точные механизмы остаются неясными, все больше доказательств, подтверждающих это понятие [47, 48]. В этом контексте нельзя исключать возможность того, что две диеты изменяют предпочтения сахарозы и фруктозы по-разному в результате их дифференциального воздействия на пероральные и желудочно-кишечные сигналы перед системой вознаграждения и требуют дальнейшего изучения.

Ожирение и вкусные продукты независимо подразумевают изменение сигнальной дозы дофамина [3, 45, 49, 50], и, следовательно, может также учитывать дифференциальный ответ, наблюдаемый в настоящем исследовании. Действительно, наши данные подтверждают предыдущие результаты, свидетельствующие о том, что передача дофамина D2R снижается при ожирении [45, 50]. Однако новый вывод настоящего исследования состоял в том, что характер этой зависимости может зависеть от содержания макроэлементов в вегетативных диетах, а не от ожирения или связанных с ним осложнений. Дополнительным важным нахождением были различия, наблюдаемые в эффективности антагонистов D2R между тестовыми углеводами. Мы отметили тенденцию в наших данных о том, что потребление фруктозы оказалось более жестко контролируемым D2Rs, чем прием сахарозы, что привело к сомнению, как можно регулировать потребление различных углеводов, и если вознаграждение, получаемое различными углеводами, может набирать различные механизмы. Предыдущие данные показали, что потребление сахарозы и фруктозы приводит к различным физиологическим ответам. Показано, что сахароза производит условные эффекты, основанные как на его вкусе, так и на постингустационных свойствах [28, 51, 52], в то время как фруктоза, по-видимому, оказывает поведенчески значимую стимуляцию исключительно по своему вкусу, а не путем усиления пост-пищеварительных эффектов [27, 53]. Поэтому отзывчивость схем вознаграждения фруктозе может оставаться нетронутой, даже если обратная связь, вызванная сахарозой, становится скомпрометированной из-за ухудшений, связанных с ожирением (например, снижение чувствительности к инсулину / лептину). Противоположность также может быть правдой: противорегуляторный ответ на сокращение потребления сахарозы может не проверить потребление фруктозы. Будущие исследования на людях необходимы для изучения того, будут ли предпочтения для пищевых продуктов, богатых фруктозой, фактически увеличиваться с ожирением, или если предпочтения относительно сахарозы и фруктозы различны у пациентов с ожирением, которые также диабетичны.

Хотя эффекты сахарозы на допамин были широко исследованы [3, 19, 43, 50], меньше известно о взаимодействии фруктозы и системы вознаграждения допамина, хотя ранние сообщения из лаборатории Hoebel показывают, что фруктоза может давать свои собственные уникальные физиологические ответы [24]. Настоящее исследование добавляет дополнительную информацию к этой сложной головоломке, предполагающей, что диеты с различным содержанием макронутриентов могут дифференцировать изменения дофамина в отношении потребления фруктозы. Дальнейшие исследования необходимы, чтобы полностью понять основные механизмы, с помощью которых диетический жир и сахар могут влиять на сигнализацию кишки головного мозга и вызывать изменения в мозге.

5. Выводы

Это исследование демонстрирует, что обезогенные (высокоэнергетические) диеты, отличающиеся содержанием жиров и углеводов, а не само ожирение, могут дифференцировать чувствительность к антагонистам рецепторов D1 и D2 в снижении потребления углеводов. Это открытие совместимо с общим понятием о том, что сигнализация дофамина при диетическом ожирении притупляется и предлагает новую связь между диетами и центральными эффектами дофамина. Еще один важный вывод заключался в том, что диеты дифференциально изменяли активность антагонистов рецептора допамина в подавлении потребления сахарозы и фруктозы. По сравнению с обычными (с низким содержанием жиров) или с высоким содержанием жиров, с высоким содержанием углеводов, ожирение, вызванное очень высоким содержанием жира, но с низким содержанием сахара, привело к повышенной чувствительности к антагонизму рецептора D1 и D2 при снижении потребления сахарозы, но контроль рецептора фруктозы D2 был сохранились. Напротив, крысы, питающиеся высокоэнергетической диетой с комбинацией высокого диетического жира и углеводов, продемонстрировали усиленную регуляцию рецепторов D2 при введении фруктозы. Таким образом, кажется, что диетическая история может изменить развитие дефицита допамина, ранее связанного с ожирением в целом. Настоящие данные также свидетельствуют о том, что эти особенности пластичности допамина могут влиять на то, как определенные углеводы, такие как фруктоза и сахароза, оказывают свои полезные эффекты. Такие различия могут объяснить некоторые различия в показателях успеха различных методов лечения и лечения против ожирения. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы проверить применимость этих данных для людей и исследовать основные механизмы.

Благодарности

Сноски

Рекомендации