LEPTIN SIGNALING IN AN ANIMAL MODEL OF ANOREXIA NERVOSA: EVIDENCE FOR (MAL)ADAPTIVE PLASTICITY IN REWARD- AND COGNITIVE-RELATED BRAIN AREAS

L'Anoressia Nervosa (AN) è un disturbo psichiatrico caratterizzato da una volontaria restrizione alimentare e da una costante paura di ingrassare, le quali insieme ad un'intensa attività fisica, portano ad una rilevante perdita di peso corporeo. L'AN colpisce quasi l'1% della popolazione femminile in tutto il mondo, con un tasso di incidenza tra le giovani donne di nove volte superiore a quello dei maschi. Solitamente l'insorgenza di questa patologia avviene durante l'adolescenza, un periodo della vita altamente vulnerabile. L'AN è inoltre caratterizzata da un alto tasso di comorbilità e dal tasso di mortalità più elevato tra tutti i disturbi psichiatrici, in quanto questo risulta 12 volte superiore al tasso previsto tra le giovani donne tra i 15 e i 24 anni. Dal momento in cui iniziano ad auto-imporsi diete restrittive, gli individui provano sensazioni positive e gratificanti nel controllo del cibo e dell'attività fisica, che possono causare lo sviluppo di comportamenti compulsivi ed ossessivi, instaurando un circolo vizioso che può portare le pazienti anoressiche alla morte. In questo scenario, tutti i trattamenti farmacologici, che sono tipicamente sintomatici, risultano inefficaci. A livello neurobiologico, una delle ipotesi più accreditate riguardo l’insorgenza dell’AN suggerisce che il comportamento anomalo sia dovuto ad uno squilibrio tra i meccanismi cerebrali di ricompensa e di inibizione. Tali meccanismi disfunzionali nel cervello, in concomitanza con un alterato stato emotivo, potrebbero contribuire ad indurre un’alterata risposta a stimoli piacevoli, come il cibo, corroborando il mantenimento del fenotipo anoressico. In aggiunta a ciò, la malnutrizione altera la funzionalità di diversi neuropeptidi come la leptina, una adipochina prodotta e secreta dal tessuto adiposo. Queste disregolazioni, che possono avvenire sia a livello del sistema nervoso centrale che a livello periferico, inducono cambiamenti adattativi nei meccanismi che regolano lo stato energetico dell’organismo così come potrebbero essere alla base dei comportamenti maladattativi tipici delle pazienti affette da AN. Studi su ragazze adolescenti affette da AN hanno mostrato una riduzione dei livelli circolanti di leptina rispetto ad adolescenti sane. Inoltre, è stato dimostrato che l'ipoleptinemia potrebbe contribuire all'aumento dei livelli di esercizio fisico. Nonostante queste evidenze, il ruolo della leptina nella regolazione di aree cerebrali extra-ipotalamiche così come il suo contributo nel sostenere i comportamenti anomali nell’AN rimangono ancora inesplorati. Allo scopo di mimare le principali caratteristiche dell’AN nei roditori, è stato messo a punto un modello animale chiamato “activity-based anorexia” (ABA), che presenta le due principali caratteristiche dell’AN, ovvero la perdita di peso corporeo e l’eccessivo esercizio fisico volontario. Nonostante questo modello non sia utile per valutare le implicazioni psicologiche che portano all'insorgenza dell'AN, è il modello di riferimento per indagare le alterazioni neurobiologiche implicate in questa patologia. In particolare, ratte femmine adolescenti vengono sottoposte ad un paradigma di restrizione alimentare, in cui ricevono cibo per due ore al giorno, in concomitanza con la possibilità di avere libero accesso ad una ruota di attività: la combinazione di queste due condizioni causa la perdita di peso corporeo e iperattività. L'obiettivo principale di questo progetto di dottorato è stato quello di approfondire la comprensione delle basi molecolari dell'AN durante un periodo critico dello sviluppo, ovvero l'adolescenza, esaminando la modulazione del sistema della leptina in diverse aree cerebrali e il suo contributo nell'indurre disfunzioni cognitive e comportamenti compulsivi tipici delle pazienti affette da AN. In particolare, il nostro obiettivo è stato quello di verificare il ruolo della leptina come potenziale collegamento molecolare tra organi periferici e cervello nel modello ABA e di comprendere il contributo di questa adipochina nelle disfunzioni legate al circuito della ricompensa e all’ambito cognitivo. A questo scopo, abbiamo svolto le analisi molecolari sia al raggiungimento del fenotipo anoressico, per ottenere informazioni riguardo la fase acuta della malattia, sia a seguito di un periodo di recupero del peso corporeo, in modo tale da identificare eventuali "cicatrici molecolari" che potrebbero persistere nel tempo. Come già dimostrato dal nostro gruppo di ricerca, ratte femmine adolescenti esposte al paradigma ABA mostrano una graduale riduzione del peso corporeo ed un concomitante aumento dell’attività di corsa sulla ruota, sviluppando così il fenotipo anoressico. Inoltre, in linea con la letteratura scientifica, le ratte ABA hanno mostrato una riduzione dei livelli di leptina plasmatica al raggiungimento del fenotipo anoressico e un aumento dopo il recupero del peso corporeo, indicando alterazioni nei livelli di questo ormone come possibile fattore di rischio nell’insorgenza di disfunzioni neurobiologiche e nella comparsa di episodi di ricaduta. Per valutare l’impatto della combinazione fra restrizione alimentare e attività fisica sulla via di segnalazione intracellulare della leptina, abbiamo svolto le analisi molecolari in aree cerebrali strettamente coinvolte nella regolazione dei meccanismi di ricompensa, come il nucleus accumbens (NAc) e la corteccia prefrontale (PFC), e dei meccanismi di apprendimento e memoria, come l’ippocampo (Hip). Nelle ratte ABA, la via di segnalazione intracellulare LepR-JAK2-STAT3 ha mostrato alterazioni che persistono anche dopo il ripristino del peso corporeo in modo area- dipendente, suggerendo un coinvolgimento della leptina nel mantenimento dei sintomi maladattativi sottostanti la vulnerabilità indotta dall'AN. In particolare, la combinazione di restrizione alimentare e iperattività è in grado di ridurre in modo persistente il sistema della leptina nel NAc. Nella PFC, invece, la riduzione indotta dall’esposizione al modello ABA nella fase acuta è seguita da un'iperattivazione a seguito del recupero del peso corporeo. Inoltre, in accordo con evidenze che mostrano che la via di segnalazione della leptina è in grado di regolare la trasmissione dopaminergica, abbiamo osservato che i determinanti dopaminergici coinvolti nella regolazione della concentrazione di dopamina (DA) vengono alterati in modo differente a seconda della regione cerebrale e della fase della patologia analizzata. Al raggiungimento del fenotipo AN, nel NAc, l’aumentata concentrazione di DA e lo stato iperdopaminergico osservato in letteratura nelle ratte ABA potrebbero essere sostenuti dal punto di vista molecolare dall'aumento dell'espressione dell’enzima tirosina idrossilasi (TH), dalla ridotta localizzazione del trasportatore della DA (DAT) in membrana e dall'aumento dell'espressione del recettore D2 che abbiamo osservato nel nostro modello. Al contrario, nonostante l’aumentata concentrazione di DA e i ridotti livelli di DAT nella PFC dei ratti ABA, TH, D1 e D2 sono ridotti, suggerendo che il sistema è stato in grado di contrastare il tono iperdopaminergico presente nella PFC. Il recupero del peso corporeo non ripristina i cambiamenti osservati. Inoltre, l’aumento persistente dei livelli del recettore D2 nel NAc potrebbe contribuire alla compromessa capacità delle ratte ABA di rispondere a stimoli positivi, quali cibo palatabile, nel test della CPP. Pertanto, le evidenze molecolari e i dati comportamentali che abbiamo raccolto suggeriscono che le ratte ABA, probabilmente attraverso una disregolazione dei sistemi leptina-DA, non risultano in grado di discernere stimoli positivi o di provare piacere nel consumare cibo palatabile. Siccome è stato dimostrato che il LepR può regolare anche i processi neuronali che sottendono la formazione della memoria dipendente dall'ippocampo, abbiamo valutato l'impatto del fenotipo anoressico sulla via intracellulare LepR-JAK2-STAT3 differenziando le due subregioni dell'ippocampo: l’ippocampo dorsale (dHip) e l’ippocampo ventrale (vHip). Nel dHip, principalmente coinvolto nel controllo delle funzioni cognitive, tra cui la memoria, l'apprendimento e il riconoscimento spaziale, la combinazione di restrizione alimentare e intensa attività fisica ha significativamente ridotto l’attivazione della via di segnalazione della leptina. Questa alterazione è risultata concomitante all'aumento dei meccanismi autofagici nella fase acuta della patologia e all’aumento della attivazione della via pro-apoptotica a seguito del ripristino del peso corporeo. Questi effetti sono in grado di influenzare e alterare l'elaborazione delle informazioni intracellulari, causando un'alterazione persistente delle funzioni cognitive osservate nel test di riconoscimento spaziale SOOR. Invece, nel vHip, subregione principalmente associata alla modulazione degli stati affettivi, delle esperienze emotive e dello stress, il fenotipo anoressico ha indotto un passaggio da un'iper- a un'ipo- attivazione della via di segnalazione della leptina tra la fase acuta e il recupero del peso corporeo, con conseguente alterata modulazione dell'espressione di geni dipendenti da STAT3 e coinvolti nell'organizzazione strutturale della sinapsi eccitatoria. In aggiunta a ciò, nella fase acuta della patologia, le ratte ABA hanno mostrato una ridotta densità delle spine dendritiche in parallelo ad una ridotta percentuale di spine mature, che, insieme a livelli ridotti di PSD95 e Neuroligin-1, indicano una riorganizzazione delle strutture sinaptiche ippocampali. In concomitanza con questa alterazione strutturale, abbiamo osservato un aumento della localizzazione delle subunità dei recettori NMDA e AMPA sia nella densità post-sinaptica che nella frazione extra-sinaptica. La riorganizzazione strutturale e molecolare della sinapsi eccitatoria, potenziale indice di aumento della trasmissione glutammatergica nonostante il ridotto numero di sinapsi, potrebbe comportare lo sviluppo di fenomeni di eccitotossicità e di destabilizzazione sinaptica, compromettendo quindi i processi di plasticità sinaptica anche a seguito del recupero del peso corporeo. In conclusione, i risultati ottenuti indicano che la modulazione della via di segnalazione della leptina ha un ruolo cruciale alla base dei comportamenti disregolati tipici delle pazienti anoressiche, suggerendo il coinvolgimento in questi processi di un alterato asse di comunicazione periferia-cervello. In parallelo al coinvolgimento della via di segnalazione intracellulare della leptina, l’ulteriore coinvolgimento dei meccanismi dopaminergici, autofagici e glutammatergici mette in evidenza la complessa interazione tra questi sistemi, suggerendo il loro contributo nell'alterazione dei meccanismi di ricompensa legati all'assunzione di cibo e all'iperattività nonché nelle disfunzioni cognitive, osservate anche nelle pazienti con AN. Complessivamente, queste alterazioni molecolari, originariamente attuate dall’organismo per adattarsi alla perdita di peso corporeo, si trasformano in alterazioni maladattative persistenti che potrebbero innescare, almeno in parte, una reiterazione dei comportamenti aberranti tipici delle pazienti anoressiche e una crescente vulnerabilità allo sviluppo di altri sintomi psichiatrici concomitanti e di fenomeni di ricaduta.

Grantor dc:publisher

Università degli Studi di Milano

Year dc:date

2024

Author dc:creator

• TARGA, GIORGIA

Contributors dc:contributor

• tutor: L. Caffino ; coordinatore: G. D. Norata
• G. Targa
• CAFFINO, LUCIA
• NORATA, GIUSEPPE DANILO

• Anorexia Nervosa
• Eating Disorder
• Leptin
• Dopamine
• Autophagy
• Reward
• Cognition
• Settore BIO/14 - Farmacologia

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess

Language dc:language

eng

Identifier

http://dx.doi.org/10.13130/targa-giorgia_phd2024-01-19
10.13130/targa-giorgia_phd2024-01-19

OAI identifier oai:identifier

oai:air.unimi.it:2434/1022269