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Untersuchungen des Leptin-Systems und des Stoffwechsels juveniler Ratten : Zwei Adipositas-Modelle

Schölch, Corinna


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Max-Planck-Institut für physiologische und klinische ForschungW.G. Kerckhoff-Institut, Bad Nauheim, eingereicht über das Institut für Veterinär-Physiologie
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.11.2001
Erstellungsjahr: 2001
Publikationsdatum: 22.02.2002
Kurzfassung auf Deutsch: Endogene, funktionelle Teratogene wie auch chemische Noxen können in kritischen Entwicklungsperioden zur Zerstörung zentraler Regler
und damit zu lebenslang anhaltenden Fehlfunktionen endokriner Regelungsprozesse führen. In der vorliegenden Studie wurden die akuten
Änderungen in der Energiebilanz während der Säugephase an zwei unterschiedlichen Modellen untersucht, die durch Eingriffe in den
ersten Lebenstagen Adipositas im adulten Tier bewirken.


Im ersten Adipositasmodell wurde eine postnatale Überernährung (PNO) 21 Tage alter Rattenwelpen durch die Aufzucht in einem Nest mit
nur vier Tieren, gegenüber zwölf Tieren in normal großen Nestern, induziert, wobei neben Wistarratten entweder Zuckerratten, die
heterozygot für einen Defekt des Leptinrezeptors sind (+/fa), oder deren Wildtyp-Wurfgeschwister (+/+) untersucht wurden. Bei allen
PNO-Tieren ergab sich gegenüber den im normalen Nest aufgezogenen Kontrolltieren sowohl eine größere fettfreie Trockenmasse und
Fettmasse, wobei die normalerweise phänotypisch kaum ausgeprägte genetische Prädisposition der +/fa-Tiere zu vermehrter
Fettakkumulation bei den PNO-Tieren erheblich verstärkt wurde. Neben Zunahmen der Körperfettmasse entwickelten die +/fa-PNO-Tiere,
aber auch die PNO-Wistarratten, eine relative Hyperleptinämie. Diese war mit einer Leptinresistenz assoziiert, wie sich in einer nahezu
vollständigen Insensitivität insbesondere der PNO-Wistarratten und der +/fa-PNO-Tiere gegenüber exogen appliziertem Leptin zeigte. Eine
Bestimmung der hypothalamischen Leptinrezeptorbindung an Hypothalamus-Homogenaten verdeutlichte, dass diese weder bei den
PNO-Tieren noch durch Leptinbehandlung im Vergleich zu den Kontrolltieren verändert wurde. Unabhängig davon wiesen zum einen +/fa-
und zum anderen weibliche Tiere eine verminderte Leptinrezeptorbindung auf.


Diese Befunde am Untersuchungsmodell I zeigen, dass eine erhöhte Energiezufuhr im Säuglingsalter nicht nur zu einem verstärktem
Wachstum, sondern auch zu einer exzessiven Fettdeposition führt. Zusätzlich konnte eine auffallende Interaktion zwischen einem
definierten, normalerweise rezessiv eingestuften Merkmal und frühen postnatalen Unwelteinflüssen gezeigt werden, die modellhaft für die
Programmierung der phänotypischen Ausprägung genetischer Störungen sein könnte. Unabhängig vom genetischen Hintergrund tritt dabei
eine Leptinresistenz als Leitsymptom auf, die jedoch nicht auf einer Änderung der Rezeptorendichte beruht. Eine analoge Beziehung
zwischen genetischem Hintergrund undÜberernährung wäre auch bei der Wistarratte zu vermuten, ist aber noch nicht identifiziert worden.


Grundlage des zweiten Adipositasmodelles ist die chemische Läsionierung von Nervenzellkörpern durch Verabreichung von
Monosodiumglutamat (MSG), das in hypothalamischen Gebieten mit durchlässiger Blut-Hirnschranke wirksam wird. Die postnatale
MSG-Behandlung führte bei den MSG-behandelten Tiere zu einer geringeren Fettdeposition gegenüber den NaCl-behandelten
Kontrolltieren. Bei identischer Nahrungszufuhr künstlich über intraösophageale Katheter aufgezogener Tiere kam es zu einem nahezu
vollständigen Verschwinden der Stoffwechselabsenkung im Minimum der Tiere und einer erhöhten Energiedissipation der
MSG-behandelten Tiere. Auch die künstlich aufgezogenen Tiere zeigten eine starke Abnahme besonders des Körperfettgehaltes, was die
Änderungen in der Energiebilanz der Tiere als Ursache bestätigt. Mit dem verminderten Körperfettgehalt ging auch eine Abnahme der
Plasmaleptinspiegel einher.


Um die Auswirkungen der MSG-Behandlung auf die für die Energiehomöostase wichtigen hypothalamischen Kerngebiete insbesondere
des Nucleus Arcuatus (ARC) zu untersuchen wurden kresylviolett-gefärbte coronale Gehirnschnitte mikroskopisch untersucht. Während
andere Kerngebiete nicht von der chemischen Läsionierung durch MSG betroffen waren, trat eine weitgehende Zerstörung
hypothalamischer Neurone im ARC ein. Zudem wurde zur Funktionskontrolle am zehn Tage alten Rattenhirn die Reagibilität auf Leptin
anhand des Nachweises eines 'immediate-early-gene' Produkts, des Fos Proteins, als Marker für neuronale Aktivierung nachgewiesen
und die Verteilung des durch das Neuropeptid Y (NPY) als Transmitter gekennzeichneten, hirn-intrinsischen Neuronensystems, dessen
Beitrag zur Stimulation der Nahrungsaufnahme bekannt ist, trotz der neuronalen Unreife der juvenilen Tiere nachgewiesen. Die Befunde
des Adipositasmodells II zeigen, dass der MSG-induzierten Adipositas im Erwachsenenalter eine Phase erhöhten Energieumsatzes
vorausgeht, die in ihrer Wirkung auf den circadianen Rhythmus der einer Leptinapplikation bei der juvenilen Ratte vergleichbar ist und vor
allem zu einer Verringerung des Körperfettgehaltes führt. Bei der Deutung dieses Befundes sind die histochemischen Hinweise zu
beachten, dass normalerweise bereits im Alter von zehn Tagen eine Fortleitung des Leptinsignals zum Nucleus paraventricularis als
integrative Struktur für die Kontrolle der Energiebilanz existiert und dass insbesondere das an dieser Verbindung beteiligte NPY-System
entwickelt ist. Der beobachtete Zelluntergang im ARC wirkt sich akut wie eine durch Leptin hervorgerufene Enthemmung der
normalerweise wirksamen Maßnahmen der juvenilen Energieeinsparung im Tagesminimum aus.


Zusammenfassend läßt sich feststellen, dass zwei völlig unterschiedliche Einflüsse, nämlich eine chemische Noxe, genauso wie eine
postnatale Überernährung in einer kritischen juvenilen Entwicklungsphase, obwohl sie zunächst gegenläufige Veränderung der
Fettdeposition auslösen, schließlich zu Adipositas und deren assoziierten Begleitstörungen im adulten Tier führen können.
Kurzfassung auf Englisch: Endogenous as well as chemical functional teratogens, if administered in critical periods of neuronal development, may destroy central
regulatory mechanisms and therefore lead to lifelong-lasting dysfunctions of endocrine regulatory loops. In this study acute changes in
energy balance during suckling period has been examined in two rat obesity models, which are known to induce an obese phenotype in the
adult animal.


In the first obesity model a postnatal overnutrition (PNO) has been induced by rearing pups in small litters of only 4 animals (small litter size)
compared to pups reared under control conditions with 12 pups (normal litter size). Besides Wistar rats either Zucker rats, which are
heterozygous for a leptin receptor defect 'fatty' (+/fa), or wildtyp Zucker rats have been used in this study. All PNO-animal showed an
enhanced fat-free dry-mass (FFDM) as well as an increased body-fat mass compared to their control littermates, which had been reared in
litters of normal size. The enlarged fat deposition of heterozygous animals which is normally hardly detectable by phenotype is massively
enhanced by the postnatal overnutrition. Besides the increase in body fat mass the +/fa-PNO as well as the PNO-Wistar rats developed a
relative hyperleptinaemia. This was associated with a leptin resistance, which was expressed in a nearly total insensitivity exspecially of the
PNO-Wistar- and PNO-+/fa-Zucker rats against peripheral leptin treatment. The investigation of hypothalamic leptin receptor binding in
Zucker rats revealed that neither PNO- nor leptin-treated animals had a different binding compared to the controll animals. Independent of
these findings, a diminished leptin receptor binding of heterozygous and female animals could be detected.


These results of the first obesity model show that a higher energy supply in postnatal life not only contributes to a higher body weight but
exspecially supports an exaggerated fat deposition. Additionally, this study demonstrated an obvious interaction between an usually
inconspicous genetic trait and early postnatal enviromental influences, which could be exemplary for the programming of phenotypical
expression of genetic disorders. Independant of genetic background, a leptin resistance as a lead-symptom develops, which is not caused
by an altered expression of the leptin receptor.


In the second obesity model monosodiumglutamate (MSG) in high doses has been used to lesion neuronal cell bodies in specific
hypothalamic areas without a blood-brain-barrier. Postnatal MSG-treatment causes a diminshed fat-deposition of the treated suckling-age
animals compared to the control (NaCl-treated) animals. Artificial rearing which ensures asupply with identical amounts of milk via
intraosophageal catheters revealed a nearly complete suppression of the circadian torpor-like decreases of Tc and MR in the daily
minimum and therefore lead to a higher energy dissipation of the MSG-treated animals. The artificially reared animals showed also a
diminished fat mass compared to the control animals in accordance with the observed changes in energy metabolism which thus were
causal for the reduction of body weight. To study the effect of MSG treatment on hypothalamic nuclei, which are known to be involved in
regulation of energy homeostasis, cresyl-violet stained brain sections have been examined. A marked loss of cells in the arcuate nucleus
(ARC) could be detected while other brain regions were not affected by the treatment. Additionally, to test whether those brain regions are
already functional at an age of ten days, the expression of the Fos protein, an immediate early-gene-product, which is known as a marker
for neuronal activity, could be demonstrated. Despite the neuronal immaturity of ten day old rat pups the NPY-ergic projections, which have
been shown to be essential for signal transmission in the control of food intake, already exist.


The results show that MSG-induced obesity, which develops in adulthood, is preceded by a period of expanded energy expenditure in
juvenile life. With respect to their effects on energy metabolism leptin treatment and MSG lesioning of juvenile pups are comparable and
lead mainly to a diminished fat deposition. For the interpretation of these findings one has to keep in mind the histological results, which
revealed that even at this early age the transmission of the leptin signal to the nucleus paraventricularis is already possible, because the
NPY-ergic connectivities are already existent. The neuronal cell death in the ARC leads to an leptin-like disinhibition of normal energy
saving mechanisms in the minimum of the daily circadian rhythm in 10 day old pups.


Summarizing the results, this study shows that two totally different influences - postnatal overnutrition or a chemical teratogene - if
administered in periods that are critical for developing organisms, can induce changes in energy metabolism and nutritional state of
animals which may lead to a higher obesity susceptibility in adulthood.