Characterization of the nature and consequence of the microglia response to high fat diet

Abstract

Obesity is a disease affecting millions of people worldwide. In adipose tissue, obesity leads to chronic low-level inflammation mediated by infiltrating macrophages, which ultimately results in insulin resistance. Recent work exploring the effects of obesity and metabolic disease on the central nervous system (CNS) revealed that long-term high fat diet (HFD) leads to brain inflammation and leptin resistance in the hypothalamus. Microglia, the brain’s intrinsic immune cells, play an essential role in physiological brain functions, including pruning of neuronal synapses and regulation of brain development, and respond to disease or injury to the CNS. Fitting with the notion that diets high in fat content are harmful to the brain, an altered microglia phenotype was detected in the hypothalamus of rats as early as 3 days after the start of HFD. The first aim of this thesis was to further elucidate the response of microglia to short-term and prolonged HFD exposure. The analyses of whole hypothalamic tissue and isolated microglia of HFD-fed mice revealed a distinct response of microglia to diet, including a shift in the microglia gene expression profile from pro-inflammatory in response to short-term HFD exposure to an anti-inflammatory or rather subdued phenotype following prolonged HFD. To dissect the role hypothalamic microglia might play in the regulation of body weight homeostasis, the CD11b-HSVTK mouse model was used, which allows for a specific and inducible depletion of microglia. Following microglia depletion, endogenous microglia are replaced by bone marrow-derived myeloid cells. This process appears to induce metabolic changes in CD11b-HSVTK mice that are independent of the diet such that microglia- depleted CD11b-HSVTK mice displayed a reduced body weight compared to wild- type mice when fed with either chow or HFD. From the performed analyses it can be concluded that the body weight phenotype is due to the phenomenon of myeloid cell repopulation that is taking place in microglia-depleted mice. Taken together, the response of microglia to diets high in fat is not solely pro-inflammatory, but changes over prolonged exposure to HFD, which may represent a neuroprotective response. This shift in the microglia response should be further explored, and kept in mind when devising CNS-targeted treatment strategies for obesity. Moreover, the function microglia may exert in the regulation of body weight homeostasis in the hypothalamus remains unclear and requires further investigation.

Übergewicht ist weltweit eines der größten Gesundheitsprobleme und ein Risikofaktor für chronische Krankheiten wie Diabetes, Herz-Kreislauf- Erkrankungen und Krebs. Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass bei Übergewicht durch Makrophagen ausgelöste Entzündungsprozesse in metabolisch aktiven Organen eine entscheidende Rolle spielen und zu Insulin- und Leptinresistenz führen können. Neben der Entzündung in der Peripherie konnte auch eine mit Übergewicht assoziierte Entzündung im zentralen Nervensystem (ZNS), speziell im Hypothalamus, detektiert werden. Mikroglia, die intrinsischen Immunzellen des Gehirns, spielen eine wesentliche Rolle in der Gehirnentwicklung und bei physiologischen Gehirnfunktionen, einschließlich der Bildung von neuronalen Synapse, und reagieren auf pathologische Prozesse oder Verletzungen des ZNS. Entsprechend der Vorstellung, dass fettreiche Ernährung schädlich für das Gehirn ist, wurde eine Reaktion der Mikroglia bereits 3 Tage nach Beginn einer fettreichen Diät (high fat diet, HFD) im Hypothalamus von Ratten beobachtet. Das erste Ziel dieser Arbeit war es, aufzuklären, auf welche Weise Mikroglia auf HFD reagieren. Die Analyse von Hypothalamusgewebe sowie isolierter Mikroglia aus dem Hypothalamus von HFD gefütterten Mäusen offenbarte eine deutliche Antwort der Mikroglia auf die fettreiche Ernährung. Diese war anfänglich (nach 3 Tagen) geprägt von der Expression pro-entzündlicher Marker, die sich bei längerer Fütterung (8 Wochen) zu einem anti-entzündlichen Expressionsprofil veränderte. Um bestimmen zu können, ob hypothalamische Mikroglia eine Rolle bei der Regulation des Körpergewichts spielen, wurde das CD11b-HSVTK Mausmodell genutzt, welches eine spezifische Depletion der Mikroglia ermöglicht. Das Ausschalten der Mikroglia führt zu einem Einwandern von aus dem Knochenmark stammenden myeloiden Zellen, die die endogenen Mikroglia ersetzen. Dieser Prozess scheint Stoffwechselveränderungen in den CD11b-HSVTK Mäusen auszulösen, die dazu führten, dass diese Mäuse ein geringeres Körpergewicht aufwiesen als die transgen-negativen Kontrolltiere und zwar unabhängig davon, ob sie mit HFD oder Kontrollfutter gefüttert wurden. Aus den durchgeführten Analysen lässt sich schließen, dass der Phänotyp der Veränderung des Körpergewichts auf die Einwanderung der peripheren myeloiden Zellen in das ZNS nach Depletion der endogenen Mikrogliazellen zurückgeführt werden kann. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Reaktion der Mikroglia auf eine fettreiche Ernährung nicht ausschließlich pro-entzündlich, sondern dass sie sich im Laufe einer längeren fettreichen Ernährung verändert und letztlich eine neuro-protektive Rolle übernehmen könnte. Diese funktionelle Verschiebung der Mikroglia-Aktivität gilt es in künftigen Studien weiter zu untersuchen und dies gleichermaßen zu beachten, wenn es darum geht, Behandlungsstrategien zu entwickeln, die darauf abzielen, Mikroglia bei HFD zu manipulieren. Darüber hinaus ist eine mögliche Beteiligung der Mikroglia im Hypothalamus an der Regulation des Körpergewichts weiterhin unklar und sollte Gegenstand weiterer, dezidierter Untersuchungen sein.