Sucrose-induced memory deficits

Abstract

A pré-diabetes tal como a diabetes tipo 2 - uma doença metabólica heterogénea com uma elevada taxa de prevalência - está associada a um risco acrescido de desenvolver distúrbios do sistema nervoso central. A “encefalopatia diabética” é caracterizada por alterações electrofisiológicas, estruturais, neuroquímicas e degenerativas que poderão originar défices cognitivos, constituindo uma complicação da diabetes relativamente pouco conhecida. O hipocampo, sendo uma estrutura cerebral fundamental nos processos de aprendizagem e memória, apresenta uma elevada susceptibilidade ao ambiente adverso da pré-diabetes/diabetes. O objetivo deste trabalho foi avaliar a memória e a aprendizagem bem como as alterações fenotípicas do hipocampo num modelo animal de resistência à insulina/pré-diabetes (induzido pela adição de sacarose à dieta). Ratos Wistar machos com 17 semanas de idade foram submetidos a uma dieta normal ad libitum e divididos em dois grupos: controlo (Cont) (água) e ratos submetidos à ingestão de um elevado teor de sacarose (HSu) (solução de sacarose a 35%). O consumo da solução de sacarose durante um período de 9 semanas resultou em normoglicemia em jejum acompanhada por uma hiperinsulinemia e hipertrigliceridemia num estado não-jejum e intolerância à glicose associada a resistência à insulina, relativamente ao grupo Cont. A sacarose produziu uma diminuição da memória espacial dependente do hipocampo (Y-Maze e Morris Water-Maze). Com o intuito de confirmar esta disfunção cognitiva, foi medida a expressão de várias proteínas por Western Blotting, incluindo marcadores da cascata de sinalização da insulina (IR-β, IRS-1, IRS-1 pSer636/639, PI3K), marcadores de plasticidade sináptica (1-glutamatérgicos: GluR1, NR1, PSD-95; 2-maquinaria exocitótica: sinaptofisina) e marcadores de neurotoxicidade (GS, GFAP, RAGE, HNE, TNF-α). Os resultados obtidos demonstraram uma redução na expressão do IR-β nos ratos HSu em relação ao Cont. No entanto, não houve alteração dos níveis basais das restantes proteínas de sinalização (IRS-1 e PI3K). Simultaneamente, o hipocampo dos ratos HSu exibiu um aumento da expressão das subunidades GluR1 e NR1 dos recetores AMPA e NMDA, respetivamente. Isto sugere alterações na plasticidade sináptica induzidas pela sacarose. Finalmente, as alterações de memória não foram acompanhadas por um fenótipo neurotóxico. Em conclusão, neste estudo demonstrou-se que um consumo excessivo de sacarose durante 9 semanas resultou numa condição metabólica sugestiva de um estadio de pré-diabetes, e num comprometimento significativo da memória. Estes défices cognitivos foram acompanhados por alterações na expressão do recetor da insulina e nas sinapses glutamatérgicas.

Both prediabetes and type 2 diabetes mellitus - a heterogeneous metabolic disorder with high prevalence rates - are associated with an increased risk for central nervous system disorders. “Diabetic encephalopathy” is a relatively unknown diabetes complication, characterized by electrophysiological, structural, neurochemical and degenerative neuronal changes which lead to cognitive functioning limitations. The hippocampus, a relevant brain region for learning and memory processes, presents a high degree of susceptibility to the adverse environment of diabetes. The purpose of this work was to characterize the cognitive function (learning and memory) along with hippocampal dysfunction in a sucrose-induced insulin resistance/prediabetes animal model. 17-weeks-old male Wistar rats were given free access to a standard chow and divided into two groups: control (Cont) (drinking water) and high-sucrose (HSu) (35 % sucrose solution). The consumption of a 35 % sucrose solution for an extended period of time (9 weeks) resulted in fasting normoglycemia accompanied by hyperinsulinemia and hypertriglyceridemia in a fed state, and insulin resistance associated with impaired glucose tolerance. The sucrose effect on rats learning and memory performance was assessed using the Morris Water-Maze and the Y-Maze tests, which convincingly showed that hippocampus-dependent spatial memory was dramatically impaired on the HSu rats. In order to corroborate the hippocampal dysfunction underlying this memory alterations, the expression of several proteins was determined by Western Blotting including insulin signaling pathway markers (IR-β, IRS-1, IRS-1 pSer636/639, PI3K), synaptic plasticity markers (1-glutamatergic: GluR1, NR1, PSD-95; 2-exocytotic machinery markers: synaptophysin) and neurotoxicity markers (GS, GFAP, RAGE, HNE, TNF-α) .Herein it was found a reduction in IR-β expression for HSu rats compared to Cont. This was not accompanied by changes in basal levels of further insulin signaling molecules: IRS-1 and PI3K. The results also showed an upregulation of both AMPA and NMDA receptor subunits GluR1 and NR1, respectively, which were not accompanied by a neurotoxic phenotype. Overall, we found that 9 weeks of sucrose consumption resulted in a metabolic condition suggestive of a prediabetic state, which translated into a deficit of rats’ memory performance, accompanied by altered insulin receptor expression as well as altered glutamatergic synapses.