Targeting the carotid bodies to treat obesity

Abstract

RESUMO: A obesidade é um importante problema de saúde pública que contribui para elevada mortalidade e morbilidade a nível mundial devido às suas comorbilidades. As terapêuticas para a obesidade são frequentemente ineficazes e como tal, há a necessidade de encontrar novas abordagens terapêuticas para a mesma. Os corpos carotídeos (CBs) são quimiorreceptores periféricos que respondem à hipóxia através de um aumento da atividade quimiossensitiva dos seus nervos sensitivos. Atualmente, os CBs são também considerados sensores metabólicos, sendo consensual que estes controlam a atividade do sistema nervoso simpático. Para além disso, a sobre-ativação destes, através do aumento da atividade do sistema nervoso simpático, tem sido demonstrada em diversas doenças metabólicas associadas à obesidade. Em adição, já foi descrito que o corte do nervo do seio carotídeo, o nervo sensitivo do CB, previne o ganho de peso e melhora a homeostasia da glucose através de uma melhoria na sinalização de insulina e no captação de glucose no fígado e no tecido adiposo. Com este trabalho, foram caracterizados vários modelos animais de obesidade e diabetes tipo 2, induzidos por dieta hipercalórica, os quais foram comparados com um modelo genético, os ratos diabéticos Zucker, com o objetivo de identificar o modelo mais apropriado para estudar estas patologias. Para além disso, testamos a hipótese de que os CBs são elementos essenciais no circuito neuronal simpático, controlando o metabolismos dos tecidos adiposos branco e castanho, e que a supressão da atividade destes terá um efeito anti-obesidade, associado a um aumento da atividade do tecido adiposo e a uma recuperação da integração simpática no mesmo. De forma a testar esta hipótese, a atividade do CB foi abolida através da ressecção do nervo do seio carotídeo, em ratos Wistar e ratinhos C57/BL6 submetidos a uma dieta hipercalórica (60% de lípidos), sendo depois avaliado o seu efeito no ganho de peso e comorbidades associadas a este, bem como no metabolismo e na ativação simpática dos tecidos adiposos branco e castanho. Assim, observamos que o melhor modelo animal para estudar a obesidade, e comorbidades a esta associadas, é o modelo submetido a 19 semanas de dieta HF, dado que exibiu um fenótipo mais semelhante à obesidade xii observada nos humanos, com um aumento no ganho de peso, na deposição de gordura e na disfunção metabólica. Adicionalmente, observamos que o corte do nervo do seio carotídeos diminui o ganho de peso, a deposição de gordura e o perímetro dos adipócitos, revertendo a resistência à insulina, melhorando a tolerância à glucose e diminuindo os níveis de insulina. Em adição, a ressecção do nervo do seio carotídeo melhorou o metabolismo do tecido adiposo branco, através do aumento do seu metabolismo basal e/ou do seu metabolismo em resposta a uma ativação simpática, bem como através da melhoria nas vias envolvidas na termogénese, com aumento na expressão das proteínas UCP1, PGC1a e PPARg e ainda com um aumento do conteúdo mitocondrial, e uma melhoria da captação de glucose e aumento da expressão da proteína AMPK fosforilada, melhorando também o metabolismo do tecido adiposo castanho. Para além disso, apesar de estar descrito a presença de inflamação e hipóxia em estados de obesidade, não observamos qualquer alteração da expressão de marcadores inflamatórios, como por exemplo, nos receptores de IL-6 e de IL-1b bem como nos níveis de TNFa ou da citocina anti-inflamatória, IL-10, sendo que também não foi observada qualquer alteração na expressão dos fatores HIF1a e HIF2a. Finalmente, demonstramos que o CB controla a ação do sistema catecolaminérgico no tecido adiposo dado que o corte do nervo do seio carotídeo restaurou a atividade do SNS, através da diminuição das catecolaminas plasmáticas e do índice de ativação simpática do organismo, contribuindo também para o restauro do conteúdo de catecolaminas. Mais, a abolição da atividade do CB aumentou a expressão de tirosina hidroxilase no tecido adiposo e restaurou a integração simpática neste. Assim, com este trabalho, demonstramos que o CB é um interveniente chave na ligação sistema nervoso simpático-tecido adiposo sendo, como tal, um possível alvo terapêutico para a obesidade e suas comorbidades.

ABSTRACT: Obesity is a major public health concern, which contributes significantly to morbidity and mortality due to the associated comorbidities. Therapeutics to obesity are often unsuccessful and therefore there is an urgent need for novel approaches that would help to find more effective therapeutic interventions for obesity. Currently, the carotid bodies (CBs), which are peripheral chemoreceptors that respond to hypoxia by increasing chemosensory activity in its sensitive nerves, are considered metabolic sensors, being consensual that these organs control sympathetic activity. Moreover, CBs overactivation, via an increase in the whole-body sympathetic nervous system (SNS), have been shown in several metabolic diseases that are strongly associated with obesity. It was already described that the resection of CB sensitive nerve, the carotid sinus nerve (CSN), prevented weight gain and improved glucose homeostasis by positively impacting insulin signaling and glucose uptake in the liver and adipose tissue. Herein, we characterized several hypercaloric rat models of obesity and type 2 diabetes, comparing each with a genetic model, the Zucker fatty diabetic rat, with the aim of identifying the most appropriate model to study these disorders. Moreover, we tested the innovative hypothesis that the CBs are key players in the neural sympathetic circuit controlling the white and brown adipose tissue metabolism and that the abolishment of CB activity will have an anti-obesity effect, associated with increased function of the adipose tissues and the recovery of sympathetic integration. To test this hypothesis, we have abolished CB activity by resecting the CSN in control and obese animals, achieved by submitting Wistar rats and C57/BL6 mice to 60% lipid-rich diet during 10 and 12 weeks; and studied its impact on weight gain and fat deposition and its comorbidities as well as on white and brown adipose tissue metabolism and its sympathetic activation. We found that the best rat model to study obesity and comorbidities is the diet-induced rat, particularly the animal submitted to 60% lipid-rich diet for 19 weeks, since it exhibits a phenotype more similar to human obesity, with increased weight gain, fat deposition and metabolic dysfunction. Additionally, we found that CSN resection decreased weight gain, adipose tissue deposition and adipocytes perimeter, as well as reversed insulin x resistance, ameliorated glucose intolerance and decreased hyperinsulinemia. Also, CSN resection restored the decreased basal visceral WAT metabolism induced by HF diet, measured by the oxygen consumption rate (OCR), mitochondrial activity evaluated by the mitotraker, UCP1 expression, in vivo glucose uptake, the expression of PGC1a and PPARg and AMPK phosphorylation. In addition, CSN resection while did not modified basal OCR within the BAT, it increased its thermogenic activity in control and HF animals in response to norepinephrine, and increased mitochondrial activity, UCP1 expression, glucose uptake and AMPK phosphorylation. We also found that, albeit inflammation and hypoxia usually represent important mechanisms in promoting adipose tissue dysfunction, in this case HF diet did not induced significant alteration in the expression of IL-6 or IL-1b receptors within the adipose tissue both WAT and BAT neither in circulating levels of TNFa levels or IL-10. Also, CSN resection did not impact HIF1a or HIF2a expression. Moreover, CSN resection restored catecholaminergic signaling and integration in the WAT of HF animals, shown by the restoration of the decreased levels of catecholamines within the WAT and decreased intensity of TH expression by light sheet microscopy and western blot induced by HF diet. Therefore, we can conclude that the CB plays an important role in development of obesity and in the control of adipose tissue metabolism being a new player in the neurocircuitry sympathetic nervous system-adipose tissue connection. The results obtained in the present thesis introduce a new therapeutic target for obesity management.