The Relationship between bone mineral metabolism and autonomic nervous system in a diet induced obese model in rats with normal renal function

Abstract

Introdução: A interação entre a obesidade e o metabolismo mineral ósseo é bastante complexa. Embora tradicionalmente o aumento de peso corporal tenha sido considerado protetor contra a osteoporose devido à ação benéfica imposta pela maior carga mecânica, estudos recentes têm sugerido efeitos deletérios. O tecido adiposo secreta hormônios e citocinas, como a leptina, que possui ações estimulatórias diretas sobre as células ósseas, ou inibitórias via sinalização hipotalâmica e hiperativação do sistema nervoso simpático. Outro modulador importante da massa óssea é o neuropeptídeo Y (NPY), produzido principalmente no hipotálamo e associado negativamente com a formação óssea. Objetivos: Avaliar os parâmetros de remodelação e metabolismo mineral ósseo em um modelo experimental de obesidade induzida por dieta hiperlipídica em ratos, bem como avaliar os efeitos promovidos pela denervação total bilateral do tecido adiposo branco retroperitoneal (TABr). Métodos: Ratos Wistar machos foram alimentados com dieta hiperlipídica contendo 59% de gorduras (DHL) ou dieta controle (Ctl) durante 18 semanas. Na semana 14, foi realizada a cirurgia de denervação (Dn) do TABr ou cirurgia Sham, originando 4 grupos experimentais: Ctl, DHL, Ctl+Dn e DHL+Dn. O peso corporal foi aferido semanalmente e amostras de soro foram coletadas na semana 18 para determinação da função renal, perfis glicêmico e lipídico, leptina, NPY e outros hormônios calciotrópicos. Ao final do protocolo, os animais foram eutanasiados e depósitos de tecido adiposo, hipotálamo e tíbias foram coletados para análises moleculares. A tíbia direita foi processada para análise histomorfométrica de microarquitetura óssea e de parâmetros dinâmicos através da leitura da marcação por oxitetraciclina administrada previamente aos animais. Resultados: Os grupos DHL e DHL+Dn apresentaram aumento significante do peso corporal, circunferência abdominal e dos depósitos de tecidos adiposos, inclusive na medula óssea. A análise histomorfométrica do grupo DHL revelou redução significante da formação e retardo na mineralização óssea, acompanhada de redução do marcador sérico de formação óssea P1NP, porém sem alterações nos parâmetros de reabsorção óssea. O grupo DHL também apresentou elevação significante dos níveis séricos e ósseos de leptina e FGF23, e dos níveis sérico e hipotalâmico de NPY, além de redução de 1,25-dihidroxivitamina D3, PTH, osteoprotegerina e ACTH. A denervação do TABr restabeleceu as alterações ósseas encontradas e normalizou os níveis séricos e hipotalâmicos de NPY. Conclusões: O presente estudo demonstrou efeitos deletérios da obesidade sobre o tecido ósseo, comprometendo basicamente a formação e mineralização, efeitos esses possivelmente mediados pelas ações centrais da leptina e do NPY. A denervação do TABr restaurou a formação óssea e o aumento da expressão hipotalâmica de NPY, sugerindo uma mediação central do processo de remodelação óssea na obesidade.Introduction: The interaction between obesity and bone metabolism is complex. Although increased body weight had been traditionally considered as protective against osteoporosis due to the mechanical loading, recent studies suggest a negative effect of obesity upon bone metabolism. Adipose tissue releases hormones and cytokines, such as leptin, which plays a role in the regulation of bone metabolism by a direct action on bone cells (stimulatory) or through inhibitory effects via a central nervous system (CNS) relay resulting in activation of the sympathetic nervous system. Neuropeptide Y (NPY) is another important regulator of bone metabolism, mainly produced in the hypothalamus and is negatively correlated with bone formation. Objectives: To evaluate parameters of bone mineral metabolism and remodeling in an experimental model of diet-induced obesity in rats as well as to evaluate the effects evoked by bilateral retroperitoneal white adipose tissue (rWAT) denervation. Methods: Male Wistar rats were fed with high-fat diet containing 59% of fat (HFD) or standard diet as controls (Ctrl) for 18 weeks and rWAT denervation (Dnx) or Sham surgery was performed at the 14th week providing 4 experimental groups: Ctrl, HFD, Ctrl+Dnx and HFD+Dnx. Body weight was weekly assessed, and serum samples were collected at 18th week for determination of renal function, glucose and lipid profiles, leptin, NPY and calciotropic hormones. At the end of protocol, animals were euthanized and adipose tissue pads, hypothalamus and tibias were collected for molecular analyses. The right tibia was harvested to assess bone microarchitecture by histomorphometric analysis including double-labeled oxytetracycline previously administered for measurement of dynamic parameters. Results: Both HFD group and HFD+Dnx groups presented significantly increased body weight, abdominal circumference and adipose tissue pad including bone marrow adipose tissue. In HFD group, histomorphometry disclosed reduction of bone formation and delayed mineralization associated to decreased serum bone formation marker P1NP, without alterations in bone resorption. Higher serum and bone tissue levels of leptin and FGF23 were observed in HFD group, in addition to a higher serum and hypothalamic levels of NPY and lower serum 1,25-dihidroxivitamin D3, PTH, osteoprotegerin and ACTH. The rWAT denervation restored bone formation and normalized serum and hypothalamic NPY levels. Conclusions: Present findings suggest that obesity negatively affects bone remodeling probably due to central actions of leptin and NPY. The rWAT denervation restored both bone formation and increased hypothalamic NPY levels, suggesting a CNS mediation of bone remodeling in obesity