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Il sistema di monitoraggio del metabolismo animale Tow-Int Tech

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Sostiene la ricerca su anoressia e obesità

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Introduzione

Recentemente, alcuni ricercatori nazionali, tra cui Zijun Chen, Yixiao Luo, Yingjie Zhu e altri, hanno studiato il meccanismo d'azione della liraglutide nei topi. Hanno scoperto che i neuroni positivi al recettore GLP-1 (GLP-1R) nel setto laterale (LS) svolgono un ruolo cruciale negli effetti anoressizzanti e di perdita di peso della liraglutide. I risultati sono stati pubblicati su The Journal of Clinical Investigation, che ha un fattore di impatto di 15,9 nel 2023 e un fattore di impatto di 14,6 a cinque anni.

1. Background della ricerca

L'obesità è una minaccia per la salute a livello globale e la liraglutide, un analogo del glucagone peptide-1 (GLP-1), viene utilizzata per il trattamento dell'obesità. Tuttavia, i siti neuronali specifici della sua azione rimangono poco chiari. Le cellule del sistema nervoso centrale che esprimono il GLP-1R sono fondamentali per gli effetti anoressizzanti e di perdita di peso della liraglutide. L'ipotalamo è stato uno dei principali siti di ricerca, ma la delezione genetica del GLP-1R in questa regione non influisce sull'azione della liraglutide. Anche le regioni del retrocervello, come l'area caudale, sono state oggetto di interesse, anche se esistono risultati contraddittori. Anche il setto laterale (LS) esprime il GLP-1R ed è coinvolto nella regolazione energetica, ma la funzione fisiologica dei suoi neuroni e il loro ruolo negli effetti della liraglutide rimangono indefiniti.

2. Obiettivo della ricerca

Lo studio mira a rivelare il ruolo dei GLP-1R nel setto laterale negli effetti fisiologici e farmacologici della liraglutide, compresa la regolazione dell'omeostasi energetica e il loro coinvolgimento negli effetti anoressici e di perdita di peso indotti dalla liraglutide.

3. Metodi sperimentali

Modelli animali: Sono stati utilizzati diversi topi transgenici, tra cui topi GLP-1R-ires-Cre, topi reporter Ai14, topi Rosa26-LSL-Cas9 e topi C57BL/6J wild-type.

Tecniche:

Immunoistochimica: Per determinare la distribuzione dei GLP-1R nel cervello di topo.

Iniezione di vettori virali: Compreso l'uso della tecnologia CRISPR/Cas9 per eliminare selettivamente l'espressione del GLP-1R in neuroni specifici o per sovraesprimere il GLP-1R.

Chemiogenetica e optogenetica: Per attivare o inibire i neuroni positivi al GLP-1R nel setto laterale.

Fotometria a fibre ottiche: Per registrare l'attività neuronale.

Elettrofisiologia: Per studiare la trasmissione sinaptica nei neuroni.

Esperimenti comportamentali: Comprendono misurazioni dell'assunzione di cibo, valutazioni del peso corporeo, test di tolleranza al glucosio orale e test di avversione al gusto condizionato.

4. Risultati sperimentali

La liraglutide attiva i neuroni GLP-1R nel setto laterale. L'immunoistochimica ha rivelato che i neuroni GLP-1R positivi sono densamente distribuiti nella parte dorsale del setto laterale (dLS). Dopo l'iniezione intraperitoneale di liraglutide, l'espressione di c-Fos è stata elevata nella LS, nel nucleo paraventricolare (PVN) e nell'area caudale (AP). Incrociando topi GLP-1R-ires-Cre con topi reporter Ai14, sono stati etichettati i neuroni GLP-1R positivi nel LS ed è emerso che l'iniezione intraperitoneale di liraglutide ha significativamente aumentato l'espressione di c-Fos in questi neuroni. Anche l'infusione locale di liraglutide nel LS ha avuto lo stesso effetto, aumentando l'ampiezza delle correnti postsinaptiche eccitatorie.

Il blocco del GLP-1R nel LS indebolisce gli effetti della liraglutide

Utilizzando la tecnologia CRISPR/Cas9, l'espressione del GLP-1R è stata eliminata in modo specifico nei neuroni GLP-1R positivi del setto laterale dorsale (dLS). L'eliminazione non ha influito sull'assunzione di cibo o sul peso corporeo dei topi, ma ha indebolito gli effetti della liraglutide sull'assunzione di cibo e sulla perdita di peso. L'eliminazione del GLP-1R nel nucleo paraventricolare (PVN) e nel nucleo arcuato (Arc) non ha alterato gli effetti anoressizzanti della liraglutide.

La sovraespressione di GLP-1R nella dLS riduce il consumo di cibo nei topi con sazietà

La sovraespressione di GLP-1R nel setto laterale dorsale (dLS) ha ridotto significativamente il consumo di cibo nei topi a sazietà, ma non ha avuto alcun effetto sull'assunzione di cibo nei topi a digiuno. Inoltre, non ha alterato il peso corporeo cronico o i parametri metabolici.

Il silenziamento dei neuroni LS GLP-1R aumenta il consumo di cibo e favorisce l'obesità

Il silenziamento dei neuroni LS GLP-1R (mediante iniezione di AAV che esprime la tossina del tetano) aumenta l'assunzione di cibo ad alto contenuto di grassi e il peso corporeo, nonché il consumo di alimenti appetibili. Tuttavia, non influisce sulla tolleranza al glucosio o sul consumo di acqua, ma aumenta il dispendio energetico e il rapporto di scambio respiratorio. Il silenziamento di questi neuroni indebolisce l'effetto della liraglutide sull'assunzione di cibo e sulla perdita di peso, ma non influisce sulla nausea indotta dalla liraglutide.

L'attività dei neuroni GLP-1R LS diminuisce rapidamente durante l'alimentazione

Le registrazioni con fotometria a fibre hanno mostrato che, quando i topi privati del cibo hanno iniziato a mangiare, il segnale di Ca²⁺ dei neuroni LS GLP-1R è diminuito significativamente, tornando ai livelli di base dopo la cessazione del pasto. Il calo era più pronunciato quando il cibo era più appetibile. Quando ai topi sazi veniva presentato un alimento ad alto contenuto di grassi, la risposta inibitoria era minore e l'inibizione durante l'alimentazione diminuiva gradualmente. Il comportamento di ricerca del cibo non ha influenzato l'attività neuronale.

L'attivazione dei neuroni LS GLP-1R riduce il consumo di cibo

L'attivazione dei neuroni LS GLP-1R tramite chemiogenetica o optogenetica può ridurre l'assunzione di cibo e sopprimere l'appetito senza influenzare l'omeostasi del glucosio. I neuroni LS GLP-1R proiettano a diverse regioni cerebrali coinvolte nella regolazione dell'alimentazione.

5. Conclusioni della ricerca

La liraglutide attiva i neuroni GLP-1R positivi nel setto laterale e i GLP-1R di questa regione svolgono un ruolo importante negli effetti anoressizzanti e di riduzione del peso della liraglutide. I neuroni LS GLP-1R sono fondamentali sia per la sazietà fisiologica che per gli effetti indotti dalla liraglutide, fornendo nuove conoscenze sul meccanismo d'azione della liraglutide e potenziali punti di intervento mirati per il trattamento dell'obesità.

Risultati della ricerca:

Approfondimento della comprensione dei meccanismi dell'obesità: Questo studio chiarisce l'importanza dei neuroni GLP-1R positivi nel setto laterale nella regolazione dell'omeostasi energetica, contribuendo alla comprensione dei meccanismi neurobiologici dell'obesità umana. L'obesità è strettamente legata a squilibri nell'assunzione e nel dispendio di energia e le vie neurali rivelate in questo studio svolgono un ruolo critico, offrendo una nuova prospettiva sulla fisiopatologia dell'obesità.

Spiegazione dei meccanismi degli effetti collaterali dei farmaci: Lo studio ha rilevato che i neuroni LS GLP-1R non partecipano alla nausea indotta dalla liraglutide, suggerendo che altre regioni cerebrali sono coinvolte nella risposta alla nausea. Ciò contribuisce a spiegare perché alcuni pazienti sperimentano effetti collaterali come la nausea quando utilizzano agonisti del GLP-1R (ad esempio, liraglutide) per trattare l'obesità o il diabete, fornendo una base teorica per ulteriori ricerche per affrontare questi effetti collaterali.

Identificazione di potenziali bersagli farmacologici: La ricerca evidenzia il ruolo critico dei GLP-1R nel setto laterale negli effetti della liraglutide, suggerendo che questa regione o i neuroni ad essa correlati possono essere potenziali bersagli per il trattamento dell'obesità e delle malattie metaboliche correlate. Lo sviluppo di farmaci mirati a questa via potrebbe migliorare l'efficacia e la sicurezza dei trattamenti, riducendo gli effetti collaterali.

Ottimizzazione delle strategie di trattamento farmacologico: I risultati possono aiutare a sviluppare metodi di trattamento farmacologico più precisi, come la modulazione dell'attività dei neuroni GLP-1R positivi nel setto laterale per potenziare gli effetti anoressizzanti e di perdita di peso della liraglutide, evitando o riducendo al contempo gli effetti avversi come la nausea. Questo apre la strada alla medicina personalizzata.

Promuovere approcci terapeutici combinati: Dato che i GLP-1R in diverse regioni cerebrali possono lavorare insieme per mediare gli effetti della liraglutide, lo sviluppo futuro di farmaci potrebbe prendere in considerazione la progettazione di strategie di trattamento combinate rivolte a più vie o regioni cerebrali rilevanti per migliorare l'efficacia dei trattamenti dell'obesità e delle malattie correlate.

Questo studio ha utilizzato il sistema di monitoraggio del metabolismo animale di Tow-Int Tech, che misura parametri quali il consumo energetico, l'assunzione di ossigeno (VO₂), l'emissione di anidride carbonica (VCO₂), il rapporto di scambio respiratorio, l'assunzione di cibo e acqua e altri parametri metabolici. Questo sistema consente un monitoraggio a lungo termine nei topi in condizioni di attività naturale, fornendo dati di supporto per lo studio degli effetti dei farmaci o della modulazione neuronale sul metabolismo energetico.

Misurazione del dispendio energetico (EE):

Il dispendio energetico viene misurato monitorando il consumo di ossigeno (VO₂) e l'emissione di anidride carbonica (VCO₂) dei topi per un certo periodo di tempo nel sistema di metabolismo energetico, per poi calcolare il dispendio energetico utilizzando formule specifiche. Questo aiuta a comprendere i cambiamenti nel consumo energetico dei topi in diverse condizioni sperimentali (ad esempio, attivazione o inibizione dei neuroni LS GLP-1R) e a valutare l'impatto di queste manipolazioni sul livello complessivo del metabolismo energetico dei topi.

Monitoraggio del consumo di ossigeno (VO₂) e della produzione di anidride carbonica (VCO₂):

Le misurazioni in tempo reale e in continuo di VO₂ e VCO₂ nei topi all'interno del sistema del metabolismo energetico forniscono dati sullo scambio di gas in diversi stati di attività (come periodi attivi e di riposo). Lo studio ha rilevato che in determinate condizioni sperimentali (ad esempio, dopo il silenziamento dei neuroni LS GLP-1R), i livelli di VO₂ e VCO₂ risultano alterati. Ciò fornisce dati fondamentali per analizzare la relazione tra attività neuronale e metabolismo energetico.

Calcolo del rapporto di scambio respiratorio (RER):

Il RER è il rapporto tra la produzione di VCO₂ e il consumo di VO₂ e riflette l'utilizzo metabolico di carboidrati e grassi nel topo. Lo studio calcola il RER utilizzando i dati del sistema del metabolismo energetico e ha rilevato che, mentre il VO₂ e il VCO₂ cambiano in alcune condizioni (ad esempio, dopo il silenziamento dei neuroni LS GLP-1R), il RER non cambia. Ciò suggerisce che l'utilizzo del substrato metabolico dei topi non ha subito cambiamenti sostanziali in queste condizioni, approfondendo ulteriormente la nostra comprensione della regolazione neuronale del metabolismo energetico.

Misurazione simultanea dell'assunzione di cibo e acqua:

Il sistema per il metabolismo energetico può misurare i parametri del metabolismo energetico registrando contemporaneamente l'assunzione di cibo e acqua da parte dei topi. Ciò consente un'analisi completa dell'equilibrio tra l'assunzione e il dispendio di energia, nonché degli effetti di diversi trattamenti sperimentali su tale equilibrio. Ad esempio, quando si studia la relazione tra le manipolazioni dei neuroni LS GLP-1R e i cambiamenti nell'assunzione di cibo, la combinazione dei dati sul consumo energetico misurati dalla gabbia metabolica fornisce una comprensione più completa del ruolo di questi neuroni nella regolazione dell'omeostasi energetica.

Il sistema di monitoraggio del metabolismo animale di Tow-Int Tech ha fornito dati completi e continui sul metabolismo energetico dei topi, fondamentali per svelare i meccanismi con cui i neuroni LS GLP-1R regolano il bilancio energetico. Questo sistema fornisce un solido supporto per le analisi e le conclusioni successive.

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