Interakcje i funkcje oksytocyny i kisspeptyny u szczurzyc z indukowaną cukrzycą typu 2
Type
Project
Date Issued
2019
Author
Kamil Ziarniak
Discipline
biological sciences
Abstract (PL)
Cele projektu badawczego/Hipoteza badawcza
Otyłość jest jednym z najczęstszych problemów współczesnego świata. Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) otyłość i związane z nią choroby są główną przyczyną zgonów na świecie. Podwyższony BMI jest głównym czynnikiem ryzyka cukrzycy typu 2, chorób sercowo-naczyniowych i niektórych rodzajów raka. W ostatnich latach badania wykazały, że jednym z obiecujących wspomagających redukcję masy ciała może być oksytocyna (OXT). Przez wiele lat OXT była znana ze swojej roli w regulacji porodu i laktacji u ssaków. Dane uzyskane w ostatnich latach wskazują jednak na nowe fizjologiczne role tego hormonu. Dostępna literatura wskazuje, że OXT pełni dodatkową funkcję – bierze udział w regulacji spożycia pokarmu i masy ciała. Co więcej, OXT dostarczana donosowo skutkowała zmniejszeniem spożycie kalorii w przypadku ludzi. Wpływ długotrwałego leczenia OXT na masę ciała oceniano w przypadku zwierząt będących modelami otyłości, takich jak myszy ob/ob i db/db. Głównym celem dla OXT na obwodzie wydaje się być tkanka tłuszczowa. Działanie oksytocyny odnotowano również w przypadku innych tkanek zaangażowanych w kontrolę metabolizmu – trzustki i wątroby. Zarówno OXT, jak i receptory oksytocyny (OXTR) są obecne w trzustce ludzi i szczurów.
Dane opublikowane w ostatnich latach wykazały, że kisspeptyna (KP) może być „łącznikiem” między metabolizmem a funkcjami rozrodczymi. Ekspresja genu KP (Kiss1) w podwzgórzu jest zaburzona zarówno w ujemnym (niedożywienie), jak i dodatnim (otyłość, cukrzyca) bilansie energetycznym. Jednak ekspresja KP nie zachodzi wyłącznie mózgu – kilka badań wykazało jej ekspresję w tkankach obwodowych zaangażowanych w kontrolę metaboliczną (wątroba, trzustka, tkanka tłuszczowa). W świetle powyższych informacji można stwierdzić, że systemy OXT i KP są wrażliwe na sygnały metaboliczne. Co więcej, oba układy ulegają ekspresji w mózgu (podwzgórze) oraz w różnych tkankach obwodowych związanych z metabolizmem i reprodukcją, zaś najnowsze badania wykazały interakcje między OXT i KP w podwzgórzu. Do tej pory wykazano kolokalizację mRNA Kiss1r z neuronami OXT w PVN. W badaniu przeprowadzonym na samcach szczurów stwierdzono, że oksytocyna podawana donosowo w dużej dawce zwiększała ekspresję KP w przednim podwzgórzu o około 400%, podczas gdy ekspresja mRNA kisspeptyny w tylnym podwzgórzu zmniejszała się w sposób zależny od dawki. Na podstawie powyższych informacji, w niniejszym projekcie zostaną przetestowane następujące hipotezy:
Hipoteza 1: Cukrzyca typu 2 (DM2) prowadzi do zmian w ekspresji oksytocyny (OXT) i jej receptorze (OXTR) w podwzgórzu i tkankach obwodowych zaangażowanych w kontrolę metabolizmu (tłuszcz, wątroba i trzustka) u samic szczurów.
Hipoteza 2: Cukrzyca typu 2 zmienia interakcje między OXT i neuronami KP w jądrze przykomorowym (PVN) podwzgórza samic szczurów.
Hipoteza 3: Podawanie OXT szczurzycom z DM2 zmniejsza masę ciała, poprawia profil metaboliczne i hormonalne oraz normalizuje funkcje neuronów OXT i KP.
Metodologia projektu badawczego
Powyższe hipotezy można zweryfikować w procesie realizacji celów badawczych. Po pierwsze, 60-dniowe samice szczurów Wistar (n = 64) zostaną podzielone na dwie grupy: 1) kontrolną (C), otrzymującą standardową dietę i 2) DM2, otrzymującą dietę wysokotłuszczową (50% energii z tłuszczu
Otyłość jest jednym z najczęstszych problemów współczesnego świata. Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) otyłość i związane z nią choroby są główną przyczyną zgonów na świecie. Podwyższony BMI jest głównym czynnikiem ryzyka cukrzycy typu 2, chorób sercowo-naczyniowych i niektórych rodzajów raka. W ostatnich latach badania wykazały, że jednym z obiecujących wspomagających redukcję masy ciała może być oksytocyna (OXT). Przez wiele lat OXT była znana ze swojej roli w regulacji porodu i laktacji u ssaków. Dane uzyskane w ostatnich latach wskazują jednak na nowe fizjologiczne role tego hormonu. Dostępna literatura wskazuje, że OXT pełni dodatkową funkcję – bierze udział w regulacji spożycia pokarmu i masy ciała. Co więcej, OXT dostarczana donosowo skutkowała zmniejszeniem spożycie kalorii w przypadku ludzi. Wpływ długotrwałego leczenia OXT na masę ciała oceniano w przypadku zwierząt będących modelami otyłości, takich jak myszy ob/ob i db/db. Głównym celem dla OXT na obwodzie wydaje się być tkanka tłuszczowa. Działanie oksytocyny odnotowano również w przypadku innych tkanek zaangażowanych w kontrolę metabolizmu – trzustki i wątroby. Zarówno OXT, jak i receptory oksytocyny (OXTR) są obecne w trzustce ludzi i szczurów.
Dane opublikowane w ostatnich latach wykazały, że kisspeptyna (KP) może być „łącznikiem” między metabolizmem a funkcjami rozrodczymi. Ekspresja genu KP (Kiss1) w podwzgórzu jest zaburzona zarówno w ujemnym (niedożywienie), jak i dodatnim (otyłość, cukrzyca) bilansie energetycznym. Jednak ekspresja KP nie zachodzi wyłącznie mózgu – kilka badań wykazało jej ekspresję w tkankach obwodowych zaangażowanych w kontrolę metaboliczną (wątroba, trzustka, tkanka tłuszczowa). W świetle powyższych informacji można stwierdzić, że systemy OXT i KP są wrażliwe na sygnały metaboliczne. Co więcej, oba układy ulegają ekspresji w mózgu (podwzgórze) oraz w różnych tkankach obwodowych związanych z metabolizmem i reprodukcją, zaś najnowsze badania wykazały interakcje między OXT i KP w podwzgórzu. Do tej pory wykazano kolokalizację mRNA Kiss1r z neuronami OXT w PVN. W badaniu przeprowadzonym na samcach szczurów stwierdzono, że oksytocyna podawana donosowo w dużej dawce zwiększała ekspresję KP w przednim podwzgórzu o około 400%, podczas gdy ekspresja mRNA kisspeptyny w tylnym podwzgórzu zmniejszała się w sposób zależny od dawki. Na podstawie powyższych informacji, w niniejszym projekcie zostaną przetestowane następujące hipotezy:
Hipoteza 1: Cukrzyca typu 2 (DM2) prowadzi do zmian w ekspresji oksytocyny (OXT) i jej receptorze (OXTR) w podwzgórzu i tkankach obwodowych zaangażowanych w kontrolę metabolizmu (tłuszcz, wątroba i trzustka) u samic szczurów.
Hipoteza 2: Cukrzyca typu 2 zmienia interakcje między OXT i neuronami KP w jądrze przykomorowym (PVN) podwzgórza samic szczurów.
Hipoteza 3: Podawanie OXT szczurzycom z DM2 zmniejsza masę ciała, poprawia profil metaboliczne i hormonalne oraz normalizuje funkcje neuronów OXT i KP.
Metodologia projektu badawczego
Powyższe hipotezy można zweryfikować w procesie realizacji celów badawczych. Po pierwsze, 60-dniowe samice szczurów Wistar (n = 64) zostaną podzielone na dwie grupy: 1) kontrolną (C), otrzymującą standardową dietę i 2) DM2, otrzymującą dietę wysokotłuszczową (50% energii z tłuszczu
HFD). Po 16 tygodniach otrzymywania odpowiednich diet zwierzętom z grupy DM2 zostanie podana streptozotocyna (toksyna niszcząca trzustkę) w celu wywołania późnego stadium cukrzycy typu 2. Następnie, aby ocenić wpływ podprzewlekłego leczenia OXT na utratę wagi i parametry metaboliczne w obu grupach, zwierzęta będą operowane w celu umieszczenia pomp osmotycznych wypełnionych OXT lub vehiculum (solą fizjologiczną). Podczas eksperymentu zwierzęta będą co tydzień ważone oraz monitorowany będzie u nich rozwój DM2. Po dwóch tygodniach podawania OXT zwierzęta zostaną uśmiercone, a następnie pobrane zostaną krew, mózgi i tkanki obwodowe. Oceniany będzie profil metaboliczny i hormonalny (stężenie insuliny, leptyny, glukozy, oksytocyny i trójglicerydów). Następnie zostaną przeprowadzone analizy takie jak: 1) Ocena ekspresji OXT i OXTR (białko i mRNA) w podwzgórzu, tłuszczu, wątrobie i trzustce szczurzyc DM2 i C (kontrolnych)
2) Ocena interakcji między neuronami KP i OXT u samic szczurów DM2 i C za pomocą immunohistochemii
oraz 3) Ocena, czy leczenie oksytocyną może odwrócić lub złagodzić deficyty w układach OXT i KP (mRNA i białko), obniżyć masę ciała i znormalizować stan metaboliczny i hormonalny szczurzyc z cukrzycą.
Przewidywany wpływ projektu badawczego na rozwój nauki
Wyniki planowanego eksperymentu pomogą lepiej zrozumieć udział peptydów wydzielanych przez neurony KP i OXT w regulacji funkcji metabolicznych. Uzyskana wiedza może potencjalnie zostać wykorzystana w przyszłości w celu wykorzystania OXT i KP w leczeniu cukrzycy. Ponadto, z uwagi na fakt, że większość wyżej wymienionych badań przeprowadzono na samcach gryzoni, względnie niewiele jest danych dotyczących wpływu OXT i KP na samice. W związku z tym istnieje potrzeba opisania sugerowanych przez literaturę różnic płciowych w tym modelu. Wyniki niniejszych badań podstawowych mogą okazać się pomocne w przyszłych projektach dotyczących nowych metod leczenia i/lub profilaktyki cukrzycy i chorób współistniejących.
Przewidywany wpływ projektu badawczego na rozwój nauki
Wyniki planowanego eksperymentu pomogą lepiej zrozumieć udział peptydów wydzielanych przez neurony KP i OXT w regulacji funkcji metabolicznych. Uzyskana wiedza może potencjalnie zostać wykorzystana w przyszłości w celu wykorzystania OXT i KP w leczeniu cukrzycy. Ponadto, z uwagi na fakt, że większość wyżej wymienionych badań przeprowadzono na samcach gryzoni, względnie niewiele jest danych dotyczących wpływu OXT i KP na samice. W związku z tym istnieje potrzeba opisania sugerowanych przez literaturę różnic płciowych w tym modelu. Wyniki niniejszych badań podstawowych mogą okazać się pomocne w przyszłych projektach dotyczących nowych metod leczenia i/lub profilaktyki cukrzycy i chorób współistniejących.
Abstract (EN)
Research project objectives/Research hypothesis
Obesity is the most common problem of the modern world. According to the World Health Organization (WHO) obesity and related noncommunicable diseases are leading causes of death all over the world. Elevated BMI is a major risk factor for type 2 diabetes mellitus, cardiovascular diseases and some types of cancer. In the recent years studies revealed that one of the promising agent in the management of weight loss could be oxytocin (OXT). For many years OXT was known for its role in parturition and lactation in mammals. However, extensive body of data obtained in recent years points out new physiological roles of this hormone. Available data also indicate that OXT has an additional function – it takes part in regulation of food intake and body weight. Moreover, OXT delivered nasally reduced caloric intake in humans. Effectiveness of chronic OXT treatment on weight loss was assessed in various obese rodent models, such as ob/ob and db/db mice. The main target for the OXT treatment on the periphery seems to be the adipose tissue. Oxytocin effects were also reported on other tissues involved in the control of metabolism – pancreas and liver. Both OXT and oxytocin receptors (OXTR) are present in the human and rat pancreas.
Data conducted in recent years showed that kisspeptin (KP) can be a link between metabolic imbalance and reproductive capacity. Hypothalamic KP gene (Kiss1) mRNA expression is disturbed both in a negative (undernutrition) and a positive (obesity, diabetes) energy balance. However, KP expression is not exclusive only to the brain, as several studies showed its presence within the peripheral tissues involved in the metabolic control (liver, pancreas, adipose tissue). In the light of above findings it seems that both OXT and KP systems are sensitive to metabolic cues. Moreover, both systems are expressed in the brain (hypothalamus) and in a variety of peripheral tissues connected to metabolism and reproduction. Importantly, recent studies revealed interactions between OXT and KP in the hypothalamus. To date, co-localization of the Kiss1r mRNA with the OXT neurons in the PVN was shown. In the study conducted on male rats it was found that oxytocin administered nasally at high dose increased KP expression in the anterior hypothalamus by around 400%, whereas treatments dose dependently decreased kisspeptin mRNA in the posterior hypothalamus. Based on the information above, in this project following hypotheses will be tested:
Hypothesis 1: Diabetes type 2 (DM2) leads to alterations in oxytocin (OXT) and its receptor (OXTR) in the hypothalamus and peripheral tissues involved in control of metabolism (fat, liver and pancreas) in female rats.
Hypothesis 2: Diabetes type 2 alters interactions between OXT and KP-neurons in the paraventricular nucleus (PVN) of the hypothalamus in female rats.
Hypothesis 3: Oxytocin treatment in DM2 female rats reduce body weight, improve metabolic and hormonal profiles and normalize functions of OXT and KP neurons.
Research project methodology
Above hypotheses can be verified in the process of fulfilling the research objectives. First, 60 day-old female Wistar rats (n=64) will be divided into two groups: 1) control (C), receiving standard chow and 2) DM2 receiving high-fat diet with 50% of fat (HFD). After 16 weeks of respective dietary regimen, animals from DM2 group will be given streptozotocin (toxin that destroys pancreas) to induce late stage of type 2 diabetes. Next, to assess effects of subchronic treatment with oxytocin on weight loss and metabolic parameters in both groups, animals will be operated in order to place osmotic pumps filled with OXT or vehicle (saline). During the experiment, body weight of the animals will be determined weekly and development of the diabetic state will be monitored. After two weeks of OXT treatment, animals will be sacrificed and blood, brains and peripheral tissues will be harvested. Metabolic and hormonal profile will be assessed (insulin, leptin, glucose, oxytocin and triglyceride levels). Then, following analyses will be performed: 1) Assessment of the expression of OXT and OXTR (protein and mRNA) in the hypothalamus, fat, liver and pancreas in DM2 and C (control) female rats
Obesity is the most common problem of the modern world. According to the World Health Organization (WHO) obesity and related noncommunicable diseases are leading causes of death all over the world. Elevated BMI is a major risk factor for type 2 diabetes mellitus, cardiovascular diseases and some types of cancer. In the recent years studies revealed that one of the promising agent in the management of weight loss could be oxytocin (OXT). For many years OXT was known for its role in parturition and lactation in mammals. However, extensive body of data obtained in recent years points out new physiological roles of this hormone. Available data also indicate that OXT has an additional function – it takes part in regulation of food intake and body weight. Moreover, OXT delivered nasally reduced caloric intake in humans. Effectiveness of chronic OXT treatment on weight loss was assessed in various obese rodent models, such as ob/ob and db/db mice. The main target for the OXT treatment on the periphery seems to be the adipose tissue. Oxytocin effects were also reported on other tissues involved in the control of metabolism – pancreas and liver. Both OXT and oxytocin receptors (OXTR) are present in the human and rat pancreas.
Data conducted in recent years showed that kisspeptin (KP) can be a link between metabolic imbalance and reproductive capacity. Hypothalamic KP gene (Kiss1) mRNA expression is disturbed both in a negative (undernutrition) and a positive (obesity, diabetes) energy balance. However, KP expression is not exclusive only to the brain, as several studies showed its presence within the peripheral tissues involved in the metabolic control (liver, pancreas, adipose tissue). In the light of above findings it seems that both OXT and KP systems are sensitive to metabolic cues. Moreover, both systems are expressed in the brain (hypothalamus) and in a variety of peripheral tissues connected to metabolism and reproduction. Importantly, recent studies revealed interactions between OXT and KP in the hypothalamus. To date, co-localization of the Kiss1r mRNA with the OXT neurons in the PVN was shown. In the study conducted on male rats it was found that oxytocin administered nasally at high dose increased KP expression in the anterior hypothalamus by around 400%, whereas treatments dose dependently decreased kisspeptin mRNA in the posterior hypothalamus. Based on the information above, in this project following hypotheses will be tested:
Hypothesis 1: Diabetes type 2 (DM2) leads to alterations in oxytocin (OXT) and its receptor (OXTR) in the hypothalamus and peripheral tissues involved in control of metabolism (fat, liver and pancreas) in female rats.
Hypothesis 2: Diabetes type 2 alters interactions between OXT and KP-neurons in the paraventricular nucleus (PVN) of the hypothalamus in female rats.
Hypothesis 3: Oxytocin treatment in DM2 female rats reduce body weight, improve metabolic and hormonal profiles and normalize functions of OXT and KP neurons.
Research project methodology
Above hypotheses can be verified in the process of fulfilling the research objectives. First, 60 day-old female Wistar rats (n=64) will be divided into two groups: 1) control (C), receiving standard chow and 2) DM2 receiving high-fat diet with 50% of fat (HFD). After 16 weeks of respective dietary regimen, animals from DM2 group will be given streptozotocin (toxin that destroys pancreas) to induce late stage of type 2 diabetes. Next, to assess effects of subchronic treatment with oxytocin on weight loss and metabolic parameters in both groups, animals will be operated in order to place osmotic pumps filled with OXT or vehicle (saline). During the experiment, body weight of the animals will be determined weekly and development of the diabetic state will be monitored. After two weeks of OXT treatment, animals will be sacrificed and blood, brains and peripheral tissues will be harvested. Metabolic and hormonal profile will be assessed (insulin, leptin, glucose, oxytocin and triglyceride levels). Then, following analyses will be performed: 1) Assessment of the expression of OXT and OXTR (protein and mRNA) in the hypothalamus, fat, liver and pancreas in DM2 and C (control) female rats
2) Assessment of interactions between KP and OXT neurons in DM2 and C female rats using immunohistochemistry
and 3) Assessment, if oxytocin treatment could reverse or ameliorate deficits in OXT and KP systems (mRNA and protein), reduce body weight and normalize metabolic and hormonal status of diabetic female rats.
Expected impact of the research project on the development of science
Applicant expects that the results of the planned experiment will help to better understand the involvement of the various peptides secreted by KP and OXT neurons in generating the metabolic phenotype of our animal model. The knowledge obtained could be used in the future to pharmacologically influence the elements of this pathway to cure obesity problems. Moreover, as most of studies mentioned above were conducted on males, influence of experimentally induced by HFD and STZ type 2 diabetes was never tested on females. Thus, there is a need to elucidate putative sex differences in this model. This basic research may help in future research concerning new methods for treatment and/or prevention of the diabetes and its co-morbidities.
Expected impact of the research project on the development of science
Applicant expects that the results of the planned experiment will help to better understand the involvement of the various peptides secreted by KP and OXT neurons in generating the metabolic phenotype of our animal model. The knowledge obtained could be used in the future to pharmacologically influence the elements of this pathway to cure obesity problems. Moreover, as most of studies mentioned above were conducted on males, influence of experimentally induced by HFD and STZ type 2 diabetes was never tested on females. Thus, there is a need to elucidate putative sex differences in this model. This basic research may help in future research concerning new methods for treatment and/or prevention of the diabetes and its co-morbidities.
Subject (pl)