Yüksek fruktozlu şeker ile beslenen sıçanlarda sinaptik plastisite formlarının incelenmesi
The investigation of synaptic plasticity forms in rats with HİGH fructose
Yazar: FATMA HANÇER ÇELİK
Danışman: PROF. DR. CEM SÜER
Erciyes Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Fizyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizyoloji = Physiology
Dizin: Fruktoz = Fructose ; Glükoz = Glucose ; Hayvan deneyleri = Animal experimentation ; Hipokampus = Hippocampus ; Nöronal plastisite = Neuronal plasticity ; Sinapslar = Synapses ; Sinaptik iletişim = Synaptic transmission ; Sıçanlar = Rats ; Şeker = Sugar

Özet:
Amaç: Günümüzde, yapay besin teknolojisindeki gelişmelerle beraber, yetişkin beyninin zorunlu enerji substratı olan glukoza ek olarak giderek artan oranda fruktoz içeren diyetle beslenmek yaygınlaşmaktadır. Epidemiyolojik ve klinik çalışmalar besin içeriğinde fruktozdan zengin disakkaritle ve yüksek kalorili besinlerle beslenmenin metabolik ve nörodejeneratif hastalıklarla olan ilişkisini göstermektedir. Ancak, öğrenme/belleğin altında yatan hücresel mekanizma olan sinaptik plastisite ile farklı glukoz:fruktoz oranlarına sahip diyetle beslenme arasındaki ilişki bilinmemektedir. Bu tez çalışmasında, fazladan disakkarid takviyesinin hipokampal nöronal plastisitenin uzun dönemli güçlenme (UDG), uzun dönemli baskılanma (UDB) ve metaplastisite üzerine etkisi in-vivo olarak anestezi altındaki genç erişkin sıçanlarda araştırılmıştır. 
Yöntem: Çalışmada 90 adet 21 günlük  Wistar albino türü erkek sıçan kullanıldı. 21.gününde annesinden ayrılan yavru erkek sıçanlardan 3 grup oluşturuldu; 1. grup kısıtsız standart sıçan yemi ve çeşme suyu ile (kontrol grubu) 2. grup kısıtsız yem ve %50 glukoz + %50 fruktoz içeren sükrozdan hazırlanmış solüsyon (Sükroz grubu) ile 3. grup kısıtsız yem ve %45 glukoz + %55 fruktozdan hazırlanmış (Yüksek Fruktozlu Şurup) (YFŞ grubu) solüsyonu ile 2 ay beslendi. Sükroz grubu için sükrozun %10'luk solüsyonu ve YFŞ grubu için (Yüksek Furuktozlu Mısır Şurubu) YFMŞ'nin %8 lik solüsyonu kullanıldı. İki aylık besleme süresinin sonunda, sıçanlar anestezi altında stereotaksik çatıya yerleştirilerek hipokampal alan potansiyelleri kaydedildi. Bu deneylerde alan potansiyelleri perforan yolun elektriksel uyarımı ile oluşturuldu ve hipokampal formasyonun dentat girusundan kaydedildi. UDG indüksiyonu için yüksek frekanslı uyarım (YFU) kalıbı; UDB indüksiyonu için düşük frekanslı uyarım (DFU) kalıbı ve metaplastisite indüksiyonu için DFU'yu takiben YFU kalıbı uygulandı. Bir saatlik kaydın son 5 dakikasındaki eksitatör postsinaptik potansiyelin (EPSP) eğimi ve popülasyon spike (PS)'ın genliği bazal dönemdekinin yüzdesi olarak hesaplandı. İstatistiksel analizde tek-yönlü ANOVA testi kullanıldı. 
Bulgular: Bazal sinaptik güç gruplar arasında farklı bulunmadı,  sükroz ile beslenme dentat girus nöronlarının bazal ateşleme frekansını artırdı. YFU, üç grupta da sinaptik güçte benzer bir artışa neden oldu, nöronal plastisitedeki artış yüksek fruktozla beslenen grupta diğer iki gruptan anlamlı düzeyde güçlenmiş bulundu. DFU, kontrol ve sükroz gruplarında sinaptik UDB indüklerken, YFŞ grubunda ise sinaptik UDG'yi indükledi. DFU, kontrol grubunda YFU-ile-indüklenen UDG'yi inhibe etti, disakkarit takviyesi yapılan gruplarda bu inhibisyon gözlenmedi.   
Sonuç: Çalışma bulguları diyetle fazladan disakkarit alımının, plastisite ve plastisitenin metaplastik düzenlenmesinde bozulmalara yol açabileceğini göstermektedir. Eş oranda glukoz ve fruktoz alımının zararlı etkisinin hipokampal devrede bazal ateşleme frekansını artırması ve sinyal işleme sürecini bozması sonucunda gelişmesi mümkündür. Diyetle alınan fruktozun glukozdan daha yüksek oranda olmasının bozucu etkisi ise daha çok sinaptik baskılanma süreçlerininde görülmektedir. Bu elektrofizyolojik bulguların hipokampüste nörodejeneratif süreçleri tetikleyip tetiklemeyeceğinin ortaya konulması için moleküler çalışmalara ihtiyaç vardır. 
Anahtar Kelimeler:  Fruktoz; Glukoz; Hipokampus;  Metaplastisite;  Sinaptik; Plastisite;

Abstract:
Aim: Nowadays, with the developments in artificial food technology, it is becoming common to be fed with a diet containing an increasing amount of fructose in addition to glucose, which is the mandatory energy substrate of the adult brain.Epidemiological and clinical studies show the relationship between nutrition with fructose-rich disaccharide and high-calorie foods in nutritional content and metabolic and neurodegenerative diseases.However, it is unknown the relationship between synaptic plasticity, the cellular mechanism underlying learning/memory, and diet with different glucose:fructose ratios.In the present study, the effects of extra disaccharide supplementation on long-term potentiation (UDG), long-term suppression (UDB) and metaplasticity of hippocampal neuronal plasticity were investigated in-vivo in anesthetized young adult rats.
Material and methods:The study was carried out on 90 Wistar albino male rats. Juvenile male rats separated from their mother on the 21st day were divided into 3 groups;1st group was fed with unrestricted standard rat chow and tap water (control group), 2nd group was fed with unrestricted standard rat chow and 50% glucose + 50% fructose containing sucrose solution (Sucrose group), 3rd group wasfed with unrestricted standard rat chow and 45% glucose + 55% fructose (High Fructose Syrup) for 2 months.A 10% solution of sucrose was used for the sucrose group and an 8% solution of High Fructose Syrup was used for the HFS group.At the end of the two-month feeding period, rats were placed on a stereotaxic frame under anesthesia and underwent electrophysiology experiments for recording hippocampal field potentials.In these experiments, field potentials were generated by electrical stimulation of the perforant pathway and recorded from the dentate gyrus of the hippocampal formation. LTP and LTD were induced by High frequency stimulation (HFS) and Low-frequency stimulation (LFS) respectively, and metaplasticity was induced by LFS followedHFS.The excitatory postsynaptic potential (EPSP) slope and the population spike (PS) amplitude were calculated in the last 5 minutes of the one-hour recording as a percentage of that in the basal period.One-way ANOVA test was used for statistical analysis.
Results:Basal synaptic strength was not different between groups, however feeding with sucrose was increased the basal firing frequency of dentate gyrus neurons.While HFS caused a similar increase in synaptic strength in all three groups, the increase in neuronal plasticity was found to be significantly stronger in the high fructose group than other two groups.LFS induced synaptic LTD in the control and sucrose groups and induced synaptic LTP in the high fructose group.While LFS inhibited HFS-induced LTP in the control group, this inhibition was not observed in the disaccharide supplemented groups
Conclusion: The study findings indicate that excess dietary intake of disaccharides may lead to disruptions in plasticity and metaplastic regulation of plasticity.It is possible that the deleterious effect of equal glucose and fructose intake may develop as a result of increasing the basal firing frequency in the hippocampal circuit and impairing the signal processing process.The disruptive effect of higher dietary fructose than glucose is seen mostly in synaptic depression.Molecular studies are needed to reveal that whether these electrophysiological findings will trigger neurodegenerative processes in the hippocampus
Keywords: Fructose; Glucose; Hippocampus;  Metaplasticity; Synaptic Plasticity