Central nervous and metabolic effects of intranasal leptin in diet induced obesity and studies on leptin receptor signal transduction induced by leptin fragments

One of the main features of obesity is a central nervous resistance to leptin, a white adipose tissue feedback hormone. This leptin resistance is mainly located at the blood brain barrier (BBB), leptin applied directly into the brain remains effective. The brain can also be targeted non-invasively by intranasal (i.n.) leptin application; transport is via the olfactory nerve, thus circumventing the BBB. Recently we have shown that in lean rats i.n. leptin effectively enters the brain to affect energy homeostasis. Since i.n. leptin does circumvent the BBB, it is expected to be effective in obesity as well, offering a possible therapeutic approach also in humans. To further elucidate this, we will study the effects of i.n. leptin in rats with diet induced obesity, the animal experimental model best resembling human obesity. We will study the endocrine and metabolic sequelae of this mode of administration and examine the brain expression of neuropeptides downstream of the leptin receptor. Some fragments of the native leptin molecule, which are supposed to penetrate more easily into the brain because of their size, are also effectively stimulating leptin receptors. However only very few data exist on their effects on energy homeostasis and on leptin receptor signal transduction. In an in-vitro model we will study signal transduction effects by leptin fragments. In summary, we will test our hypothesis that i.n. leptin is effective in obesity and we will characterise leptin fragments with respect to their potential feasibility in the i.n. treatment of obesity.

Das von den Adipozyten gebildete Hormon Leptin ist nach heutigem Kenntnisstand das wichtigste afferente Signal in einem negativen feedback System, welches die Stabilität der Masse des weißen Fettgewebes reguliert. Um seine Zielstrukturen im Gehirn erreichen zu können, wird Leptin mit Hilfe eines sättigbaren Mechanismus über die Blut-Hirn-Schranke (BBB) transportiert. Adipöse Menschen und Tiere sind weniger sensitiv für Leptin. Es wird vermutet, dass an dieser sog. Leptin-Resistenz zum einen ein verminderter Transport von Leptin über die BBB, zum anderen Veränderungen der Leptin- Rezeptor (obR) Signaltransduktion in hypothalamischen Neuronen beteiligt sind. Wie wir bereits früher zeigen konnten, kann die Leptin-Resistenz an der BBB mit Hilfe der intranasalen (i.n.) Applikation von Leptin umgangen werden. Wir stellten daher die Hypothese auf, dass Leptin i.n. auch bei Tieren mit einer Adipositas wirksam ist, da bei diesem Applikationsweg die Leptin-Resistenz der BBB umgangen werden und durch die im Hypothalamus erzielbaren pharmakologischen Konzentrationen die ObR-Signaltransduktion ausreichend aktiviert werden kann, um physiologisch relevante Effekte auf die Homöostase des Körpergewichtes zu erzielen. Um dies experimentell zu überprüfen, untersuchten wir im Rahmen unseres Projektes die Wirkung einer chronischen Applikation von i.n. Leptin (1x tgl., für 4 Wochen) bei Ratten mit einer diätinduzierten Adipositas (DIO) im Vergleich zu schlanken Tieren. Hierzu wurden Tiere für 25- bzw. 32-Wochen mit einer Caféteria-Diät (Schokoriegel etc.) zur Erzeugung der DIO ernährt. Es gelang uns nachzuweisen, dass i.n. Leptin bei adipösen Ratten eine vergleichbare Wirkung wie bei schlanken Tieren besitzt. So konnten wir signifikante Effekte auf das Körpergewicht und die Energieaufnahme nachweisen. Der Fettanteil des Körpers wird ebenfalls signifikant verringert. Grundlage für diese Effekte sind die Wirkungen von i.n. Leptin im zentralen Nervensystem: in unseren Experimenten wiesen wir bei DIO wie bei schlanken Tieren einen signifikanten Einfluss von i.n. Leptin auf die Expression von hypothalamischen Neuropeptiden nach, die in die Regulation der Homöostase des Körpergewichtes involviert sind. So wurden anorexigene (die Nahrungsaufnahme hemmende) Neuropeptide wie POMC und CART vermehrt gebildet, während z.B. die orexigenen (die Nahrungsaufnahme steigernden) NPY und Agrp weniger stark exprimiert wurden. In unseren Versuchen führte die i.n Gabe von Leptin nicht zu einer Erhöhung des Hormons im Serum, so dass man von einem direkten Transport von der Nase in das Gehirn ausgehen kann – der ‚Umweg’ über die Peripherie war nicht von Bedeutung. Die die Länge der Diät (im untersuchten Rahmen) hatte keinen Einfluss auf die Wirksamkeit des i.n. Leptin. Die Ergebnisse unserer experimentellen Untersuchungen belegen unsere Hypothese, dass i.n. Leptin auch bei adipösen Tieren wirksam ist, da es auf diesem Applikationsweg das Gehirn unter Umgehung der BBB erreicht und daher die bei Adipositas dort vorliegende Leptin-Resistenz vermieden wird. Die diskutierte Leptin-Resistenz auf Signaltransduktionsebene bei DIO lag bei unseren Tieren entweder nicht vor oder die hohen Wirkspiegel von Leptin im Hypothalamus, wie sie durch i.n. Gabe erzielt werden, waren in der Lage, bei DIO wie bei schlanken Tieren vergleichbare Effekte auf die Homöostase des Körpergewichtes zu erzielen. Unsere Befunde eröffnen den Weg für weitere, auch humanexperimentelle, Untersuchungen. Letztlich könnte die i.n. Applikation von Leptin z.B. als begleitende Therapie zu einer Diät mit niedrigem Energiegehalt das Therapieziel Gewichtsabnahme bei adipösen Patienten unterstützen.