Obesogen diet kan på olika sätt ändra dopaminkontrollen av sackaros och fruktosintag hos råttor (2011)

1. Inledning

Årtionden av forskning av Hoebel och hans praktikanter har gett viktig information om rollen av hjärnans dopaminerga system i regleringen av utfodring, vilket har utvecklat konceptet "matbelöning" [1-4]. Anmärkningsvärt nog, Hoebels tidiga experiment etablerade mellanhjärnans dopamin som en nyckelfaktor vid kronisk överätning och resulterande fetma [5-8], långt innan direkta bevis gjordes tillgängliga från bildbehandlingsstudier [9, 10].

Uppfattningen att mat utövar kontroll över att äta, och i sin tur att varaktig eller intermittent tillgång till mycket välsmakande måltider (dvs. de som innehåller mycket socker och fett) kan orsaka bestående förändringar inom utfodringsregleringssystem har länge varit central i Hoebels teorier om utvecklingen av beteenden av bingetyp. Tidigt i sin karriär tillämpade han också delar av detta resonemang på fetma. I en recension från 1977 påpekade Hoebel att det kan finnas "olika typer av fetma som kräver olika behandlingar" [11]. Sedan dess har en uppsjö av forskning om fetma verkligen identifierat olika genetiska, metabola och miljöfaktorer som kan förklara variationen i utveckling, konsekvenser och behandling av fetma.12-15]. Vår förståelse av de specifika bidragen från makronäringsämnen till förändrade livsmedelsbelöningsfunktioner är dock långt ifrån fullständig. Denna artikel sammanfattar data från en studie som inspirerats av Barts forskning och som syftar till att minska denna lucka i vår kunskap.

Inom den mångfacetterade etiologin bakom fetma är kosten fortfarande en nyckelfaktor i utvecklingen av fetma. Obesogena dieter är dieter med högt kalorivärde, ofta välsmakande livsmedel som leder till fetma efter långvarig exponering [16]. Makronäringsämnessammansättningen av fetma dieter kan dock skilja sig åt och denna variation kan påverka nervsystem som förändras i fetma, såsom dopamin. Faktum är att upprätthållande av en obesogen diet har visat sig minska dopaminnivåerna i acumbens, samt förändra reaktiviteten hos det mesokortikolimbiska systemet så att en mer välsmakande diet krävs för att uppnå liknande matinducerade ökningar av extracellulärt dopamin som ses i chow -matade kontroller [17]. En potentiell mekanism är en adaptiv nedreglering på grund av ökad och kronisk stimulering av välsmakande livsmedel [18]. Faktum är att studier från vårt laboratorium har visat att även orosensorisk stimulering med antingen sackaros eller fett är tillräcklig för att stimulera frisättning av dopamin i nucleus accumbens [19, 20]. Av särskild relevans tycks fett och sockerarter påverka belöningssystem på olika sätt, eftersom det härleds från sockerarters större förmåga att producera beroendeframkallande beteenden [21]. Andra nya undersökningar har visat olika effekter på det neuroendokrina systemet och senare känslighet för viktökning baserat på förhållandet mellan fett och kolhydrater i fetma dieter [22, 23]. Dessutom har ökad uppmärksamhet ägnats potentiella särdrag i de regulatoriska svaren på en majssirapsdiet med hög fruktoshalt och de påstådda konsekvenserna av den uppenbara lätthet med vilken det kan orsaka fetma och störningar i livsmedelsregleringen. Specifikt har nyligen genomförda studier av Avena och Hoebel visat att råttor med tillgång till majssirap med hög fruktoshalt (HFCS) i 12 timmar varje dag i 8 veckor fick betydligt mer kroppsvikt än djur som fått lika tillgång till 10 % sackaros, trots att de konsumerade samma antal totala kalorier, men färre kalorier från HFCS än sackaros [24]. Den ökande förekomsten av fetma och potentialen för upptäckten av nya behandlingar kräver att man undersöker hur intaget av vanliga högenergi- och välsmakande livsmedel, såsom sackaros och fruktos, kontrolleras under förhållanden med fetma i kosten.

Därför undersökte den aktuella studien dopaminreglering av sackaros- och fruktosintag hos råttor som blev överviktiga som ett resultat av utökat underhåll på två standarddieter med hög energi som ofta används för att producera fetma i kosten hos råttor, och varierande i fett- och kolhydratinnehåll. Specifikt utvärderade vi involveringen av de två huvudklasserna av dopaminreceptorer med användning av perifer (interperitoneal; ip) administrering av dopamin D1-receptor (D1R)-antagonisten SCH23390 eller dopamin D2-receptor (D2R)-antagonisten racloprid i magra råttor och råttor med fetma i kosten i ett kort (2 timmar) en-flaska intagstest av sackaros eller fruktos. Dessa vanliga kolhydrater är vanliga i människors kostvanor, konsumeras lätt av råttor och har positiva förstärkande egenskaper [25-28]. Sackarosintag har tidigare visat sig stimulera frisättning av dopamin i nucleus accumbens [3, 19, 29] och perifer administrering av båda SCH23390 och racloprid minskar sackaros skenmatning [30]. Även om det finns ett ökat intresse från vetenskapssamfundet, såväl som de offentliga medierna, har liknande effekter av dopaminantagonister på fruktosintag endast undersökts i samband med förvärv och uttryck av betingade preferenser, och dessa studier var också begränsade till magra råttor [31-33]. Trots de potentiella implikationerna har effekterna av dopaminreceptorantagonister på kolhydratintaget i olika fetmamodeller och i frånvaro av homeostatisk drift (dvs efter perioder med matrestriktioner) inte undersökts. Därför hölls råttor i den aktuella studien mätta för att undvika förvirrande effekter från hunger och energibrist.

2. metoder

2.3 Dopaminantagonister, testlösningar och testförfarande

Dopamin D1R-antagonisten SCH23390 (HFHE: n=6; FCHE: n=5; Chow: n=4) och dopamin D2-receptorantagonisten racloprid (HFHE: n=5; FCHE: n=6; Chow: n=4) användes. SCH23390 och racloprid (Tocris Biosciences, Ellisville, MO) löstes i steril koksaltlösning och administrerades intraperitonealt 10 minuter före 2 timmars tillgång till 0.3 M sackaros eller 0.4 M fruktos. Dessa koncentrationer valdes eftersom de är mycket välsmakande för råttor och har därför använts ofta i tidigare studier [3, 19, 32, 34]. Sackaros och fruktos (Fisher-Scientific, Fair Lawn, NJ) löstes i filtrerat kranvatten inte mer än 24 timmar före testning.

Djuren tränades att dricka testlösningar under dagliga sessioner där 2-timmars tillgång (med början kl 1000) till sackaros eller fruktos gavs under 8 dagar före testning för att uppnå stabila baslinjeintag, dvs. förtrogenhet med de orosensoriska och postingestiva effekterna. Träning och testning ägde rum i djurens hemkolonirum, med 100 ml plastflaskor tillfälligt fästa på framsidan av hemburen så att piparna sträckte sig in i buren. Administrering av vehikel (saltlösning) eller dopaminantagonister började efter 24 veckors underhåll på dieterna, vid vilken tidpunkt båda obesogena dietgrupperna (HFHE och FCHE) hade signifikant högre kroppsvikter än chowkontroller (Figur 1). Minst 48 timmar gavs mellan injektionsdagarna för att läkemedel skulle kunna metaboliseras fullständigt. Inga förändringar av kroppsvikt eller 24 timmars födointag inträffade efter behandling med dopaminantagonisterna.

 

Figur 1

Kroppsvikt under perioden före och under hela den farmakologiska testperioden (grå stapel)

2.4 Statistisk analys

Kroppsvikt och ¹H-NMR-data analyserades med användning av en envägs oberoende variansanalys (ANOVA) med diet som den oberoende variabeln.

Intaget mättes som ml förbrukat och presenteras som medelvärde ± SEM. Baslinjeintaget (efter vehikel, dvs saltlösningsinjektion) testades för skillnader mellan dietgrupperna i en trevägs ANOVA med diet, läkemedel och kolhydrater som oberoende variabler. Det fanns inga signifikanta effekter av kosten (F_(2,48)= 0.3533, p=0.704), drog (F_(1,48)= 0.1482, p=0.701), och det fanns inte heller signifikanta interaktionseffekter (diet × läkemedel: F_(2,48)= 0.4144,p=0.66; kost × kolhydrater: F_(2,48)= 0.2759, p=0.76; läkemedel × kolhydrat: F_(1,48)= 0.0062, p=0.73; kost × läkemedel × kolhydrat: F_(2,48)= 0.3108, p=0.73). Men en betydande effekt av kolhydrater (F_(1,48)= 8.8974, p<0.01) observerades (Tabell 1). Därför omvandlades intaget för alla efterföljande analyser till en procentuell minskning från baslinjen (intag efter dos × [ml]/intag efter 0 μg/kg [ml]) och analyserades med användning av variansanalys med upprepade mått (ANOVA) med Diet (HFHE, FCHE, eller Chow) och Drug (racloprid eller SCH23390) som oberoende variabler och dos (0, 50, 200, 400 eller 600 nmol/kg SCH23390 eller racloprid) som den upprepade åtgärden. Den hämmande dosen (ID₅₀) som krävs för att minska intaget till 50 % av baslinjen (0 nmol/kg) beräknades som tidigare beskrivits [35]. Skillnader i ID₅₀ jämfördes som en funktion av kost och drog med tvåvägs ANOVA. Alla analyser utfördes med Statistica (v6.0, StatSoft® Inc., Tulsa, OK) och signifikanta fynd analyserades ytterligare med Fischers minst signifikanta skillnad (LSD) post-hoc-tester. Skillnader ansågs statistiskt signifikanta om p<0.05.

 

Tabell 1

Intag av sackaros och fruktos i 2-h tester. Absoluta intagsvärden (i ml) av sackaros- och fruktosintag av dietgrupper efter vehikelinjektioner (0 nmol/kg). Inga skillnader observerades i baslinjeintaget mellan diet- eller läkemedelsgrupper. Baslinje sackaros .

3. Resultat

3.2 Effekter av dopamin D1R och D2R-antagonism på sackarosintag

Sackarosintaget minskade med SCH23390 i alla grupper (Figur 2a). Rakloprid minskade sackarosintaget hos HFHE-råttor, men var mycket mindre effektivt hos Chow- och FCHE-råttor (Figur 2b). De upprepade åtgärderna ANOVA visade en övergripande effekt av Drug (F_(1,24)= 8.8446, p<0.01), Dos (F_(4,96)= 27.1269, p<0.001), och en dos efter läkemedelsinteraktion (F_(4,96)= 2.9799, p<0.05). Medan den totala effekten av kosten inte var signifikant (F_(1,24)= 2.5787, p=0.09), post hoc-jämförelser visade signifikanta skillnader i raclopridbehandling mellan HFHE- och Chow-grupper (p<0.05) och mellan HFHE- och FCHE-grupper (p

 

Figur 2

Förändringar i sackarosintag efter dopaminreceptorantagonister

En post hoc-analys visade det SCH23390 var betydligt effektivare för att minska sackarosintaget totalt jämfört med racloprid (p SCH23390 undertryckt sackarosintag hos HFHE-råttor vid alla testade doser och undertryckt intag hos FCHE- och Chow-råttor vid 200 nmol och högre doser (Figur 2a). Sackarosintaget undertrycktes hos HFHE-råttor med alla doser av racloprid, men endast den högsta dosen reducerade sackarosintaget signifikant hos FCHE-råttor, medan ingen av doserna undertryckte sackarosintaget hos Chow-råttor (Figur 2b).

Analys av ID₅₀ (Tabell 2) visade ingen effekt av diet (F_(2,24)= 0.576, p=0.57) eller Drug (F_(1,24)= 2.988, p=0.09), trots uppenbara skillnader i ID₅₀ för racloprid. Denna brist på effekt kan bero på den stora variationen inom grupperna.

 

Tabell 2

Effektiviteten av dopaminreceptorantagonister uttryckt enligt ID50. ID50 representerar den dos vid vilken intaget skulle reduceras till 50 % av baslinjen (vehikel). Inga skillnader observerades mellan grupperna för .

3.3 Effekter av dopamin D1R och D2R antagonism på fruktosintag

SCH23390 minskat fruktosintag i alla grupper (Figur 3a). Rakloprid, å andra sidan, minskade bara intaget signifikant i FCHE-gruppen (Figur 3b). De upprepade åtgärderna ANOVA avslöjade en övergripande effekt av Drug (F_(1,24)= 5.7400, p<0.05), Dos (F_(4,96)= 33.9351, p<0.001) och en signifikant dos genom läkemedelsinteraktion (F_(4,96)= 3.0296, p<0.05) men ingen effekt av kosten (F_(2,24)= 1.5205, p=0.24). Återigen visade post hoc-analyser dock en signifikant skillnad i raclopridbehandling mellan HFHE- och FCHE-grupper (p

 

Figur 3

Förändringar i fruktosintag efter administrering av dopaminreceptorantagonister

En post hoc-analys visade det SCH23390 var överlag mer effektivt för att undertrycka fruktosintag än racloprid (p<0.05), och gjorde det på ett dosberoende sätt (Figur 3). SCH23390 minskat intag i alla dietgrupper vid 400 och 600 nmol och minskat fruktosintag så tidigt som dosen på 200 nmol hos HFHE-råttor (Figur 3a). Rakloprideffekter på fruktosintag var dock begränsade till FCHE-råttor med post hoc-analys som avslöjade signifikanta minskningar av fruktoskonsumtion hos FCHE-råttor vid 200 nmol och högre doser, med ingen av raclopriddoserna som undertryckte fruktosintaget hos HFHE- eller Chow-råttor (Figur 3b).

ANOVA på ID₅₀ (Tabell 2) avslöjade en effekt av drog (F_(1,24)= 4.548, p<0.05) men inte diet (F_(2,24)= 1.495, p= 0.25). SCH23390 krävde lägre doser totalt än racloprid för att minska intaget till hälften av baslinjen (p<0.05). I linje med analysen av faktiska doser, post hoc analys av ID₅₀ visar också en signifikant ökad känslighet i båda överviktiga grupperna jämfört med Chow-råttor (p

4. Diskussion

Den aktuella studien jämförde känslighet för dopaminreceptorblockad för att minska intaget av två välsmakande kolhydratlösningar, sackaros eller fruktos, i två fetma djurmodeller. Vi använde två dieter för att efterlikna den kroniska konsumtionen av antingen en diet med övervägande fetthalt (HFHE), eller en fett-sockerkombinationsdiet (FCHE), som ses i den västerländska kosten [25]. Som förväntat gav båda dieterna en betydande viktökning och fettförsämring med början vid 12 veckor, med en fortsatt ökning av kroppsvikten under hela experimentet (Figur 1). Grupperna jämfördes sedan med åldersmatchade chow-matade kontroller i deras relativa känslighet för D1- och D2-receptorsubtypspecifik blockad med SCH23390 eller racloprid, respektive. Vi fann att blockering av D1-receptorerna minskade både sackaros- och fruktosintaget i alla dietgrupper. Oavsett om råttor konsumerade sackaros- eller fruktoslösningar, svarade HFHE-råttor på något lägre doser av SCH23390 jämfört med deras motsvarigheter med fetma FCHE eller mager Chow (Figur 2a, , 3a) .3a). Denna uppenbara ökning av känslighet för dopamin Dl-receptorantagonism av HFHE-råttor observerades också efter D1-receptorblockad under sackarostestet. Faktum är att HFHE-råttor svarade på alla raclopriddoser med minskningar av sackarosintag, medan FCHE-råttor bara svarade på den högsta dosen, och Chow-råttor visade ingen signifikant suppression av sackaroskonsumtion efter raclopridbehandlingar (Figur 3b). Intressant dock minskade HFHE-råttor inte fruktosintaget efter behandling med racloprid. Istället undertryckte racloprid signifikant fruktosintaget endast hos FCHE-råttor. En ökad känslighet för dopaminreceptorantagonisterna tyder på minskad dopaminsignalering, dvs på grund av färre receptorer, minskad konkurrens från endogen DA vid receptorställena, eller en kombination av båda. Det finns faktiskt bevis för att båda mekanismerna kan vara tillämpliga på vår modell. Till exempel kan exponering för dieter med hög fetthalt redan före födseln resultera i minskade D2Rs [36]. Dessutom har att äta mat med hög fetthalt visat sig minska naturlig eller elektriskt framkallad dopaminfrisättning och dämpa dopaminomsättningen [37-39]. Medan den underliggande mekanismen kräver ytterligare undersökningar, stöder våra data tillsammans med dessa och andra tidigare observationer uppfattningen att att äta vissa livsmedel – potentiellt oberoende av fetma – kan resultera i förändringar i dopaminsystemet som påminner om neuroplasticitet till missbruk av droger [40]. Faktum är att ny forskning tyder på att dieter med hög fetthalt ökar sensibiliseringen för läkemedel som verkar på dopaminsystemen [41, 42].

Tidigare undersökningar på magra råttor har visat differentiell effektivitet av D1- och D2-receptorblockad för att minska kolhydratintaget genom att använda koncentrationer som överensstämmer med de som används i denna studie [31-33, 43]. Dessa effekter tros delvis förmedlas av områden i hjärnan som är involverade i matbelöning, och D2-receptorer i dessa områden kan vara särskilt mottagliga för förändringar orsakade av fetma [31, 33, 44-46]. Den aktuella studien utökade resultaten av dopaminreceptormodulering av kolhydratintag hos magra råttor och kompletterar de studier som visar bestående plasticitet i belöningssystemet vid fetma. Medan komplexiteten hos systemen och faktorer som kan påverka sådant samspel (akut kontroll av intaget av ett kroniskt förändrat system) uppenbarligen ökar individuella varianser och därmed minskade interaktionseffekter i de övergripande ANOVA:erna, gjorde de direkta (post hoc) jämförelserna av dos-responseffekter avslöjar differentiell känslighet för isomolära doser av receptorantagonist mellan dietgrupperna. Förändringar som specifikt påverkar D2R:erna verkade vara beroende av innehållet av kolhydrater som också fanns i dieterna med hög fetthalt, vilket tyder på att makronäringsinnehållet i kosten kan förändra belöningssystemet på ett differentiellt sätt.

De olika effekterna av känslighet för racloprid i sackarostestet kan bero på närvaron av sackaros i kosten. Även om båda obesogena dieterna innehöll en del sackaros, innehöll FCHE-dieten 23 % mer sackaros än HFHE-dieten. Sålunda kan avsaknaden av ett svar på racloprid i sackarosutmaningen av FCHE-råttor, men inte HFHE-råttor, ha berott på den ökade exponeringen för sackaros i HFHE-dieten. Emellertid innehöll ingen av fetma dieter fruktos, men ändå observerades skillnader i svaren från de obesogena dietgrupperna på racloprid även i fruktostestet. Vidare fanns ingen sackaros närvarande i Chow-dieten, men svaren från Chow-gruppen på racloprid i sackarostestet var mer besläktade med svaren från FCHE än HFHE-råttor. Detta indikerar att andra faktorer kan ligga bakom de olika svaren på raclopridbehandling som en funktion av kost och testkolhydrat.

Alternativa förklaringar kan inkludera differentiella neurala och hormonella postingestiva effekter som utövas av fruktos och sackaros. Medan de exakta mekanismerna förblir oklara finns det allt fler bevis som stöder denna uppfattning [47, 48]. I detta sammanhang kan möjligheten att de två dieterna ändrade sackaros- och fruktospreferenser olika som ett resultat av deras olika effekter på orala och gastrointestinala signaler uppströms till belöningssystemet inte uteslutas och kräver ytterligare undersökning.

Fetma och välsmakande livsmedel har oberoende av varandra antytts förändra dopaminsignalering [3, 45, 49, 50], och kan därför också förklara det differentiella svar som observerats i den här studien. Våra data stöder faktiskt tidigare fynd som visar att dopamin D2R-signalering minskar vid fetma [45, 50]. Det nya resultatet av den föreliggande studien var dock att karaktären av detta förhållande kan vara beroende av makronäringsinnehållet i den obesogena dieten snarare än fetma eller dess associerade komplikationer. Ett ytterligare stort fynd var skillnaderna i effektiviteten av D2R-antagonister mellan testkolhydrater. Vi noterade en trend i våra data att fruktosintag verkade vara mer snävt kontrollerat av D2R än sackarosintag, vilket ledde till att man frågade hur intaget av olika kolhydrater kan regleras differentiellt, och om belöning framkallad av olika kolhydrater kan rekrytera olika mekanismer. Tidigare data har indikerat att sackaros- och fruktosintag ger olika fysiologiska svar. Sackaros har visat sig ge betingade effekter baserat på både dess smak och egenskaper efter förtäring [28, 51, 52] medan fruktos verkar utöva beteendemässigt relevant stimulans uteslutande genom sin smak och inte genom att förstärka effekter efter förtäring [27, 53]. Därför kan belöningskretsarnas lyhördhet för fruktos förbli intakt även när återkoppling framkallad av sackaros äventyras på grund av funktionsnedsättningar sekundärt till fetma (t.ex. minskad insulin/leptinkänslighet). Motsatsen kan också vara sant: ett motreglerande svar för att bromsa sackarosintaget kan misslyckas med att kontrollera fruktosintaget. Framtida studier på människor behövs för att undersöka om preferenser för livsmedel som är rika på fruktos faktiskt skulle öka med fetma, eller om relativa sackaros- och fruktospreferenser är olika hos överviktiga patienter som också är diabetiker.

Medan effekterna av sackaros på dopamin har undersökts omfattande [3, 19, 43, 50], mindre är känt om interaktionen mellan fruktos och dopaminbelöningssystemet, även om tidiga rapporter från Hoebel-labbet indikerar att fruktos kan producera sina egna unika fysiologiska svar [24]. Den aktuella studien lägger till ytterligare information till detta komplexa pussel som tyder på att dieter med olika makronäringsämnen kan förändra dopaminkontrollen av fruktosintaget på ett olika sätt. Ytterligare undersökningar krävs för att till fullo förstå de underliggande mekanismerna genom vilka fett och socker i kosten kan påverka tarm-hjärnans signalering och framkalla förändringar i hjärnan.

5. Slutsatser

Denna studie visar att fetma (högenergi-) dieter som varierar i fett- och kolhydratinnehåll, snarare än fetma i sig, kan differentiellt öka känsligheten för D1- och D2-receptorantagonister för att minska kolhydratintaget. Detta fynd är förenligt med den allmänna uppfattningen att dopaminsignalering vid dietfetma är trubbig, och antyder ett nytt förhållande mellan dieter och centrala dopamineffekter. Ett ytterligare stort fynd var att dieterna differentiellt förändrade styrkan hos dopaminreceptorantagonister för att undertrycka sackaros- och fruktosintag. Jämfört med normal (låg fett) eller hög fetthalt, hög kolhydratdiet, resulterade fetma som produceras av en kost med mycket fett men låg socker i ökad känslighet för både D1- och D2-receptorantagonism för att minska sackarosintaget, men D2-receptorkontroll av fruktosintaget var bevarad. Däremot visade råttor som matades med en energirik diet med en kombination av högt fett och kolhydrater förbättrad D2-receptorreglering av fruktosintag. Således verkar det som om kosthistoria kan förändra utvecklingen av dopaminunderskott som tidigare tillskrivits fetma i allmänhet. Föreliggande data tyder också på att dessa särdrag hos dopaminplasticitet kan påverka hur vissa kolhydrater, såsom fruktos och sackaros, utövar sina givande effekter. Sådana skillnader kan förklara en del av variationen i framgångsfrekvensen för olika behandlingar och terapier mot fetma. Ytterligare studier krävs för att testa tillämpbarheten av dessa fynd på människor och undersöka underliggande mekanismer.

Erkännanden

fotnoter

Referensprojekt