The multifaceted role of the endocannabinoid system in the regulation of cerebral glucose uptake

Abstract

Introdução e objetivos: O sistema endocanabinóide afecta o balanço energético e o metabolismo da glicose através do controlo central do comportamento alimentar. Na área da recompensa, o núcleo accumbens (NAc) está implicado na saciedade pósprandial e na finalização do comportamento doentio de procura alimentar. Assim, neste estudo tivemos como objetivo estudar os efeitos da insulina na actividade do NAc (medição indirecta pela monitorização das alterações da captação de glicose em fatias frescas de NAc provenientes de ratos Wistar). Adicionalmente, testámos se o receptor canabinóide tipo 1 (RCB1) influencia as acções previamente observadas da insulina. O excesso de glucocorticóides pode originar insulino-resistência, diabetes ou doença de Alzheimer (DA). Tendo também em conta estudos recentes, nossos inclusive, que sugerem que os glucocorticóides desencadeiam a libertação de endocanabinóides, também investigámos a acção de um glucocorticóide, a dexametasona (DEX), na capação de glicose mediada pela insulina no NAc e se esta acção era dependente da sinalização local do receptor CB1. Posteriormente ao receptor CB1, foi clonado um segundo receptor chamado de receptor canabinóide tipo 2 (RCB2), tendo a sua função no cérebro vindo a ser explorada. O hipometabolismo da glicose no cérebro é um sintoma pré-clínico da DA e o receptor CB2 está presente em níveis superiores tanto em pacientes como em modelos animais com DA. Deste modo, também investigámos o possível envolvimento dos receptores CB2 na glicoregulação do hipocampo. Métodos: As experiências foram efectuadas em fatias de NAc frescas de ratos Wistar e em fatias frescas de hipocampo provenientes de roedores normais ou com a indução de DA. Utilizámos uma técnica in vitro recentemente optimizada para estudar a captação de glicose em fatias cerebrais frescas. Esta técnica permite a medição da acumulação de um análogo de glicose radioactivo não metabolizável, a 3H-2- deoxyglucose, em incubação com fatias cerebrais. Adicionalmente, usámos um ensaio de captação de glicose fluorescente, permitindo a medição em tempo real da captação do análogo de glicose fluorescente (2-NBDG) em fatias de hipocampo num sistema de perfusão. Resultados e discussão: A insulina (300 nM) induziu a captação da glicose nas fatias de NAc, sugerindo a capacidade da insulina de ativar a área da recompensa. A ativação do receptor CB1 por agonistas exógenos ou pela inibição da degradação de endocanabinóides prejudica a acção da insulina. A DEX também preveniu a estimulação da captação de glicose pela insulina. Verificámos também que a acção da insulina na presença de DEX foi recuperada não só pelo bloqueio da síntese de 2-AG com tetrahidrolipstatina, mas também pelo bloqueio do receptor CB1 com O-2050. Este resultados sugerem que a DEX causa insulino-resistência no NAc e estimula a síntese de 2-AG, resultando na activação do receptor CB1. Possivelmente, a insulina estará a mediar algumas das respostas de saciedade pós-prandial, sendo consequência da sua acção deficitária um comportamento alimentar exacerbado. Em suma, o bloqueio do RCB1 poderá ser benéfico no controlo da ingestão de comida e por consequência casos de obesidade e diabetes. Descobrimos também que a activação dos RCB2 aumentou a captação de glicose no hipocampo tanto em murganhos normais como transgénicos (TgAPP) que expressam o precursor amilóide humano. Surpreendentemente, a inibição da enzima COX-2 que metaboliza a anandamida, aumentou a captação de glicose apenas nos ratos normais. A explicação surge por estudos que demonstraram que os murganhos possuem menores níveis de anandamida no hipocampo, quando comparados com ratos normais. Em conjunto, estes resultados indicam que a anandamida através da activação do RCB2 é capaz de estimular a captação de glicose no hipocampo. Isto deve potenciar estudos futuros adicionais que testem se agonistas do RCB2 são benéficos na DA, através da estimulação da captação de glicose. Em conjunto, os nossos resultados elucidam que a manipulação selectiva dos receptores dos endocanabinóide ou de enzimas envolvidas na sua síntese/metabolismo podem ser uma estratégia para controlar doenças relacionadas com um metabolismo cerebral alterado.

Background and aims: The endocannabinoid system affects energy balance and glucose metabolism through the central control of feeding behaviour. The reward area, nucleus accumbens (NAc) is implicated in postprandial satiety and termination of food-seeking behaviour. Hence, in this study we aimed at understanding whether insulin affects accumbal activity (measured indirectly by monitoring changes in glucose uptake in accumbal slices of the rat). Furthermore, we tested if the cannabinoid receptor type-1 (CB1R) influences insulin’s observed actions. Moreover, glucocorticoid excess can lead to insulin resistance, diabetes or Alzheimer’s disease, and recent findings of ours and others suggest that glucocorticoids can trigger endocannabinoid release. Thus, we also investigated the action of the glucocorticoid dexamethasone (DEX) on the insulin-mediated glucose uptake in the nucleus accumbens and whether the effect was dependent on local CB1R signaling. After the CB1R, a second, so-called type-2 cannabinoid receptor (CB2R) has been cloned, and its possible cerebral roles are also gaining support. Brain glucose hypometabolism is a preclinical symptom of Alzheimer’s disease and CB2Rs are upregulated in AD patients and in animal models of AD. Thus, we also aimed at mapping the possible involvement of CB2Rs in hippocampal glucoregulation. Methods: We performed these experiments in accumbal slices of Wistar rats and in hippocampal slices of wild-type rodents or AD-induced rodent models. A recently optimized in vitro technique was used to study glucose uptake in acute brain slices. This technique allows the measurement of the accumulation of a non-metabolizable radioactive glucose analog, 3H-2-deoxyglucose in bathed brain slices. In addition, we used a fluorescent glucose uptake assay, permitting the real-time measurement of the uptake of the fluorescent glucose analog 2-NBDG in superfused mouse hippocampal slices. Results and discussion: Insulin (300 nM) triggered the uptake of glucose in the accumbal slices suggesting that insulin is capable of activating this reward area. CB1R activation either by an exogenous agonist or by the inhibition of endocannabinoid degradations impaired insulin’s action. DEX also prevented insulin from stimulating glucose uptake. Furthermore, insulin’s action in the presence of DEX was rescued by Abstract VII either the blockade of 2-AG synthesis with tetrahydrolipstatin or by the blockade of CB1R with O-2050. These altogether suggest that dexamethasone causes accumbal insulin resistance employing the stimulation of 2-AG synthesis, resulting in CB1R activation. Insulin probably mediates some of the postprandial satiety responses, thus the impairment of insulin actions can lead to an overfeeding behavior. In sum, CB1R blockers would be beneficial to control food intake to prevent many cases of obesity and the consequent diabetes. We also found that the activation of CB2Rs increased hippocampal glucose uptake in both wild-type (WT) and human amyloid-precursor protein expressing transgenic mice (TgAPP) mice. Interestingly, the inhibition of COX-2, a metabolizing enzyme for anandamide, increased glucose uptake only in the WT mice, which is explained by that our collaborators found low anandamide levels in the hippocampi of TgApp mice when compared to the WT mice. Altogether, this indicates that anandamide through the activation of the CB2R is capable of stimulating hippocampal glucose uptake. This should prompt additional studies to test if CB2R agonists can be beneficial in AD via the stimulation of glucose uptake. Altogether, our results highlight that selective targeting cannabinoid receptors or enzymes of endocannabinoid synthesis/metabolism can be a precious strategy to control diseases related with impaired brain metabolism.