Csökkent centrális leptinérzékenység patkányokban, akik étrend okozta elhízással rendelkeznek

1 Neurológiai Szolgálat (127C), Veteránügyi Főosztály Orvosi Központ, East Orange 07018; és Idegtudományi Tanszék, New Jersey Medical School, Newark, New Jersey 07103

Absztrakt

Alacsony zsírtartalmú chow-étrenden az étrend által kiváltott elhízásra (DIO) hajlamos patkányok megnövelték az arcíves mag neuropeptid Y (NPY) expresszióját, de hasonló leptinszintek voltak az étrend-rezisztens (DR) patkányokhoz képest (19). Itt a testtömeg és a leptinszint emelkedett a DIO patkányokban, és megvédték nagyobb testtömegüket, miután csupán 1 hét után 31% zsírtartalmú, magas energiájú (HE) étrendet követtek el. A DIO NPY expresszió azonban csak 4 hét múlva esett le a DR szintre, amikor a plazma leptin a DR szint 168% -át tette ki. Chow-ra váltáskor a DIO patkányok elvesztették a tetemzsírt (18). 10 hét múlva a leptin szintje 148% -ra esett, és az NPY expresszió ismét a DR szint 150% -ára emelkedett. 4 hét étkezési korlátozás alatt a DIO leptin ~ 50% -kal csökkent, míg az NPY 30% -kal nőtt. Míg mindkettő 8 hét múlva visszatért a kontroll szintre, a DIO patkányok ad libitum táplálásával még mindig visszanyerték az összes lefogyott súlyt. Végül az intracerebroventrikuláris leptin (10 μg) anorexiás hatása fordítottan korrelált a későbbi 3 hetes súlygyarapodással a HE diétán. Így az NPY expressziója és a táplálékfelvétel kevésbé érzékeny a leptin szuppresszív hatásaira DIO patkányokban. Bár ez hajlamosíthatja őket a DIO kialakulására, ez nem magyarázza meg teljes mértékben a magasabb testsúly elleni védekezésüket a HE diétán.

a neuropeptid y (NPY) neuronok a hipotalamusz íves magjában (ARC) kritikus szerepet játszanak a test energiaháztartásának szabályozásában (3, 11, 30). Az ezekből az idegsejtekből felszabaduló NPY-nek erős anabolikus hatása van. Növeli a bevitelt (3), csökkenti a termogén kapacitást (3, 32) és csökkenti az étkezési zsír oxidációját (25). Ezek az idegsejtek leptin receptorokat tartalmaznak (2), és az NPY mRNS expressziójuk fordítottan összefügg a plazma leptin szintjével és/vagy a leptin szignalizációjával különféle körülmények között. Rövid időtartamú éhomi étrendkorlátozás legfeljebb 2 hétig csökkenti a plazma leptinszintjét és növeli az ARC NPY expresszióját (18, 19). Ezt a növekedést meg lehet fordítani központi leptin injekciókkal (28).

Állatok és étrend.

Minden kísérlethez 300–425 g hím Sprague-Dawley patkányokat (Charles River Labs, Kingston, NY) használtunk. Az állatok felhasználása összhangban volt az East Orange Veterans Affairs Medical Center (East Orange, New Jersey) állatgondozási bizottságával. Az állatokat Purina patkány chow-val (5001 sz.) Ad libitum-mal etettük az elválasztástól, és 12: 12-órás világos-sötét ütemterv szerint helyeztük el, 1800-nál kialudt a fény. A kísérlettől függően patkányokat chow-val vagy HE-diétával etettek. A purina patkány-chow 3,30 kcal/g, 23,4% fehérjét, 4,5% zsírt és 72,1% szénhidrátot tartalmaz, amely elsősorban komplex poliszacharid formájában van (23). A HE diéta 8% kukoricaolajból, 44% édesített sűrített tejből és 48% Purina patkány chow-ból áll (Research Diets no C11024F, New Brunswick, NJ). 4,47 kcal/g-t tartalmaz, a metabolizálható energiatartalom 21% -a fehérje, 31% zsír és 48% szénhidrát, ennek 50% -a szacharóz (23). A kísérletek többségében a patkányokat hetente lemértük, és kéthetente mérték a táplálékfelvételt. Minden vizsgálat végén a patkányokat lefejeztük, és törzsvért vettünk a plazma glükóz-, inzulin- és leptinszintjére. Az epididymális, retroperitoneális, perirenalis és mesenterialis zsírpárnákat eltávolítottuk és lemértük.

1. kísérlet: a védett testtömeg megállapítása.

1. ábra.18 patkányból álló csoportot magas energiájú (HE) táplálékkal etettek 1 hétig; a 6 legnagyobb súlygyarapodót étrend-indukált elhízás (DIO) patkánynak, a 6 legkevesebbet pedig étrend-rezisztens (DR) patkánynak nevezték ki. Ezeket a patkányokat ezután további 3 hétig chow-ra cseréltük.

2. ábra.A 24 patkányból álló csoportot HE héten át tápláltuk. a 12 legnagyobb súlygyarapodót DIO patkánynak, a 6 legkevesebbet pedig DR patkánynak nevezték ki. Az összes patkányt chow-ra cseréltük. A DIO patkányok felét a 2. héten a kalóriabevitel 50% -ára korlátozták HE diétán (Restrict), és testtömegük 3 napon belül a DR patkányok szintjére esett. A korlátozott patkányokat ezután ad libitum (Ad Lib) táplálékkal láttuk el, és az összes patkányt összesen 3 héten át folytattuk chow-val a halál előtt.

3. ábra.A 24 patkányból álló csoportot 4 hétig HE étrenddel etették, és a 12 legnagyobb súlygyarapodót DIO patkánynak, a 6 legalacsonyabbat pedig DR patkánynak nevezték. Abban az időben az összes patkányt chow-ra váltották, és a DIO-patkányok felét a kalóriabevitel 50% -ára korlátozták a 4. héten HE-étrenden. A korlátozott patkányok testsúlya 1 héten belül DR-szintre csökkent. Ezután ad libitum etették őket, és az összes patkányt a halál előtt összesen 3 héten át folytatták chow-val.

2. kísérlet: Az ARC NPY mRNS és a plazma leptin kapcsolata.

3. kísérlet: kapcsolat a leptin által kiváltott anorexia és a DIO kialakulása között.

ARC NPY mRNS in situ hibridizáció.

A plazma leptin- és inzulinszintje.

A plazma leptin- és inzulin-koncentrációit radioimmun-vizsgálatokkal (Linco, St. Charles, MO) határoztuk meg autentikus patkány inzulin és leptin antitestek alkalmazásával.

Vegyszerek és reagensek.

Eltérő rendelkezés hiányában az összes vegyszert és reagenst a Sigma-tól (St. Louis, MO) vásárolták.

Statisztika.

A csoportok közötti összehasonlításokat egyirányú ANOVA-val végezték a testtömeg-növekedés, a plazma leptin és az ARC NPY mRNS expressziója szempontjából. A leptin infúziós vizsgálatokban az intracerebroventrikuláris leptin által előidézett bevitel gátlását Pearson korrelációs együtthatójának vizsgálatával hasonlítottuk össze annak az állatnak a testtömeg-növekedésével, amelyet HE étrenden 3 hét múlva követtek el. Emellett a DR és DIO patkányokat retrospektíven azonosítottuk 3 hét múlva mért súlygyarapodással HE diétán (23). Ezután kiszámítottuk a leptin százalékos gátlását az aCSF-vel szemben az egyes állatoknál 4 és 24 órával. Ezeket az eredményeket az ANOVA összehasonlította ismételt mérésekhez. Miután szignifikáns csoportközi különbséget találtak, az aCSF és a leptin közötti tényleges bevitelt ugyanazon patkányokon egyirányú ANOVA-val hasonlították össze 4 és 24 órával. Amikor jelentős különbségeket találtak (P≤ 0,05), post hoc Scheffé többszörös összehasonlító tesztjeit végeztük.

I. kísérlet: a védett testtömeg megállapítása.

Ebben a kísérletben a patkányokat étrendi manipulációk sorozatának vetették alá, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy a DIO patkányok mikor vállalják és tartják meg nagyobb testtömegüket a HE étrendnek való kitettség után. Csak 1 hét HE-étrend után (1. ábra; 1. táblázat) a hat legmagasabb súlygyarapodó (DIO patkány) testsúlya nem különbözött szignifikánsan a hat legalacsonyabb súlygyarapodó (DR patkány) súlyától. A testtömeg-növekedés figyelembevételével azonban a DIO patkányok lényegesen nagyobb súlyt (63 ± 6 g) híztak, mint a DR patkányok [36 ± 5 g; F(1,10) = 4,62;P = 0,025] 1 hét után HE-étrenden. Ezután 3 hétig alacsony zsírtartalmú chow étrendre váltottak. 3 héttel utána a testsúlyuk összehasonlítható volt, de a teljes zsírpárna súlyuk 51% -kal, a plazma inzulinszintjük 102% -kal, a leptin szintjük pedig 96% -kal magasabb volt, mint a DR patkányok chow-ra váltása. Ezen a ponton az ARC NPY mRNS területe in situ hibridizációval összehasonlítható volt DIO (0,525 ± 0,079 mm2) és DR patkányokban (0,462 ± 0,070 mm2). Így 1 hét expozíció HE-étrendnek elegendő volt a nagyobb testtömeg-növekedés megállapításához és a patkányok megemelkedett hasított zsírtartalmú, plazma leptin- és inzulinszintek pályájára állításához. Fontos, hogy a DR kontrollok 196% -ánál a leptin szint mellett a DIO ARC NPY mRNS expressziója normalizálódott DR szintre.

1. táblázat: A végtest és az összes zsírpárna súlya, a plazma inzulin és a leptin szint azoknál a patkányoknál, akik 1 hét múlva HE táplálékkal táplálkoztak, majd 3 héten át chow-ra váltottak

Az értékek átlag ± SE. Összesen 18 patkányt helyeztünk magas energiájú (HE) táplálékra 1 hétig. A 6 legmagasabb és 6 legalacsonyabb súlygyarapodót étrend-indukált elhízásnak (DIO) és étrend-rezisztens (DR) patkánynak nevezték ki. Ezt a 12 patkányt ezután 3 héten át chow-ra cseréltük, és végső testtömegüket (BWf) és epididymal (Epi), retroperitoneális (RP), perirenal (PR) és mesenterialis (Mes) zsírpárnák súlyát a törzs vérével együtt értékeltük. az inzulin és a leptin szintje.

* P ≤ 0,05 egy adott paraméternél a DIO-ban, összehasonlítva DR patkányokkalt-teszt. Phen, fenotípus.

2 hét HE-étrend után (2. ábra) a 12 legnagyobb súlygyarapodással járó DIO patkány 12% -kal volt nehezebb (448 ± 7 g), mint a 6 legkevesebbet hízó DR patkány (402 ± 3 g; P = 0,01). Amikor mind a DIO, mind a DR patkányokat chow-ra cserélték, és hat DIO patkány részhalmazát a kiindulási érték 50% -ára korlátozták HE diéta során, testtömegük 3 napon belül a DR patkányok szintjére esett. Ha ismét ad libitum bevételt engedélyeztek, ezek a patkányok 1 héten belül visszanyerték a korlátozás nélküli DIO patkányok testtömegét. 4 hét HE-étrend után a legmagasabb 12 súlygyarapodó DIO patkány 10% -kal nehezebb volt (572 ± 11 g), mint a 6 legkevesebbet hízó DR patkány (520 ± 14 g; P = 0,01) (3. ábra). Ez 67% -kal nagyobb testtömeg-növekedést jelentett a DIO és a DR patkányok részéről ezen 4 hét alatt. Amikor az összes patkányt 4 hét múlva HE-étrend után chow-ra cserélték, és hat DIO-patkányt az étrend-alapú kalóriabevitelük 50% -ára korlátozták, a korlátozott patkányok testsúlya 1 héten belül a DR patkányok testtömegére esett. Csakúgy, mint 2 hét múlva HE-étrenden vizsgált patkányoknál, a 4 hetes csoportba tartozók is visszanyerték a korlátozás nélküli DIO patkányok testtömegét további 1 hetes ad libitum hozzáféréssel a chow-hoz.

2. kísérlet: Az ARC NPY mRNS és a plazma leptin kapcsolata.

Az itt közölt eredeti adatok az 1, 2 és 4 hétig HE táplálékkal etetett patkányokra vonatkoznak (minden adat), valamint az ARC NPY mRNS expressziójára 12 hét múlva HE táplálékkal etetett patkányok agyában, majd további 10 hétig chow-ra váltottak ( 2. táblázat; 4. ábra) (20), valamint az abból a vizsgálatból származó DIO patkányok esetében, amelyek súlya megegyezett a 8 hetes DR patkányok testsúlyával (3. táblázat) (20). A 2. és 3. táblázat, valamint a 4. ábra összefoglalja a testtömeget, a plazma leptint és az inzulint, valamint az ARC NPY további adatpontjait a korábban publikált vizsgálatokból (18-20, 24). Amikor elválasztásból származó csirkét etették, a DIO-ra hajlamos patkányok ugyanolyan súlyúak voltak, és ugyanolyan zsírpárna-tömegük és leptinszintjük volt, mint a DR-hajlamos patkányoknak. Ennek ellenére ARC NPY szintjük 38% -kal magasabb volt, mint a DR-re hajlamos patkányoké (19). 1 hét HE-diéta után a DIO 3% -kal nehezebb lett. Noha négy zsírraktár össztömege nem különbözött, ezeknek a DIO patkányoknak a plazma leptinszintje 37% -kal magasabb volt, mint a DR patkányoknál (2. táblázat; 4. ábra). Ennek ellenére ARC NPY expressziójuk még mindig 34% -kal magasabb, mint a DR szint. Két hét múlva a HE-n a DIO patkányok 6% -kal nehezebbek, 69% -kal nehezebb zsírpárnák és 37% -kal magasabb leptinszintek voltak. Ezek a változások megint nem voltak elegendők az ARC NPY expresszió csökkentéséhez, amely 34% -kal magasabb maradt, mint a DR patkányok.

2. táblázat: A test és a zsírpárna súlyának, a plazma leptinszintnek és az ARC NPY mRNS expressziójának összefoglalása

Az értékek átlag ± SE. 6–8 DIO és DR patkányból álló csoportokat HE, 1, 2, 4 vagy 12 héten keresztül tápláltak [test- és zsírpárna súlyok, plazma le ¯ ptin és ívmag (ARC): neuropeptid Y (NPY) adatok a A 0 és 2 hét munkacsoport a Ref. A 19. és 12., 14. és 16. hétcsoportok a Refs. 18. és 24.]. A 0 hetes chow-vel táplált patkányokat DR-re hajlamosnak és DIO-ra hajlamosnak definiálták alacsony, illetve magas vizeletbeli noradrenalin-szintjük alapján (19). A 22 hetes patkányokat 12 hetes növekedés alapján 12 DIO és 12 DR patkányra osztottuk HE étrenden. Ekkor az összes patkányt 10 hét múlva chow-ra cserélték (a test és a zsírpárna súlya és a plazma leptin szintje a 20. hivatkozásból származik).

* P ≤ 0,05, ha a DIO patkányokat összehasonlítottuk a DR patkányokkal t-teszt.

4. ábra.Az arcuate nucleus (ARC) neuropeptid Y (NPY) mRNS expressziója és a plazma egyidejű leptinszintje közötti kapcsolat összefoglalása DIO patkányokban a jelenlegi és az előző (18-20, 24) vizsgálatokból. Az adatok a DR patkányok összehasonlítható csoportjainak átlag ± ± százalékos aránya különböző időpontokban a HE étrend bevitele során 12 hétig, majd további 10 hétig chow. + P ≤ 0,05, ha a DIO ARC NPY expressziót összehasonlítottuk DR patkányokkal; * P ≤ 0,05, ha a DIO plazma leptinszintjét összehasonlítottuk DR patkányokkal.

3. táblázat: A plazma leptin és az ARC NPY mRNS expressziójának kapcsolata a táplálékbevitel korlátozása alatt DIO patkányokban

Az értékek átlag ± SE. Ezek az adatok 3 korábban publikált tanulmányból származnak. Az 5 patkányból álló csoportot 24 órás emelkedett vizelet-noradrenalin-szint alapján DIO-hajlamosaként határozták meg, majd 5 napig az alapszintű chow-bevitelük 50% -ára korlátozták (19). Egy további 6 patkányból álló csoport elhízott 12 hétig tartó HE étrend bevitelével. 2 héten át chow-ra váltottak, majd 2 hétig az alapszint bevitelük 50% -ára korlátozták őket (18, 24). Az utolsó 12 patkányból álló csoport elhízott HE étrenden 12 hétig. 2 hét után chow-ra váltottak, majd 8 hétig az alapszint bevitelük 50% -ára korlátozódtak (20).

F3-150 P ≤ 0,05, amikor a plazma leptin és az ARC NPY területeinek értékeit in situ hibridizációval hasonlítottuk össze ezekben az étrendben korlátozott DIO patkányokban a DR kontrollokkal, akiket chow ad libitum táplált. A 8 hetes korlátozott DIO patkányok NPY területének kivételével minden adatot korábban közzétettek (18-20, 24).

Az ARC NPY expressziója a DIO patkányokban magasabb maradt, mint a DR patkányokban, amíg a DIO patkányokat 4 hétig HE étrendnek nem tették ki (2. táblázat; 4. ábra). Abban az időben a DIO patkányok 10% -kal nehezebbek voltak, 110% -kal nehezebb zsírpárnákkal és 68% -kal magasabb leptinszinttel, mint a DR patkányok. Azonban 12 hetes HE-diéta után a DIO patkányok 16% -kal magasabb testtömeget tartottak, és 173% -kal nagyobb zsírraktár-súlyuk és 79% -kal magasabb leptin-szintjük volt (24). Ezen a ponton ARC NPY expressziójuk valójában 17% -kal volt alacsonyabb, mint a DR patkányoké (18). Végül, amikor az összehasonlítható patkányok 12 hetes HE-étrend után elhízottak, majd 10 héten át chow-ra váltottak, 15% -kal nagyobb testtömeget tartottak fenn, míg a zsírpárnájuk tömege 153% -ra, a leptinjük pedig a DR-szint 148% -ára esett vissza (20) A plazma leptinszint csökkenésével összefüggésben az ARC NPY expresszió 58% -kal magasabbra emelkedett, mint a hasonló DR patkányoké (2. táblázat; 4. ábra). Így a DR-szintek 150% -a alatti plazma leptin az ARC NPY mRNS expressziójának emelkedésével járt DIO patkányokban.

3. kísérlet: kapcsolat a leptin által kiváltott anorexia és a DIO kialakulása között.

10 μg leptin intraventrikuláris beadása kevésbé volt hatékony a 4 órás chow bevitel csökkentésében patkányokban, hajlamosak voltak DIO-t kialakítani HE-n. Így szignifikáns fordított összefüggés volt a leptin által kiváltott chow bevitel 4 órás gátlása és az ezt követő 3 hetes testtömeg-növekedés között HE diétán (5. ábra)B; r = 0,71;P = 0,014; 95% konfidencia intervallum: meredekség: −2,10 - −0,24; y-elfogás: 20,3 - 75,6). A 24 órás bevitel gátlása és az azt követő súlygyarapodás között nem volt ilyen összefüggés. Amikor a teljes protokollt kitöltő 11 patkányt visszamenőleg DR-re (n = 4; 20% -os súlygyarapodás) csoportok a 3 hét feletti súlygyarapodásuk szerint HE-étrenden, a DR-hajlamú patkányok szignifikánsan nagyobb leptin-indukálta bevitelgátlást mutattak mind 4, mind 24 órán belül, összehasonlítva az aCSF utáni bevitelük százalékában. azonos időintervallumok [F(1,9) = 5,74; P = 0,03]. Az abszolút bevitel összehasonlításakor csak a DR-fertőzésre hajlamos patkányok mutatták a 4 órás bevitel szignifikáns gátlását (35,5 ± 6,2%) az aCSF-hez képest (5. ábra)A). A leptinnek is nagyobb volt az abszolút gátló hatása a 24 órás DR bevitelre (43,2 ± 7,7%), mint a DIO patkányoknak (26,6 ± 7,8%; P = 0,1).

5. ábra.A Chow-vel táplált patkányokat 24 órán át éheztettük, majd az oldalsó kamrába vagy mesterséges cerebrospinalis folyadékot (aCSF), vagy 10 μg leptint injektáltunk. Élelmiszerbevitelüket az injekció beadása után 4 és 24 órával mértük. A patkányokat ezután 3 hétig HE-diétára helyeztük, és az adott időszakban elért súlygyarapodással elosztottuk DIO-ra (> 20% -os növekedés) vagy DR-re (

A leptin általában gátolja az ARC NPY expresszióját (26, 28). A jelenlegi vizsgálatok, korábbi tanulmányainkkal összefüggésben (18-20, 24), azt sugallják, hogy a DIO-ra hajlamos patkányoknak csökkent érzékenységük van erre a gátló hatásra. Az NPY expressziója megemelkedik azoknál a DIO-hajlamos patkányoknál, amelyek normális leptinszinttel rendelkeznek (18, 19, 24), és nem csökkentek DR-szintre, amíg a plazma leptinszintje csaknem 70% -kal magasabb volt, mint a DR patkányoké. Amikor a HE-étrenden 12 hét után a leptinszint elérte a DR-szint 180% -át, az ARC NPY expressziója valójában 25% -kal csökkent (18, 24). Ezen a ponton, amikor a DIO patkányokat alacsony zsírtartalmú étrendre váltották, testtömegük megemelkedett, míg a zsírpárna súlya és a plazma leptin szintje lassan csökkent 10 hét alatt (20, 24). Miután a DIO plazma leptin 50% -ra csökkent. Az ARC NPY expressziója ismét emelkedik, amikor a DIO patkányok elveszítik a hasított test zsírtartalmát, és a leptin szintje alacsony zsírtartalmú étrend esetén az 50% -os küszöb alá esik. Ezenkívül a DIO-ra hajlamos patkányok csökkent érzékenységet mutatnak a központilag beadott leptin anorektikus hatásaival szemben. Ez ok-okozati összefüggésre utal a csökkent leptinérzékenység, az ARC NPY túlexpresszió, valamint a korai súlygyarapodás és az elhízott testsúly védelme között DIO-hajlamos patkányokban, ha az étrendi zsír- és kalóriatartalom megnő. Ez azonban nem magyarázza teljes mértékben a nagyobb testsúlyú védekezésüket.

Perspektívák

Nyilvánvaló, hogy a leptin és az NPY nem az egész történet. A krónikus táplálékkal korlátozott DIO állatok normális ARC NPY és plazma leptinszint jelenlétében korlátlan etetés mellett gyorsan visszanyerték a fogyást. Hasonlóképpen, a leptin jelátviteli utakban rendellenességekkel rendelkező állatok magasabb szinten szabályozzák testtömegüket (12). Ilyen esetekben más zsírszármazék-faktorok vagy inzulin működhet a védekezés második, de kevésbé hatékony védelmi vonalaként. A leptint, az inzulint, a glükózt és más metabolikus jeleket az agy metabolikus érzékelő neuronjainak speciális csoportja érzékeli (22). A defektív leptin szignálozás mellett a DIO patkányoknak számos hibája van a központi glükóz-érzékelésben is, amelyeket ezek az anyagcsere-érzékelő idegsejtek közvetítenek (22). Így a DIO patkányok, akárcsak a genetikailag elhízott Zucker patkányok (1, 9, 10, 29, 33), genetikailag programozható küszöbértéket emelhetnek sok tápanyag és hormon visszacsatolási jel esetén. Amikor elegendő táplálék áll rendelkezésre, az ilyen patkányok addig növelik a zsírraktárukat, amíg ezek a jelek nem emelkednek az emelt kimutatási küszöb felett. Ez azt jósolja, hogy az ilyen állatok (és emberek) ennyire magas szinten fogják a legjobban szabályozni és megvédeni az energiaháztartásukat, és megmagyarázhatják, milyen nagy nehézségekkel jár a testsúly csökkentése diétázással.

Köszönjük C. Salter, A. Moralishvilli, O. Gordon és G. Zhou technikai segítségét.

LÁBJEGYZETEK

Ezt a munkát az Országos Diabétesz, Emésztőrendszeri és Vesebetegségek Intézetének RO1–30066 támogatása és az Veteránügyi Minisztérium Kutatási Szolgálata támogatta.

Az újranyomtatási kérelmek és egyéb levelezések címe: B. E. Levin, Neurológiai Szolgálat (127C), VA Orvosi Központ, 385 Tremont Ave., E. Orange, NJ 07018-1095 (E-mail: [email protected] edu).