Precocidade do exercício físico inibe a instalação da obesidade hipotalâmica e restabelece o controle glicêmico em ratos obesos

Abstract

RESUMO: INTRODUÇÃO: O sistema nervoso autônomo desempenha uma importante função na regulação da homeostase energética, por modulação de vias neurais ou hormonais, atuando em diferentes tecidos e órgãos. Esse controle é realizado por várias áreas cerebrais principalmente pelos núcleos hipotalâmicos. Ramos oriundos do sistema nervoso parassimpático (SNP)originários do núcleo motor do nervo vago são influenciados pela área lateral hipotalâmica (LH). No entanto, ramos do sistema nervoso simpático originários da raiz ventral da medula espinhal estão sob influência do núcleo ventro-medial hipotalâmico (VMH). A atividade do SNP promove estoques de substratos energéticos tais como glicose e ácidos graxos livres (AGL). A estimulação do nervo vago é responsável pela secreção de insulina por um aumento na atividade da célula beta pancreática. A insulina inibe a glicogenólise e a glicogênese hepática, e estimula a glicogênese. No tecido adiposo a insulina inibe a lipólise e no músculo esquelético estimula a captação, estoque e utilização de glicose. O aumento da atividade do SNS promove maior liberação de norepinefrina neuronal (NE) dos terminais dos nervos simpáticos e também de epinefrina (E) da medula adrenal, resultando em mobilização de glicose e AGL dos estoques teciduais. A obesidade atualmente é considerada um grave problema e é caracterizada por um desequilíbrio entre a ingestão energética e o gasto dos estoques de energia. Muitos estudos sustentam a hipótese que distúrbios na função do sistema nervoso autônomo estão envolvidos com o aparecimento da obesidade, sugerindo uma relação direta entre obesidade, hiperinsulinemia, aumento da atividade parassimpática e diminuição da atividade simpática, os quais desencadeiam alterações metabólicas permanentes. Vários modelos de obesidade animal são utilizados para estudo das alterações metabólicas. O modelo experimental de obesidade obtido pela administração neonatal de L- glutamato monossódico (MSG), destrói núcleos hipotalâmicos, em particular o núcleo arqueado, considerado uma das regiões cerebrais mais importantes para o controle do peso corporal. A obesidade MSG em roedores causa uma síndrome de disfunção neuroendócrina, desenvolvendo obesidade, hiperinsulinemia e resistência a insulina na vida adulta. Dados da literatura mostram que o exercício físico age na prevenção da obesidade por elevar a taxa metabólica diária. A atividade física regular melhora o desequilíbrio metabólico e interfere no balance energético atenuando as complicações da obesidade, por estimulação da atividade simpática. OBJETIVOS: O presente trabalho investiga se a atividade parassimpática está aumentada no modelo de obesidade hipotalâmica (MSG) e se a realização de programa de exercício de baixa intensidade iniciado precocemente é capaz de melhorar a atividade autonômica e controle glicêmico em ratos programados para tornarem-se obesos pelo tratamento de MSG. MÉTODOS: A obesidade foi induzida durante os cinco primeiros dias de vida por injeções subcutâneas de MSG (4mg/g). Uma solução de salina foi administrada nos animais controles. A atividade elétrica do ramo superior do nervo vago e do nervo retroperitoneal simpático foi avaliada, bem como a influência desses nervos no controle glicêmico e na insulinemia. Amostras de sangue foram coletadas durante o teste de tolerância a glicose intravenosa, para dosagem dos níveis sanguíneos de glicose e insulina. Também foi analisada a secreção de insulina por ilhotas pancreáticas isoladas e estimuladas por diferentes concentrações de glicose, na presença e ausência de acetilcolina. Grupos de ratos obesos MSG e ratos controle foram mantidos sedentários e outros grupos foram subdivididos em três para serem submetidos ao exercício: exercício iniciado ao desmame e finalizado aos 90 dias de vida (EXE21-90); exercício iniciado ao desmame até os 50 dias de vida (EXE21-50); exercício iniciado aos 60 dias e finalizado aos 90 dias de vida (EXE60-90). O protocolo de treinamento foi criterioso com relação intensidade, freqüência e duração restringindo ao treinamento de baixa intensidade. O conteúdo de gordura periepididimal e retroperitoneal foi avaliado para estimativa da obesidade induzida pelo tratamento com MSG. O índice de Lee foi calculado como preditor de obesidade em roedores. RESULTADOS E DISCUSSÃO: O tratamento neonatal com MSG foi eficiente na promoção do desenvolvimento da obesidade, como demonstrado pelo Índice de Lee, que apresentou 12.3% de aumento em ratos sedentários comparados aos ratos magros; os ratos MSG aumentaram 216.4% e 213.7% no conteúdo de gordura retroperitoneal e periepididimal, respectivamente. O exercício com o grupo EXE21-90 promoveu uma redução de 5.6% no Índice de Lee, 32.5% e 30.3% de diminuição no conteúdo de gordura retroperitoneal e periepididimal respectivamente, comparados aos animais MSG sedentários. Ratos obesos MSG pertencentes ao grupo EXE21-50 também mostraram uma redução significativa nos conteúdos de gordura em relação aos animais sedentários. Ratos obesos MSG são normoglicêmicos, mas a insulinemia desses animais mostrouum aumento de 277% em relação aos controles. Após administração de glicose também houve um aumento de 28% na concentração de glicose plasmática e um aumento de 2,5 vezes na insulinemia durante o ivGTT em ratos obesos MSG, (P<0.05). Esses resultados sugerem que os ratos MSG são intolerantes a glicose, possivelmente por apresentarem resistência à insulina. Tem sido mostrado que o controle glicêmico está prejudicado na obesidade. O nível de glicose e insulina não foi afetado pela administração de acetilcolina em ratos MSG. Porém, em ratos controles o agente colinérgico induziu um aumento de 51% na insulina e uma pequena redução na glicose. O programa de exercícios promoveu uma diminuição de 25% na concentração da glicose plasmática nos ratos MSG do grupo EXE21-90, porém não houve alteração na concentração de insulina em nenhum dos grupos de exercício. A secreção de insulina em ilhotas isoladas de ratos MSG quando estimuladas por glicose mostrou uma resposta maior (83.5%) comparadas aos controles, demonstrando que as ilhotas desses animais são mais responsivas a secreção de insulina com relação aos controles. A acetilcolina promoveu um aumento de 342% na secreção de insulina em ilhotas isoladas de ratos controles quando estimuladas por 8.3 mM de glicose, quando comparadas a secreção estimulada somente por glicose. A secreção de insulina em ilhotas isoladas de ratos obesos MSG, estimuladas por Ach foi duas vezes menor quando comparados aos controles. O programa de exercícios causou maior variação na secreção de insulina induzida por diferentes concentrações de glicose em obesos MSG (P<0.05). O grupo EXE21-90 apresentou um aumento de 42% na secreção de insulina comparada ao grupo MSG sedentário. O grupo MSG sedentário apresentou um aumento de 88% e uma redução de 58.8% na atividade elétrica do nervo vago e simpático retroperitoneal, respectivamente. O aumento na atividade do nervo causado pela obesidade MSG, deve ter uma relação significativa com prejuízos na homeostase glicêmica e alta capacidade para acumular gordura, sabendo-se que o nervo vago indiretamente desempenha um papel muito importante na agregação de gordura e em outras manifestações relacionadas à obesidade. A liberação de acetilcolina pelos terminais do nervo vago potencializa a secreção de insulina induzida por glicose. A insulina induz a captação de glicose e estimula a lipogênese nos adipócitos. O exercício promoveu uma diminuição e um aumento significativo na atividade elétrica do nervo vago e simpático retroperitoneal respectivamente, em todos os grupos de ratos obesos MSG, quando comparados aos obesos sedentários, principalmente nos grupos que iniciaram o exercício logo após o desmame, demonstrando que a realização do programa de exercícios pode promover modificações na atividade autonômica

ABSTRACT: INTRODUCTION: The autonomic nervous system plays an important role in the regulation energy homeostasis by modulating neural or hormone pathways acting on different organs and tissue. It is controlled mainly by certain brain areas, mainly those located in the hypothalamus. Parasympathetic system nervous (PSN) branch originating from the motor nucleus of the vagus are under the influence of the lateral hypothalamic area (LH), whereas sympathetic system nervous branch coming from the ventral root of the spinal cord are under the influence of ventromedial hypothalamic nuclei (VMH). PSN activity leads to the storage of energy substrates such as glucose and free fatty acids (FFA). Stimulation of the vagus nerve is responsible by insulin secretion by an increased insulin output from pancreatic beta cells. Insulin inhibits hepatic glycogenolysis and gluconeogenesis, and stimulates glycogenese. In adipose tissue inhibits lipolysis and in muscle, insulin stimulates the uptake, storage and utilization of glucose. Increased SNS leads to the outflow of neuronal norepinephrine (NE) from sympathetic nerve endings and epinephrine (E) from the adrenal medulla, resulting in mobilization of glucose and FFA from the storage tissues. Obesity is a serious condition and is characterized by a disruption of a thin balance between energy intake and burning of energy stores. Many studies support the hypothesis that derangements in the function of the ANS are involved with obesity onset, suggesting a direct relationship between obesity, hyperinsulinemia, increased parasympathetic and low sympathetic activity, which triggering permanent metabolic changes. Different animal models have been employed in research that investigates metabolic changes. An obesity experimental model has been applied by neonatal treatment of monosodium glutamate (MSG) in rodents, which promotes lesions on hypothalamic areas, mainly in neurons of arcuate nucleus, which is one of the main brain areas for the control of body weight. Adult MSG-obese rats display a syndrome of neuroendocrine dysfunction, including obesity, hyperinsulinemia and insulin resistance. Literature data show that physical exercise acts in the prevention of obesity by elevating average daily metabolic rate. Regular physical activity improves neural and metabolic disorders interfering at energy balance and attenuation of the obesity, by stimulate SNS activity. AIMS: Current research investigates whether parasympathetic activity is increased in a hypothalamic obesity model (MSG) and also verifies whether an early low intensity exercise program is able to improve autonomic activity and glycemic control in rats programmed to become obese by MSG treatment METHODS: Obesity was induced during the first five days of life by subcutaneous MSG injection (4mg/g animal weight), whereas a saline solution was administered to control animals. The electrical activity of the vagus superior branch and of the retroperitoneal sympathetic nerve was assessed. Further, blood samples were collected during intravenous glucose tolerance test to measure glucose and insulin plasma levels. Insulin release from isolated islets stimulated by different glucose concentrations, in the presence or in the absence of Ach was also analysed. MSG-obese and control groups remained sedentary and other groups were separated in three groups of exercise: exercise starting at weaning until 90-days-old (EXE21-90); exercise starting at weaning and stopped at 50-days-old (EXE21-50) and exercise starting at 60-days-old and finished at 90-days-old (EXE6060-90). Running protocols, different speed and time, were set to induce a low intensity for the exercise training, which means a 50-70% of total oxygen uptake (VO2max) for each animal independent of age. Periepididymal and retroperitoneal fat pads were weighed to estimate obesity induced by MSG treatment. Lee Index was used as a predictor of obesity in MSG rodents RESULTS AND DISCUSSION: The neonatal MSG treatment was efficient in promoting the development of obesity, as demonstrated by the high Lee Index that presented 12.3% increase in sedentary MSG rats when compared to that in untreated ones and 216.4% and 213.7% in retroperitoneal and periepididymal fat pad, respectively. Program exercise, started on the 21st and finished on the 90st day of age, promoted a Lee index reduction of 5.6%, 32.5% and 30.3% decrease in fat accretion, respectively, on retroperitoneal and periepididymal tissue of MSG-rats when compared to sedentary MSG animals. Exercise started on the 21st and finished on the 50st day of age, also showed significant reduction in tissue fat pad, in MSG-rats when compared with non-training ones. Fasting glycemia in MSG-obese rats was normal, while the insulinemia showed three times higher than in control ones. Results with isolated pancreatic islets showed that MSG-rats are highly responsive to glucose. After glucose load MSG-rats showed increase of 28% in transient plasma glucose concentration and and an increase of almost 2.5 fold in insulinemia throughout the ivGTT. These results suggest that MSG-obese rats are glucose intolerance, possibly due to tissue insulin resistance. Indeed it has been shown that glycemic control is damaged in obesity. Glucose and insulin levels were not affected by acetylcholine administration in MSG- rats; however, in control rats cholinergic agent induced an increase of 51% insulin AUC and a small reduction in glucose AUC. Exercise program provoked 25% decrease in glucose plasma concentrations in MSG rats submitted to exercise started on the 21st day of age when compared to sedentary MSG group, however, it did not alter blood insulin concentration in all animal groups. Insulin secretion in isolated islets from MSG-rats when stimulated by glucose showed higher response (83.5%) when compared to control-ones, indicating that pancreatic islets of MSG-obese rats are more responsive to glucose-induced insulin secretion, than the lean rats. Acetylcholine increased 341.90% at 8.3 mM glucose-induced insulin secretion in pancreatic islets from control rats, when compared to glucose response alone. In contrast the potentiation provoked by Ach to islets isolated from MSG-rats was two times less than in control rat’s islets. Exercise program caused higher changes to MSG rats in insulin secretion induced by each glucose concentrations secretion when compared to exercising control rats (P<0.05). Exercise started on the 21st and finished on the 90st of age showed 42% decrease in insulin secretion compared with sedentary MSG group. MSG-rats present increase vagus nerve firing was increased by 88% and reduction by 58.8% retroperitoneal sympathetic (RS) nerve electrical activity in sedentary MSG rats when compared to controls ones. The increased of firing rate from the vagus nerve, caused by MSG obesity, might have a significant relationship with the glycemic homeostasis impairment and high capacity to accumulate fat in obese animals, knowing that, vagus nerve indirectly plays a very important role in fat accretion. Acetylcholine released from vagus nerve terminals enhances insulin secretion induced by glucose. Insulin induces glucose uptake and stimulates lipogenesis in adipocytes. Exercise promoted a significant decrease of vagus nerve electrical activity reported in all exercising MSG groups, mainly in groups that were earlier submitted to exercise program, when compared to that in MSG-sedentary ones. It also promoted an important increase in RS nerve firing rate, when compared to sedentary MSG group. These data confirm results from the literature that show higher parasympathetic and lower sympathetic activity in obesity. However, physical exercise may contribute to metabolic changes. CONCLUSIONS: ANS changes and alterations in the sensitivity of pancreatic Beta-cells to glucose, obtained by L-monosodico glutamate neonatal treatment, suggests that obesity onset may be, at least in part, attributable to an increase in parasympathetic activity. However, low intensity exercise program applied at weaning was able to improve metabolism and balance autonomic activity