節食減肥為啥容易體重反彈？CellMetab研究揭示：大腦！

節食是減肥減重的重要方法，但往往很多人節食結束后體重又反彈。下丘腦的弓狀核（ARC）被認為是體重增加的重要核團[1]，體重變化如何引起ARC神經環路的變化從而調控體重呢？已有大量研究表明，ARC所接受的突觸輸入在應對熱量不足時發揮作用，具體機制包括突觸前末端[2]、突觸形成以及突出修剪[3]，以及突觸后膜離子通道的表達。ARC核團能接收來自下丘腦室旁核（paraventricular hypothalamus，PVH）和背內側下丘腦（dorsal medial hypothalamus，DMH），終床紋狀核等核團的突觸前輸入，因此，探究ARC與體重調節的相互關系時特異性的環路調控尤為重要[4]。AgRP是ARC中與饑餓最相關的神經元，饑餓能激活AgRP神經元引起進食和體重增加；相反的，抑制AgRP神經元活性則減少進食并伴隨體重減輕。食物剝奪、胃腸饑餓素升高或瘦素減低可增加AgRP的興奮性突觸輸入、樹突棘和自發性興奮性突觸后電流的頻率。然而，這些興奮性突觸來自哪些神經元的投射、這些改變是否是機體應對能量狀態改變的一種適應性機制未知。

2023年3月24日，來自德國普朗克代謝研究所的Henning Fenselau?團隊在《Cell Metabolism》上發表了題為“A synaptic amplifier of hunger for regaining body weight in the hypothalamus”的論文，利用轉基因小鼠，通過病毒特異性標記神經元、離體電生理記錄和免疫熒光染色的方法，發現饑餓信號和體重減輕能增加PVHRH神經元投射至AgRP的興奮性突觸增加，引起PVHTRH神經元向AgRP神經元的興奮性增強，并促進進食和體重增加。該研究從突觸可塑性角度闡釋了維持長期體重穩定的環路機制。

首先，通過在Trh-ires-Cre; Npy-hrGFP小鼠的PVH和DMH分別注射Cre依賴的ChR2病毒，在光刺激下同步記錄AgRP的光刺激引起的突觸后電流（light-evoked quantal EPSCs, le-qEPSCs），發現光刺激可以同步引起突觸后電流，若用Sr2+離子代替Ca2+，則該突觸后電流被擾亂，說明PVHTRH-AgRP以及DMHVglut2-AgRP有興奮性突觸連接（圖1A-B）。通過比較正常和饑餓情況下，PVHTRH-AgRP和DMHVglut2-AgRP的le-qEPSCs，發現饑餓使PVHTRH-AgRP的le-qEPSCs頻率增加而幅度不變（圖1C），對DMHVglut2-AgRP的le-qEPSCs的則是提高了幅度而頻率不變（圖1D）。通過進一步分析le-qEPSCs的雙脈沖比PPR，變異系數CV，以及AMPAR/NMDAR比例，發現PPR和離子通道特性都沒有明顯變化，提示PVHTRH-AgRP的le-qEPSCs頻率增加是由于興奮性樹突棘的增加。

PVHTRH-AgRP和DMHVglut2-AgRP興奮性突觸的增強是否能在體重減輕后驅動進食行為？研究人員利用藥理遺傳學的方法，在Trh-ires-Cre小鼠的PVH和Slc17a6-ires-Cre小鼠的DMH注射Cre依賴的AAV-FLEX-hGlyR-mCherry病毒，并通過注射ivermectin（IVM）進行抑制（圖2A-B），并記錄饑餓后1-24小時的進食量以及1天、2天和7天后的體重變化。發現抑制PVHTRH活動后，小鼠的進食量和體重恢復相較于正常小鼠有所下降（圖2C-D），而抑制DMHVglut2則對進食量和體重恢復沒有明顯影響，提示PVHTRH的激活是饑餓后進食和體重增加的必要條件。

PVHTRH神經活動的增加后，投射至AgRP的興奮性輸入是否也增加？通過在PVH表達hGlyR，并用IVM抑制PVH活性，在饑餓狀態下記錄AgRP sEPSC，發現沉默 PVHTRH 神經元消除了禁食誘導的 sEPSC 頻率增加（圖3C）；另外，通過在PVH表達hM3Dq，并用CNO激活PVH活性，在飽食狀態下AgRP記錄sEPSC，發現激活PVHTRH 可誘發sEPSC 頻率增加（圖3D）；表明，上游PVHTRH神經元的活動增加對于放大 AgRP 神經元的谷氨酸能突觸輸入是必要的。

那么饑餓后PVHTRH-AgRP的興奮性突觸增加能維持多久？研究人員首先觀察了饑餓24小時后恢復正常飲食，小鼠在此后7天的進食量和體重，發現進食量在恢復正常飲食的第7天恢復到饑餓前水平，相應的體重持續增加到第7天保持穩定（圖4 A-B），與此同時，PVHTRH-AgRP的le-qEPSC的頻率在限食期間持續增加，恢復喂養的第7天恢復到正常水平，因此，以上證據表明，饑餓后PVHTRH-AgRP的興奮性突觸增加是持續性的，這或許是是節食后進食增加和體重反彈的重要原因。

NMDAR在介導谷氨酸能突觸中有重要作用。為了進一步驗證NMDAR是否參與PVHTRH-AgRP的le-qEPSC，研究人員在雙側PVHTRH表達ChR2，以50Hz高頻光刺激ARC并記錄AgRP神經元的le-qEPSCs（圖5A），發現10分鐘的光刺激可引起PVHTRH-AgRP的le-qEPSC，加入NMDAR拮抗劑D-AP5后，le-qEPSC被抑制，說明NMDAR介導了PVHTRH-AgRP的興奮性突觸傳遞。進一步的行為學實驗證明，50Hz的高頻光刺激可引起光刺激后1-4小時內的進食量增加，而加入NMDAR拮抗劑MK-801則會抑制這一增加（圖5C-D）。由此，50Hz高頻光刺激可通過增加NMDAR介導的興奮性突觸傳遞以促進進食。

為了進一步驗證PVHTRH-AgRP興奮性突觸介導了長期的促進進食，研究人員利用藥理學手段在激活PVHTRH神經元的同時抑制AgRP神經元（圖6D），結果發現若僅激活PVHTRH神經元可促進進食，但同時激活PVHTRH神經元和抑制AgRP神經元，則促進進食的作用被阻斷（圖6E），由此說明，AgRP神經元的激活是促進進食的必要條件。

以上結果表明，體重減輕會激活PVHTRH神經元，從而增強PVHTRH-AgRP的興奮性突觸傳遞，并促進進食同時增加體重。為了直接證明這一點，研究人員檢測了激活PVHTRH一周時間內，小鼠進食量和體重的變化。結果發現單次激活后24小時內，體重增加明顯，進食量在給藥后2天明顯增加，若同時以NMDAR阻斷劑，MK801來抑制興奮性突觸傳遞則體重無明顯變化（圖7A-B），單次激活組的小鼠7天后的體重也高于對照組和NMDAR抑制組（圖7C）。與此一致的是，2 周和4周后單次CNO注射導致體重進一步增加（圖7D）。

文章結論與討論，啟發與展望

綜上，本研究經過嚴謹的實驗設計證明了饑餓使PVHTRH-AgRP的興奮性突觸傳遞增加，可長期影響進食行為和體重變（圖8D）化。本研究進一步說明了研究與饑餓調節相關的明確下丘腦神經回路的重要性。在肥胖大流行的背景下，該研究結果從環路角度解釋了節食后容易反彈的機制，為制定長期維持節食后減輕的體重的治療策略提供了新的理論基礎。本研究的不足之處在于所采用光遺傳學-電生理學方法來研究PVHTRH-AgRP突觸可塑性，可能受ChR2 的表達水平、光強度和切片中的記錄位點的影響，因此很難確定PVHTRH-AgRP 觀察到的le-qEPSC頻率是由于樹突棘的增加，需要組織免疫學進行驗證。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.03.002

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參考文獻（上下滑動查看）
1. Berthoud, H.R. et al. (2021) Physiology of Energy Intake in the Weight-Reduced State. Obesity (Silver Spring) 29 Suppl 1, S25-S30. 10.1002/oby.23080
2. Vong, L. et al. (2011) Leptin action on GABAergic neurons prevents obesity and reduces inhibitory tone to POMC neurons. Neuron 71, 142-154. 10.1016/j.neuron.2011.05.0283. Pinto, S. et al. (2004) Rapid rewiring of arcuate nucleus feeding circuits by leptin. Science 304, 110-115. 10.1126/science.10894594. Krashes, M.J. et al. (2014) An excitatory paraventricular nucleus to AgRP neuron circuit that drives hunger. Nature 507, 238-242. 10.1038/nature12956

編輯︱王思珍
本文完