Exosomes as innovative Nanomedicine Approaches to reverse obesity and its MEtabolic and Psychotic complications, targeting the hypothalamus

Fedme og fedmerelatert sykdom er et økende samfunnsproblem i verden, og Norge er intet unntak. Lavere kaloriinntak gir effektiv vektreduksjon, men det er vanskelig å opprettholde vekttapet, både fordi appetitten øker, men også fordi kroppen reduserer forbrenningen. I ENAMEP-prosjektet ønsker vi å fokusere på antipsykotika-indusert vektøkning, og stimulere forbrenningen i en dyremodell ved å manipulere bestemte nevroner i ventromedial hypotalamus (VMH), som er et område i hjernen som regulerer energiforbruk. Dominant-negative (DN) AMPK-proteiner (som kan øke forbrenning) tilføres VMH vha eksosomer, som har affinitet til VMH ved at de uttrykker spesielle proteiner på overflaten. Denne strategien har tidligere vist seg å være effektiv i diett-indusert fedme hos mus. I inneværende prosjekt ønsket vi å undersøke om en slik fremgangsmåte også har effekt etter vektoppgang ved bruk av det antipsykotiske medikamentet olanzapin, som er et hyppig brukt antipsykotika i klinikken til tross for vektoppgangen man ser hos pasienter. I prosjektet har det vært nødvendig å etablere en musemodell for olanzapin-indusert vektøkning. Denne er nå på plass, noe som er en viktig milepæl. Disse musene har blitt behandlet med VMH-spefikke eksosomer, men i motsetning til vektnedgangen disse ekosomene gav etter diett-indusert fedme, er effekten minimal etter medikament-indusert vektoppgang, selv om effekten varierer noe mellom ulike forsøk. Vi har også undersøkt effekten av ekosombehandling på biologiske signalveier (proteiner og gener) involvert i termogenese, med fokus på brunt fettvev, men også her er effektene beskjedene. Den moderate effekten av eksosomer i denne modellen kan muligens forklares ved de fysiologiske effektene av olanzapin. Til tross for at olanzapin gir vektøkning, så kan medikamentet også stimulere til økt energiforbruk i dyremodellen. Våre forsøk på å bruke ekosomer til å ytterligere stimulere forbrenning ser dermed så langt ut å være lite effektivt. I lys av dette kunne et neste steg i prosjektet i stedet være å fokusere på appetittregulering. Olanzapin stimulerer til økt matinntak i dyremodellen (på samme måte som vi ser i pasienter), og i tidligere forsøk i rotte har vi vist at medikamentet stimulerer appetittregulerende peptider i hypothalamus, som AgRP. I konsortiet arbeides det nå med å produsere ekosomer som kan binde seg til disse AgRP nevronene, og levere egnede apetitthemmende molekyler dit. Dog, grunnet den ressurskrevende prosessen og lange produksjonstiden for å lage ekosomer, vil det ikke være tid i inneværende prosjekt å teste ut denne hypotesen. Prosjektperioden har likevel bidratt til ny innsikt i antipsykotika-indusert vektøkning og vi har etablert en robust musemodell som åpner for nye forsøk med eksosomer og også bruk av genetiske musemodeller som kan brukes i videre forsøk innenfor dette temaet.

This program has shown the potential of an exosome-based nanomedicine approach for the treatment of obesity by targeting the hypothalamus to increase energy expenditure and thus to obesity-related diseases. This approach was demonstrated to successfully reduce body weight gain in two mice models (diet-induced obesity and genetic obesity). The aim of the current work package was to investigate whether the same approach could be used in a mice model of antipsychotic drug-induced obesity. First, we needed to establish this mice model (we could not use the available rat model for antipsychotic drug-induced weight gain due to limitations to produce sufficient amount of exosomes). During the project period, we have now managed to generate a robust mice model that is available to the community. This opens for the use of genetic mice models in the field of antipsychotic drug-induced obesity, which is a major addition of the pre-clinical tools available to study this phenomenon. Interestingly, the exosomes did not significantly reduce the body weight in this model and the findings were thus not analogous to what we observed in the diet- and genetic mice models for obesity. Our data show that the cause of weight gain matters for choice of treatment, which should be adjusted accordingly. More specifically, our data suggest that targeting the energy expenditure may be less effective to treat antipsychotic-induced weight gain than e.g. targeting food intake. The use of exosomes that target specific hypothalamic areas involved in appetite regulation should be the scope of future experiments.

The network aims to develop a “nanobiomedicine” approach to harness the biology of nanoscaled exosomes as an innovative strategy to assess suitable tools for specific targeting of the hypothalamic areas modulating energy balance. We aim to deliver DNA in specific neuronal hypothalamic populations to open a new avenue in pharmacological treatment of metabolic complications. Our hypothesis is that changes in pathways that mediate increased brown adipose tissue (BAT) thermogenesis can be obtained via specific inhibition of the therapeutic targets AMPK, GRP78 and NLRP3 in the ventromedial nucleus of the hypothalamus by the use of peripherally administered engineered exosomes. Fernø is responsible for work package 4, were we explore the effect of SF1 exosomes on energy metabolism and body weight in an animal model of OLZ-induced weight gain. Administration of intramuscular OLZ depot injection ensures stable serum concentrations for weeks and leads to rapid weight gain in female rodent models. OLZ-induced weight gain is associated with hypothalamic AMPK activation, ER stress and inflammation and thus represents a clinically relevant pharmacological model to investigate the effect of exosomes that modulate hypothalamic AMPK and GRP78 pathways. The SF1 exosomes will be injected in the tail vein of rats 7 days after the OLZ depot injection, when the elevated body weight phenotype has emerged, with follow-up daily measurements of body weight and food intake to evaluate the effect of the exosome treatment. The effect of exosome treatment on BAT thermogenesis will also be evaluated in this model. Interestingly, the effect of OLZ on energy expenditure is ambiguous as it has been shown that OLZ exposure leads to elevated energy expenditure despite elevated body weight. It will thus be highly interesting to see whether the SF1 exosomes can provide further stimulation of energy expenditure and whether this will curb the body weight gain caused by OLZ-induced hyperphagia.