Investigating the effect of Lactobacillus rhamnosus GG on emotional behavior in diet-induced obese C57BL/6N mice | Untersuchung der Wirkung von Lactobacillus rhamnosus GG bei Störungen des emotionalen Verhaltens in einem Mausmodell Diät-induzierter Adipositas

English. The prevalence of depression and anxiety is increased in obese patients compared to healthy humans, which is partially due to a shared pathogenesis, including insulin resistance and inflammation. These factors are also linked to intestinal dysbiosis. Additionally, the chronic consumption of diets rich in saturated fats results in body weight gain, hormonal resistances and unfavorable changes in the microbiome composition. The intake of Lactobacilli has already been shown to improve dysbiosis along with metabolism and mood. Yet, the beneficial role and the underlying mechanism of Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) to improve emotional behavior in established diet-induced obese conditions are, so far, unknown. To characterize the role of LGG in diet-induced obesity, female and male C57BL/6N mice were fed a semi-synthetic low-fat diet (LFD, 10 % kcal from fat) or a conventional high-fat diet (HFD, 45 % kcal from fat) for initial 6 weeks, which was followed by daily oral gavage of vehicle or 1x10^8 CFU of LGG until the end of the experiment. Mice were subjected to basic metabolic and extensive behavioral phenotyping, with a focus on emotional behavior. Moreover, composition of cecal gut microbiome, metabolomic profile in plasma and cerebrospinal fluid was investigated and followed by molecular analyses. Both HFD-feeding and LGG application resulted in sex-specific differences. While LGG prevented the increase of plasma insulin, adrenal gland weight and hyperactivity in diet-induced obese female mice, there was no regulation of anxiodepressive-like behavior. In contrast, metabolism of male mice did not benefit from LGG application, but strikingly, LGG decreased specifically depressive-like behavior in the Mousetail Suspension Test which was confirmed by the Splash Test characterizing motivation for ’self-care’. The microbiome analysis in male mice revealed that HFD-feeding, but not LGG application, altered cecal microbiome composition, indicating a direct effect of LGG on behavioral regulation. However, in female mice, both HFD-feeding and LGG application resulted in changes of microbiome composition, which presumably affected metabolism. Moreover, as diet-induced obese female mice unexpectedly did not exhibit anxiodepressive-like behavior, follow-up analyses were conducted in male mice. Here, HFD-feeding significantly altered abundance of plasma lipids whereas LGG decreased branched chain amino acids which associated with improved emotional behavior. In nucleus accumbens (NAcc) and VTA/SN, which belong to the dopaminergic system, LGG restored HFD-induced decrease of tyrosine hydroxylase, the rate-limiting enzyme in dopamine synthesis, on gene expression level. Lastly, transcriptome analysis in the NAcc identified gene expression of cholecystokinin as a potential mediator of the effect of LGG on HFD-induced emotional alterations. In summary, this thesis revealed the beneficial effects of LGG application on emotional alterations in established diet-induced obesity. Furthermore, both HFD-feeding and LGG treatment exhibited sex-specific effects, resulting in metabolic improvements in female mice while LGG application mitigated depressive-like behavior in obese male mice along with a molecular signature of restored dopamine synthesis and neuropeptide signaling.

German. n adipösen Patienten liegt eine erhöhte Prävalenz von Depressionen und Angsterkrankungen vor. Dies liegt unter anderem an einer gemeinsamen Pathogenese, der eine Insulinresistenz sowie ein chronischer Entzündungszustand zugrunde liegen. Diese Faktoren sind mit einer intestinalen Dysbiose assoziiert, die auch durch eine Fehlernährung, beispielsweise mit einer fettreichen Diät, hervorgerufen werden kann. Es konnte bereits gezeigt werden, dass die Aufnahme von Laktobazillen nicht nur eine Dysbiose und den Stoffwechsel verbessert, sondern sich auch positiv auf das Gemüt auswirken kann. Ob jedoch Lactobacillus rhamnosus GG in der Lage ist, in einem Zustand der etablierten ernährungsbedingten Fettleibigkeit das emotionale Verhalten zu verbessern und welche Mechanismen zugrunde liegen, ist noch ungeklärt. Um die Rolle von LGG bei ernährungsbedingter Fettleibigkeit zu charakterisieren, wurden weibliche und männliche C57BL/6N Mäuse mit einer semi-synthetischen Niedrigfettdiät (LFD, 10 % kcal aus Fett) oder einer konventionellen Hochfettdiät (HFD, 45 % kcal aus Fett) für die ersten 6 Wochen gefüttert, um den Zustand einer Adipositas zu etablieren. Anschließend haben die Mäuse eine tägliche perorale Applikation eines Vehikels oder 1x10^8 KBE LGG bis zum Versuchsende erhalten. Die Mäuse wurden einer allgemeinen metabolischen Charakterisierung und einer umfassenden Verhaltensphänotypisierung unterzogen, die Aufschlüsse über das emotionale Verhalten liefern sollen. Darüber hinaus wurde die Zusammensetzung des Darmmikrobioms bestimmt, im Plasma und in der Zerebrospinalflüssigkeit das Metabolitprofil untersucht und durch molekulare Analysen ergänzt. Sowohl die HFD-Fütterung als auch die LGG-Applikation führten zu geschlechtsspezifischen Unterschieden. Während LGG den diätinduzierten Anstieg von Plasmainsulin, ein erhöhtes Nebennierengewicht und Hyperaktivität in weiblichen Mäusen verhinderte, wurde das emotionale Verhalten nicht reguliert. Im Gegensatz dazu profitierte der Stoffwechsel männlicher Mäuse nicht von der LGG-Anwendung, jedoch war LGG in der Lage, spezifisch das depressiv-ähnliches Verhalten zu verbessern, was durch eine Analyse des zielgerichteten Verhaltens bestätigt wurde. Die Mikrobiomanalyse ergab, dass die Diät, jedoch nicht LGG, die Zusammensetzung des Darmmikrobioms in männlichen Mäusen verändert, was auf eine direkte Rolle von LGG in der Verhaltensregulation hindeutet. Im Vergleich dazu war das Darmmikrobiom in weiblichen Mäusen durch die Diät als auch durch LGG verändert, was zu den positiven Veränderungen der Stoffwechselparameter geführt haben könnte. Da weibliche Mäuse weder durch die HFD-Fütterung noch durch die LGG-Gabe einen Effekt auf emotionales Verhalten aufwiesen, wurden die Folgeanalysen bei männlichen Mäusen durchgeführt. Während die HFD-Fütterung das Vorkommen von Plasmalipiden veränderte, lagen aufgrund der LGG-Gabe verzweigtkettige Aminosäuren verringert vor, was mit einem verbessertem emotionalen Verhalten assoziierte. In den dopaminergen Gehirnregionen Nucleus Accumbens (NAcc) und VTA/SN revertierte LGG die HFD-induzierte Reduktion der Tyrosinhydroxylase Genexpression, des geschwindigkeitsbegrenzenden Enzyms in der Dopaminsynthese. Abschließend wurde eine Transkriptomanalyse mittels RNA Sequencing durchgeführt, welche die Genexpression von Cholezystokinin im NAcc als potenzieller Mediator in der Wirkung von LGG bei HFD-induzierten emotionalen Veränderungen identifizierte. Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit die positiven Auswirkungen der LGG-Gabe auf emotionales Verhalten bei etablierter ernährungsbedingter Fettleibigkeit gezeigt werden.. Sowohl die HFD-Fütterung als auch die LGG-Gabe führten zu geschlechtsspezifischen Effekten, was zu Stoffwechselverbesserungen bei weiblichen Mäusen führte, während die LGG-Gabe das depressiv-ähnliche Verhalten bei männlichen Mäusen abschwächte. Zudem wurden auf Genexpressionsebene Tyrosinhydroxylase und Cholezystokinin identifiziert, die potentiell den Effekt von LGG auf das emotionale Verhalten in einem Modell etablierter ernährungsbedingter Fettleibigkeit vermitteln.