Dissecting the crosstalk between stress, depression and obesity

Tese de doutoramento em Ciências da SaúdeIn addition to the important role of genetics, most diseases are highly related to external and environmental factors. Chronic moderate stressors that individuals deal with throughout their lives are amongst those that can trigger several mood disorders, especially depression and anxiety. Several animal models have been proposed to study these, being the chronic mild stress (CMS) one of the most widely used protocols. However, there are many controversies in the reports using this model, which may be attributed to (subtle) methodological differences across laboratories. For example, the time of the day or night (light/dark phases) at which the stress is performed can be an important factor neglected in most studies. Many laboratories, for convenient reasons, perform their experiment in the light phase of the light cycle, which corresponds to the rodents resting period. Given that CMS is a model intended to mimic the moderate stresses that people are dealing with daily at work or at home, this important aspect should be taken into consideration when translating animal studies to the clinics. Therefore, in the first part of this thesis, we assessed the impact of the light phase of the circadian rhythm on the animals’ response(s) to the CMS protocol, by performing CMS in both diurnal light periods (i.e. light and dark phase), in two separate groups of adult male Wistar Han rats. Behavioral data indicated that CMS exposure in the light phase (rodents’ resting phase) of the circadian rhythm induces depressive and anxiety-related behaviors, and memory flexibility impairment; phenotypes that were not observed when CMS was presented in the dark phase (rodents’ activity period). Furthermore, the significant dendritic atrophy in the dentate granule of the hippocampus, only in the animals that were stressed in light phase, was another indication that CMS does not affect subjects when these are exposed during their activity phase. Furthermore, besides psychological complications (e.g. depression), chronic stress can cause alterations in feeding behaviors, leading to either body weight gain or loss. Of interest, and on the other hand, overweight or obesity are reported to be associated with mood changes such as depression. Therefore, in the second part of the thesis, by using two groups of male Wistar Han rats, fed either by normal diet (ND) and high fat diet (HFD), we focused on the effect of diet-induced obesity on the animals behavioral and response to stress. Our data showed that besides the well described diet-induced metabolic alterations, diet-induced obesity resulted in depressive and anxietylike behaviors, together with memory flexibility impairment. When exposed to CMS both animal groups, those consuming normal diet (CMS-ND) and those on a high-fat diet (CMS-HFD), decreased food intake; however, this lasted longer in the animal group on HFD. Of interest, even in the absence of CMS, animals fed with HFD displayed depressive- and anxiety-like behaviors, which are otherwise only observed when control animals were exposed to CMS. Exposure to CMS in the HFD group did not aggravate the already depressive- and anxious like behaviors of these animals. Depression is a serious disorder caused by various internal and external factors making its investigation extremely complicated. Here we show that factors such as the time of the day in which animals are exposed to stress, and/or the diet they consume, influences the behavior outcome, which are likely events that may explain the diversity of behavioral alterations observed in humans. Of notice, the present work raises awareness on the planning of animal experimentation when addressing the effect of stress in behavior. Particularly, most of the literature reports exposure to stress in the resting phase of the animals, which seldom represents the equivalent time of the day during which humans experience stress. Controversy or contradictory results in the literature are most probably due to some of these important factors being neglected in the experimental designs. From our observations, experiencing CMS during the animals’ active period does not affect mood. Therefore, the literature and the translation of animals’ research into the clinics should be revisited with respect to studies of CMS protocols.Além dos fatores genéticos, grande parte das doenças são afetadas por fatores ambientais. Os indivíduos lidam diariamente com diversos stressores moderados que contribuem para o aparecimento de várias alterações emocionais e doenças do sistema nervoso central como a depressão. O protocolo de stress crónico moderado (chronic mild stress: CMS) tem sido amplamente usado em modelos animais para estudar a depressão. No entanto, existem resultados controversos nos estudos publicados com o modelo de CMS, maioritariamente dadas as diferenças metodológicas entre laboratórios. Um dos importantes fatores que influenciam estas diferenças poderá ser a fase do ciclo de luz, logo do ciclo circadiano, em que os stressores são aplicados. Por conveniência do laboratório, é comum aplicar-se o protocolo de CMS a roedores na fase de luz do ciclo luz/escuro dos animais, que corresponde ao seu períodos de repouso. Uma vez que se utiliza o CMS para mimetizar os stressores moderados a que as pessoas estão sujeitas diariamente, e tendo em conta que se pretende relacionar resultados dos estudos com animais com estudos com relevância clínica, a fase do dia em que esses stressores são aplicados aos animais relativamente ao seu ciclo circadiano deveria ser tida em consideração. Na primeira parte desta tese aplicámos o protocolo de CMS em ambos períodos do ciclo circadiano, para avaliar a resposta de ratos Wister Han ao CMS. Os dados comportamentais indicaram que, quando aplicados na fase de luz (período de repouso dos animais), os stressores induzem um comportamento tipo depressivo e tipo ansioso, bem como perturbações na flexibilidade de memória, fenótipos que não se observam quando o CMS é aplicado na fase de escuro (período ativo dos roedores) do ciclo diário de luz. Verificámos, ainda, que apenas os animais submetidos ao CMS na fase de luz apresentaram atrofia dendrítica significativa no giro denteado do hipocampo, comprovando uma vez mais que o CMS não afeta os ratos quando estes são expostos aos stressores durante o seu período ativo. Além das implicações no sistema nervoso central (por exemplo, causando depressão), sabe-se que o stress crónico pode causar alterações metabólicas e de comportamento alimentar, levando a um aumento ou a uma perda de peso. Por outro lado, a obesidade afeta o comportamento e as emoções, levando muitas vezes ao aparecimento de depressão. Tendo estes aspetos em consideração, na segunda parte da presente tese, usamos dois grupos de ratos Wistar Han machos alimentados com dieta normal (normal diet: ND) ou com dieta altamente calórica (high fat diet: HFD), para estudar o efeito da obesidade induzida por dieta no comportamento animal. Os resultados mostram que, além das conhecidas alterações metabólicas (demonstradas, por exemplo, pela intolerância à glucose), a obesidade leva a comportamentos do tipo depressivo e do tipo ansioso, além de reduzir a flexibilidade de memória. Usamos ainda dois grupos de animais, alimentados com ND ou com HFD, submetendo-os ao protocolo de CMS (grupos designados CMS-ND e CMS-HFD) para avaliar se a resposta ao stress estaria relacionada com o peso corporal. Os resultados mostraram, em primeiro lugar, que os animais recuperam o aporte de energia lentamente após uma redução drástica do consumo de comida que ocorre com a aplicação do protocolo de CMS. No entanto, esta redução no consumo de dieta traduziu-se também numa redução do consumo total de comida apenas no caso dos animais do grupo CMS-HFD. Em segundo lugar, demonstrámos que o CMS causa intolerância à glucose apenas quando aplicado a animais com dieta normal. Em conjunto, estes resultados indicam que o CMS não agravou o fenótipo observado para os animais alimentados com HFD, o que sugere um efeito teto da dieta. Adicionalmente, a avaliação do comportamento dos animais revelou o impacto do CMS na indução de comportamentos tipo depressivo e tipo ansioso nos animais alimentados com ND, como já reportado na literatura; no entanto, este efeito não é agravado pela exposição ao stress nos animais alimentados com HFD uma vez que mesmo em condições basais estes animais já apresentam um fenótipo tipo depressivo e ansioso. Em conclusão, este estudo sugere que muita da controvérsia encontrada nos estudos de comportamento podem dever-se, pelo menos em parte, a diferenças ambientais subtis que afetam os seres humanos, e que são negligenciados nos desenhos experimentais com modelos animais. Por conseguinte, modelos animais e metodologias mais fiáveis são necessárias, contemplando o controlo desses fatores, de forma a podermos traduzir os resultados obtidos com estes modelos em dados com relevância clínica