Hypothalamische Glukose und Nahrungsaufnahme: eine Mikrodialysestudie

Abstract

Die Nahrungsaufnahme steht in enger Beziehung zum Ernährungsstatus des Organismus, welcher durch die Verfügbarkeit von Energie, unter anderem in Form von Glukose, charakterisiert ist. Es ist seit langem bekannt, dass ein Abfall des Blutglukosespiegels ein wirksamer Auslöser von Nahrungsaufnahme ist. Dagegen ist bisher nur wenig bekannt über Nahrungsaufnahme bedingte Änderungen zerebraler Glukosekonzentrationen. Im Hypothalamus und im Hirnstamm sind Neurone lokalisiert, die auf Schwankungen des extrazellulären zerebralen Glukosespiegels mit einer Änderung der Frequenz ihres Aktionspotentials reagieren. Interessanterweise sind diese Neurone eng mit weiteren hypothalamischen Kerngebieten verknüpft, welche an der Kontrolle von Nahrungsaufnahme beteiligt sind. Die Fähigkeit dieser Neurone auf sich ändernde extrazelluläre Glukosekonzentrationen zu reagieren, wurde kürzlich im Zusammenhang mit der Initiierung der Nahrungsaufnahme diskutiert. Das Ziel der vorliegenden in vivo Mikrodialysestudie war es, Änderungen der extrazellulären Glukosekonzentrationen im VMH von Ratten in Abhängigkeit von der Nahrungsaufnahme zu untersuchen. Hierfür wurden zunächst die absoluten Glukosekonzentrationen im VMH nichtfutterdeprivierter und futterdeprivierter Ratten mittels der ZNF-Mikrodialyse bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die extrazellulären Glukosekonzentrationen im VMH nichtfutterdeprivierter Ratten höher sind (1,43 mM), als bei Ratten nach einer vorausgegangenen 24-stündigen Futterdeprivation (0,94 mM). Ergänzend dazu wurden an nichtfutterdeprivierten Vergleichstieren die Blutglukosekonzentrationen bestimmt und mit den absoluten Glukosekonzentrationen im VMH verglichen. Wie erwartet sind die Konzentrationen von Glukose im Blut der Vergleichstiere deutlich höher als die extrazellulären Glukosekonzentrationen im VMH der Versuchstiere. Um den Einfluss von Nahrungsaufnahme auf den Verlauf hypothalamischer Glukosekonzentrationen zu untersuchen, wurden die relativen Änderungen des Konzentrationsverlaufes von Glukose im VMH im Vergleich zu einem Ausgangsniveau (Basislinie) bestimmt. Dafür erfolgten die Experimente unter verschiedenen Fütterungsbedingungen (mit Futter/ohne Futter) und in Abhängigkeit vom Fütterungsstatus (nicht-futterdepriviert/futterdepriviert). Da Ratten vorwiegend nachtaktiv sind, wurden die Experimente unter Berücksichtigung des natürlichen Tag-/Nachtrhythmus der Tiere durchgeführt. Die Versuche begannen 90 Minuten vor und endeten 120 Minuten nach Beginn der Dunkelphase. Während die Untersuchungen des Zeitraumes vor Beginn der Nahrungsaufnahme nur geringfügige Hinweise auf Veränderungen des Konzentrationsverlaufes von Glukose im VMH liefern, belegen die Ergebnisse dieser Studie eindeutig, dass die extrazellulären Glukosekonzentrationen im VMH von Ratten nach Nahrungsaufnahme signifikant ansteigen und dieser Anstieg durch eine vorausgegangene Futterdeprivation noch verstärkt werden kann. Interessant ist hierbei, dass der beobachtete nahrungsbezogene Anstieg in keinem linearen Bezug zu der von den Tieren aufgenommenen Futtermenge steht. Weiterhin wurde verglichen, ob und inwiefern sich in Abhängigkeit von der Nahrungsaufnahme Veränderungen der hypothalamischen Glukosekonzentrationen vom Verlauf des Blutglukosespiegels unterscheiden. Im Vergleich zu dem deutlichen und raschen Anstieg von Glukose im VMH von Ratten nach Nahrungsaufnahme, treten bei Vergleichstieren im selben Zeitraum keine signifikanten Veränderungen der Blutkonzentrationen von Glukose auf. Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Arbeit Änderungen im Konzentrationsverlauf von extrazellulärem Laktat im VMH untersucht, da dieses Substrat in einem engen Zusammenhang zum Glukosestoffwechsel steht. Unabhängig von dem Fütterungsstatus und von der Futterverfügbarkeit zeigte der Konzentrationsverlauf extrazellulären Laktats im VMH über den gesamten Versuchszeitraum einen deutlichen Anstieg im Vergleich zur Basislinie. Wie bei Glukose steht auch hier der Anstieg bei den Ratten mit Futter in keinem linearen Zusammenhang mit der aufgenommenen Futtermenge. Das Laktat/Pyruvat-Verhältnis dagegen, zeigte über den gesamten Versuchszeitraum keine signifikante Änderung im Vergleich zur Basislinie. Insgesamt konnte anhand der vorliegenden Mikrodialysestudie erstmals ein Zusammenhang zwischen den Glukosekonzentrationen im VMH und der Nahrungsaufnahme demonstriert werden. Nach Beginn der Nahrungsaufnahme zeigte sich ein deutlicher Anstieg der Glukosekonzentration, der durch eine vorausgegangene Futterdeprivation noch verstärkt werden konnte. Während bisher zahlreiche in vitro Studien belegen, dass Änderungen der extrazellulären Glukosekonzentrationen die Aktivität bestimmter Neuronenpopulationen im VMH beeinflussen können, konnte hier durch eine in vivo Studie nachgewiesen werden, dass derartige Konzentrationsänderungen unter physiologischen Bedingungen tatsächlich auftreten. Die Unterschiede zwischen nicht- futterdeprivierten und futterdeprivierten Ratten weisen darauf hin, dass zwischen dem Ernährungsstatus und dem Anstieg extrazellulärer Glukose im VMH nach Nahrungsaufnahme ein Zusammenhang besteht. Diskutiert wird hier die Beteiligung adaptiver Mechanismen des zerebralen Glukosetransportes an sich ändernde nutritive Bedingungen. Denkbar sind ebenfalls kompensatorische Maßnahmen des Gehirns, beispielsweise in Form von einer Entspeicherung zerebraler Glykogenreserven. Die Ergebnisse deuten außerdem an, dass sich der Konzentrationsverlauf extrazellulärer Glukose im Gehirn nicht in gleicher Weise wie die Blutglukosekonzentration ändert. Das spricht für eine Entkopplung der zerebralen Regulationsmechanismen von der Peripherie, um bei einer drohenden energetischen Unterversorgung primär die Glukoseversorgung des Gehirns zu sichern. Die Zusammenhänge zwischen Nahrungsaufnahme, zerebralen Glukosekonzentrationen und den beteiligten Mechanismen und deren physiologische Bedeutung erscheinen äußerst komplex. Die physiologische Bedeutung der in dieser Studie nachgewiesenen Änderung hypothalamischer Glukosekonzentrationen könnte in der Beeinflussung neuronaler Genexpression sowohl von orexigenen als auch von anorexigenen Faktoren liegen. Derartige Effekte sind bereits unter in vitro Bedingungen nachgewiesen worden.

Food intake is related to the nutritional state of the organism, which is characterized by the availability of energy, partly in form of glucose. It is known for decades that a fall in blood glucose level is a potent stimulus to initiate food intake, but little is known so far about feeding related changes in brain glucose concentrations. There are neurons in the hypothalamus and in the brain stem, which change their action potential frequency in response to changes in ambient extracellular glucose concentrations. Interestingly, these neurons are linked to other hypothalamic structures, which are involved in the control of food intake. The ability of neurons to response to changing local glucose concentrations has been discussed recently with regard to the control of ingestive behavior. The aim of the present in vivo microdialysis study was to describe the relation between feeding and changes in glucose concentrations in the VMH of rats. First, the method of ZNF microdialysis was used to evaluate interstitial glucose concentrations in VMH under baseline conditions, both in food deprived and non-deprived rats. The results demonstrate that in fed animals absolute glucose levels in the VMH are higher (1,43 mM) compared to rats after a 24-h food deprivation (0,94 mM). Additionally, a control group of non-deprived rats was used to measure blood glucose in order to compare VMH and blood glucose concentrations. As expected blood glucose concentration in control rats was significantly higher compared to interstitial glucose concentration observed in the VMH of non-deprived rats. To examine whether feeding influences hypothalamic glucose, changes of glucose concentration over time were determined relative to a baseline. Experiments were conducted in relation to both, nutritional state (food deprived rats / non-deprived rats) and feeding conditions throughout the experiment (free feeding rats / rats without access to food). The experimental design took into account that rats are mainly nocturnal animals and start to feed shortly after beginning of the dark phase. Therefore, experiments enclosed light and dark phase. Sampling of microdialysates started 90 Minutes before and ended 120 Minutes after beginning of the dark phase of the experiment. Whereas no significant alterations in VMH glucose concentration before meal initiation were observed in the light phase of the experiment, the results of this microdialysis study show clearly that glucose level in the VMH of rats increase significantly in relation to food intake. The data demonstrate that food intake following a 24-h food deprivation further augments this increase as compared to non- deprived conditions. However, food related increase in VMH glucose does not correlate with the individual amount of food intake. In addition, feeding related changes in VMH glucose and blood glucose over time have been compared. Whereas hypothalamic glucose increased significantly during feeding, blood glucose concentrations of free feeding control animals did not change significantly over the same experimental period. Since lactate is closely linked to glucose metabolism, alterations in interstitial lactate concentrations in the VMH were examined. Independent of both, nutritional state and feeding conditions, hypothalamic lactate level in the VMH of rats increased significantly compared to baseline over the whole time of the experiment. As with glucose, the increase in interstitial lactate in the VMH of free feeding rats did not correlate with meal size. In contrast, lactate /pyruvate-ratio did not change significantly compared to baseline over the time of the experiment. In conclusion, the present study shows for the first time that ventromedial hypothalamic glucose concentrations increase with food intake. After meal initiation a significant increase in glucose was observed, which could be intensified by a preceding food deprivation. Although numerous in vitro studies have demonstrated that changes in ambient extracellular glucose concentrations influence the action potential frequency of hypothalamic neurons, the present in vivo microdialysis study provides evidence that such changes actually occur under physiological conditions. Results further indicate that the feeding related increase in VMH glucose depends on the nutritional state of the organism. Adaptive adjustments of brain glucose transporters to a changing nutritional status or/and compensatory responses of the brain, e.g. mobilization of brain glycogen reserves to sustain cerebral function, may possibly be involved. The data further indicate that feeding related alterations in cerebral glucose concentration over time do not parallel changes in blood glucose level. This is evidence to suggest that mechanisms regulating glucose supply in the brain are dissociated from that in the periphery, possibly to ensure predominantly glucose supply of the brain when energy levels are diminished. The nature of the relation between food intake, hypothalamic glucose concentrations and involved regulatory mechanisms as well as their physiological importance appears to be complex. The present study demonstrates that changes in hypothalamic glucose concentrations occur in relation to food intake. One of the mechanisms by which brain glucose acts on feeding behavior could be by inducing gene expression of both, orexigenic and anorexigenic peptides, as suggested by in vitro studies. It was important, therefore, to demonstrate with the present study that hypothalamic glucose changes in relation to feeding under in vivo conditions.