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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-27260
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2006/2726/


Tierexperimentelle Untersuchungen zur Behandlung einer Adipositas infolge Melanokortin-4-Rezeptor-Defizienz mit unterschiedlichen pharmakologischen Behandlungsstrategien

Socher, Michaela A.


Originalveröffentlichung: (2006) Wettenberg : VVB Laufersweiler 2005
pdf-Format: Dokument 1.pdf (2.208 KB)

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Veterinär-Physiologie und Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung (W.G. Kerckhoff-Institut) in Bad Nauheim
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 3-8359-5013-4
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.12.2005
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 03.03.2006
Kurzfassung auf Deutsch: Adipositas und ihre sekundären pathologischen Folgen sind ein ernstes Gesundheitsproblem in der zivilisierten Welt geworden. Hierzu tragen Umweltbedingungen, vor allem ein Übermaß hochkalorischer Nahrung, bei. Da eine Reduktions-Diät bei Vorliegen einer Adipositas meist nur kurzfristig durchgeführt wird, sind pharmakologische Ansätze nötig, um in der Adipositastherapie langfristig Fortschritte zu erreichen. Hierzu sind Kenntnisse über die komplexe Regulation der Energiebilanz mit und ohne Normabweichungen nötig. Monogenetisch bedingte Adipositas beim Menschen und Tiermodelle mit entsprechender Mutation stellen hierbei eine große Möglichkeit zur Erforschung der Pathogenese, wie auch der speziellen Therapieansätze dar. Der beim Menschen mit einer Prävalenz von ca. 2-6 % untersucht an extrem übergewichtigen Pastientenkollektiven am häufigsten auftretende Gendefekt am MC4-Rezeptor (MC4R) fällt bereits bei heterozygoter Ausprägung durch eine juvenil beginnende Adipositas auf. Ein entsprechendes Tiermodell wurde bei der Maus entwickelt (Huszar et al. 1997; Chen et al. 2000) und Behandlungen zur Eingrenzung des übermäßigen Körperfettgehalts in der vorliegenden Arbeit untersucht.


Da bislang eine medikamentöse Behandlung mit langfristiger Wirkung unabhängig von der Pathogenese nicht existiert, wurde neben Agonisten des MC4R außerdem ein Therapeutikum ohne definierten Ansatzpunkt am genetischen Defekt untersucht. Um die Differenzen zwischen den modernen menschlichen Lebensumständen und der Versuchstierhaltung zu verringern, wurden die Tiere bei einem Großteil der Versuche bei einer Umgebungstemperatur knapp unter dem thermoneutralen Bereich (TN) gehalten. Außerdem hatte ein Teil der Tiere, neben Standard-Diät, Zugang zu einer hochkalorischen Diät. Da sich die Hauptuntersuchung auf die als monogenetische Ursache einer Adipositas beim Menschen identifizierten MC4R-Defizienz konzentrierte, war die Anwendung von  MSH Analoga ein erster Behandlungsansatz. Wegen fehlender Literaturnachweise für Untersuchungsergebnisse bei Mäusen wurden zunächst C57Bl/6J Mäuse mit -MSH behandelt. Da das Ergebnis der Behandlung nicht zufrieden stellend war, wurden bei diesem Stamm Kontrolluntersuchungen mit Leptin durchgeführt. Die für eine zentrale Behandlung mit Leptin erhobenen Daten in der vorliegenden Arbeit entsprechen den bisherigen Forschungsergebnissen und werden als Referenzwerte für den erzielten Erfolg einer Behandlung der technisch identischen zentralen Behandlung mit MSH-Derivaten bei C57Bl/6J Mäusen hinsichtlich der Reduktion von Energieaufnahme und Körpermasse und für die korrekte Handhabung der icv. Kanülierung herangezogen. Zusätzlich kamen MSH-Derivate, wie -MSH und NDP--MSH zum Einsatz, deren biologische Wirksamkeit und Stabilität höher ist als die von -MSH. Die Ergebnisse der Untersuchungen für -MSH zeigen, dass dieses Pharmakon bei C57Bl/6J Mäusen nicht zu einer Reduktion der Energieaufnahme führt. Es kommt allenfalls zu einem sehr kurzfristigen Effekt, der sich auch bei Untersuchungen anderer Tiermodelle nicht auf die Neuropeptide oder die Körperzusammensetzung der behandelten Tiere auswirkt. Bei Tieren mit genetischem MC4R Defekt bei manifester Adipositas liegen keine Untersuchungen für eine Behandlung mit -MSH vor. Auch von den stabileren MSH-Derivaten ist nach den in der Literatur vorliegenden Befunden und aufgrund der eigenen Studie kein längerfristiger Einfluss auf die Energieaufnahme und Körpermasse der mit Derivat behandelten Tiere im Vergleich zu den Kontrollen zu erwarten. Für die Unwirksamkeit von -MSH und seinen Analoga, kann eine Gegenregulation von Neuropeptiden, vor allem dem auch kurzfristig reagierenden AGRP als eine der möglichen Ursachen angenommen werden. Auch der synthetische Agonist MTII wurde sowohl bei C57Bl/6J Mäusen als auch bei bisher noch nicht untersuchten heterozygoten MC4R-defizienten Tieren eingesetzt. Für das synthetische MSH-Analogon MTII ergeben die an C57Bl/6J Mäusen durchgeführten Versuche eine Reduktion der Energieaufnahme und der Körpermasse. Jedoch kommt es nach der anfänglich guten Wirkung zu einer Tachyphylaxie und letztendlich zu keinem langfristigen Effekt mit Auswirkung auf die Körperzusammensetzung. Die Behandlung von heterozygoten MC4R-defizienten Tieren zeigt auch nach einer Dosiserhöhung keinen signifikanten Effekt auf die Energieaufnahme und Körpermasse. Dieser Befund lässt vermuten, dass durch den Defekt am MC4R der Rezeptor selbst verändert oder seine Signalwege so gestört werden, dass die Auslösung eines anorexigenen Effekts über dieses System nicht zu erzielen ist bzw. zusätzlich erschwert wird. Aufgrund der geringen Gesamtwirkung wurde die spezifische Behandlung mit einem exogen zugeführten Agonisten des MC4R eingestellt.


Als kurzfristig vielversprechend hatte sich eine Behandlung mit Lachs-Calcitonin (sCT) erwiesen (Eiden et al. 2002) und war deshalb Ausgangspunkt für die Untersuchung der bisher noch nicht ermittelten Langzeitwirkung bei adulten heterozygoten MC4R-defizienten Mäusen. Vorbereitend wurden sowohl an adulten heterozygoten als auch homozygoten MC4R-defizienten Tieren Eintagesbehandlungen mit unterschiedlichen Dosierungen unter veränderten Umweltbedingungen durchgeführt. Die Behandlung heterozygoter MC4R-defizienter Mäuse mit sCT ergab eine erhöhte dosisabhängige Wirkung, wenn die Tiere Zugang zu einer hochkalorischen Diät hatten. Die Umgebungstemperatur hatte keinen Einfluss auf die Wirkung der sCT-Injektionen. Homozygote MC4R-defiziente Mäuse mit Zugang zu einer hochkalorischen Zusatz-Diät zeigen keine dosisabhängige Steigerung der Wirkung. Ein Genotyp-Einfluss auf die sCT-Wirkung lässt sich nicht sicher nachweisen, während ein Geschlechtsunterschied mit einer bei weiblichen Tieren stärker Wirksamkeit der sCT-Injektionen belegt werden konnte. Die Langzeitwirkung bei adulten heterozygoten MC4R-defizienten Mäusen trotz einer versuchten Kombinationsbehandlung mit sCT und Leptin war allerdings nur begrenzt. Dies könnte auf dem bereits gestörten System der Regulation der Energiebilanz beruhen, so dass Tiere direkt nach dem Absetzen (Lebenstag 21) behandelt wurden. Auch hatte eine bei Jungtieren nach dem Absetzen begonnene kontinuierliche Langzeitbehandlung keinen signifikanten Einfluss auf den Körperfettgehalt. Deshalb wurde die Wirkung einer intermittierenden sCT-Applikation getestet, wobei das Behandlungsschema gegenregulatorische Mechanismen dadurch berücksichtigt, dass Behandlungs- und Ruhephasen einander ablösen. Nach einem Testdurchlauf des pulsatilen Behandlungsmusters für sCT an adulten C57Bl/6J Mäusen wurden entsprechende Behandlungen bei heterozygoten MC4R-defizienten Jungtieren durchgeführt. Während sich bei einer intermittierenden Behandlung mit sCT von Lebenstag 21 bis 56 ein Einfluss auf die Körperzusammensetzung nachweisen ließ, verschwindet der Effekt bei einer Behandlung der Tiere bis Lebenstag 96. Die intermittierende Behandlung mit sCT scheint im Ansatz richtig. Der Verlauf den die Behandlung nimmt lässt allerdings eine zentral vermittelte Gegenregulation vermuten, die die kurzfristige Wirkung von sCT überlagert. Um diese zu umgehen, muss entweder eine Kombination von Präparaten oder eine zeitlich variierende Behandlung versucht werden. Die Vielzahl der an der Energiehomöostase beteiligten Systeme und die Interaktion der Neuropeptiden untereinander machen es zur Zeit nicht möglich langfristig effektiv in die Energiebilanz einzugreifen.
Kurzfassung auf Englisch: Obesity and its secondary pathological effects is a serious health problem in civilized countries. Environmental conditions, particularly an excess of palatable high-caloric food accelerate this development. Since reduction-diet as a treatment for obesity is carried out mostly only for a short period of time, pharmacological approaches seem indispensable in order to achieve progress on a long-term basis in the treatment of obesity. For this approach further insight into the regulation of the energy balance with and without norm deviation is required. Monogenetic forms of human obesity and animal models with a corresponding mutation provide promising opportunities for the elucidation of the pathogenesis as well as for the development of specific treatments. In 2-6 % of obese humans we find the most frequent monogenetic defect of haploinsufficiency of the MC4R with early onset obesity. A corresponding animal model was developed with the MC4R-deficient mouse (Huszar et.al. 1997, Chen et al. 2000). In this model specific treatment schedules were examined in this study with the aim to retard the development of excessive body fat content.


For the experimental approach environmental and feeding conditions were established for the mouse model which resembled human living conditions and modern human life style: most of the experiments were carried out in animals living in an ambient temperature just below the thermoneutral zone (TN). In addition, part of the animals had access to a supplementary palatable high-caloric diet in addition to chow.


Since the main attention of this study was directed towards the MC4R-deficiency identified as a monogenetic cause of human adiposity, the application of -MSH as agonist of the MC4R was a first treatment approach. We first investigated as controls C57Bl/6J mice under intracerebroventricular (icv) treatment with -MSH, because corresponding observation on mice had not been published so far. This treatment was little effective, but this was not due to technical failure because using leptin as a peptide with established weight reducing action was effective. The results corresponded to previous results and were subsequently taken as reference for icv treatment with other compounds with regard to the reduction of energy consumption, body mass and to the correct handling of the icv cannulation. In addition we used MSH-derivates, as -MSH and NDP--MSH, which are reported to be more stable and effective than -MSH.


Treatment with -MSH does not reduce energy consumption of C57Bl/6J mice. It results in a very short anorectic run-off effect and does not measurably alter neuropeptide expression downstream to the leptin signalling system nor does it affect body composition. This applies also to other animal models investigated in this study. The analogs b-MSH, NDP-a-MSH were equally ineffective.


For a systemic treatment the synthetic agonist MTII was used in C57Bl/6J mice as well as in heterozygous MC4R-deficient mice. In C57Bl/6J mice the treatment was only initially effective, due to tachyphylaxia and therefore only a short-time effect on body composition was found. The treatment of the heterozygous animals with MC4R-deficiency did not show a significant effect on energy consumption and body mass, not even after increasing the dose. This lead us to the conclusion that MC4R-deficiency changed the receptor or disturbed its signal pathway to a degree preventing the production of anorexigenic effects even of analogs that have long-term actions in other systems. As an explanation pathologically enhanced counter regulation by neuropeptides, especially the short-term reacting AGRP, is supposed to be the cause for the ineffectiveness of -MSH and its analogs. For this reason the pharmacological approach using agonists of the MC4R was not further pursued.


As an alternative we tried systemic treatment with salmon-Calcitionin (sCT) which had been shown to exert at least a short-term effect (Eiden et al. 2002). First, different treatment protocols were examined with the aim to obtain more protracted anorectic effects in adult MC4R-deficient mice. As a pilot study we treated homozygous and heterozygous MC4R-deficient mice for one day with different doses and under different environmental conditions. The treatment of heterozygous mice with sCT showed a decrease of energy intake increasing with the dose, when the animals had access to a palatable high-caloric diet. The ambient temperature did not have any influence on the effect of the sCT-treatment. Homozygous MC4R-deficient mice with access to an additional palatable high-caloric diet did not show a dose dependent effect but on the whole the influence of the genotype on the sCT-effect could not be confirmed, while the sex difference was found to be significant with sCT-injections showing a stronger effect on female animals.


In adult heterozygous mice with MC4R-deficiency sCT treatment was effective only over a short period, even when combined with leptin. This suggested for adult animals an irreversible disturbance of the central peptide system regulating the energy balance. For this reason sCT treatment of the heterozygous mice with MC4R-deficiency was started immediately after weaning (day 21) under the premise that disturbances existing at that time might be still reversible. Because continuous long-term treatment of young animals had no lasting influence on the development of body fat content the effects of intermittent sCT-injection was tested. The rationale of this treatment protocol was that the development of counter regulatory mechanisms could be interrupted by the sequence of treating and resting faces. After a test run of this protocol in adult C57Bl/6J mice, heterozygous young animals with MC4R-deficiency were treated that way. While an influence of the intermittent treatment with sCT on the body composition could be confirmed until the day 56, this effect had disappeared after 96 treatment days. As the result of this study, choosing a particular treatment protocol was shown to prolong the sCT action more than five-fold, although not indefinitetly. From this partial success it is concluded that intermittent treatment seems to be the right approach because it takes into account central counter regulation as a process responsible for the short-term decline of continuous sCT treatment effects. Refining the treatment protocol and combining it with additional dietary or pharmacological treatments might be a way to further prolong the retardation of obesity development.