Hui-Ting Huang

1 Departamentul de Științe ale Vieții, Colegiul de Bioștiință și Biotehnologie, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

Sheng-Feng Tsai

2 Departamentul de Biologie și Anatomie Celulară, Institutul de Științe Medicale de Bază, Colegiul de Medicină, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

Hung-Tsung Wu

3 Departamentul de Medicină de Familie, Spitalul Național Cheng Kung, Colegiul de Medicină, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

Hsin-Ying Huang

4 Institutul de Inginerie Biomedică și Nanomedicină, Institutele Naționale de Cercetare în Sănătate, Zhunan, Miaoli Taiwan

Han-Hsueh Hsieh

1 Departamentul de Științe ale Vieții, Colegiul de Bioștiință și Biotehnologie, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

Yu-Ming Kuo

2 Departamentul de Biologie și Anatomie Celulară, Institutul de Științe Medicale de Bază, Colegiul de Medicină, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

Po-Vezi Chen

5 Departamentul de Psihiatrie, Spitalul Național Cheng Kung, Colegiul de Medicină, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

Chung-Shi Yang

4 Institutul de Inginerie Biomedică și Nanomedicină, Institutele Naționale de Cercetare în Sănătate, Zhunan, Miaoli Taiwan

Shun-Fen Tzeng

1 Departamentul de Științe ale Vieții, Colegiul de Bioștiință și Biotehnologie, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

Date asociate

Seturile de date ale acestui studiu sunt disponibile la cerere de la autorul corespunzător.

Abstract

fundal

Inflamația hipotalamică, inclusiv astroglioză și activarea microgliei, apare după administrarea unei diete bogate în grăsimi (HFD) la modelele de rozătoare sau la persoanele obeze. Cu toate acestea, rămâne neclar efectul hrănirii HFD cronice asupra oligodendrocitelor (OLG), o populație glială producătoare de mielină din sistemul nervos central (SNC). În acest studiu, am folosit șoareci masculi C57BL/6 de 8 săptămâni hrăniți de HFD timp de 3-6 luni pentru a induce obezitatea cronică.

Rezultate

Analiza de imagistică prin microscopie electronică de transmisie a arătat că integritatea mielinei hipotalamice a fost întreruptă după alimentarea cu HFD timp de 4 și 6 luni. Mai mult, acumularea de Iba1 + -microglia cu o formă hipertrofică amoeboidă a fost observată continuu în nucleul arcuit al șoarecilor hrăniți cu HFD pe parcursul întregii perioade de timp de hrănire. Interleukina-33 (IL-33), o alarmină tisulară la rănirea SNC, a fost detectată cu un nivel crescut în hipotalamus după hrănirea cu HFD timp de 3 și 4 luni. Mai mult, studiul in vitro a indicat faptul că expunerea OLG-urilor mature la structura celulară OLG afectată de IL-33 împreună cu o scădere a expresiei proteinei bazice de mielină.

Concluzii

În total, constatările noastre demonstrează că hrănirea cronică cu HFD declanșează întreruperea hipotalamică a mielinei însoțită de reglarea în sus a IL-33 și activarea microgliană prelungită în hipotalamus. Având în vedere că adăugarea de IL-33 exogenă a fost dăunătoare pentru maturarea OLG-urilor, o creștere a IL-33 prin hrănirea cronică cu HFD ar putea contribui la inducerea întreruperii hipotalamice a mielinei.

Material suplimentar electronic

Versiunea online a acestui articol (10.1186/s12868-019-0516-6) conține materiale suplimentare, care sunt disponibile utilizatorilor autorizați.

fundal

Obezitatea cauzată de un aport alimentar excesiv și de o cheltuială insuficientă de energie a apărut ca un factor critic major pentru dezvoltarea bolilor cardiovasculare și a sindromului metabolic. Leziunile neuronilor din sistemul nervos central (SNC) induse de obezitate și integritatea barierei hematoencefalice (BBB) ​​crește riscul de a induce accident vascular cerebral și boala Alzheimer [1, 2]. Având în vedere că hipotalamusul este responsabil pentru reglarea aportului de alimente și a consumului de energie prin acțiunea leptinei și insulinei [3], menținerea în homeostazie a funcțiilor neuronale și gliale hipotalamice este importantă pentru a preveni dezvoltarea bolilor asociate obezității.

O inflamație de grad scăzut în țesuturile periferice ale persoanelor obeze au fost bine abordate [4-7]. Inflamația hipotalamică apare și la modelele animale modificate genetic de obezitate sau animale cu hrană bogată în grăsimi (HFD) [5, 8-10]. S-a raportat că s-a observat o creștere a citokinelor și chemokinelor proinflamatorii (adică IL-1β, TNF-α și IL-6) în hipotalamus la punctele de timp acute (ore) și subacute (săptămâni) după alimentarea cu HFD [ 11, 12]. Activitatea microgliei și astrocitelor, denumită glioză, a fost cunoscută ca jucând un rol critic în reglarea rezistenței induse de HFD la leptină și insulină în companie cu perturbarea homeostaziei energetice [11-14]. Pierderea oligodendrocitelor (OLG), o populație glială producătoare de mielină în sistemul nervos central (SNC), a fost detectată în măduva spinării la 7 săptămâni după hrănirea cu HFD [15]. Cu toate acestea, se știe puțin despre răspunsul OLG hipotalamic la hrănirea cronică cu HFD.

Scopul acestui studiu a fost de a examina răspunsul OLG hipotalamice la hrănirea cronică HFD utilizând modelul nostru animal stabilit de tulburări metabolice prin hrănirea HFD pentru a induce rezistența la insulină și perturbarea metabolismului lipidic [16]. Studiul a arătat mai întâi întreruperea microstructurii mielinei în zona hipotalamică laterală posterioară la ultimele momente de timp ale alimentării cu HFD. Alternativ, interleukina-33 (IL-33) acționează ca o alarmină celulară [17] și sa raportat că IL-33 este un factor critic pentru dezvoltarea SM prin inhibarea mielinizării SNC [18]. Interesant, am constatat că IL-33 a fost crescută în OLG hipotalamice și astrocite după hrănirea cronică cu HFD. Împreună cu studiul nostru in vitro conform căruia expunerea OLG-urilor mature la IL-33 a indus leziuni ale morfologiei OLG, descoperirile sugerează că afectarea microstructurii mielinei în hipotalamus după hrănirea HFD ar putea fi cauzată parțial de acțiunea moleculelor IL-33 crescute cu hrănirea cronică HFD.

Rezultate

Schimbarea cronică a HFD indusă de hrana microstructurii hipotalamice a mielinei

bogată

Întreruperea structurii hipotalamice a mielinei indusă de hrănirea cronică cu HFD. A Secțiunile de țesut cerebral colectate de la șoareci care au primit hrănire Chow și HFD timp de 4 luni, și apoi supuse imunofluorescenței pentru MBP (roșu) și Olig-2 (verde). De asemenea, s-a efectuat contracolorarea nucleară DAPI (albastru). b Proteinele totale au fost preparate din țesuturile hipotalamice colectate de la animale care au primit Chow sau HFD timp de 4 luni și apoi au fost supuse analizei Western blot pentru măsurarea MBP, PLP și β-actină (controlul încărcării). S-a realizat cuantificarea nivelului hipotalamic de MBP și PLP normalizat de nivelul relativ de β-actină. Rezultatele sunt prezentate ca medie ± SEM (n = 5 animale pentru fiecare punct de timp). * p 1 e, săgeți). Deoarece integritatea structurii mielinei în regiunea hipotalamică a fost mai puțin afectată de hrănirea HFD la 3 luni (Dosar suplimentar 1: Fig. S2), am urmat să examinăm dacă retragerea HFD în acest moment poate preveni perturbarea structurii mielinei în hipotalamus . Astfel, am efectuat experimentele că șoarecii din grupul de sevraj HFD au fost hrăniți de HFD în primele 3 luni și apoi de Chow pentru alte 3 luni (Fig. 1 d). Greutatea lor corporală a scăzut semnificativ după ce dieta a fost schimbată în Chow (Fișa suplimentară 1: Fig. S3A). Mai mult, aportul lor de apă și consumul de alimente au revenit la nivelul grupului Chow mult mai târziu (Fișa suplimentară 1: Fig. S3B și C). În plus, structura mielinei din țesutul hipotalamic derivat din grupul de retragere HFD a fost la fel de compactă ca cea observată în grupul Chow (Fig. 1 e). Aceste rezultate arată că hrănirea cronică cu HFD poate deteriora microstructura hipotalamică a mielinei și această perturbare poate fi prevenită prin schimbarea HFD la dieta normală la momentul anterior.

Activarea microgliei în ARC hipotalamic prin hrănirea cronică cu HFD

IL-33 induce schimbarea morfologică a oligodendrocitelor. A OLG-urile mature au fost expuse la 10 ng/ml de IL-33 timp de 24 de ore și apoi supuse imunofluorescenței (roșu) folosind anti-MBP însoțit de contracolorare nucleară DAPI (albastru). Rețeaua interconectată a proceselor OLG împreună cu o formă mică a celulei a fost rănită după expunerea la IL-33 (săgeți). Forma complexă a rețelei OLG-urilor în cultura de control este indicată de vârfuri de săgeată. În plus, MBP + -OLGs în culturile tratate cu vehicul și IL-33 au fost cuantificate. Dimensiunea celulei MBP + -OLGs a fost măsurată utilizând software-ul de analiză NIH ImageJ. b Proteinele totale au fost preparate din culturile tratate cu vehicul și IL-33. Probele au fost supuse analizei Western blot pentru măsurarea MBP. Datele sunt prezentate ca medie ± SEM a celor trei experimente independente. ** p + -OLGs în hipotalamusul șoarecilor obezi nu a fost evident, este interesant să se determine în continuare mecanismele implicate în leziunea structurii hipotalamice a mielinei și în dezechilibrul metabolic al OLG hipotalamice în obezitatea cronică. În plus, recuperarea funcției neuronale împreună cu conservarea integrității mielinei prin retragerea HFD trebuie să fie dezvăluite în continuare.

Concluzii

Pe scurt, este primul studiu care demonstrează că întreruperea hipotalamică a mielinei și reglarea ascendentă a IL-33 derivată din glia au fost asociate cu obezitatea indusă de HFD. Viitorul nostru studiu este de a diseca rolul IL-33 în neuropatogeneza hipotalamică asociată cu hrănirea cronică a HFD.

Metode

Animale

Toate experimentele pe animale au fost efectuate în conformitate cu Ghidurile ARRIVE (Animal Research: Reporting In Vivo Experiments). Îngrijirea și utilizarea animalelor a fost aprobată de Comitetul Național Cheng Kung al Institutului instituțional de îngrijire și utilizare a animalelor, Tainan, Taiwan (numărul aprobării IACUC: 106060). Șoareci masculi C57BL/6 în vârstă de opt săptămâni (19,91 ± 0,29 g) au fost obținuți de la Centrul Național de Animale de Laborator al Universității Cheng Kung (http://www.ncku.edu.tw/animal/eng/nckulac.html) și au fost plasați în cuști individuale (o pereche pe cușcă) cu acces gratuit fie la dieta normală (Laboratory Rodent Diet # 5001; LabDiet, St. Louis, MO, SUA), fie la HFD (Rodent Purified Diet # 58Y1; TestDiet, St. Louis, MO, SUA). Șoarecii au fost hrăniți prin dietă normală sau HFD (Fișa suplimentară 1: Tabelul S1) pentru perioade de timp distincte (3, 4 și 6 luni). HFD conține 61,6% kcal din grăsimi, 18,1% din proteine ​​și 20,3% din carbohidrați. Animalele au fost adăpostite (2 animale într-o cușcă) în condiții standard de cameră (temperatura camerei: 23 ± 2 ° C; umiditate: 58 ± 2%; ciclu de 12 ore lumină/întuneric) cu acces gratuit la alimente și apă ad libitum. Animalele au fost sacrificate în diferite momente de timp (Fișa suplimentară 1: Tabelul S1), prin injectare intraperitoneală (i.p.) cu Zoletil 50 (Virbac Taiwan Co., Ltd.; diluare 5X în soluție salină, 0,05-0,06 ml/10 g).

Pregătirea celulelor precursoare oligodendrocitare primare (OPC)

Analiza Western blot

Celulele au fost lizate în tampon de liză (1% tritonX-100, 0,05% Tween-20 în PBS) conținând un cocktail inhibitor de protează (Thermo Scientific, Cat # 78443). Țesuturile hipotalamice au fost îndepărtate de la animale și lizate prin reactivul de extracție a proteinelor tisulare T-PER (Thermo Scientific, Cat # 78510) care conține un cocktail inhibitor de protează. 100 μg de proteine ​​totale au fost încărcate pe 10 sau 15% SDS-PAGE și transferate la o membrană de nitroceluloză. Membranele nitrocelulozice au fost imunoblotate peste noapte la 4 ° C cu anticorpi primari (Tabelul 1). Membrana a fost apoi incubată cu anticorpi secundari conjugați cu peroxidază timp de 60 min la temperatura camerei. Proteinele imunoreactive au fost detectate folosind regent ECL și vizualizate cu filme Super RX-NC (Fuji, Japonia). Substratul chemiluminiscent îmbunătățit Western Lightning ® Plus-ECL provine de la PerkinElmer Life Sciences (Boston, MA, SUA).

tabelul 1

Lista anticorpilor din studiu pentru imunofluorescență sau analiza western blot