La fenotipizzazione di modelli murini tramite metodiche di imaging PET e CT rivela l’importanza di nuovi processi patofisiologici alla base della disregolazione metabolica associata ad obesità.

Lo studio e la caratterizzazione dei processi patogenetici alla base dell’obesita’ si basa sempre di piu’ sull’impiego di modelli animali di malattia, quali topi geneticamente modificati per geni coinvolti in specifiche vie metaboliche. In questo contesto, le metodiche di imaging molecolare offrono un importante vantaggio, quello della visualizzazione e quantificazione del processo metabolico attraverso delle immagini, senza quindi la necessita’ di sacrificare l’animale. In questo lavoro di tesi viene mostrato come apparecchiature di imaging PET (tomografia ad emissione di positroni) e TAC (tomografia assiale computerizzata) per piccoli roditori, siano funzionali per lo studio del fenotipo di modelli animali di obesita’, in quanto capaci di fornire informazioni di natura metabolica (con la PET), o anatomica (per quanto riguarda la TAC), in modo non invasivo. Queste metodiche di imaging, in associazione ad altre metodiche convenzionali, hanno permesso di ottenere nuove informazioni sui meccanismi di funzionamento di sistemi patofisiologici coinvolti nel controllo dell’omeostasi energetica, e quindi del controllo del peso corporeo. Il primo progetto di questo dottorato di ricerca ha riguardato lo studio dei meccanismi di controllo del metabolismo energetico da parte del sistema endocannabinoide. In particolare e’ stato valutato il ruolo svolto dal recettore CB1 (il principale recettore coinvolto nella regolazione del metabolismo energetico da parte degli endocannabinoidi) espresso in alcune popolazioni cellulari neuronali. Il sistema endocannabinoide e’ un sistema fisiologico composto da molecole lipidiche endogene, gli endocannabinoidi, che durante l’obesita’ va in contro ad una patologica overattivazione e in questo modo contribuisce all’accumulo della massa grassa e alle alterazioni metaboliche ad essa conseguenti negli individui obesi. Gli endocannabinoidi hanno la proprieta’ di regolare il metabolismo energetico agendo sia a livello del sistema nervoso centrale, che in tessuti periferici come il tessuto adiposo, il fegato, il pancreas e il muscolo scheletrico A partire dallo studio del fenotipo di topi con delezione completa (in tutto l’organismo) di CB1, e di topi conditional knockout che presentano delezione del recettore esclusivamente in alcune popolazioni cellulari neuronali, si e’ cercato di capire quali siano i meccanismi alla base della capacita’ degli endocannabinoidi di regolare l’omeostasi energetica. Inoltre, confrontando il fenotipo dei due diversi modelli animali, e’ stato valutato se l’azione degli endocannabinoidi a livello dei neuroni ipotalamici e’ importante nel controllare il bilancio energetico e conseguentemente il peso corporeo durante l’obesita’. E’ stato notato come il sistema endocannabinoide possa agire attraverso il recettore CB1 neuronale e determinare un profondo effetto sul metabolismo generale, in termini di controllo dell’omeostasi energetica e di regolazione del profilo metabolico. La capacita’ del recettore CB1 neuronale di mediare questi effetti e’ strettamente dipendente dalla sua capacita’ di regolare l’attivita’ nervosa simpatica sugli organi periferici; in questo senso il tessuto adiposo bruno (BAT) sembra essere fortemente influenzato da questo sistema di controllo che origina dal recettore CB1 neuronale e che ha come importante mediatore il sistema nervoso simpatico (SNS). Questi risultati, che mostrano una stretta relazione esistente tra sistema endocannabinoide e termogenesi del BAT, evidenziano come il BAT possa avere un ruolo importante nel controllare la massa grassa ed il peso corporeo degli individui obesi. Il secondo progetto del dottorato ha riguardato lo studio della relazione esistente tra tessuto adiposo bruno, sensibilita’ insulinica ed obesita’. Il tessuto adiposo bruno e’ un tessuto che recentemente e’ emerso come importante sito di controllo del metabolismo, infatti l’attivita’ funzionale di questo tessuto sembra contribuire a ridurre la capacita’ di accumulare l’energia contenuta nel cibo e quindi contrastare l’accumulo di massa grassa e peso corporeo in seguito ad alimentazione ipercalorica. Un aspetto ancora sconosciuto di questo tessuto e’ la sua capacita’ di rispondere alla azione dell’insulina. Dati preliminari ottenuti in vitro, sembrerebbero evidenziare che il tessuto adiposo bruno ha una forte capacita’ di rispondere alla azione dell’ormone, e che in condizioni di obesita’ la sensibilita’ insulinica in questo tessuto puo’ risultare compromessa. Alla luce della potenziale importanza di questo tessuto nel controllo dell’azione dell’insulina, in questo lavoro si e’ voluto valutare, in vivo, la sensibilita’ insulinica del tessuto in condizioni fisiologiche e di obesita’ indotta da dieta. A questo scopo, attraverso imaging molecolare PET e TAC, e’ stata studiata la capacita’ dell’insulina di stimolare l’uptake di glucosio nel tessuto adiposo bruno di topi normali (magri, alimentati con dieta alimentare standard) ed in topi con obesita’ indotta da dieta. E’ stato dimostrato come l’insulina possa agire in modo significativo nel regolare l’uptake di glucosio nel BAT e come l’obesita’ indotta da dieta sia caratterizzata da una ridotta funzionalita’ insulinica in questo tessuto. Recenti evidenze sperimentali, sebbene preliminari, indicano come l’insulina possa stimolare allo stesso livello del muscolo scheletrico, l’uptake di glucosio nel BAT di esseri umani adulti sani (non obesi). Alla luce di queste evidenze e dei dati presentati in questo lavoro di tesi, e’ possibile quindi che il BAT degli esseri umani vada incontro ad una alterata funzionalita’ insulinica in seguito ad obesita’. Questo tessuto, quindi, potrebbe rappresentare un nuovo target per controllare deregolazioni metaboliche che si originano in seguito ad obesita’, come la resistenza insulinica.

Emerging molecular imaging techniques in small animals allow a non invasive study of animal models of diseases, providing in vivo information on metabolic pathways. The metabolic process can be visualized and quantified by images, avoiding animal sacrifice which is often mandatory with conventional techniques In this work we show how small animals Positron Emission Tomography (PET) and Computed Tomography (CT) usefully provide metabolic and anatomic information respectively, in a non invasive fashion. Toghether with other conventional approaches, these molecular imaging techniques allowed, in the present work, to collect information on the pathofisiological mechanisms underlying energy metabolism and consequently body weight control in obesity. The first project of the PhD focused on the comprehension of the mechanism by which endocannabinoid system is able to control energy balance at different anatomical sites. The endocannabinoid system (ECS) is a physiological system composed by endogenous lipid molecules regulating energy metabolism acting on the cannabinoid receptor type 1 (CB1). This receptor is expressed in different anatomical sites as central and peripheral nervous system, adipose tissue, liver, skeletal muscle. The ECS is pathologically over-activated during obesity and this overactivation is known to contribute to fat mass and body weight accumulation in obese individuals. The mechanisms and the major anatomical sites underlying this control, are, however, not fully elucidated yet. We focused on the role played by CB1 receptor expressed in some neuronal population. To this aim, the phenotype of conditional knockout for CB1 receptor in some neuronal populations was studied, and compared with the phentype of global CB1 receptor knockout mice (mice having a whole body deletion of the receptor). We found that neuronal CB1 receptor has a deep influence in the ability of ECS to control energy balance and the plasma metabolic profile during obesity. This property of neuronal CB1 receptor is strictly linked with a modulation of the peripheral sympathetic tone which finally influences the metabolic activity of peripheral organs. This loop seems to be particularly effective in modulating brown adipose tissue (BAT) activity, which apparently underlyes most of the changes in whole body energy metabolism observed in the conditional mutant mice for neuronal CB1. These results, which show a strict functional relationship between ECS and BAT thermogenic activity, highlight BAT as a key organ able to control fat mass and body weight gain in obese individuals. The second project of this PhD thesis focused on the relationship between BAT, insulin sensitivity and obesity. BAT is an insulin sensitive organ having a very high uptake of glucose per gram of tissue. The role of insulin on glucose uptake in BAT is still poorly understood, and it is not clear whether BAT insulin function is compromised with obesity. Using a small animal PET/CT imaging approach we analysed in vivo glucose uptake in the BAT of lean and diet-induced obese mice in basal condition and after insulin stimulation. All these findings allowed us to demonstrate that diet induced obesity is associated with an altered (reduced) insulin function in the BAT. Recent experimental evidences indicate that BAT is an important organ in insulin induced glucose clearance in humans; thus, the data obtained in this PhD project, which indicate a compromised insulin function in the BAT of obese individuals, highlight this tissue as a new target to control insulin resistance in obesity.