Untersuchungen zur Interaktion von Ghrelin und Cholezystokinin (CCK) bei der Appetitregulation

Abstract

Das Nahrungsverhalten bei Mensch und Tier wird über komplexe periphere als auch zentrale Mechanismen reguliert, die über die sogenannte Brain-Gut-Axis kommunizieren. Zu den peripheren Signalen gehören u.a. die aus dem Gastrointestinaltrakt sezernierten Peptidhormone Ghrelin und Cholezystokinin (CCK), die beide einen antagonistischen Effekt hinsichtlich der Nahrungsaufnahme ausüben. Das Ziel dieser Studie war es, die Interaktion zwischen dem orexigen wirkenden Ghrelin und dem anorexigen wirkenden CCK in nicht gefasteten Ratten zu untersuchen. Nach simultaner intraperitonealer Applikation beider Peptide wurde einerseits die kumulative Nahrungs-aufnahme über einen Messzeitraum von zwei Stunden beobachtet, andererseits erfolgte eine Darstellung der neuronalen Aktivierung mittels c-Fos-Immunhistochemie im Hypothalamus (ARC, PVN) und im Hirnstamm (NTS). In der Verhaltensbiologie steigerte die intraperitoneale Injektion von Ghrelin (13 μg/kg) im Vergleich zur Vehikelgruppe bereits innerhalb der ersten halben (~ 2,3-fach) und der ersten Stunde (~ 2,1-fach) signifikant die Nahrungsaufnahme (nach 30 min: Mittelwert ± SEM = 2,89 ± 1,04 vs. 1,23 ± 0,52 g/kg, p = 0,028; nach einer Stunde: 3,83 ± 1,15 vs. 1,84 ± 0,73 g/kg, p = 0,044). Die Applikation von CCK- 8S (2 und 25 μg/kg) führte verglichen mit der Injektion von Ghrelin innerhalb der ersten 30 min zu einer signifikanten  4,3-, bzw.  57,8-fachen Reduktion der Nahrungsaufnahme (2 μg/kg: 0,68  0,4 g/kg, p = 0,004; 25 μg/kg: 0,05  0,05 g/kg, p = 0,0002). Nach dem Messzeitraum von einer Stunde nahmen nur noch die mit Vehikel + 25 μg/kg CCK behandelten Tiere signifikant weniger Nahrung auf als die Ghrelin-Gruppe (0,31 ± 0,26 g/kg, p = 0,005). Die gleichzeitige Applikation von Ghrelin (13 μg/kg) und CCK (2 oder 25 μg/kg) führte gegenüber der Ghrelin-Gruppe innerhalb des gesamten Beobachtungszeitraums zu einem signifikant verminderten Essverhalten (nach 30 min: Ghrelin + 2 μg/kg CCK: 0,22 ± 0,13 g/kg, p = 0,001 und Ghrelin + 25 μg/kg CCK: 0,33 ± 0,23 g/kg, p = 0,0008; nach einer Stunde: Ghrelin + 2 μg/kg CCK: 0,22 ± 0,13 g/kg, p < 0,0008 und Ghrelin + 25 μg/kg CCK: 0,65 ± 0,42 g/kg, p = 0,0016; nach zwei Stunden: Ghrelin + 2 μg/kg CCK: 0,83 ± 0,72 g/kg, p = 0,009 und Ghrelin + 25 μg/kg CCK: 1,32 ± 0,82 g/kg, p = 0,015). Im immunhistologischen Teil der Arbeit induzierte die intraperitoneale Applikation von Ghrelin (13 μg/kg) im Vergleich zur Vehikelgruppe eine robuste neuronale Aktivierung im ARC (Median der c-Fos-positiven Neurone pro Hirnschnitt: 31,35 vs. 9,86, p = 0,0001). Beide CCK-8S Dosen (2 und 25 μg/kg) stimulierten eine geringe Anzahl von ARC- Neuronen (Median der c-Fos-positiven Neurone/Gehirnschnitt: 5,33 und 11,21). Nach gemeinsamer Gabe von Ghrelin (13 μg/kg) und CCK (2 und 25 μg/kg) wurde die Ghrelin-stimulierte c-Fos-Expression im ARC supprimiert (Median der c-Fos- positiven Neurone/Gehirnschnitt: 13,33 und 12,86). Die durch CCK-induzierten c -Fos-Aktivierungen im PVN und im NTS blieben durch Ghrelin unbeeinflusst. Diese Ergebnisse sowohl aus der Verhaltens- als auch aus der Molekularbiologie demonstrieren, dass die intraperitoneale simultane Gabe von Ghrelin und CCK die Ghrelin- induzierte Nahrungsaufnahme und die ebenfalls Ghrelin-stimulierte c-Fos-Expression im ARC unterdrückt. Die durch peripheres CCK stimulierte Neuronenaktivierung im PVN und im NTS hingegen wurde nicht durch Ghrelin beeinflusst. Diese Ergebnisse sprechen für eine Beteiligung von ARC-Neuronen sowohl an der Übermittlung der Ghrelin-induzierten Steigerung in der Nahrungsaufnahme als auch an der durch peripheres CCK vermittelten inhibierenden Wirkung auf die Ghrelin-stimulierte Zunahme der Nahrungsmenge. Welche genaueren Mechanismen für diese beschriebenen Auswirkungen verantwortlich sind, ist unbekannt. Viele Netzwerke verschiedener Neurotransmitter und anderen peripheren Signalen scheinen an dieser Interaktion zwischen Ghrelin und CCK involviert zu sein. Eine zentrale Rolle scheinen orexigene NPY-enthaltene Neurone zu spielen, welche sowohl von Ghrelin als auch von CCK Informationen erhalten. Inwieweit der Einfluss von peripherem CCK auf die Ghrelin-induzierten Änderungen im Nahrungsverhalten und in der Neuronenaktivität im Hypothalamus über periphere Afferenzen wie der N.vagus, über zentrale Mechanismen oder über beide Signalwege vermittelt wird, ist in weiteren Studien zu untersuchen.

The ingestive behaviour of animals and human beings is regulated by various peptide hormones. Among these, there exist short- and long-term mediated signals, which induce either initiation or termination of meals. Furthermore, central mechanisms may also be involved. Therefore, it is assumable that complex mechanisms between the periphery and the central nervous system are responsible for food regulation, based on the brain-gut-axis . Ghrelin and Cholecystokinin (CCK) belong to the peripheral short-term regulators of food intake and satiety. Both peptide hormones derive from the gastrointestinal tract and exert antagonistic effects on ingestive behaviour. The aim of this study was to investigate interactions between the orexigenic ghrelin and the anorexigenic CCK after simultaneous intraperitoneal injection of both peptides to non-fasted rats. Focuses of interests were the effects on food intake (observed time period: 2 h) and neuronal activity in the hypothalamus (ARC, PVN) and brainstem (NTS), which has been assessed by c-Fos-like immunoreactivity (c-FLI). 13 μg/kg bdy wt. (body weight) Ghrelin injected intraperitoneally significantly increased food intake within the first half (~ 2.3-fold) and next half hour (~ 2.1-fold) compared to the vehicle group (after 30 min: mean ± SEM: 2.89 ± 1.04 g/kg vs. 1.23 ± 0.52 g/kg, p = 0.028; after 1 h: 3.83 ± 1.15 g/kg vs. 1.84 ± 0.73 g/kg, p = 0.044). The animals treated with CCK-8S (2 and 25 μg/kg) significantly ate less than the ghrelin group after 30 min (0.68  0.4 g/kg, p = 0.004 and 0.05  0.05 g/kg, p = 0.0002). So did only the 25 μg CCK-8S/kg treated group after 1 h (0.31 ± 0.26 g/kg, p = 0.005). Ghrelin (13 μg/kg) and CCK-8S (2 or 25 μg/kg) administered simultaneously blocked the orexigenic effect of ghrelin. Within the entire observed time period of 2 h the food intake of these animals significantly decreased in comparison to the ghrelin group (after 30 min: ghrelin + 2 μg/kg CCK-8S: 0.22 ± 0.13 g/kg, p = 0.001 and ghrelin + 25 μg/kg CCK-8S: 0.33 ± 0.23 g/kg, p = 0.0008; after 1 h: ghrelin + 2 μg/kg CCK-8S: 0.22 ± 0.13 g/kg, p = 0.0008 and ghrelin + 25 μg/kg CCK-8S: 0.65 ± 0.42 g/kg, p = 0.0016; after 2 h: ghrelin + 2 μg/kg CCK-8S: 0.83 ± 0.72 g/kg, p = 0.009 and ghrelin + 25 μg/kg CCK-8S: 1.32 ± 0.82 g/kg, p = 0.015). Intraperitoneally injected ghrelin (13 μg/kg) definitively increased the number of c-FLI positive neurons/section in the Nucleus arcuatus (ARC) compared to the vehicle group (median: 31.35 vs. 9.86, p = 0.0001). Both applicated concentrations of CCK-8S hardly induced neuronal activation in the ARC (2 μg/kg: 5.33 and 25 μg/kg: 11.21 c-FLI positive neurons/section). The simultaneous injection of ghrelin and CCK-8S blocked the ghrelin-mediated increase of c-Fos expression in this brain area (ghrelin + 2 μg/kg CCK-8S: 13.33 and ghrelin + 25 μg/kg CCK-8S: 12.86 c-FLI positive neurons/section). The CCK-8S-stimulated c-Fos expression in the Nucleus paraventricularis (PVN) and the Nucleus tractus solitarius (NTS) was not affected by peripheral ghrelin. These results show that after simultaneous intraperitoneal administration of both peptides CCK inhibits ghrelin-induced food intake as well as suppresses ghrelin-stimulated c-Fos expression in the ARC. Apparently, CCK seems to abolish ghrelin-mediated increase of food intake through inhibiting neuronal activation in the ARC. Which specific mechanisms cause these observations remains unknown. Many networks between different neurotransmitters and other peripheral signals may play a role in the interactions between ghrelin and CCK. Anyway, both peptides have effect in the central nervous system, either after passing the blood-brain-barrier or mediating by the N.vagus or being mediated by a combination of both pathways. The central targets could be orexigenic NPY-neurons, which receive information from both ghrelin and CCK. After processing these signals, an appropriate ingestive behaviour will appear. More investigations are needed for a better understanding of ingestive behaviour.