The impact of cafeteria diet feeding on physiology and anxiety-related behaviour in male and female Sprague-Dawley rats of different ages

There is emerging experimental evidence that hyper-energetic diets not only cause obesity but also impact on behaviour in rodents. A hyper-energetic comfort diet/cafeteria diet (CD) fed during early development programmes anxiety-related behaviour in adult age, but little is known how an obesogenic CD impacts on behaviour when fed at a later age. To this end we fed CD to Sprague-Dawley rats of both sexes at either 6 weeks or 12 months old, for a period of 6 weeks. Anxiety-related behaviour was assessed in the elevated plus maze (EPM) and the open field (OF). A glucose tolerance test was performed and metabolic indices, body weight and fat were measured. CD-fed young adult females, but not males, had a higher energy intake, due to an overconsumption of carbohydrates and fats. Only in adult CD-fed rats of both sexes did this overconsumption led to increased weight gain. Protein intake was reduced in all CD groups. Fat mass (subcutaneous, perirenal, gonadal) increased in most CD groups, whereas brown fat increased only in adults. Triacyglycerol, free fatty acid and total cholesterol concentrations increased predominantly in adult CD-fed rats. Glucose tolerance was only impaired in adult males. CD-fed adult males showed fewer entries into the aversive open arms and groomed more on the EPM, whereas adult females spent more time on these arms. In the OF, CD-fed females of both ages visited the inner zone more frequently and travelled a longer distance. The behavioural data suggests anxiolysis in CD-fed females and signs of increased anxiety in adult males. In conclusion, this study demonstrates that feeding CD leads to both obesity and behavioural changes in rats. Overall, these effects were more pronounced in older rats, with the behavioural effects being particularly gender dependent

Effects of age and gender in Sprague-Dawley rats fed a cafeteria diet

Adipositas als komplexes Krankheitsbild betrifft alle Bevölkerungsschichten und Altersgruppen. Es wird geschätzt, dass allein in Deutschland 17 % der Männer und 20 % der Frauen unter Fettleibigkeit (BMI > 30) und deren Begleiterscheinungen wie kardiovaskuläre und metabolische Erkrankungen, Fettstoffwechselstörungen, Diabetes mellitus Typ 2, Hypertonie und schwerwiegenden Schäden am Stütz- und Bewegungsapparat leiden. Genetische Tiermodelle sind geeignet, Hypothesen zur Entstehung der Adipositas beim Menschen zu überprüfen, da sie die Rolle einzelner Neurotransmitter und Hormone wie Leptin aufklären können. Um der bedeutenden Rolle der Umwelt bei der Entwicklung von Übergewicht Rechnung zu tragen, war das Ziel dieser Studie, ein Modell zum Einsatz zu bringen, das nicht auf einem Gendefekt sondern auf einer Manipulation der Diät beruht. Da Alters- und Geschlechtsunterschiede häufig heterogene Ergebnisse bei identisch durchgeführten Untersuchungen bewirken, liegt eine Besonderheit dieser Arbeit im Einschluss systematischer Untersuchungen der Faktoren Alter und Geschlecht innerhalb einer Studie. Die zunehmende Verbreitung der Fettleibigkeit unter pubertierenden Jugendlichen und jungen Erwachsenen sowie die vorherrschende Prävalenz für Adipositas bei Menschen mittleren Alters (50 – 69 Jahre), ließ den Schwerpunkt dieser Studie auf die Untersuchung männlicher und weiblicher jung adulter (sechs Wochen) und adulter Ratten (zwölf Monate) fallen. Anhand dieses multifaktoriellen Versuchsmodells wurde der Einfluss einer Cafeteria- Diät (CD), die aus hochkalorischen, schmackhaften Lebensmitteln bestand, auf das Verhalten und metabolische Parameter bei Sprague-Dawley (SD) Ratten untersucht. Nach vierwöchiger Verabreichung der CD zusätzlich zu den Standardpellets wurden alle Versuchstiere in Hinblick auf ihr Angst- und Explorationsverhalten sowie ihre Lern- und Gedächtnisleistungen im Elevated Plus Maze-Test (EPM), Open Field-Test (OF), Novel Object Discrimination-Test (NOD) sowie in einem Habituationstest untersucht. Des Weiteren fanden Analysen zur Behavioural Satiety Sequence (BSS) statt. Energiezufuhr sowie Gewichtszunahme wurden täglich dokumentiert. Am Ende der Versuche erfolgte die Durchführung eines oralen Glukose Toleranz-Tests. Abschließend wurden Blutproben zur Analyse der Blutfettwerte entnommen und das Fettgewebe präpariert. Trotz ihrer erhöhten Energiezufuhr waren die jung adulten Ratten in der Lage, der Entwicklung einer Adipositas durch Kompensationsmechanismen entgegenzuwirken, während die adulten Ratten eine signifikant erhöhte Körpermasse aufwiesen. In allen CD-Gruppen war die viszerale Fettmasse signifikant erhöht und die Glukosetoleranz beeinträchtigt. Die Plasmawerte der Triglyceride und freien Fettsäuren waren bei den adulten CD-Ratten in stärkerem Maße erhöht als bei den jung adulten CD-Tieren. In den Verhaltenstests zeigten die männlichen CD-Ratten vermehrte Anzeichen von Angst, während die CD-Weibchen im Vergleich zu den Kontrollen ein reduziertes angstassoziiertes Verhalten aufwiesen. Dieser Geschlechtsdimorphismus war bei den adulten Tieren ausgeprägter als bei den jung adulten. Während die Lernleistungen im NOD-Test bei allen CD-Ratten höher als bei den Kontrollen lagen, waren im Habituationstest keine signifikanten Unterschiede feststellbar. Bei der Untersuchung der BSS zeigten die adulten, männlichen CD- Ratten ein verfrühtes Einsetzen des Ruheverhaltens, was zu einem vorgezogenen Übergangspunkt vom Nahrungsaufnahmeverhalten zum Ruhen führte. Die Ergebnisse lassen einen deutlichen Effekt des Alters und des Geschlechts auf die Entwicklung der Körpermasse und die mit ihr verbundenen Begleiterscheinungen erkennen. Die diätinduzierten physiologischen Veränderungen gingen mit einem breiten Spektrum an Verhaltensänderungen einher. Durch die Integration der Faktoren Alter und Geschlecht und die Unterschiede in den erlangten Ergebnissen bezüglich der Körpermasseentwicklung, der metabolischen Parameter sowie der Verhaltensänderungen wird deutlich, dass anknüpfende Arbeiten das komplette vierteilige Versuchsmodell einschließen müssen, da es sonst zur Erlangung von Teilinformationen kommt, die zu irrtümlichen Schlussfolgerungen führen können. Zusammenfassend leistet die vorliegende Arbeit einen bedeutenden Beitrag zur Charakterisierung eines Rattenmodells mit diätinduzierten metabolischen Veränderungen und liefert wichtige Erkenntnisse über die Rolle von Alter und Geschlecht bei der Beeinflussung verschiedener Verhaltensprozesse durch eine hochkalorische Ernährung.Obesity affects a very broad level of the population. Approximately 17 % of German men and 20 % of German women suffer from obesity (BMI > 30) and its associated symptoms like cardiovascular and lipometabolic disorders, type-2-diabetes, hypertension and severe injury of the musculoskeletal system. Genetically manipulated animal models are suitable to study mechanisms of human obesity as they are particularly helpful to clarify the involvement of single neurotransmitters and hormones, as for example leptin. Since diet induced obesity mimics the evolution of human obesity in a more lifelike way, the intention in this study was to use an animal model of obesity which is based on manipulations of the diet. Given that differences in age and gender often result in contradictionary outcomes of similarly conducted tests, one distinct feature of this study is the inclusion of systematic examinations of age and gender. The increasing spread of obesity among adolescent youths and young adults as well as the predominating prevalence for obesity among middle- aged people (50 – 69 years) were the decisive factors to put the main focus on the examination of male and female young adult (six weeks) and adult rats (twelve months). On the basis of this multifactorial design the influence of a cafeteria diet (CD) consisting of high caloric, palatable food items on behaviour and metabolic parameters of Sprague-Dawley (SD) rats was examined. After four weeks of feeding the CD additionally to standard chow, all animals were tested for their anxiety-related behaviour and learning abilities in the Elevated Plus Maze test (EPM), Open Field test (OF), Novel Object Discrimination test (NOD) and in a habituation trial. Additionally, the Behavioural Satiety Sequence (BSS) was analysed. Energy intake as well as body weight gain were documented daily and glucose tolerance was measured. At the end of the study fat tissue was dissected and blood samples were collected. Despite their increased energy intake, younger rats were able to resist the development of obesity through compensatory mechanisms whereas adult rats showed an elevated body weight. In all groups fed with CD visceral fat mass was significantly enlarged and glucose tolerance was impaired. Plasma triglyceride and free fatty acids were distinctly more affected in the aged groups. Upon behavioural testing, male CD fed rats showed a higher anxiety- related behaviour whereas females seemed to be less anxious than chow fed controls. This discrepancy was again more pronounced in the older animals. When exposed to the NOD, all CD fed rats showed better object recognition than controls while no differences could be found in the habituation trial. Regarding the BSS adult male CD-rats showed a premature initiation of resting behaviour leading to a precipitate transition point between feeding and repose. The results show a considerable impact of age and gender on the development of obesity and its associated symptoms. Diet induced physiological changes were accompanied by a broad spectrum of behavioural changes. The integration of the factors age and gender and the different results regarding body mass development, metabolic parameters and behavioural changes reveal that following up studies must enclose the whole quadrinomial experimental model to avoid partial information which might lead to erroneous conclusions. Summing up this study makes an essential contribution to characterise a rat model with diet induced metabolic changes and provides important knowledge on the part of age and gender with regard to the influence of a high caloric diet on behavioural processes