Príjem sacharózy znižuje dostupnosť μ-opioidného a dopamínového D2 / 3 receptora v mozgu ošípaných (2020)

Nadmerná konzumácia sacharózy vyvoláva chuť na závislosť, ktorá môže podporovať epidémiu obezity. Opioidy a dopamín sprostredkujú prospešné účinky návykových látok a prírodných výhod z podnetov, ako je chutné jedlo. Skúmali sme účinky sacharózy pomocou PET zobrazovania pomocou [¹¹C] karfentanil (agonista μ-opioidného receptora) a [¹¹C] racloprid (antagonista dopamínového D2 / 3 receptora) u siedmich žien anestetizovaných miniprasami Göttingen. Potom sme umožnili miniprasiatkam prístup k roztoku sacharózy počas jednej hodiny počas 12 po sebe nasledujúcich dní a znova sme uskutočňovali zobrazovanie 24 hodín po finálnom prístupe k sacharóze. V menšej vzorke piatich miniprasiat sme vykonali ďalšiu skúšku [¹¹C] relácia karfentanilu PET po prvej expozícii sacharózy. Vypočítali sme väzbové potenciály voxel (BP_ND) použitie mozgu ako oblasti nevypovedateľnej väzby, analyzovanie rozdielov so štatistickým neparametrickým mapovaním a vykonanie regionálnej analýzy. Po 12 dňoch prístupu k sacharóze, BP_ND z oboch indikátorov významne poklesol v striate, nucleus accumbens, thalamus, amygdala, cingulate cortex a prefrontal cortex, čo je v súlade so znížením hustoty receptorov. Po jednorazovej expozícii sacharóze sme zistili zníženú väzbu [¹¹C] karfentanil v jadre accumbens a cingulate cortex, v súlade s uvoľňovaním opioidov. Nižšia dostupnosť opioidných a dopamínových receptorov môže vysvetľovať návykový potenciál spojený s príjmom sacharózy.

Päť percent svetovej populácie je klinicky obéznych¹, Ako charakteristický znak metabolického syndrómu je obezita spojená s cukrovkou 2. typu, kardiovaskulárnymi chorobami, respiračnými problémami a rizikom depresie a možno demencie.², Zvýšená spotreba energeticky hustých potravín prehĺbila fyziologické rozlíšenie medzi homeostatickým hladom, ktorý nasleduje po nedostatku potravy, a hedonickým hladom alebo „túžbou“, ku ktorej dochádza v prípade absencie nedostatku.^3,4, Keďže samotná homeostatická regulácia nemôže zodpovedať za súčasný nárast obezity, je potrebné vyskúšať účinok odmeňovania a potešenia z návykových vlastností vysoko chutného jedla na mozgové mechanizmy.

Spotreba sacharózy je spojená s obezitou a sacharóza sa čoraz viac považuje za návykovú látku⁵, Niektoré nálezy sú v rozpore s týmto tvrdením z dôvodu ťažkostí pri oddeľovaní neochutnateľnej spotreby potravín od hedonických potravinových reakcií a pri určovaní návykovej zložky v spracovaných potravinách, ako aj z rôznych mechanizmov, ktorými potravina mení prirodzené dráhy mozgu.⁶, Napriek tomu v určitých kontextoch príjem sacharózy vyvoláva odmenu a túžbu porovnateľnú s tými, ktoré vyvolávajú návykové látky, čo vedie k nadmernej spotrebe a prípadnej obezite.^6,7.

Hlad je spojený s „túžbou“, ktorá úzko súvisí s účinkami dopaminergnej neurotransmisie za mnohých okolností odmeňovania.⁸, ale nie je jasné, ako sa moduluje účinok dopamínu (DA) v reakcii na kompulzívne stravovanie. Spotreba chutných potravín je spojená s „obľubou“ sprostredkovanou predovšetkým endogénnym opioidným systémom, najmä μ-opioidným receptorom (μOR).^9,10, ktoré môžu pri nadmernej spotrebe podporovať nadmernú spotrebu. V tejto správe testujeme tvrdenie, že sacharóza vedie k uvoľňovaniu opioidov a dopamínu, čo znižuje dostupnosť receptorov μOR a DA D2 / 3. Dostupnosť je index počtu neobsadených receptorov dostupných na naviazanie indikátorov a v zásade nerozlišuje medzi obsadením ligandu a hustotou receptorov¹¹.

Nástup kompulzívneho stravovania závisí od viacerých faktorov a kauzálne štúdie u ľudí vyvolávajú etické problémy. Väčšina štúdií sa preto zameriava na stravovacie správanie u potkanov¹², Aj keď potkany majú „sladký zub“, ich homeostatické mechanizmy dôležité pre prírastok na hmotnosti, metabolizmus a typ hromadenia tuku sa výrazne líšia od mechanizmov u ľudí. Mincovňa Göttingen je veľké všežravé zviera s dobre vyvinutým gyrencefálnym mozgom, ktoré je možné v dostatočnom rozlíšení zobraziť. Jeho dobre definované subkortikálne a prefrontálne kortikálne oblasti¹³ umožňujú priamejší preklad do funkcie ľudského mozgu. Na testovanie sa tu používa pozitrónová emisná tomografia (PET) in vivo dostupnosť μOR a DA D2 / 3 v minipraserovom modeli subchronickej expozície sacharóze. V menšej vzorke sme skúmali okamžité účinky na obsadenie μOR po prvom vystavení sacharóze. Nakoniec sme testovali vzťah medzi zmenami v dostupnosti receptorov týchto dvoch indikátorov.

Priemerné parametrické mapy [¹¹C] karfentanilu a [¹¹C] raclopridový väzobný potenciál (BP_ND) sú znázornené na obr. 1, Analyzovať zmeny, ktoré nastali po prvej expozícii sacharózy u piatich miniprasiat v porovnaní s východiskovou hodnotou a jeden deň po 12^th prístup k sacharóze v siedmich miniprasiach v porovnaní s východiskovou hodnotou, použili sme permutačnú teóriu a neregionálne obmedzenú analýzu celého mozgu, preferovanú metódu pre vzorky tejto veľkosti¹⁴.

Priemerný nevoliteľný väzbový potenciál voxel (BP_ND) mapy prekrývajúce sa na obrázkoch MRI v sagitálnom zobrazení. Údaje sú uvedené pre [¹¹C] karfentanil BP_ND z 5 miniprasiek zobrazených na začiatku, po počiatočnej expozícii sacharóze a po 12 dňoch expozície sacharózy (horný riadok). [¹¹C] karfentanil BP_ND všetkých 7 miniprasiat zobrazených na začiatku a po 12 dňoch prístupu k sacharóze je uvedené v strednom riadku. [¹¹C] racloprid BP_ND všetkých 7 miniprasiat zobrazených na začiatku a po 12 dňoch prístupu k sacharóze je zobrazené v dolnom riadku. Upozorňujeme, že farebná škála je exponenciálna na zvýraznenie [¹¹C] racloprid BP_ND v mimozemských regiónoch.

Obrázok v plnej veľkosti

Počiatočná expozícia sacharóze

V piatich miniprasách zobrazených pomocou [¹¹C] karfentanilu na začiatku a bezprostredne po prvej expozícii sacharózy sme zistili signifikantne zníženú väzbu indikátorov v kortexe predného cingulátu a jadra accumbens v reakcii na sacharózu, ako je znázornené farbou na obr. 2, čo naznačuje p <0.05. Zistili sme až 14% zníženie väzby značkovača v oboch oblastiach v porovnaní s východiskovou hodnotou.

Významné zníženie v [¹¹C] karfentanil BP_ND po prvej expozícii sacharózovej vody v porovnaní s východiskovou hodnotou (n = 5). Iba voxely s významným (p <0.05) poklesy sú zobrazené ako farebné oblasti premietané na rezolúcie MRI vážené T1 na úrovni prednej cingulárnej kôry (vľavo) a nucleus accumbens (v strede) zo stereotaxického atlasu miniprasiat. Upozorňujeme, že maximálna úroveň významnosti dosiahnuteľná u 5 zvierat je 2^-5 ≈ 0.031 (pozri farebný pruh). Údaje sú uvedené na koronálnych rezoch mozgu ošípaných na úrovniach uvedených na sagitálnom obrázku (vpravo).

Obrázok v plnej veľkosti

12 dní prístupu k sacharóze

Potom sme vykonali analýzu siedmich miniprasiek zobrazených pomocou [¹¹C] karfentanil na začiatku a po 12 dňoch prístupu k sacharóze a zistilo sa, že v porovnaní so vstupnou hladinou u zvierat vystavených sacharóze došlo k významnému zníženiu väzby na stopové látky. Najvýraznejšie postihnuté regióny sú na obr. 3 (p <0.01) a zahŕňajú časti čuchových štruktúr, nucleus accumbens / ventral striatum a temporálnu kôru / lalok, po ktorých nasledujú oblasti zobrazené žltou farbou (p <0.015), ktoré zahŕňali časti prefrontálnej kôry, cingulárnu kôru, amygdalu a mozgový kmeň . Za účelom získania BP_ND hodnoty a vyhodnotiť percentuálnu zmenu, vykonali sme regionálnu analýzu a získali priemerné hodnoty v každom regióne na začiatku a po konzumácii sacharózy (obr. 4).

Významné zníženie v [¹¹C] potenciál viazania karfentanilu (BP_ND) medzi východiskovou hodnotou a po 12 dňoch expozície sacharózovej vody (n = 7). Voxely s významným (p <0.05) poklesy sú zobrazené ako farebné oblasti premietnuté na T1 vážené MRI strihy zo stereotaxického atlasu miniprasiat. Údaje sú prezentované na rezoch koronálneho mozgu v úrovniach uvedených na sagitálnom obrázku (vpravo dole). Upozorňujeme, že maximálna úroveň významnosti dosiahnuteľná u 7 zvierat je 2^-7 ≈ 0.0078 (pozri farebný pruh).

Obrázok v plnej veľkosti

Regionálna analýza [¹¹C] potenciál viazania karfentanilu (BP_ND) medzi východiskovou hodnotou a po 12 dňoch expozície sacharózovej vody (n = 7). Údaje sú uvedené ako stredná hodnota ± štandardná chyba.

Obrázok v plnej veľkosti

Použili sme [¹¹C] racloprid ako indikátor DA D2 / 3 receptorov v striatálnych a extrastriatálnych mozgových oblastiach v miniprasiach na začiatku a po 12 dňoch prístupu k sacharóze (obr. 1). Zistili sme zníženú väzbu značkovača u zvierat exponovaných sacharóze v porovnaní s východiskovou hodnotou s najväčšími účinkami (p <0.01) v oblastiach prefrontálnej kôry, nucleus accumbens / ventral striatum, cingulate cortex, amygdala, talamus, mesencephalon, hipokampálne oblasti a čuchové oblasti (Obr. 5). Dáta z regionálnej analýzy sú uvedené na obr. 6.

Významné zníženie v [¹¹C] raclopridový väzobný potenciál (BP_ND) medzi východiskovou hodnotou a po 12 dňoch expozície sacharózovej vody (n = 7). Voxely s významným (p <0.05) poklesy sú zobrazené ako farebné oblasti premietnuté na T1 vážené MRI strihy zo stereotaxického atlasu miniprasiat. Údaje sú prezentované na koronálnych rezoch mozgu ošípaných v úrovniach uvedených na sagitálnom obrázku (vpravo dole). Upozorňujeme, že maximálna úroveň významnosti dosiahnuteľná u 7 zvierat je 2^-7 ≈ 0.0078 (pozri farebný pruh).

Obrázok v plnej veľkosti

Regionálna analýza [¹¹C] raclopridový väzobný potenciál (BP_ND) medzi východiskovou hodnotou a po 12 dňoch expozície sacharózovej vody (n = 7). Údaje sú uvedené ako stredná hodnota ± štandardná chyba.

Obrázok v plnej veľkosti

Korelácie medzi [¹¹C] racloprid a [¹¹C] údaje karfentanilu

Testovali sme potenciálnu koreláciu medzi [¹¹C] racloprid a [¹¹C] hodnoty karfentanilu BP_ND v striatálnych a netriatálnych oblastiach miniprasiat na začiatku a po 12 dňoch príjmu sacharózy, bez pozorovania asociácií. Potom sme testovali, či pokles väzieb indikátorov koreloval, a porovnali sme zmeny BP_ND pre [¹¹C] racloprid so zmenami BP_ND pre [¹¹C] karfentanil iba v miniprasiatkach, ktoré mali nižší BP_ND oboch indikátorov po príjme sacharózy (n = 6). Zistili sme významné negatívne korelácie v spriemerovanom mimstriatálnom (r² = 0.91, p <0.01), ale nie v striatálnych oblastiach (obr. 7).

Korelácie medzi pred a po odmietnutí [¹¹C] racloprid a [¹¹Potenciál viazania karfentanilu (BP_ND) u miniprasiat so zníženou väzbou indikátorov po príjme sacharózy (n = 6). Uvádzajú sa údaje z spriemerovaných mimstriatálnych oblastí (hore) a striatum (dole). Koeficient určenia (r²) a hodnoty p sú zobrazené pre každý graf.

Obrázok v plnej veľkosti

Stanovili sme účinky opakovaného prerušovaného prístupu k sacharóze na opiátovú a DA neurotransmisiu v mozgu cicavcov. pozdĺžny in vivo PET zobrazovanie receptorov μOR a DA D2 / 3 odhalilo zníženú dostupnosť receptora v celom obvode odmeňovania vrátane jadra accumbens, prefrontálnej kôry a prednej cingulátnej kôry. Výsledky jasne ukazujú, že sacharóza ovplyvňuje mechanizmy odmeňovania podobným spôsobom ako zneužívanie drog.

Je známe, že príjem sacharózy ako chutnej látky uvoľňuje DA a vyvoláva závislosť u hlodavcov¹⁵, pričom sa ukázalo, že sacharóza je v niektorých kontextoch ešte príjemnejšia ako kokaín u hlodavcov. Hlodavce teda pracujú intenzívnejšie na získavaní sacharózy ako kokaín, a to aj bez nedostatku potravy⁵, Účinky sacharózy sú však regulované tak homeostatickým systémom, ako aj hedonickými systémami odmeňovania^16,17 ktoré môžu sprostredkovať rozdiel medzi výživovými a hedonickými aspektmi pôsobenia sacharózy¹⁸, Rozhodli sme sa pre rozvrhnutie jednej hodiny denne, aby sme podporili „binging“, pretože predchádzajúce štúdie na potkanoch odhalili vyšší príjem počas prvej hodiny denného prístupu v prerušovanom režime.^15,19, Behaviorálne štúdie príjmu potravy sa často zameriavajú na zvieratá s obmedzeným prístupom k potravinám, ale návrh nemusí nevyhnutne odrážať tie isté nervové mechanizmy, ktoré sú aktívne pri obezite. Ošípané v tejto štúdii neboli obmedzené na stravu a okrem prístupu k sacharóze boli kŕmené obvyklým množstvom ich normálnej stravy.

Opioidné receptory (OR) sú široko exprimované v mozgu, konkrétne v štruktúrach, o ktorých je známe, že modulujú procesy stravovania a odmeňovania²⁰, Ukázalo sa, že najvzdialenejšie regióny sú dôležité pri odmeňovaní a recidíve účinkov kokaínu^21,22,23,24, Zmeny vo väzbe boli tiež spojené s homeostatickými odpoveďami na stravovanie a radosťou spojenou s chutným jedlom²⁵, Najmä „obľuba“ potravín je spojená s endogénnym opioidným systémom, najmä s μOR^9,10 v škrupine nucleus accumbens a ventrálnom pallidum²⁶, Infúzie agonistu μOR do rôznych častí nucleus accumbens a ventrálneho pallidum silne zvyšujú „sympatické“ správanie, vrátane výčnelkov jazyka a olizovania labky, po zvýšení chutného príjmu potravy^27,28,29, Ďalší dôkaz opioidnej signalizácie pri spracovaní hedonickej regulácie pochádza od μOR antagonistov, ktoré znižujú spotrebu chutnej potravy v oboch podľa chuti- zvieratá s kŕmením a kŕmením, ale s obmedzenejším účinkom na príjem nechutných štandardných peliet^30,31, U ľudí antagonisty μOR znižujú krátkodobý príjem potravy a znižujú príjemnosť chutných potravín^32,33,34, Signalizácia opioidov v bazolaterálnom amygdale tiež prispieva k „nedostatku“ potravy prostredníctvom modulácie odmeňovania a stimulačnej hodnoty potravín³⁵.

S [¹¹C] karfentanil, získali sme obrázky väzby indikátorov, ktoré sú citlivé na hladiny μOR a na uvoľňovanie endogénnych opioidov do mozgu.^36,37, Zistili sme okamžitú stratu dostupnosti μOR v oblastiach jadra accumbens a prednej cingulate cortex, špecifických oblastiach mozgu odmeňovacej dráhy, po počiatočnej konzumácii sacharózy piatimi miniprasami, čo je v súlade s endogénnym uvoľňovaním opioidov. Predchádzajúce štúdie ukázali, že chutné jedlo môže viesť k pocitom potešenia³⁸ stimuláciou uvoľňovania opioidov. Po 12 dňoch prístupu k sacharóze sme pozorovali pokles [¹¹C] väzba karfentanilu, ktorá má niekoľko možných vysvetlení³⁹ vrátane endogénneho uvoľňovania opioidov a väzby na μOR, internalizácie μOR v dôsledku zvýšenej väzby opioidov a zvýšenej aktivácie DA D2 / 3 receptora, čo vedie k heterológnej desenzibilizácii μOR⁴⁰.

Na podporu týchto zistení [¹¹C] Štúdie karfentanilu u pacientov s bulímiou⁴¹, obezita^42,43,44a porucha príjmu potravy⁴⁵, ukazujú zníženú dostupnosť receptora. Sú to však chronické stavy, zatiaľ čo miniprasiatka dostávala sacharózu iba 12 dní. V štúdii o akútnom správaní potravy u zdravých mužov viedlo kŕmenie k rozsiahlemu a rozšírenému endogénnemu uvoľňovaniu opioidov v mozgu, a to v prítomnosti aj v neprítomnosti hedónie, čo naznačuje, že uvoľňovanie opioidov odráža metabolické a homeostatické, ako aj hedonické reakcie.²⁵, Táto štúdia, spolu s ďalšou, ktorá zobrazovala pacientov po tekutom jedle s čokoládovou príchuťou⁴⁴, je priamo relevantný pre akútnu štúdiu piatich miniprasiat po prvej expozícii sacharóze, líši sa však od subchronickej štúdie vystavenia sacharóze počas 12 dní, keď znížená dostupnosť receptora pravdepodobnejšie odráža opakovanú nadmernú stimuláciu a súbežnú reguláciu μOR.

Prefrontálny kortex je dôležitý pri rozhodovaní a priraďovaní hodnoty jednotlivým položkám, a preto μOR v prefrontálnom kortexe môže zodpovedať za pozmenené hodnotenie potravinovej významnosti, čo môže zvýšiť návykový potenciál potravín. Zistili sme zníženú väzbu v prefrontálnej kôre, v súlade s predchádzajúcimi štúdiami, ktoré ukazujú, že strava s vysokým obsahom tukov znižuje hladiny μOR mRNA v prefrontálnej kôre.⁴⁶ a že infúzia agonistu μOR v prefrontálnej kôre zvyšuje príjem sladkého jedla⁴⁷, Znovu však vyvstáva otázka, či strava s vysokým obsahom tukov je chronickejším stavom, ktorý s väčšou pravdepodobnosťou sprostredkuje reguláciu znižovania receptorov v porovnaní s krátkodobým dizajnom kŕmenia sacharózou, čo naznačuje trvalé uvoľňovanie endogénnych opioidov, ktoré vytesňujú stopový karfentanil naviazaný na μOR. , dokonca aj po 12 dňoch sacharózy.

DA sa zapája do odmien za drogy aj správanie. Zistilo sa, že chronické užívanie kokaínu inhibuje DA signalizáciu⁴⁸, Hladiny DA D1 a D2 / 3 receptora sa v mozgu ošípaných menia nikotínom⁴⁹a u primátov (okrem človeka) s anamnézou zneužívania kokaínu⁵⁰, v súlade s downreguláciou D2 / 3 receptorov v mozgu závislých na kokaíne^51,52, Pokiaľ ide o zneužívané lieky, ukázalo sa, že sacharóza upreguluje DA D1 receptory¹⁹ a zvýšiť uvoľňovanie DA⁵³, posilnenie úlohy DA v „túžbe“ vo vzťahu k chutnému jedlu. Predchádzajúce štúdie PET preukázali pokles dostupnosti striatálneho receptora DA D2 / 3 v morbidnej obezite v porovnaní s priemernou hmotnosťou^54,55, podobne ako v prípade pacientov závislých od drog⁵⁶a u zvierat s modelmi obezity⁵⁷, V štúdiách na hlodavcoch podporuje knockdown receptora D2 / 3 v striate vývoj nutkavého hľadania potravy u potkanov s prístupom k chutnému krmivu.⁵⁷.

Naše pozorovania zníženej dostupnosti D2 / 3 receptora ošípaných môžu naznačovať zvýšené hladiny DA v reakcii na stimulačný význam spojený s príjmom sacharózy, pretože DA sa uvoľňuje ako súčasť potreby zneužívania drog a iných príjemných aktivít.^52,58,59,60, Keďže ošípané boli anestetizované počas zobrazovania a nedostali sacharózu do 24 hodín, znížený D2 / 3 BP_ND pravdepodobnejšie odráža zníženie počtu receptorov v reakcii na predĺžené zvýšenie uvoľňovania DA v každom z 12 dní prístupu k sacharóze. Redukcia môže zvýšiť prahy odmeny v mozgu spojené s down-reguláciou striatálnych DA D2 receptorov. To môže vysvetľovať zvýšenú náchylnosť na zneužívanie drog, ktorá sa zaznamenala v predchádzajúcich štúdiách na potkanoch konzumujúcich sacharózu, ktoré viedli k skríženej senzibilizácii na kokaín, hyperaktivite po nízkej dávke amfetamínu, zvýšenému príjmu alkoholu pri abstinencii od sacharózy a tolerancii k analgetickým účinkom opiátov.⁶.

Predchádzajúca štúdia obezity v mincovníku Göttingen odhalila znížený prietok krvi mozgom v nucleus accumbens, ventrálnej oblasti tegmentálu (VTA) a prefrontálnej kôre, s počítačovou tomografiou s jednoduchou fotónovou emisiou (SPECT) v mozgu⁶¹, V súlade s týmito zisteniami sme pozorovali zníženú väzbu DA D2 / 3 v ventroforebrainovej oblasti obsahujúcej jadro accumbens a v prefrontálnej kôre. Extracelulárne hladiny DA sa v jadre accumbens zvýšia trikrát po prijatí sacharózy u voľne sa pohybujúcich potkanov podrobujúcich sa mikrodialýze.⁶², U zvierat závislých od sacharózy môže opakovaný príjem sacharózy viesť k uvoľňovaniu DA z obalu jadra accumbens⁶³, Zvieratá kŕmené obmedzenou stravou s obmedzeným prístupom k sacharóze mali nižšiu väzbu k DA D2 receptoru v jadre accumbens a v dorzálnom striate⁶⁴, Obmedzené diéty s vysokým obsahom tuku a sacharózy môžu viesť k trvalej regulácii mRNA receptorov D1 a D2 v nucleus accumbens⁶⁵, Mikrodialyzačná štúdia účinkov chutného jedla odhalila zvýšené uvoľňovanie DA v jadre accumbens a prefrontálnej kôre, keď sa jedlo stále považovalo za nové; akonáhle boli potkany zvyknuté na nové jedlo, zvýšené uvoľňovanie bolo otupené v nucleus accumbens, ale nie v prefrontálnej kôre⁶⁶, Rozdielna citlivosť na návyk a kondicionovanie aktivity v dvoch oblastiach môže vysvetliť väčšie zvýšenie pozorované v prefrontálnej kôre ako v jadrových accumbens minipras vystavených rovnakej chutnej látke, ktorá stratila novosť po dvanástich dňoch. Keďže sme však nezobrazili miniprasiatka s [¹¹C] racloprid po prvom podaní sacharózy, toto vysvetlenie je špekulatívne.

Prefrontálna kôra moduluje výkonné funkcie, rozhodovanie a sebakontrolu⁶⁷, Dysfunkčná DA neurotransmisia v prefrontálnej kôre zhoršuje moduláciu spracovania odmien, čo u obéznych jedincov naznačuje zhoršenú výkonnú funkciu a rozhodovacie schopnosti.^68,69, Okrem toho štúdia humánneho PET korelovala znížený metabolizmus frontálnej kôry so zníženou väzbou striatálnej D2 pri obezite⁷⁰, Tu nachádzame zníženú dostupnosť D2 / 3 receptora v prefrontálnej kôre, vrátane orbitofrontálnej kôry ošípaných vystavených režimu sacharózy.

Dopaminergné neuróny VTA vysielajú projekcie do hippocampu a amygdaly, kde podporujú zvyčajné správanie⁷¹ a sprostredkujú kódovanie a získavanie kondicionovania na liečivo^72,73 a narážky na jedlo^74,75, Zobrazovanie ľudského mozgu ukázalo, že hipokampálna aktivácia je reakciou na chuť a chuť potravín⁷⁶, V súlade s našimi zisteniami o zníženej dostupnosti hipokampálneho a amygdalarového D2 / 3 receptora v reakcii na sacharózu, mapovanie ľudského mozgu pomocou [¹⁸F] fallyprid vykazoval uvoľňovanie DA vyvolané kokaínom v amygdale a hippocampe⁷⁷, V mozgu hlodavcov vyvolala expozícia kokaínu DA uvoľnenie DA v amygdale⁷⁸a zmeny hladín DA amygdaly ovplyvnili správanie vyhľadávané kokaínom⁷⁹.

V štúdii obéznych jedincov bola prerušená súvislosť medzi dostupnosťou D2 / 3 a μOR, o ktorej je známe, že existuje v striatálnych oblastiach chudých jedincov, vo ventrálnom striatu.⁸⁰, Porovnali sme hodnoty BP_ND dvoch indikátorov na testovanie, či údaje reprodukujú tento účinok. Na rozdiel od chudých ľudí, súčasné mozgy ošípaných nemali koreláciu medzi hodnotami BP_ND dvoch indikátorov, na začiatku alebo po expozícii sacharóze. Potom sme testovali, či by zvieratá s najväčším poklesom naviazania stopového raclopridu mali tiež najväčšie zníženie naviazania stopovacieho karfentanilu, ale namiesto toho sme našli negatívnu koreláciu v spriemerovaných mimstriatálnych oblastiach, čo naznačuje, že zvieratá s najväčšou zmenou väzbového potenciálu stopový racloprid mal najmenšiu zmenu väzbového potenciálu stopového karfentanilu. Inverzný vzťah medzi zmenami naznačuje, že účinky príjmu sacharózy na dostupnosť príslušných receptorov sú regulované v opačných smeroch. Je známe, že nadmerná konzumácia chutných potravín alebo drog môže byť poháňaná túžbou alebo páčením alebo oboma^60,81, Je možné, že rozsah túžby poháňaný dopamínom neguje rozsah túžby poháňaný opioidmi alebo naopak. Posledné dôkazy poukazujú na úlohy GABA_A receptory vo VTA a cholinergné terminály v striatu a pravdepodobne v kôre, ktoré pôsobia ako prepínače medzi mechanizmami opioidového účinku závislých od dopamínu a dopamínu^82,83 čo môže vysvetľovať vzájomnosť vzájomného pôsobenia dopamínu a opioidov v mimovládnych oblastiach ošípaných.

Nedostatkom PET, tiež u pomerne veľkých zvierat, je obmedzené priestorové rozlíšenie tomografie, ktoré ovplyvňuje výsledky z malých mozgových oblastí zapojených do správania spojeného s potravinami. Napriek týmto obavám [¹¹Väzba C] raclopridu bola predtým zaznamenaná v striatálnych aj extrastriatálnych oblastiach^84,85,86,87, Použitie [¹¹C] racloprid na označenie rovnakého typu receptorov nespôsobuje žiadne obavy z potenciálnych rozdielov afinity, ktoré môžu ovplyvniť použitie samostatných indikátorov pre rovnaké receptory v rôznych oblastiach. Posledné štúdie obsahovali záznamy o mimstriatálnej väzbe [¹¹C] Raclopride. Alakurtti et al, našla dobrú reprodukovateľnosť mier striatálnej raclopridovej väzby v striatu, s iba dobrou až strednou reprodukovateľnosťou v kortexe⁸⁵, V neskoršej štúdii Svensson et al, prediskutovalo niekoľko otázok ovplyvňujúcich použitie [¹¹C] racloprid ako marker extrastriatálnych receptorov D2 / 3 v štúdii so zdravými ľuďmi vrátane zlej reprodukovateľnosti v kôre a obmedzeného poklesu extrastriatálnej väzby v čelnej kôre v reakcii na látku blokujúcu D2 / 3⁸⁸, Porovnania testov a opakovaných testov odhalili variabilitu 4–7% v striate a 13–59% v kortikálnych regiónoch, ale čas medzi vyšetreniami bol v priemere 20 dní, na rozdiel od informatívnejších 1–2 dní väčšiny štúdií. Mnohé faktory v živote týchto jedincov mohli mať čas na ovplyvnenie zistení. Skutočne tu ukazujeme, že iba pridanie spotreby sacharózy k rannej rutine počas 12 dní mohlo ovplyvniť väzbové opatrenia získané o dva týždne neskôr. Iné faktory, ktoré sú bežné, napríklad hranie videohier, nakupovanie, vstup do nových romantických vzťahov a sexuálna aktivita, užívanie drog alebo zmena stravovania a cvičenia, môžu ovplyvniť mimotelové hladiny dopamínu s potenciálom veľkej rozmanitosti súborov údajov. Súčasná štúdia s miniprasami zaviedla dobre regulované usporiadanie, pričom jedinou premennou je neprítomnosť alebo prítomnosť sacharózy v potrave. V tejto súvislosti mali údaje od siedmich zvierat dostatočne nízku variabilitu v relevantných mimastranálnych oblastiach na identifikáciu štatisticky významného zníženia väzby v reakcii na sacharózu.

Obmedzením súčasnej štúdie je použitie anestetík potrebných na zabezpečenie imobility počas liečby in vivo zobrazovanie zvierat. Účinky špecifických anestetík a ich interakcie s drogami alebo inými zásahmi môžu zmariť väzbu rádioligandov^89,90, Ketamín je antimagamatergické liečivo s rýchlymi antidepresívnymi účinkami v sub anestetických dávkach^91,92,93, ktoré neznižujú striatal [¹¹C] viazanie raclopridu u ľudí⁹⁴, Zistilo sa však, že S-ketamín znižuje väzbovú dostupnosť dopamínových D2 / 3 receptorov v striatu pri vedomí nehumánnych primátov.⁹⁵, Isofluran je bežným anestetikom zvieracieho PET. V predchádzajúcich štúdiách sme zistili striatálnu akumuláciu [¹¹C] SCH23390, rádioligand dopamínových D1 receptorov, ktorý má byť významne vyšší v miniprasách anestetizovaných skôr izofluranom ako propofolom, čo naznačuje náchylnosť dopaminergnej neurotransmisie na účinky anestézie⁹⁶, V súčasnej štúdii sa všetky miniprasce zobrazili v oboch časových bodoch pod predliečením ketamínmi a anestéziou izofluranom, čo robí súčasné porovnania platnými.

Nadmerná konzumácia chutných potravín môže spôsobiť a môže sa stať aj závislosťou s priamymi následkami na zdravie obezitou. Testovali sme tvrdenie, že opioidy a dopamín sprostredkujú odmeny, dôležité pre prežitie aj pre zneužívanie drog. Miniprasiatka s prerušovaným prístupom k roztoku sacharózy 12 po sebe nasledujúcich dní preukázali zníženú dostupnosť dopamínových D2 / 3 a μ-opioidných receptorov v striatálnych a extrastriatálnych mozgových oblastiach, z čoho vyplýva, že potraviny s vysokým obsahom sacharózy ovplyvňujú obvody odmeňovania mozgu podobným spôsobom, aký sa pozoruje pri návykových látkach. sú konzumované. Počiatočná jednorazová expozícia sacharóze bola konzistentná s uvoľňovaním opioidov v mozgových oblastiach aktívnych za odplatu. Zmeny dostupnosti opioidov a dopamínu vysvetľujú nadmerný návykový potenciál sacharózy.

Etika zvierat

Túto štúdiu schválila a regulovala dánska inšpekcia pokusov na zvieratách a všetky pokusy sa uskutočnili v súlade so smernicou Európskeho parlamentu a Rady 2010/63 / EÚ o ochrane zvierat používaných na vedecké účely a usmerneniami ARRIVE. Použili sme sedem štrnásťmesačných samíc goltigénskych kociek (Ellegaard, Dalmose, Dánsko). Miniprasiatka boli kŕmené stravou vo forme peliet (6 dl, dvakrát denne, Special Diets Services, Aarhus, Dánsko) s dostupnou vodou z vodovodu. podľa chuti, Teplota okolia bola 20–22 ° C, relatívna vlhkosť 50–55% a vzduch sa menil osemkrát každú hodinu.

Prerušovaná spotreba sacharózy

Zobrazili sme sedem miniprasiek pomocou [¹¹C] racloprid a [¹¹C] karfentanil na začiatku a znovu jeden deň po 12 po sebe idúcich dňoch vystavenia sacharózovej vode. Expozícia sacharóze pozostávala z jednej hodiny prístupu vody k sacharóze (sacharóza, Dansukker, Kodaň, Dánsko) (500 gramov sacharózy v 2 litroch vody), denne počas 12 dní. Zaznamenalo sa množstvo príjmu sacharózy a všetky miniprasce spotrebovali každý deň 2 litre. Tiež sme zobrazili päť rovnakých miniprasičiek pomocou [¹¹C] karfentanil 30 minút po prvom prístupe k sacharóze, aby sa študovalo akútne uvoľňovanie opioidov.

Miniprasiatka získali priemerne 13.6% telesnej hmotnosti z 25.4 kg (± 0.73 SEM) na začiatku liečby na 28.9 kg (± 0.69 SEM) po 12-dennej expozícii sacharóze, ktorá bola významne vyššia (jednostranný t-test, p < 0.001) ako nárasty pozorované na vzorke kontrolných miniprasiat získaných v predchádzajúcich štúdiách, kde sa hmotnosti v rovnakom vývojovom období zvýšili v priemere iba o 4.9%.

Zobrazovanie PET mozgu

Ošípané sme postili cez noc s voľným prístupom k vode pred zobrazením. Ako sme už uviedli, vopred sme medikovali a anestetizovali miniprasiatka⁹⁷ a položili ich na ľahu do zariadenia PET / CT (Siemens Biograph 64 Truepoint PET). Pred každou akvizíciou PET sme vykonali CT sken s nízkou dávkou na anatomickú definíciu a korekciu útlmu údajov o emisiách PET. Intravenózne sme podali [¹¹C] racloprid na začiatku (360 ± 18 MBq, špecifická aktivita 77 ± 76 GBq / μmol, injikovaná hmotnosť 0.12 ± 0.08 μg / kg) a po 12 dňoch sacharózy (374 ± 54 MBq, špecifická aktivita 127 ± 85 GBq / μmol, vstreknutá hmotnosť 0.06 ± 0.05 μg / kg) a [¹¹C] karfentanil na začiatku štúdie (377 ± 43 MBq, špecifická aktivita 311 ± 195 GBq / μmol, injikovaná hmotnosť 0.03 ± 0.02 μg / kg) a po 12 dňoch sacharózy (337 ± 71 MBq, špecifická aktivita 177 ± 157 GBq / μmol, injektovaná hmota 0.06 ± 0.08 μg / kg) do ušnej žily v 10 ml fyziologického roztoku, počas prvej minúty 90-minútového skenovania. Rekonštruovali sme PET dáta pomocou TrueX 3D OSEM (3 iterácie, 21 podmnožín), matice 256 × 256 × 109 a 2 mm Gaussovho filtra pomocou štruktúry časových rámcov 5 × 60, 3 × 300, 4 × 600 , 2 × 900 sekúnd (celkom 14 snímok, 90 minút). Na začiatku a po 12 dňoch sacharózy sa miniprasce zobrazili obidvoma značkovačmi injektovanými najmenej 100 minút od seba kvôli polčasu [¹¹C] PET indikátory. Po dokončení poslednej relácie PET sme eutanázovali miniprasy v hlbokej anestézii intravenóznym predávkovaním pentobarbitalom (100 mg / kg).

Kvantitatívne analýzy a štatistika

Kroky predbežného spracovania sme vykonali pomocou PMOD 3.7 (PMOD Technologies Ltd, Zürich, Švajčiarsko). Na definovanie stereotaktických transformačných parametrov z časovo spriemerovaných PET obrazov sme použili templáty špecifické pre ligand. Generované transformačné matice a deformujúce polia sme použili na zodpovedajúce dynamické časové rady PET. Vygenerovali sme parametrické obrázky [¹¹C] raclopridový väzobný potenciál (BP_ND) pomocou metódy viacnásobného referenčného tkaniva podľa Ichise a spolupracovníkov⁹⁸, Vytvorili sme masku na mieru vyrobenú z mozgu, ktorá vylučovala vermis na získanie rádioaktivity mozgového tkaniva v čase v oblasti zanedbateľnej hustoty receptora DA D2 / 3. Vygenerovali sme parametrické obrázky [¹¹C] karfentanil pomocou implementácie referenčného modelu tkaniva Logan^99,100 s t * = 30 min. Štúdie [¹¹Väzba C] karfentanilu v ľudskom mozgu používa ako referenčnú oblasť okcipitálnu kôru³⁶; u ošípaných však podľa kriviek časovej aktivity bola nevypovedateľná väzba v mozočku nižšia ako v týlnej kôre, čo je v súlade so zisteniami z autoradiografickej štúdie na potkanoch.¹⁰¹, Preto sme v tejto štúdii vybrali mozoček ako referenčný región.

Štatistická analýza

Mapy sme podrobili voxelovej analýze so štatistickým neparametrickým mapovaním (SnPM v13.01, http://warwick.ac.uk/snpm) SPM toolbox, ktorý využíva neparametrickú permutačnú teóriu na poskytnutie rámca pre štatistickú inferenciu, prístup sa ukázal ako vhodný pre malé vzorky kvôli prísnej kontrole falošných pozitív¹⁴ a aplikuje sa, ako už bolo opísané¹⁰², Odborník na neuroanatómiu ošípaných (DO) porovnal výsledné obrázky s prahovou hodnotou 5% významnosti s atlasom Göttingen minipig s vysokým rozlíšením^103,104 na definovanie a označenie oblastí so zníženým DA D2 / 3 a μOR BP_ND od základného stavu po stav po sacharóze. Potom sme vykonali analýzu záujmového regiónu (ROI), aby sme extrahovali BP_ND hodnoty špecifických regiónov, o ktorých sa zistilo, že sú zaujímavé na základe analýzy SnPM, vrátane striata, nucleus accumbens, talamu, amygdaly, cingulate kôry a prefrontálnej kôry. Pokiaľ ide o analýzu návratnosti investícií, nevykonali sa žiadne ďalšie štatistické údaje, pretože sa zistilo, že tieto regióny sú už pomocou SnPM významné.

Štúdiu financovala Aarhus University „Granty na rozvoj projektov AU nápadov“ pre AML. Sme vďační za technickú podporu pracovníkov Centra PEThuského nemocnice v Aarhusu a Farma v Aarhus University za pomoc s liečením zvierat. Ďakujeme profesorovi Mortenovi Kringelbachovi, profesorovi Jørgenovi Scheel-Krugerovi a docentovi Arne Møllerovi za pomoc pri začatí týchto štúdií.

Medzinárodná spolupráca

1. Katedra nukleárnej medicíny a PET centra, Aarhus University, Aarhus, Denmark
   • Michael Winterdahl
   • , Ove Noer
   • , Anna C. Schacht
   • , Steen Jakobsen
   • , Aage KO Alstrup
   • , Albert Gjedde
   •  & Anne M. Landau
2. Klinika neurochirurgie a CENSE, Fakultná nemocnica v Aarhusu, Aarhus, Dánsko
   • Dariusz Orlowski
3. Katedra nukleárnej medicíny, Univerzita južného Dánska a Univerzitná nemocnica Odense, Odense, Dánsko
   • Albert Gjedde
4. Katedra neurovedy, Kodanská univerzita, Kodaň, Dánsko
   • Albert Gjedde
5. Oddelenie neurológie a neurochirurgie, McGill University, Montreal, Kanada
   • Albert Gjedde
6. Prekladateľská jednotka neuropsychiatrie, Aarhus University, Aarhus, Denmark
   • Anne M. Landauovej

Príspevky

Štúdiu a analýzu navrhli MW a AML; ACS a SJ syntetizovali PET indikátory; MW, AKOA a AML sa zaoberali miniprasami a vykonali PET skenovanie; MW, ON a AML vykonali analýzu údajov; DO poskytol anatomickú expertízu, údaje interpretovali MW, AG a AML; MW a AML napísali rukopis s podporou AG; konečnú verziu rukopisu schválili všetci autori.

zodpovedajúci Autor

Korešpondencia Anne M. Landauovej.

Konkurenčné záujmy

Autori neuvádzajú žiadne konkurenčné záujmy.

Poznámka vydavateľa Spoločnosť Springer Nature zostáva neutrálna, pokiaľ ide o jurisdikčné tvrdenia v publikovaných mapách a inštitucionálnych vzťahoch.

Reprinty a povolenia