Assunzione degli alimenti Controllo neuroendocrino 1

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Controllo nervoso della fame 9

Fattori che regolano l’assunzione di cibo 10

Ipotesi del controllo dell’assunzione di alimento 1-Assunzione di cibo, 2-stimolazione LPL, 3-inibizione HSL, 4-ipertrofia adipociti, 5-iperplasia adipociti, 6-produzione leptina, 7-stimolazione GPL1, 8-inibizione NPY, 9-riduzione assunzione di cibo 11

La Leptina è un ormone proteico che regola il peso corporeo, il metabolismo e le funzioni riproduttive. Essa è codificata dal gene dell’obesità (ob) La leptina è espressa prevalentemente dagli adipociti. Piccole quantità vengono prodotte nello stomaco e nella placenta. I recettori specifici per la leptina sono particolarmente espressi nell’ipotalamo, nei linfociti T e nelle cellule endoteliali 12

La leptina arriva nel Sistema Nervoso Centrale (SNC) attraverso la barriera ematoencefalica mediante un meccanismo di trasporto mediato da specifici recettori. Questo segnale di natura ormonale ha lo scopo di informare il SNC sullo stato di riserve energetiche dell’individuo. Agisce regolando l’apporto alimentare attraverso l’inibizione della sintesi e del rilascio del neuropeptide Y (NPY), sostanza stimolante l’appetito. 13

Nel soggetto obeso sono stati riscontrati quantitativi molto elevati di leptina circolante, ben più alti di quelli osservati nell’individuo normopeso Tale quantitativo è risultato inoltre strettamente correlato con il BMI e la quantità di massa grassa Tale condizione porta a supporre che nell’uomo l’obesità sia legata ad un’azione di resistenza all’azione della leptina a livello dei suoi centri ipotalamici piuttosto che a un suo deficit secretorio. 14

Effetti fisiologici della leptina Assunzione di cibo, peso corporeo, consumo energetico È stata dimostrata una correlazione positiva tra le concentrazioni di leptina serica e la percentuale di grasso corporeo. Inoltre, alte concentrazioni di ob mRNA sono state trovate nei soggetti obesi. Sembra che gli adipociti aumentino di volume per un maggiore accumulo di trigliceridi e producano una maggiore quantità di leptina. In sostanza, la leptina rappresenta un indice dello stato di nutrizione 15

L’iniezione quotidiana di leptina ricombinante nel ob/ob mice (i. e L’iniezione quotidiana di leptina ricombinante nel ob/ob mice (i.e. mutanti incapaci di sintetizzarla) ha portato ad una drammatica riduzione dell’assunzione di cibo ed ad una perdita di peso del 50% in un mese 16

La perdita di peso è il risultato di almeno due effetti fondamentali: Meno fame e consumo di cibo per l’inibizione della sintesi di neuropeptide Y Aumento del consumo di energia, misurato come aumento del consumo di ossigeno, della temperatura e diminuzione della massa grassa 17

MODELLI ANIMALI TOPO ob/ob Genotipo: mutazione nel gene della leptina Fenotipo: Assenza di leptina circolante Obesità Iperfagia Infertilità La somministrazione di leptina corregge eccesso di peso, iperfagia e infertilità Topo ob/ob mouse x topo NPY ko: fenotipo intermedio

TOPO db/db e RATTO Zucker MODELLI ANIMALI TOPO db/db e RATTO Zucker Genotipo: recettore per la leptina non funzionante Fenotipo: Obesità Diabete Iperfagia Infertilità La somministrazione di leptina NON corregge eccesso di peso, iperfagia e infertilità

Leptina e neuropeptide Y (NPY): azioni sul bilancio energetico Risposta al calo ponderale ipotalamo NPY metabolismo Leptina Appetito (bilancio energetico negativo) Massa adiposa sopra il “set point” Riduzione della massa adiposa

+ - - NPY\AGRP + - + Digiuno Nucleo arcuato POMC\CART LEPTINA POMC=pro-opiomelanocortin CART=cocaine and amphetamine-related transcript NPY =neuropeptide Y AGRP=agouti gene-related peptide Nucleo arcuato + - POMC\CART - NPY\AGRP LEPTINA + Tessuto adiposo Insulina GH GC GHRELINA Nervo vago - + Digiuno Stomaco

La leptina si accoppia con l’isoforma completa del suo recettore, quella OB-Rb. Nel nucleo arcuato dell’ipotalamo si trovano due popolazioni di neuroni che rispondono alla leptina. La prima popolazione di neuroni è quella che produce il neuropeptide Y (NPY) e stimola la produzione di oressine, potenti promotori dell’appetito. La seconda popolazione di neuroni è quella che produce la pro-opiomelanocortina (POMC) e il CART (cocaine-amphetamine regulated transcript, ossia, trascritto regolato dalla cocaina e dall’anfetamina) e diminuisce l’attività dei neuroni produttori di sostanze oressigene. La leptina diminuisce l’attività della prima popolazione di neuroni e, quindi, inibisce le connessioni di questi con i neuroni che producono sostanze oressigene. La seconda popolazione di neuroni, invece, è stimolata dalla leptina e, quindi, è in grado di generare un’inibizione più forte sui neuroni che producono le sostanze oressigene. Così, tramite questa inibizione, l’appetito viene diminuito.

Regolazione ormonale dell’assunzione alimentare e della spesa energetica - Leptina NPY Riduzione apporto alimentare Aumento apporto alimentare Riduzione dell’utilizzo di glucosio Aumento dell’utilizzo di glucosio Aumento della glicogenosintesi Aumento della secrezione insulinica Riduzione della secrezione insulinica Aumento della spesa energetica Riduzione della spesa energetica

Secrezione e sintesi di leptina La quantità di leptina prodotta dagli adipociti è direttamente proporzionale al contenuto lipidico delle cellule. La leptina viene secreta immediatamente e non conservata nelle cellule Attualmente il meccanismo di regolazione della produzione di leptina non è noto, probabilmente dipende da alcuni ormoni che regolano l’espressione del gene ob, quali glucocorticoidi ed insulina 24

La regolazione dei livelli plasmatici di leptina è dovuta alla quantità di adipociti, ma anche a diversi fattori endocrini. Il principale fra questi è il livello di insulina, che, quando basso, diminuisce la sintesi di leptina. La leptina è più bassa in presenza di basse temperature, stimoli adrenergici, ormone della crescita (GH) e ormoni tiroidei come la triiodotironina. Glucocorticoidi, infezioni acute e citochine infiammatorie al contrario aumentano la secrezione di leptina (anoressia e perdita di peso in queste situazione infiammatorie). 25

Stato alimentare e regolazione della secrezione Il tessuto adiposo è il principale produttore della leptina e, quindi, l’aumento della massa grassa risulta nell’aumento della produzione di leptina, comunicando al cervello che i depositi di grasso sono sufficienti. La leptina ha, quindi, un’azione anoressica perché inibisce la crescita del tessuto adiposo tramite la diminuzione dell’appetito e della lipogenesi e l’aumento della spesa energetica e della lipolisi. Questo meccanismo di retroazione negativa garantisce il controllo sulla crescita della massa magra. La mancanza o resistenza alla leptina può causare un tipo di obesità. 26

Effetti sull'angiogenesi La leptina promuove la crescita di nuovi vasi sanguigni, tramite l'aumento del tasso di mitosi dell'endotelio vascolare. Il processo di promozione dell'angiogenesi da parte della leptina non è ancora totalmente conosciuto. Certi studi, comunque, dimostrano un ruolo importante della leptina nella rimodellazione della matrice extracellulare tramite la regolazione delle metalloproteinasi. Altri studi ancora, hanno dimostrato che grazie alla promozione dell'angiogenesi, la leptina favorisce la cicatrizzazione dei tessuti 27

Effetti sul sistema endocrino Modifica l'asse ipotalamo-ipofisi-surrene: quando i livelli di leptina sono bassi o quando vi è resistenza alla leptina, la secrezione di glucocorticoidi è più alta. La somministrazione di leptina, invece, riduce la secrezione di glucocorticoidi. Sull'asse ipotalamo-ipofisi-tiroide diminuisce l'efficienza del meccanismo di retroazione realizzato dalla triiodotironina e dalla tiroxina sulla loro stessa produzione. La riduzione della secrezione dell'ormone della crescita (GH) nei roditori che hanno una deficienza di leptina dimostra che essa è capace di regolare anche la secrezione del GH. 28

Effetti sul sistema immunitario È stato da poco dimostrato che la leptina ha un ruolo importante sul sistema immunitario e sull’attività dei linfociti T. Essendo la leptina una citochina, l’omeostasi timica e la secrezione di agenti infiammatori acuti come l’interleuchina-1 e il fattore di necrosi tumorale possono essere accelerati dalla leptina. Ha quindi un’azione simile ad altre citochine infiammatorie, promuovendo la maturazione e differenziazione dei linfociti T helper 1. Queste attività immunitarie della leptina possono spiegare il paragone esistente fra lo stato nutrizionale (e quindi la produzione di leptina da parte degli adipociti) e lo stato immunitario. Suggeriscono anche un ruolo della leptina nelle malattie autoimmunitarie, come il diabete mellito di tipo 1, la sclerosi multipla e l’encefalomielite, come dimostrato da ricercatori italiani. 29

Effetti nel tessuto adiposo La secrezione di leptina può essere regolata dallo stato alimentare, un fenomeno importante per la regolazione dell'appetito. Quando l'organismo si trova in un stato di digiuno lo sfruttamento di lipidi come risorsa di energia è più alto, una risposta fisiologica generata dalla riduzione dei livelli di insulina plasmatica e dalla secrezione di glucagone ed epinefrina. Questi ormoni aumentano anche il tasso di gluconeogenesi e glicogenolisi per normalizzare i livelli di glucosio sanguigno. Tutti questi fenomeni che caratterizzano lo stato di digiuno contribuiscono alla diminuzione della secrezione di leptina e, così, si aumenta il senso della fame. Problemi della sintesi e secrezione di leptina causano un mancato controllo dell’appetito e possono indurre all’obesità, dato che l’individuo agisce come se l’organismo fosse in uno stato permanente di digiuno. 30

Effetti sulla riproduzione Nei ratti, studi hanno dimostrato che la leptina è fondamentale per la maturità dell’asse ipotalamo-ipofisario riguardante la maturazione riproduttiva. Appena raggiunta l’età riproduttiva si verificano dei picchi di secrezione di ormoni gonadotropici, come il FSH, nei ratti normali. I ratti ob/ob (denominati geneticamente obesi), non presentano questi picchi di secrezione. Come risultato, hanno un apparato genitale atrofizzato. Anche negli umani si verificano ritardi dello sviluppo riproduttivo in assenza di leptina, nel quadro di ipogonadismo ipotalamico. Per il mantenimento del ciclo mestruale, è necessaria una quantità minima di tessuto adiposo capace di produrre un livello adeguato di leptina. Questa necessità spiega l’amenorrea verificata nelle donne che soffrono di anoressia nervosa. 31

Body Fat Stores Appetite/Feeding Metabolic Signal Metabolism Exercise LH/FSH Reproduction? Appetite/Feeding Metabolism Metabolic Signal Body Fat Stores Exercise 32

Gli effetti della leptina sono legati ad esercizio fisico ed attività riproduttiva 33

Role of leptin in fertility Inadequate nutrition ob/ob mouse Adequate nutrition Exogenous leptin replacement Inadequate adiposity Adequate adiposity Obesity High leptin levels Leptin absent Low leptin levels Female Male FSH LH Testicular and seminal vesicle weights Sperm count Ovarian and uterine weight REPRODUCTIVE INADEQUACY STERILITY

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Decrease in Age of Menarche over Time Age at Menarche (Years) 17 16 Age at Menarche (Years) 15 Finland 14 Sweden Norway 13 USA 1850 1870 1890 1910 1930 1950 Date of Menarche 36

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Un aumento fisiologico di leptina è responsabile dell’inizio della pubertà? Puberty Onset 10 20 30 40 50 60 Age 38

IPOTESI DELLA MASSA ADIPOSA CRITICA PESO CORPOREO % MASSA GRASSA V LEPTINA FUNZIONE RIPRODUTTIVA

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La leptina è in grado di regolare l’inizio della pubertà? 41

Effect of Leptin on Food Intake Over Time 40 35 30 25 20 5 10 15 Ad lib Leptin Age (day) Food Intake (g) 42

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L’alimentazione influisce sugli effetti della leptina nel determinare l’insorgenza della pubertà? 44

Effects of Leptin on Vaginal Opening and Estrus in Severely Food-Restricted Rats 45

Conclusione La leptina ha un effetto permissivo sull’inizio della pubertà La presenza della leptina è necessaria ma non sufficiente ad indurre la maturazione sessuale 46

osservazioni Un effetto simile è stato dimostrato per la melatonina Melatonina – effetti (uomo) Ciclo sessuale Ovulazione 47

Anche la prolattina ha mostrato effetti sull’attività riproduttiva osservazioni Anche la prolattina ha mostrato effetti sull’attività riproduttiva Lattogenesi Galattopoiesi mRNA per caseina e lattoalbumina Enzimi per sintesi lattosio Inibisce sintesi gonadotropine No ovulazione - Amenorrea No spermatogenesi Soppressione libido Effetti psichici comportamentali Stimola l’ovulazione (ratto) 48

PUBERTA’ - momento fisiologico in cui gli organi sessuali maturano e iniziano a produrre ormoni sessuali, principalmente testosterone estrogeni e progesterone - momento in cui un animale acquisisce la capacità di riprodursi

Fattori che determinano l’età della pubertà Fattori interni Specie Razza Fattori esterni Alimentazione (peso) Stagione Gruppo Presenza del maschio

Specie

Razza

Alimentazione nel bovino (70% del peso adulto)

Stagione Nascita Accoppiamento Nascita

N° soggetti gruppo Presenza del verro 6,5 mesi 7,5 mesi Presenza del verro 4,5 mesi 5,5 mesi

GRELINA I “Growth-hormone secretagogues”(GHSs) sono piccole molecole sintetiche di natura proteica e non, in grado di stimolare il rilascio del GH mediante il legame con uno specifico recettore appartenete alla famiglia dei “G-protein-coupled receptor”, il GHS-R Recentemente, un nuovo ligando endogeno del GHS-R è stato isolato e caratterizzato dallo stomaco dei Mammiferi. A tale ligando è stato dato il nome “ghrelin”, da “ghre”, radice proto-indo-europea della parola “growth” e “relin”, poiché mostra attività rilasciante il GH

Struttura e sintesi È un piccolo peptide di sintesi di 28 amminoacidi caratterizzato da una modificazione acilica al terzo residuo di serina (Ser3) della catena N-terminale. È codificata in un prepro-ormone (prepro-ghrelin): regione segnale regione matura regione C-terminale

modificazione da acido n-octanoico o da acido decanoico Forma acilica: modificazione da acido n-octanoico o da acido decanoico Forma non acilica: (80-90%) non ha effetti sull’asse endocrino e sull’omeostasi energetica in quanto non si lega al GHS-R

STOMACO: principale sito di produzione della grelina Altri organi: nucleo arcuato dell’ipotalamo, ghiandola pituitaria ed in diversi tessuti periferici, quali il rene, la placenta, il pancreas ed il surrene

Biosintesi e secrezione ++durante il digiuno --nella fase post-prandiale Attraverso il circolo sistemico, veicola al SNC segnali di fame fungendo da potente stimolatore dell’appetito ++glucosio --grelina

Effetti biologici Stimola il rilascio di GH ipofisario mediante il legame con il GHS-R, localizzato nell’ipofisi e nell’ipotalamo Regola l’assunzione di cibo, il metabolismo energetico ed il peso corporeo

Altri effetti: rilascio PRL e ACTH Inibizione della secrezione di gonadotropine Secrezione acida e motilità gastrointestinale Funzioni pancreatiche endocrine ed esocrine

PHYSIOLOGICAL SIGNALS INVOLVED IN THE REGULATION OF ENERGY BALANCE Hypothalamic control mechanisms SNS Hunger/ satiety External cues Gut BAT Pancreas ACTH Insulin Glucocorticoids CCK Leptin Higher brain centers Long term signal Short term signals WHITE ADIPOSE TISSUE Heat NPY CRH Adrenals Ghrelin Resistin Adiponectin