Efeitos bioquímicos sexo-específicos da exposição ao isolamento social durante o período pré-púbere associado à dieta rica em gordura sobre a programação do metabolismo energético em ratos adultos

Abstract

A obesidade é uma condição multifatorial cujo aumento da prevalência está relacionado a mudanças no estilo de vida, no qual o estresse e o consumo de dietas ricas em gordura estão amplamente envolvidos. A exposição a fatores ambientais em períodos precoces do desenvolvimento pode causar alterações persistentes no sistema nervoso central e no sistema endócrino-metabólico que, por consequência, podem resultar no desenvolvimento do fenótipo da obesidade. O período pré-púbere é uma fase sensível do desenvolvimento, caracterizada pela maturação de sistemas envolvidos na homeostase energética e nas respostas ao estresse. Intervenções durante esse período podem influenciar a susceptibilidade a doenças ou a resiliência na idade adulta. O isolamento social é considerado um potente estressor para roedores e humanos e a exposição a esse fator durante o período pré-púbere pode ter efeitos emocionais, comportamentais e metabólicos em longo prazo. A exposição ao estresse durante fases precoces do desenvolvimento pode causar alterações no comportamento alimentar e induzir a maior preferência por alimentos confortantes (“comfort foods”), ricos em açúcares e gorduras. O estresse e a ingestão de dietas ricas em gordura podem programar o metabolismo de forma distinta entre os sexos por modular a sinalização de hormônios envolvidos na regulação da homeostase energética. Além disso, esses fatores ambientais podem levar a um desequilíbrio entre a produção de espécies reativas e as defesas antioxidantes, favorecendo o estresse oxidativo, o qual pode induzir a oxidação de biomoléculas e levar a disfunções mitocondriais. Com base no exposto acima, o objetivo dessa tese foi investigar os efeitos em longo prazo do isolamento social durante o período pré-púbere (21-28 dias pós-natal), associado ou não à dieta rica em gordura crônica, sobre parâmetros metabólicos, oxidativos, sobre a função mitocondrial e sobre parâmetros de dano à célula no hipotálamo total, comparando machos e fêmeas. Para alcançar esse objetivo foram avaliados aspectos murinométricos e metabólicos relacionados à sinalização da leptina no hipotálamo total dos ratos na idade adulta, verificando possíveis diferenças sexo-específicas. Para verificar se os fatores estresse e o consumo crônico de dieta rica em gordura teriam efeitos sobre o metabolismo celular, também foram analisados parâmetros oxidativos e de função mitocondrial no hipotálamo total desses animais na idade adulta. Os resultados mostraram que os machos e as fêmeas responderam de forma diferente ao estresse no período pré-púbere e à dieta rica em gordura. Os machos apresentaram características murinométricas que pareceram refletir uma resistência à leptina. Entretanto, o prejuízo na sinalização desse hormônio aconteceu apenas parcialmente no hipotálamo e foi principalmente influenciado pela dieta rica em gordura nesses animais. Por outro lado, as fêmeas foram mais susceptíveis ao isolamento social no período pré-púbere, o qual levou a prejuízos na sinalização da leptina na idade adulta. De modo interessante, a via alternativa de sinalização da leptina, através do eixo hipotálamo-hipófise-tireoide, permaneceu ativada nos machos. Porém, a maior liberação de hormônios da tireoide nesses animais não teve os efeitos metabólicos esperados devido à menor conversão do T4 em T3. Embora ambos fatores, estresse e a dieta rica em gordura assim como a interação entre eles tenham apresentado efeitos distintos em machos e fêmeas, o consumo crônico da dieta rica em gordura teve efeitos mais proeminentes nas fêmeas quando considerados parâmetros oxidativos e de função mitocondrial. A dieta induziu um desequilíbrio oxidativo que resultou em danos celulares e mitocondriais nas fêmeas. De forma ampla, essa tese mostrou que intervenções em fases precoces da vida do indivíduo podem ter desfechos diferentes em machos e fêmeas. O isolamento social no período pré-púbere e o consumo crônico da dieta rica em gordura podem programar o metabolismo ao longo da vida. O consumo crônico da dieta rica em gordura levou a uma perturbação na comunicação do metabolismo periférico com o central nos machos que repercutiu em um fenótipo semelhante ao da obesidade nesses animais. As fêmeas foram mais susceptíveis à dieta rica em gordura, porém os prejuízos maiores foram observados no metabolismo energético central, marcado pelo desequilíbrio oxidativo e pelas disfunções mitocondriais. Assim, nosso trabalho destaca a importância de intervenções ambientais, no início da vida, para a programação metabólica em longo prazo. Adicionalmente, esses resultados podem revelar alvos importantes para a elucidação dos mecanismos relacionados ao desenvolvimento da obesidade e contribuir para que novos trabalhos sejam desenvolvidos além de auxiliar para que futuras medidas terapêuticas e preventivas sejam desenvolvidas respeitando as particularidades de cada gênero.

Obesity is a multifactorial disorder in which increased prevalence is related to changes in lifestyle, and both stress and consumption of high-fat diets are largely involved. Exposure to environmental factors at early stages of development may cause persistent changes in the central nervous system and endocrine-metabolic system, which may result in the development of the obesity phenotype. The pre-pubertal period is a sensitive phase of development, characterized by the maturation of systems involved in energy homeostasis and stress responses. Interventions during this period may influence the susceptibility to disease or resilience in adulthood. Social isolation is considered a potent stressor for rodents and humans and exposure to this factor during the pre-pubertal period may have long-term emotional, behavioral, and metabolic effects. The stress exposure during early stages of development can cause changes in eating behavior and induce the preference for “comfort foods”, rich in sugars and fats. Both, stress and high-fat diets intake can program the metabolism in a sex-different manner through modulation of hormones signaling involved in regulation of energy homeostasis. In addition, these environmental factors may lead to an imbalance between the production of reactive oxygen species and antioxidant defenses favoring oxidative stress, which can induce the oxidation of biomolecules and lead to mitochondrial dysfunctions. Based on the above ideas, the aim of this thesis was to investigate the long-term effects of social isolation during the pre-pubertal period (postnatal day 21-28), associated with chronic high-fat diet on metabolic, oxidative and mitochondrial parameters in the total hypothalamus, comparing males and females. To achieve this goal, we evaluated murine and metabolic aspects related to the leptin signaling in the total hypothalamus of rats in adulthood, verifying possible sex-specific differences. To verify if the stress factor and the chronic consumption of high-fat diet would have effects on cellular metabolism, oxidative and mitochondrial function parameters were also analyzed in the total hypothalamus of these animals in adulthood. The results showed that males and females respond differently to pre-pubertal stress and high-fat diet. Males presented murinometric characteristics that reflect leptin resistance, however the damage in this hormone signaling occurred only partially in hypothalamus, and was mainly influenced by high-fat diet in these animals. On the other hand, females were more susceptible to social isolation in the pre-pubertal period, which led to impaired leptin signaling in adulthood. Interestingly, the alternative pathway of leptin signaling through the hypothalamic-pituitary-thyroid axis remained activated in males. However, the greater release of thyroid hormones in these animals did not have the expected metabolic effects due to the lower conversion of T4 into T3. Although both factors, stress and high-fat diet had different effects in males and females, chronic consumption of high-fat diet had more prominent effects in females when considered mitochondrial function and oxidative parameters. The diet induced an oxidative imbalance that resulted in cellular and mitochondrial damage in females. Generally, this thesis showed that interventions in early stages of individual life may have different outcomes in males and females. Social isolation in the prepubertal period and the chronic consumption of high-fat diet can program the metabolism throughout life. The high-fat diet chronic consumption led to a disturbance in the communication of peripheral and central energetic metabolism in males that led to a phenotype similar to that of obesity in these animals. Females were also more susceptible to high-fat diet, but the impairments were observed in central energy metabolism, which was marked by oxidative imbalance and mitochondrial dysfunctions. Thus, our work highlights the importance of early interventions for long-term metabolic programming. Additionally, these results may reveal important targets for the elucidation of the mechanisms related to the development of obesity and contribute to the development of new original works that stimulate the development of future therapeutic and preventive measures respecting the particularities of each sex.