Ожиріння, спричинене дієтою зі шкідливою їжею, підвищує автоінгібіцію рецепторів D2 у вентральній тегментальній зоні та зменшує вживання етанолу

Ролі Концептуалізація, курація даних, формальний аналіз, дослідження, методологія, нагляд, перевірка, візуалізація, написання - оригінальний проект, написання - огляд та редагування

Поточна адреса: лабораторія нейробіології In vivo, відділення нейробіології, Національний інститут наук про охорону навколишнього середовища, Національний інститут здоров’я, Парк дослідницьких трикутників, Північна Кароліна, Сполучені Штати Америки

Центр дослідників алкоголізму та наркоманії, Техаський університет в Остіні, Остін, Техас, Сполучені Штати Америки, Відділ фармакології та токсикології, Фармацевтичний коледж Техаського університету в Остіні, Остін, Техас, Сполучені Штати Америки

Ролі Концептуалізація, курація даних, збір коштів, розслідування, методологія, перевірка, візуалізація

Афіліації Центр досліджень алкоголю та наркоманії, Техаський університет в Остіні, Остін, штат Техас, Сполучені Штати Америки, Департамент нейронауки Техаський університет в Остіні, Остін, Техас, Сполучені Штати Америки

Ролі Курація даних, Розслідування

Афілійований відділ неврології Техаського університету в Остіні, Остін, Техас, Сполучені Штати Америки

Ролі Курація даних, Розслідування

Афілійований відділ неврології Техаського університету в Остіні, Остін, Техас, Сполучені Штати Америки

Ролі Курація даних, дослідження, візуалізація

Партнерський центр вагонерів з досліджень алкоголю та наркоманії, Техаський університет в Остіні, Остін, штат Техас, Сполучені Штати Америки

Ролі Концептуалізація, курація даних, офіційний аналіз, залучення фінансування, розслідування, методологія, адміністрування проектів, ресурси, програмне забезпечення, нагляд, перевірка, написання - огляд та редагування

Джейсон Б. Кук,
Лінзі М. Хендріксон,
Грант М. Гарвуд,
Келсі М. Таунгейт,
Крістіна Василівна Наня,
Хітоші Морікава

Цифри

Анотація

Цитування: Cook JB, Hendrickson LM, Garwood GM, Toungate KM, Nania CV, Morikawa H (2017) Ожиріння, спричинене дієтою зі шкідливою їжею, підвищує автоінгібіцію рецепторів D2 в черевній ділянці та зменшує споживання етанолу. PLoS ONE 12 (8): e0183685. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0183685

Редактор: Джеймс Едгар Маккатчен, Університет Лестера, ВЕЛИКОБРИТАНІЯ

Отримано: 24 травня 2017 р .; Прийнято: 9 серпня 2017 р .; Опубліковано: 31 серпня 2017 р

Наявність даних: Усі відповідні дані знаходяться в газеті та в допоміжних файлах.

Фінансування: Цю роботу підтримали RO1 AA015521 (HM), F32AA021640 (LMH) та T32-AA007471 (Техаський університет в Остіні, Відділ фармакології та токсикології, Фармацевтичний коледж). Ці гранти фінансував або фінансує Національний інститут зловживання алкоголем та алкоголізму. https://www.niaaa.nih.gov/. Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Вступ

Підсилюючі властивості наркотичних речовин, що викликають залежність, та їжі, що смакує, частково опосередковуються системою мезостратального дофаміну (DA) [1]. Більше того, тривалий вплив наркотиків, що вживають наркотики, включаючи етанол, або енергетично щільну смачну їжу виробляє подібні DAergic нейроадаптації. Наприклад, хронічний вплив етанолу та інших наркотиків, що зловживають, знижує D2-рецептори (D2R) та базальний рівень DA в смугастому тілі [2–4], що також спостерігається при споживанні їжі енергії [5–7]. Люди, що страждають ожирінням, також мають знижену експресію D2R в смугастому тілі [8] та знижену активацію смугастості у відповідь на смачну їжу [9]. Тому, оскільки нейроадаптації після енергетично щільної їжі або хронічного впливу наркотиків схожі, надмірне споживання енергетично щільних продуктів може збільшити сприйнятливість до наркоманії. Цікаво, що дослідження гризунів показали, що велике споживання жиру чи цукру зменшує споживання психостимуляторів та перевагу умовних умов [10–13]. На відміну від цього, попереднє споживання жиру або цукру/вуглеводів може збільшити [14, 15] або зменшити [16, 17] вживання етанолу у гризунів. Однак невідомо, як споживання нездорової їжі, яку люди регулярно вживають, впливає на вживання етанолу.

У США приблизно 35% дорослих та 17% дітей та підлітків страждають ожирінням [18]. Зростаюча поширеність ожиріння пов’язана із збільшенням доступності до «нездорової їжі» з високим вмістом жиру, цукру та інших вуглеводів [19], і споживання цих дієт особливо помітно у підлітковому віці [20–22]. Намагаючись змоделювати цей тип енергетично щільної дієти, що сприяє ожирінню, слідчі надали щурам доступ до продуктів зі шкідливою їжею, що називають дієтою в кафетеріях [5, 6, 23]. Показано, що дієтичне годування в кафетеріях знижує D2R і базальний рівень DA в смугастому тілі, знижує чутливість схем винагород за допомогою внутрішньочерепної самостимуляції та забезпечує споживання їжі, подібної до компульсивного [5, 6]. Однак невідомо, чи дієтичне годування в кафетеріях змінює електрофізіологічні властивості нейронів DA в вентральній зоні (VTA) чи впливає на вживання етанолу.

Соматодендритний вивільнення DA активує D2R на соматах і дендритах нейронів DA, що призводить до автоінгібіції in vivo [24, 25] та in vitro [26, 27] шляхом активації G-внутрішньо випрямляючих калієвих каналів (GIRK) за допомогою сигналу Gi/o . Таким чином, активація D2R GIRK призводить до гіперполяризації та зниження збудливості нейронів [28]. У нейронах VTA DA багаторазове введення етанолу або гостре введення кокаїну збільшує опосередковану D2R аутоінгібіцію [29, 30]. Крім того, після багаторазового введення етанолу мишам збільшення самоінгібування D2R було пов’язане зі збільшенням пиття етанолу в домашній клітці [29]. Хоча очевидно, що висококалорійні дієти виробляють подібні до звикання DAergic адаптації в смугастому тілі, вплив висококалорійних дієт на автоінгібування D2R у нейронах DA VTA не характеризується.

У поточному дослідженні ми досліджували вплив дієти в їдальні на пиття етанолу або сахарози в домашній клітці, частоту базальних стрільб нейронів VTA DA та опосередковане D2R автоінгібування нейронів VTA DA. Дієтичне харчування в кафетеріях у підлітковому віці призвело до фенотипу, подібного до ожиріння, і тривалого зниження пиття етанолу за допомогою 2-годинної подачі етанолу, що вживає в темряві (DID), що забезпечує помірне споживання етанолу. Важливо, що дієтичне годування в кафетеріях не впливало на концентрацію етанолу в крові (BEC) або швидкість метаболізму етанолу після внутрішньочеревної ін’єкції етанолу 2 г/кг. Крім того, дієтичне харчування в кафетеріях підвищувало D2R-опосередковане аутоінгібування нейронів VTA DA.

Методи та матеріали

Піддослідні Щурі чоловічої статі Вістар були отримані з лабораторій Харлан (Індіанаполіс, штат Індіана) у віці 3 тижнів. Щурів одиночно утримували в клітинах з оргскла, які з одного боку клітини мали платформу з оргскла розміром 7 ”х 4” х 1,25 ”, закріплену на підлозі для розміщення дієти в кафетеріях. Для всіх щурів була доступна стандартна лабораторна чау, і вода була доступна весь час, крім під час сеансів пиття етанолу або сахарози. Віварій підтримували у зворотному 12-годинному циклі світло-темно (настання світла через 0100 год), постійній температурі 22 ± 2 ° C та відносній вологості 65%. Процедури догляду за тваринами та поводження з ними дотримувались Керівних принципів Національного інституту охорони здоров’я під керівництвом затверджених протоколів Комітету з питань догляду та використання тварин Остінського інституту охорони тварин за допомогою Технічного університету.

Дієтичне харчування в кафетеріях

Пиття етанолу або сахарози в домашній клітці

Через тиждень після звикання щурам давали 2 години на день обмеженого доступу до розчину етанолу (10% об./Об.) Або сахарози (5% об./Об.) Для оцінки базового рівня пиття. Під час усіх сеансів пиття етанолу або сахарози пляшку з водою для домашньої клітини замінювали пляшкою, що містить розчин етанолу або сахарози, через 1 годину темного циклу. Після початкового вживання етанолу або сахарози (7 днів) щурів випадковим чином розподіляли на дієту кафетерію або групу чау. Далі щурів годували їжею в їдальні або чау лише 4 тижні. Через двадцять чотири години після останнього прийому дієти в кафетеріях щури починали щоденні сеанси пиття етанолу або сахарози.

Концентрація етанолу в крові (BEC)

Після 4 тижнів дієти в їдальні або годування лише чау, щурам вводили етанол (2 г/кг, 15% об./Об. У фізіологічному розчині, в/в) через 24 години після останнього введення дієти в їдальні. Зразки цільної крові (10 мкл) відбирали за допомогою відрізку хвоста через 30, 60 та 120 хв після введення етанолу та додавали до флаконів скляної газової хроматографії (ГХ), що містять 90 мкл 5М хлориду натрію. Концентрації етанолу у зразках аналізували того самого дня, коли брали кров за допомогою ГХ, використовуючи Bruker 430-GC (Bruker Corporation, Фремонт, Каліфорнія), оснащений детектором полум’яної іонізації та автозабірником Combi PAL. Коротко кажучи, кожен зразок нагрівали до 65 ° C протягом 3 хв, перш ніж твердофазне мікроекстракційне волокно (SPME; 75 мкм CAR/PDMS, плавлений кремнезем; Supelco) поглинало пари етанолу протягом 3 хв. Потім волокно SPME десорбувало зразок у порт для введення ГХ протягом 1 хв при 220 ° С. В якості газу-носія використовували гелій (швидкість потоку 8,5 мл/хв), а для відділення використовували капілярну колонку HP Innowax (30 м х 0,53 мм х 1 мкм товщини плівки; Agilent Technologies, Санта-Клара, Каліфорнія). Зовнішні етанолові стандарти (25, 50, 100, 200, 400 та 600 мг/дл) аналізували для обчислення стандартної кривої. Хроматограми аналізували за допомогою програмного забезпечення CompassCDS Workstation (Bruker Corporation, Фремонт, Каліфорнія) та висоти піків для етанолу (

2 хвилини часу утримування) були використані для побудови стандартної кривої та інтерполяції концентрацій етанолу у зразку.

Електрофізіологія

Щурів знеболювали ізофлураном, а мозок видаляли та розтинали у розчині холодної різання, що містить (у мМ) 205 сахарози, 2,5 KCl, 1,25 NaH2PO4, 7,5 MgCl2, 0,5 CaCl2, 10 глюкози та 25 NaHCO3, насичених 95% O2, і 5% СО2 (

300мОсм/кг). Горизонтальні зрізи середнього мозку (200 мкм) поділяли на вібратом і давали можливість відновитись протягом 1 години у штучній лікворі (aCSF) при 34 ° C. Записи проводили в бічному VTA 50-150 мкм від медіальної межі медіального кінцевого ядра додаткового зорового тракту. Під час запису зрізи перфузували кисневим, підігрітим (34 ° C) aCSF (в мМ) 126 NaCl, 2,5 KCl, 1,2 NaH2PO4, 1,2 MgCl2, 2,4 CaCl2, 11 глюкозою, 21,4 NaHCO3. Записи з вільним патчем, прикріплені до комірки (

20 МОм) проводили піпетками, що містять 150мМ NaCl. Записи цілих клітин проводили за допомогою піпеток, що містять внутрішньоклітинний розчин, що складається (в мМ) 115 K-метилсульфату або K-глюконату, 20 KCl, 1,5 MgCl2, 10 HEPES, 0,025 EGTA, 2 Mg-ATP, 0,2 Na2-GTP та 10 Na2-фосфокреатин (рН 7,2–7,3,

285 мОсм, кг -1). Путативні нейрони DA виявляли за спонтанним випромінюванням кардіостимулятора низької частоти (1–5 Гц) та широкими потенціалами дії (> 1,2 мс) у конфігурації, приєднаній до клітини, та великим Ih (> 200 пА) у відповідь на крок напруги 1,5 сек від Від -62 мВ до -112 мВ в режимі затиску напруги для цілої комірки. Записи напруги затискача були зроблені при утримуючому потенціалі -62mV, з поправкою на потенціал переходу рідини -7 mV. Записи цілих комірок відкидались, якщо послідовний опір збільшувався вище 20 МОм або вхідний опір падав нижче 200 МОм. Дані фільтрувались на частотах 1–5 кГц та оцифровувались на частотах 2–10 кГц.

Аналіз даних

Дані виражаються як середнє значення ± SEM. Статистичну значимість визначали за допомогою t-критерію Стьюдента або двостороннього ANOVA з подальшим тестом Bonferroni post hoc.

Результати

Доступ до дієти в кафетеріях призводить до високого споживання калорій та фенотипу, подібного до ожиріння

Калорійність для дієтичних та дієтичних груп, а також джерело калорій для дієтичної групи було оцінено протягом 3 тижнів. Дієтична група їдальні споживала більше калорій, ніж група, яка використовувала лише чау протягом 3 тижнів годування (взаємодія: F (2,62) = 22,43, p Рис. 1. Доступ до дієти в кафетеріях призводить до підвищеного споживання калорій та фенотипу, подібного до ожиріння).

Калорійність та джерело калорій оцінювали протягом 3 тижнів. (А) Щури, які мали щоденний доступ до дієти в їдальні, споживали значно більше калорій за 3 тижні годування, ніж група, що отримувала лише чау (n = 14-19/група). (B) Дієта групи кафетерій споживала значно більше калорій з дієтичних продуктів харчування кафетерію, ніж з гранул чау (n = 19). (C) Група, яка використовувала лише чау, споживала більше калорій з гранул чау, ніж група дієтичних кафе (n = 14-19/група). (D) Доступ до дієти в кафетеріях призвів до збільшення ваги за 3 тижні годування (n = 14-19/група). (E) Чотири тижні дієтичного харчування в кафетеріях суттєво збільшили масу тіла порівняно з контролем, що харчувались лише чау (основний ефект дієти, p Рис. 2. Попереднє годування в їдальні в кафетеріях зменшує вживання етанолу без впливу на швидкість метаболізму етанолу або BEC.

(A) Середнє базове споживання етанолу (г/кг) за 7 днів до дієтичного харчування в кафетеріях було однаковим між групами (p = 0,7480, t-тест Стьюдента, n = 6-7/група). (Б) Попереднє харчування в їдальні в кафетеріях (4 тижні) зменшило загальний обсяг етанолу (10%, об/об, 2 год/день), спожитого протягом 2 тижнів тестування (основний ефект дієти, р тимчасово зменшив споживання сахарози та споживання чау.

(A) Середнє базове споживання сахарози (мл/кг) за 7 днів до дієтичного харчування в кафетеріях було однаковим між групами (p = 0,6489, t-тест Стьюдента, n = 15-16/група). (Б) Попереднє дієтичне годування в кафетеріях (4 тижні) тимчасово змінене споживання сахарози (5%, мас./Об., 2 год./День) (дієта х час взаємодія, р Рис. 4. Харчування в їдальні кафетерію не вплинуло на частоту випалювання кардіостимулятора базального тоніка Нейрони VTA DA.

(А) Базальна тонічна частота вистрілення нейронів VTA DA була однаковою між групами (p = 0,4681, t-тест Стьюдента, n = 36-38/група). (B) Репрезентативні сліди стрільби нейронами VTA DA після 4 тижнів чау-чау (синя) або дієта в їдальні (червона). DA, дофамін; VTA; черевна тегментальна зона.

Неясно, чи вплинуло на зменшення пиття етанолу чи електрофізіологічні результати збільшення маси тіла в поточному дослідженні. Однак висококалорійні дієти можуть послабити систему DA [13] та зменшити споживання етанолу [16] за відсутності ожиріння. Збільшення ожиріння пов’язане зі змінами лептину, інсуліну та греліну, які можуть модулювати активність системи DA [40–42]. Тому ми не можемо виключати, що зміни в механізмах гомеостатичного харчування могли вплинути на результати. Ми також не можемо виключити ймовірність того, що дієтичне харчування в кафетеріях може змінити циркадні схеми прийому їжі, оскільки вживання етанолу та сахарози вимірювалось лише протягом 2 годин періоду доступу.

Поточне дослідження відрізняється від попередніх досліджень [5, 6], які досліджували вплив дієти в їдальні на систему DA шляхом забезпечення дієтичного харчування в кафетеріях підлітковим віком замість дорослого віку. Дані в сукупності дозволяють припустити, що як дієтичне харчування підлітків, так і дорослих виробляє нейроадаптації, які гасять систему DA та сприяють нагородженню гіпофункції. Хоча невідомо, як дієтичне харчування в кафетеріях у дорослому віці впливає на самоінгібування D2R, введення наркотиків, що вживають наркотики, може збільшити аутоінгібіцію D2R при введенні в підлітковому віці [29] або у дорослому віці [30].