Neurotrofické faktory a strukturální plasticita závislosti (2009)

• Neurofarmakologie. 2009; 56 (Suppl 1): 73-82.
• Publikováno online 2008 Jul 4. dva:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

Scott J. Russo, Michelle S. Mazei-Robison, Jessica L. Ables, a Eric J. Nestler^*

Informace o autorovi ► Autorská a licenční informace

Přejít na:

Abstraktní

1. Úvod

Zásadní vlastností drogové závislosti je, že jednotlivec pokračuje v užívání drog navzdory hrozbě vážně nepříznivých fyzických nebo psychosociálních důsledků. Přestože není s jistotou známo, co řídí tyto vzorce chování, předpokládalo se, že jsou důležité dlouhodobé změny, ke kterým dochází v mozkových obvodech odměňování (Obrázek 1). Zejména se předpokládá, že adaptace v dopaminergních neuronech ventrální tegmentální oblasti (VTA) a v jejich cílových neuronech v nucleus accumbens (NAc) mění individuální odpovědi na léky a přirozené odměny, což vede k toleranci léčiv, dysfunkci odměňování, eskalaci příjem drog a nakonec nutkavé užívání (Everitt a kol., 2001; Kalivas a O'Brien, 2008; Koob a Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinson a Kolb, 2004).

 

Obrázek 1

Hlavní typy buněk v závislosti na nervových obvodech

V posledních letech bylo vyvinuto velké úsilí o stanovení buněčných a molekulárních změn, ke kterým dochází během přechodu z počátečního užívání drog na nutkavý příjem. Mezi mnoha typy lékem indukovaných adaptací bylo navrženo, že změny v mozku odvozeném neurotrofickém faktoru (BDNF) nebo v souvisejících neurotrofinech a jejich signálních drahách mění funkci neuronů v obvodu VTA-NAc a dalších oblastech odměňování, aby modulovaly motivace k užívání drog (Bolanos a Nestler, 2004; Pierce a Bari, 2001). Důsledkem této hypotézy je, že takové buněčné a molekulární adaptace indukované růstovým faktorem se odrážejí v morfologických změnách neuronů souvisejících s odměnou. Například, chronické stimulační podávání zvyšuje větvení dendritů a počet dendritických páteří a dynamicky zvyšuje hladiny BDNF v několika oblastech mozkové odměny, zatímco chronické podávání opiátu snižuje dendritické větvení a páteře, stejně jako hladiny BDNF v některých stejných oblastech (pro recenze viz (Robinson a Kolb, 2004; Thomas a kol., 2008). Navíc chronický morfin snižuje velikost dopaminových neuronů VTA, což je účinek obrácený BDNF (Russo a kol., 2007; Sklair-Tavron a kol., 1996). Přímý kauzální důkaz, že tyto strukturální změny vedou k závislosti, však stále chybí.

Návrh, že BDNF může souviset se strukturální plasticitou obvodu VTA-NAc v závislostních modelech, je v souladu s velkou literaturou, která implikovala tento růstový faktor při regulaci dendritických páteří. Například studie využívající podmíněné delece BDNF nebo receptoru TrkB ukazují, že jsou nutné pro proliferaci a zrání dendritických páteří ve vyvíjejících se neuronech, jakož i pro udržení a proliferaci páteří na neuronech v mozku dospělého člověka (Chakravarthy a kol., 2006; Danzer a kol., 2008; Horch a kol., 1999; Tanaka a kol., 2008a; von Bohlen Und Halbach a kol., 2007).

Přestože přesné molekulární mechanismy, kterými BDNF zprostředkovává strukturální plasticitu mozkových odměnových obvodů, zůstávají neznámé, nedávné studie naznačují, že specifické dráhy po proudu od BDNF jsou modulovány drogami zneužívání a že tyto signální změny závislé na neurotrofickém faktoru korelují s morfologickým a behaviorálním koncem - body ve zvířecích modelech drogové závislosti. V tomto přehledu diskutujeme o nových pokrokech v našem chápání toho, jak opiáty a stimulanty regulují signalizaci neurotrofních faktorů a buněčné a behaviorální důsledky těchto účinků. Navrhujeme také oblasti pro budoucí výzkum zaměřené na paradoxně opačné účinky stimulancií a opiátů na neuronální morfologii a určité behaviorální fenotypy v souladu se závislostí.

2. Signální dráhy neurotrofinů

Odhalení signálních drah, které zprostředkovávají vývoj a přežití neuronů, je dlouhodobým cílem výzkumu neurověd. Signalizace neurotrofního faktoru v dospělém centrálním nervovém systému (CNS) se však za poslední desetiletí stala důležitou oblastí zájmu, protože se ukázalo, že neurotrofická signalizace moduluje nervovou plasticitu a chování po celý život organismu (přehled viz (Chao, 2003)). První identifikovaný neurotrofický faktor, nervový růstový faktor (NGF), byl izolován v 1954 (Cohen a kol., 1954); klonování samotného genu nenastalo, dokud 1983 (Scott a kol., 1983). Tento objev byl pozorně sledován purifikací a identifikací dalších růstových faktorů podobných NGF, které definovaly rodinu neurotrofinů: BDNF (Barde a kol., 1982; Leibrock a kol., 1989), neurotrofin-3 (NT3) (Hohn a kol., 1990; Maisonpierre a kol., 1990) a neurotrofin-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier a kol., 1991). Členové rodiny neurotrofinů jsou paralogy a sdílejí významnou homologii (Hallbook a kol., 2006); všechny jsou polypeptidy, které homodimerizují a nacházejí se v nezralé i zralé formě v CNS. I když se dlouho myslelo, že štěpená forma 13 kDa byla aktivní signalizační molekulou, nedávné studie naznačují, že pro (nezralé) formy neurotrofinů, které si zachovávají svůj N-konec, jsou detekovatelné v mozku (Fahnestock a kol., 2001) a zprostředkovávají signální kaskády odlišné od zralých peptidů. Působení NGF v dospělém CNS je z velké části lokalizováno na cholinergních buňkách v bazálním předním mozku, zatímco distribuce ostatních neurotrofinů je mnohem rozšířenější.

Další specifičnost neurotrofinového signálu je produkována prostřednictvím diferenciální exprese neurotrofinových receptorů, které lze rozdělit do dvou kategorií, receptory kinázy související s tropomyosinem (Trk) a p75 neurotropiny (p75NTR). P75NTR byl poprvé identifikován jako receptor pro NGF (Johnson a kol., 1986), ale ve skutečnosti váže nezralé i zralé formy všech čtyř neurotrofinů (Lee et al., 2001; Rodriguez-Tebar a kol., 1990; Rodriguez-Tebar a kol., 1992). Na rozdíl od p75NTR vykazuje rodina receptorů Trk specificitu pro své ligandy. TrkA receptor přednostně váže NGF (Kaplan a kol., 1991; Klein a kol., 1991), receptor TrkB váže BDNF (Klein a kol., 1991) a NT4 / 5 (Berkemeier a kol., 1991) a receptor TrkC váže NT3 (Lamballe a kol., 1991). Zatímco zralé neurotrofiny mají zvýšenou afinitu k Trk receptorům ve srovnání s propeptidy, nezralá i zralá forma se mohou vázat na p75NTR s vysokou afinitou. Kromě toho bylo prokázáno, že p75NTR tvoří komplexy s Trk receptory a tyto receptorové komplexy vykazují zvýšenou afinitu pro příslušné Trk ligandy ve srovnání s homodimerním Trk.

Trk receptory jsou jednotlivé transmembránové překlenovací proteiny složené z extracelulární domény vázající ligand a intracelulární oblasti obsahující tyrosinkinázovou doménu. Podobně jako jiné receptorové tyrosinkinázy se receptory Trk homodimerizují v reakci na vazbu ligandu, což umožňuje trans-fosforylaci uvnitř aktivační smyčky ke zvýšení katalytické aktivity receptorové kinázy. Transfosforylace na tyrosinových zbytcích v juxtamembránové doméně a na C-konci generuje místa připojení pro „linkerové“ proteiny typu SH2 (Src homologie 2), jako je protein obsahující Src homologickou doménu (Shc), a fosfolipázovou Cγ (PLCγ) ). Vazba Shc inicializuje downstream signální kaskády, které nakonec vedou k aktivaci mitogenem aktivované proteinové kinázy (MAPK) a fosfatidylinositol 3'-kinázy (PI3K). Stimulace cesty MAPK zahrnuje aktivaci extracelulární signálně regulované kinázy (ERK), zatímco vazba substrátu receptoru inzulínu (IRS) vede k náboru a aktivaci PI3K ak aktivaci downstream kináz, jako je například tymom virový protoonkogen (Akt) , také známý jako protein kináza B (PKB). Fosforylace a aktivace PLCy vede k tvorbě inositol (1,4,5) trifosfátu (IP)₃) a diacylglycerol (DAG) a ke stimulaci proteinové kinázy C (PKC) a buněčného Ca²⁺ cesty. Tyto tři hlavní signální dráhy - PI3K, PLCy a MAPK / ERK - indukované aktivací receptoru Trk jsou znázorněny na Obrázek 2. Zajímavé je, že existují důkazy o rozdílné aktivaci těchto tří kaskád v závislosti na neurotrofinu, typu receptoru a síle a trvání signálu, které se na nich vztahují (viz (Segal, 2003). Rozdílná aktivace těchto downstream drah se zdá být zvláště důležitá pro léky indukované změny v neuronální morfologii a chování, jak bude podrobně popsáno v následujících částech tohoto přehledu.

 

Obrázek 2

Intracelulární signální dráhy po proudu od neurotrofinů

Ve srovnání s rozsáhlými znalostmi o důsledcích aktivace Trk receptoru je mnohem méně známo o úloze signalizace p75NTR ve funkci neurotrofinů. Aktivace Trk efektorů obecně vede k signálům pro přežití a diferenciaci, zatímco aktivace p75NTR iniciuje signální kaskády pro přežití a pro-death. Signalizace přežití prostřednictvím p75NTR vyžaduje downstream jaderný faktor kappa B (NFKB), o kterém se předpokládá, že je aktivován nepřímo prostřednictvím faktoru spojeného s receptorem TNF (faktor tumor nekrotizující faktor 4 / 6 (TRAF4 / 6) nebo receptor interagujícího proteinu 2 (RIP2)) recenze viz (Chao, 2003)). Přestože signalizace neurotrofinů umožňuje komplexní řadu signálů, které závisí na vzorci exprese neurotrofinů a receptorů a zpracování neurotrofinových peptidů, tento přehled se zaměřuje na změny vyvolané léky v neurotrofinových signálních drahách za BDNF.

3. Změny BDNF vyvolané léčivy v oblastech odměňování mozku

Změny hladin BDNF proteinu a mRNA byly zkoumány ve více oblastech mozku po podání mnoha tříd návykových látek. Stimulanty produkují rozšířené, ale přechodné, indukce BDNF proteinu v NAc, prefrontální kůře (PFC), VTA a centrálních (CeA) a basolaterálních (BLA) jádrech amygdaly (Graham a kol., 2007; Grimm a kol., 2003; Le Foll a kol., 2005). Podávání kokainu jak podmíněného, ​​tak nepodmíněného (tj. Zvířata jokovaná na zvířata, která si samy podávají) způsobuje zvýšené hladiny BDNF proteinu v NAc (Graham a kol., 2007; Liu a kol., 2006; Zhang a kol., 2002). Stejně tak dlouhodobé vysazení až 90 dní po samopodání kokainu je korelováno se zvýšeným BDNF proteinem v NAc, VTA a amygdale (Grimm a kol., 2003; Pu a kol., 2006), a existuje časný důkaz, že epigenetická regulace v EU bdnf gen může být zapojen do zprostředkování této přetrvávající indukce (Kumar a kol., 2005).

Ačkoli bylo provedeno méně studií ke zkoumání hladin mRNA a proteinů BDNF po expozici opiátům, zdá se, že hladiny BDNF jsou regulovány opiáty v určitých mozkových oblastech souvisejících s odměnou. Akutní podávání morfinu zvyšuje hladiny BDNF mRNA v NAc, mediální PFC (mPFC), VTA a orbitofrontální kůře. Ve VTA se uvádí, že chronický morfin podávaný prostřednictvím subkutánních (sc) implantátů je neúčinný při změně exprese mRNA BDNF (Numan a kol., 1998). To je však na rozdíl od změn v BDNF proteinu pozorovaných po chronické léčbě morfinem. Použitím zvyšujících se dávek intraperitoneálního (ip) morfinu se ukázalo, že počet BDNF imunoreaktivních buněk ve VTA je snížen (Chu a kol., 2007), což navrhuje downregulaci funkce BDNF. Ačkoli žádné zprávy nezkoumaly expresi BDNF v hippocampu nebo caudate-putamenu (CPu) po podání stimulancií nebo opiátů, takové studie jsou oprávněné, protože u pyramidálních neuronů hippocampální oblasti CA3 a středních ostnatých neuronů (MSN) byly pozorovány výrazné morfologické změny. CPu za těchto podmínek ((Robinson a Kolb, 2004); vidět Tabulka 1).

 

Tabulka 1

Morfologie vyvolaná léky

4. Lékem indukované změny v signálních drahách BDNF v oblastech odměňování mozku

Bylo prokázáno, že několik proteinů v signálních kaskádách neurotrofinů je regulováno v mezolimbickém dopaminovém systému opiáty a stimulanty; mezi ně patří účinky léků na signalizaci IRS – PI3K – Akt, PLCγ, Ras – ERK a NFκB (Obrázek 3). Stimulanty dramaticky zvyšují fosforylaci ERK v mnoha oblastech mozku, včetně NAc, VTA a PFC, po akutním nebo chronickém podání léčiva (Jenab a kol., 2005; Shi a McGinty, 2006, 2007; Sun a kol., 2007; Valjent a kol., 2004; Valjent a kol., 2005). Tato zjištění jsou v souladu se stimulantem indukovaným zvýšením neuronálního větvení a počtu páteřů, vzhledem k tomu, že Ras-ERK prokázala roli v růstu neuritů. Účinky opiátů na signalizaci ERK jsou méně jasné. Nedávno bylo oznámeno, že fosforylace ERK je snížena v NAc (Muller a Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon a kol., 2004) a VTA (nepublikovaná pozorování) po chronickém morfinu, což je účinek, který je konzistentní se sníženým větvením neuritů pozorovaným v těchto oblastech u zvířat závislých na morfinu. Dřívější práce naší skupiny a dalších však uváděly zvýšenou aktivitu ERK, včetně zvýšené fosforylace a katalytické aktivity ERK, ve VTA po chronickém morfinu (Berhow a kol., 1996b; Liu a kol., 2007; Ortiz a kol., 1995). K určení vysvětlení těchto rozporuplných zjištění jsou zapotřebí další studie. Kromě toho je důležité použít více přístupů k měření proteinové aktivity, aby biochemické jevy mohly korelovat s morfologickými a behaviorálními cílovými parametry. Například inhibice ERK v dopaminových neuronech VTA neovlivňuje velikost buněk (Russo a kol., 2007), aby byly budoucí studie potřebné k řešení funkční relevantnosti drogově indukovaných změn v aktivitě ERK v této a dalších oblastech mozku, protože se týkají návykových fenotypů.

 

Obrázek 3

Adaptace v BDNF signalizačních kaskádách spojených s opiátem a stimulantem indukovanou strukturální plasticitou v obvodu VTA-NAc

Několik posledních zpráv ukázalo, že signalizace IRS – PI3K – Akt je ovlivněna drogami zneužívání (Brami-Cherrier a kol., 2002; McGinty a kol., 2008; Muller a Unterwald, 2004; Russo a kol., 2007; Shi a McGinty, 2007; Wei a kol., 2007; Williams a kol., 2007). Chronické podávání opiátů snižuje fosforylaci Akt jak v NAc, tak VTA (Muller a Unterwald, 2004; Russo a kol., 2007). Tyto biochemické změny odpovídají sníženému větvení neuronů a dendritické hustotě páteře nebo, v případě dopaminových neuronů VTA, snížené tělesné velikosti buněk (Diana a kol., 2006; Robinson a kol., 2002; Robinson a Kolb, 1999b; Russo a kol., 2007; Spiga a kol., 2005; Spiga a kol., 2003)

Účinky stimulátorů na signalizaci IRS – PI3K – Akt v těchto regionech jsou méně jasné. Například chronický kokain zvyšuje aktivitu PI3K ve skořápce NAc a snižuje jeho aktivitu v jádru NAc (Zhang a kol., 2006). Tato data jsou v souladu s předchozí zprávou, která ukazuje, že chronický kokain selektivně zvyšoval hladiny mRNA BDNF v NAc shell a snížil mRNA receptoru TrKB v jádru NAc (Filip et al., 2006). Rozdíly ve skořápce a jádru v aktivitě PI3K by tedy mohly být vysvětleny rozdílnou regulací BDNF a TrKB proti proudu kokainem. Je zajímavé, že při použití obecnější disekce striata (včetně NAc a CPu) se ukázalo, že amfetamin snižuje aktivitu Akt v synaptosomových přípravcích (Wei a kol., 2007; Williams a kol., 2007) a pozorovali jsme podobné účinky chronického kokainu v NAc bez rozlišení mezi jádrem a skořápkou (Pulipparacharuvil a kol., 2008). Tyto studie jsou navíc komplikovány časovým průběhem používaným ke studiu změn signalizace Akt, protože nedávná práce McGintyho a jeho kolegů naznačuje, že chronický amfetamin způsobuje přechodnou a jaderně specifickou změnu fosforylace Akt ve striatu (McGinty a kol., 2008). V časných časových bodech po podání amfetaminu dochází k jaderně specifickému zvýšení Fosforylace, avšak po dvou hodinách je Fosforylace snížena, což naznačuje kompenzační mechanismus pro vypnutí této aktivity. Pochopení dynamického vztahu mezi stimulanty a Akt signalizací bude důležité pro určení, zda tato signální dráha řídí stimulačně indukovanou strukturální plasticitu v NAc, jako je tomu v případě opiátů ve VTA (viz oddíl 6).

Změny v signálních drahách PLCy a NFKB při zneužívání drog nebyly dosud studovány stejně dobře jako ERK a Akt; nedávná práce však ukazuje, že obě cesty jsou regulovány drogami zneužívání. Chronické podávání morfinu zvyšuje celkové hladiny PLCγ proteinu i hladiny jeho aktivované tyrosinem fosforylované formy (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999). Navíc bylo zjištěno, že nadměrná exprese PLCy zprostředkovaná viry ve VTA zvyšuje aktivitu ERK v této oblasti mozku (Wolf et al., 2007), čímž napodobuje podobné zvýšení aktivity ERK pozorované po chronickém morfinu v dřívějších studiích (Berhow a kol., 1996b). Nadměrná exprese PLCγ ve VTA také reguluje odměnu za opiáty a související emoční chování, s výraznými účinky pozorovanými v rostrální vs. kaudální VTA (Bolanos a kol., 2003). Podobně Graham a jeho kolegové (Graham a kol., 2007) pozorovali zvýšenou fosforylaci PLCy v NAc po akutním, chronicky jho-vém a chronickém samostatně podávaném kokainu, což byl účinek, který byl závislý na BDNF.

Předchozí studie z naší skupiny ukázala, že podjednotky NFKB p105, p65 a IκB jsou zvýšeny v NAc v reakci na chronické podávání kokainu (Ang a kol., 2001). To je v souladu se zjištěními Cadeta a kolegů (Asanuma a Cadet, 1998), který prokázal, že metamfetamin indukuje vazebnou aktivitu NFKB ve striatálních oblastech. Vzhledem k tomu, že některé z NFKB proteinů regulovaných léčivem aktivují signalizaci NFKB, zatímco jiné inhibují, z těchto původních studií nebylo jasné, zda pozorované změny proteinů odrážejí celkové zvýšení nebo snížení signalizace NFKB. Nedávno jsme tuto otázku vyřešili tím, že jsme prokázali, že chronické podávání kokainu upreguluje transkripční aktivitu NFKB v NAc, na základě zjištění u transgenních reportérových myší NFkB-LacZ (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Novější důkazy přímo implikovaly indukci signalizace NFKB v NAc ve strukturních a behaviorálních účincích kokainu (viz oddíl 6). Tato časná zjištění jsou zajímavá a vyžadují další průzkum, včetně zkoumání účinku opiátů na signalizaci NFKB v oblastech odměňování mozku.

5. Drogově indukovaná strukturální plasticita v oblastech odměňování mozku

Obvody odměňování mozku se vyvinuly, aby nasměrovaly své zdroje na získání přirozené odměny, ale tento systém může být poškozen nebo zneužit drogami zneužívání. V tomto obvodu je strukturální plasticita obecně charakterizována změnou větvení nebo arborizace dendritů a změnami hustoty nebo morfometrie dendritických hřbetů. Přestože je přímá behaviorální morfologická změna závislá na zkušenostech stále zkoumána, předpokládá se, že synaptická funkce není určována pouze počtem, ale také velikostí a tvarem každé jednotlivé hlavy páteře. Jako forma ostny vysílají tenké nezralé struktury, které nabývají buď tvrdohlavých, multisynaptických, filopodiálních, nebo rozvětvených tvarů (přehled viz.Bourne a Harris, 2007; Tada a Sheng, 2006). V dospělém mozku se za bazálních podmínek odhaduje, že alespoň 10% páteř má tyto nezralé tvary, což naznačuje, že plasticita je nepřetržitý proces po celý život (Fiala a kol., 2002; Harris, 1999; Harris a kol., 1992; Peters a Kaiserman-Abramof, 1970). Tyto struktury jsou přechodné a mohou se tvořit během několika hodin po stimulaci a přetrvávají až několik dní in vivo (Holtmaat a kol., 2005; Majewska a kol., 2006; Zuo a kol., 2005).

Předpokládá se, že ke stabilizaci přechodné nezralé páteře na trvalejší, funkční páteř dochází mechanismem závislým na aktivitě (přehled viz (Tada a Sheng, 2006). Stimulační protokoly, které indukují dlouhodobou depresi (LTD), jsou spojeny se smrštěním nebo stažením páteře na hippocampálních a kortikálních pyramidálních neuronech (Nagerl a kol., 2004; Okamoto a kol., 2004; Zhou a spol., 2004), zatímco indukce dlouhodobé potenciace (LTP) je spojena s vytvářením nových páteří a rozšiřováním stávajících páteří (Matsuzaki a kol., 2004; Nagerl a kol., 2004; Okamoto a kol., 2004). Na molekulární úrovni se předpokládá, že LTP a LTD iniciují změny v signálních drahách a v syntéze a lokalizaci proteinů, které nakonec mění polymerizaci aktinu, aby ovlivnily maturaci a stabilitu páteře a nakonec vytvořily funkční páteř (LTP). nebo stažení stávající páteře (LTD) (přehled viz (Bourne a Harris, 2007; Tada a Sheng, 2006). Po stabilizaci se páteře stanou hubovitými, mají větší postsynaptické hustoty (Harris a kol., 1992) a bylo prokázáno, že přetrvávají měsíce (Holtmaat a kol., 2005; Zuo a kol., 2005). Tyto změny odrážejí vysoce stabilní buněčnou událost, která může být věrohodným vysvětlením alespoň některých dlouhodobých změn chování spojených s drogovou závislostí.

Většina tříd návykových látek, když jsou podávány chronicky, mění strukturální plasticitu v celém mozkovém systému odměňování. Většina z těchto studií jsou korelační a spojují strukturální změny ve specifických oblastech mozku s fenotypem chování svědčícím o závislosti. Během posledních deseti let vedli Robinson a kolegové cestu k pochopení toho, jak drogy zneužívání regulují strukturální plasticitu (přehled viz (Robinson a Kolb, 2004). Od těchto původních pozorování do této rostoucí literatury přidali další vědci zneužívající drogy, aby odhalili účinky specifické pro danou třídu léků na morfologii neuronů. Jak je znázorněno v Tabulka 1 a Obrázek 3, opiáty a stimulanty odlišně ovlivňují strukturální plasticitu. Bylo prokázáno, že opiáty snižují počet a složitost dendritických páteří na NAc MSN a mPFC a hippocampus pyramidálních neuronech a snižují celkovou velikost soma dopaminergních neuronů VTA bez vlivu na nep dopaminergní neurony v této oblasti mozku (Nestler, 1992; Robinson a Kolb, 2004; Russo a kol., 2007; Sklair-Tavron a kol., 1996). K dnešnímu dni existuje jediná výjimka z těchto nálezů, kdy se uvádí, že morfin zvyšuje počet páteřů na orbitofrontálních kortikálních neuronech (Robinson a kol., 2002). Na rozdíl od opiátů bylo prokázáno, že stimulanty, jako je amfetamin a kokain, trvale zvyšují dendritické páteře a složitost v NAc MSN, VTA dopaminergních neuronech a PFC pyramidálních neuronech, aniž by byly hlášeny snížené strukturální plasticity (Lee et al., 2006; Norrholm a kol., 2003; Robinson a kol., 2001; Robinson a Kolb, 1997, 1999a; Sarti a kol., 2007).

Ačkoli molekulární mechanismy po směru signalizace neurotrofního faktoru, které jsou základem těchto změn, jsou špatně pochopeny, mnoho z těchto strukturálních změn je doprovázeno změnami hladin nebo aktivity proteinů, o nichž je známo, že regulují neuronální cytoskelet. Patří sem, aniž by byl výčet omezující, změny v mikrotubulu asociovaného proteinu 2 (MAP2), neurofilamentové proteiny, cytoskeletálně asociovaný protein (Arc), LIM-kináza (LIMK), faktor zvyšující myocyty 2 (MEF2) , cyklin-dependentní kináza s5 (Cdk5), postsynaptická hustota 95 (PSD95) a kofilin, jakož i změny v aktinovém cyklování, v NAc nebo v jiných oblastech odměňování mozku (Beitner-Johnson a spol., 1992; Bibb a kol., 2001; Chase a kol., 2007; Marie-Claire a kol., 2004; Pulipparacharuvil a kol., 2008; Toda a kol., 2006; Yao et al., 2004; Ziolkowska a kol., 2005). Protože mnoho biochemických změn vyvolaných stimulanty a morfinem je podobné, bude důležité identifikovat odlišné opiátové a stimulantem regulované genové cíle související s dendritickou funkcí, protože mohou poskytnout nahlédnutí do obecně opačných účinků opiátů a stimulancií na neurotropní strukturální plasticita závislá na faktoru.

Opačné morfologické změny vyvolané opiáty a stimulanty v oblastech odměňování mozku jsou paradoxní, protože tyto dva léky způsobují velmi podobné behaviorální fenotypy. Například specifické léčebné režimy opiátů a stimulancií, které mají za následek lokomotorickou senzibilizaci a podobné vzorce eskalace samopodávání léků, způsobují opačné změny hustoty dendritické páteře v NAc (Robinson a Kolb, 2004). Pokud jsou tedy tyto morfologické změny důležitými mediátory závislosti, musí mít buď obousměrné vlastnosti, přičemž změna ze základní linie v obou směrech vede ke stejnému behaviorálnímu fenotypu, nebo zprostředkují odlišné behaviorální nebo jiné fenotypy, které nejsou zachyceny s použitými experimentálními nástroji . Navíc musí být tato zjištění zohledněna v souvislosti s daným paradigmatem podávání léčiv. V našich studiích například zvířata dostávají vysoké dávky subkutánního morfinu, které jsou kontinuálně uvolňovány z implantátů pelet, což je paradigma konzistentnější s tolerancí a závislostí na opiátech. Na rozdíl od toho většina stimulačních paradigmat využívá injekci léčiva jednou až několikrát denně, což umožňuje maximální hladinu v krvi a návrat k výchozím hodnotám před dalším podáním, paradigmata jsou konzistentnější s senzibilizací na léčivo. Vzory užívání opiátů a stimulačních látek u lidí se mohou u jednotlivých osob značně lišit. Budoucí studie se proto budou muset zabývat behaviorálním významem morfologických změn vyvolaných léky v oblastech odměňování mozku v souvislosti s paradigmaty dávkování a podávání léků, které odrážejí expozice pozorované u lidí.

6. Role BDNF a jeho signálních kaskád ve strukturně a behaviorální plasticitě vyvolané léčivy

Změny signalizace růstového faktoru jsou považovány za hlavní faktor ovlivňující strukturální a behaviorální plasticitu spojenou s drogovou závislostí. Studie na lidech jsou omezené. U lidí závislých na kokainu, amfetaminu, alkoholu nebo opiátech byly pozorovány léky indukované změny sérového BDNF.Angelucci a kol., 2007; Janak et al., 2006; Kim et al., 2005), zdroj tohoto BDNF a význam těchto změn pro začátek a udržení závislosti zůstaly nejasné. V budoucích studiích by bylo zajímavé prozkoumat BDNF a jeho signální dráhy v mozkové tkáni lidské postmortem.

V posledních deseti letech práce na hlodavcích prokázala vliv BDNF na různé fáze procesu závislosti. První studie ukázaly, že lokální infuze BDNF do VTA nebo NAc zvyšuje lokomotor a odměňuje odpovědi na kokain, zatímco globální ztráta BDNF má opačné účinky (Hall a kol., 2003; Horger a kol., 1999; Lu et al., 2004). Novější práce ukázaly, že vlastní podávání kokainu zvyšuje signalizaci BDNF v NAc (Graham a kol., 2007). Navíc, infuze BDNF v rámci NAc potencuje vlastní podávání kokainu a vyhledávání a relaps kokainu, zatímco infúze protilátek proti BDNF nebo lokální vyřazení bdnf gen v NAc (dosažený virovou expresí Cre rekominázy u floxovaných BDNF myší) blokuje toto chování. Na základě těchto studií Graham a jeho kolegové (2007) dospěli k závěru, že uvolňování BDNF v NAc během zahájení samopodávání kokainu je nezbytnou součástí procesu závislosti.

Tato data podporují názor, že BDNF je kandidátská molekula, která zprostředkovává strukturální změny v neuronech NAc způsobených chronickou expozicí kokainu nebo jiným stimulátorům. Podle této hypotézy by stimulací vyvolané zvýšení BDNF signalizace v NAc vyvolalo zvýšení dendritické arborizace neuronů NAc, což by mělo za následek senzitizované behaviorální reakce na stimulanty, jakož i silné paměti související s léky, které jsou zásadní pro relaps a závislost. V souladu s touto hypotézou jsou nálezy z kultivovaných hipokampálních neuronů, kde bylo prokázáno, že sekrece BDNF indukuje zvětšení jednotlivých dendritických páteří závislé na syntéze proteinu (Tanaka a kol., 2008b). Slabou stránkou této hypotézy je, že neexistoval žádný přímý experimentální důkaz, že pro denzitizované reakce na léčiva je nezbytné nebo dostatečné zvýšení dendritických páteří neuronů NAc. Ve skutečnosti existují údaje, které naznačují složitější vztah mezi dvěma jevy: inhibice Cdk5 v NAc blokuje schopnost kokainu zvyšovat dendritické páteře na neuronech NAc, a to navzdory skutečnosti, že taková inhibice potenciuje lokomotor a odměňuje odpovědi na kokain (Norrholm a kol., 2003; Taylor a kol., 2007). Je zřejmé, že je zapotřebí další práce ke studiu vztahu mezi touto strukturální a behaviorální plasticitou.

Další důležitou výhradou k této hypotéze je to, že změny v signalizaci BDNF mohou vyvolat výrazně odlišné účinky na morfologii a chování neuronů v závislosti na vyšetřované oblasti mozku. Nedávné zprávy jasně stanovily rozdíly mezi funkcí BDNF v hippocampu versus VTA (Berton a kol., 2006; Eisch a kol., 2003; Krishnan a kol., 2007; Shirayama a kol., 2002): Infuze BDNF v hippocampu jsou podobné antidepresivům, zatímco infúze BDNF v VTA nebo NAc vyvolávají prodekpresivní účinky. Podobné vzorce se objevují v poli závislostí. Zejména zvýšené BDNF v NAc zvyšuje chování vyvolané kokainem (Graham a kol., 2007; Horger a kol., 1999), zatímco v PFC BDNF potlačuje stejná chování (Berglind a kol., 2007). Není divu, že indukce BDNF kokainem je také diferencovaně regulovaná v těchto dvou oblastech mozku, což je vzorec, který dále zdůvodňuje rozdíly v chování (Fumagalli a kol., 2007).

Předběžné důkazy naznačují, že signalizace NFKB je v regulaci strukturální a behaviorální plasticity vyvolané kokainem. Ačkoli přímý mechanismus, kterým tyto změny nastávají, není znám, předchozí práce ukázala, že p75NTR, který je před NFKB, je lokalizován v synapse a že aktivace p75NTR pomocí BDNF je nezbytná pro LTD. Ačkoli interakce BDNF-TrkB byly rozsáhle studovány v souvislosti se zneužíváním drog, tato data naznačují alternativní cestu přes NFKB, která vyžaduje další zkoumání. V souladu s touto hypotézou jsme nedávno pozorovali, že virově zprostředkovaná nadměrná exprese dominantního negativního antagonisty NFKB dráhy v NAc zabraňuje schopnosti chronického kokainu zvýšit hustotu dendritických páteří na NAc MSN. Taková inhibice signalizace NFKB také snižuje senzibilizaci na prospěšné účinky kokainu (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Tato data, na rozdíl od výše uvedené situace pro Cdk5, podporují spojení mezi zvýšenou dendritickou arborizací a behaviorální senzibilizací na kokain, což dále zdůrazňuje složitost těchto jevů a potřebu dalšího studia.

Ačkoli omezená práce se zabývala významem signalizace neurotrofického faktoru v chování vyvolaném opiáty, práce z naší laboratoře odkryla roli pro BDNF a downstream dráhu IRS2-PI3K-Akt při regulaci velikosti dopaminergních buněk VTA a následné toleranci odměny (Russo a kol., 2007; Sklair-Tavron a kol., 1996). Konkrétně chronické podávání opiátů u hlodavců způsobuje během relativně raných období abstinencí stav tolerance a fyzické závislosti, což je považováno za příspěvek k eskalaci chování při užívání drog. Počáteční experimenty zjistily, že infuze BDNF uvnitř VTA zabraňuje morfinem indukovanému snížení velikosti neuronů VTA (Sklair-Tavron a kol., 1996). V nedávné době jsme ukázali, že časová osa tolerance odměny, měřeno podle preferencí podmíněného místa, vyrovnává časovou osu se sníženou velikostí dopaminergních buněk a že tyto jevy jsou zprostředkovány signalizačními kaskádami BDNF (Russo a kol., 2007). Jak již bylo uvedeno výše, biochemické signální dráhy ve VTA, které jsou downstream od BDNF a receptoru TrKB, jsou diferencovaně regulovány chronickým morfinem: morfin aktivuje PLCy (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999), snižuje aktivitu cesty IRS – PI3K – Akt (Russo a kol., 2007; Wolf et al., 1999) a vytváří proměnné účinky na ERK (viz výše). Ve světle nedávných důkazů, že Akt reguluje velikost mnoha typů buněk v centrální nervové soustavě (Backman a kol., 2001; Kwon a kol., 2006; Kwon a kol., 2001; Scheidenhelm a kol., 2005) jsme použili techniky přenosu virových genů, abychom přímo ukázali, že morfin produkuje toleranci odměny inhibicí dráhy IRS2 – PI3K – Akt a snížením velikosti dopaminových neuronů VTA. Tyto účinky nebyly pozorovány změnou signalizace ERK nebo PLCγ, což opět poukazuje na význam signalizace IRS – PI3K – Akt pro tento jev. Budoucí studie se zaměří na význam BDNF a IRS – PI3K – Akt cest při eskalaci opiátové samosprávy, což je klinicky relevantnější paradigma pro měření závislosti. Větší pochopení předních změn neurotrofních faktorů nebo jejich receptorů a následných cílů Akt bude řešit specifické mechanismy tolerance opiátové odměny v závislostních modelech. Kromě toho bude důležité porozumět úloze signalizace BDNF v regulaci funkce VTA v kontextu nervového obvodu. V tomto ohledu je zajímavé poznamenat, že Pu a kol. (2006) ukázali, že po stažení z opakované expozice kokainu excitační synapsí na dopaminové neurony ve VTA lépe reagují na potenciaci slabými presynaptickými stimuly, což je účinek vyžadující endogenní signalizaci BDNF-TrkB.

7. Úloha dalších neurotropních faktorů ve strukturně a behaviorální plasticitě vyvolané léky

Zatímco výše uvedená diskuse se zaměřuje na BDNF a jeho signální kaskády, existuje důkaz, že několik dalších neurotrofních faktorů a jejich downstream signální dráhy také ovlivňují behaviorální nebo biochemické reakce na zneužívání drog. Ukázalo se, že NT3, stejně jako BDNF, podporuje senzitizované reakce na kokain na úrovni VTA (Pierce a Bari, 2001; Pierce a kol., 1999). Chronické podávání morfinu nebo kokainu up-reguluje signalizaci neurotrofického faktoru odvozeného od gliálních buněčných linií v obvodu VTA-NAc, což zase živí a potlačuje behaviorální účinky těchto drog zneužívání (Messer a kol., 2000). Amfetamin indukuje základní fibroblastový růstový faktor (bFGF) v obvodu VTA-NAc a myši s knockoutem bFGF mají otupenou odpověď na senzibilizaci lokomotoru indukovanou opakovanými injekcemi amfetaminu (Flores a kol., 2000; Flores and Stewart, 2000). Cytokin, ciliární neurotrofní faktor (CNTF), podávaný přímo do VTA, zvyšuje schopnost kokainu vyvolat biochemické adaptace v této oblasti mozku; kokain zvyšuje intracelulární signalizační kaskády prostřednictvím Janus kinázy (JAK) a signálních převodníků a aktivátorů transkripce (STATs), což je účinek, který byl zesílen akutní infuzí CNTF (Berhow a kol., 1996a). Existují také důkazy, že chronický morfin mění hladiny inzulínu podobného růstového faktoru 1 (IGF1) ve VTA a dalších oblastech mozku (Beitner-Johnson a spol., 1992). Tato izolovaná zjištění ukazují, že různá řada neurotrofních mechanismů řídí VTA-NAc funkci, která komplexně reguluje plasticitu drog zneužívání a zdůrazňuje potřebu dalšího budoucího výzkumu v této oblasti.

8. Závěry

Během uplynulého desetiletí jsme rozšířili naše chápání toho, jak drogy zneužívání regulují neurotropní signální dráhy a morfologii různých neuronálních populací v mozkových obvodech odměňování. Nedávný pokrok v přenosu virových genů umožňuje manipulaci specifických downstream neurotrofických signálních proteinů v dané oblasti mozku plně vyvinutých dospělých zvířat za účelem studia vztahů mezi zneužíváním drog, neuronální morfologií a změnou chování. S novými bicistronickými virovými vektory je možné exprimovat protein, který manipuluje s neurotrofickými signálními cestami, jakož i fluorescenční protein pro vizualizaci morfologie neuronů (Clark a kol., 2002). Díky zlepšeným imunohistochemickým technikám označování specifických neuronálních populací je tedy možné hodnotit morfologické změny vyvolané léčivem a související biochemické adaptace v neurotrofické signalizaci způsobem specifickým pro buněčný typ, a proto poskytuje zásadní informace pro regulaci heterogenního mozku vyvolanou léky odměnit regiony. Pomocí multidisciplinárních přístupů s behaviorálními, fyziologickými, biochemickými a morfologickými cíli bude stále více možné definovat mechanismy závislosti s mnohem větší přesností, včetně přesné role signalizace neurotrofického faktoru v plasticitě závislé na zážitku a procesu závislosti. Tato znalost může vést k vývoji nových lékařských zásahů za účelem normalizace maladaptivní plasticity vyvolané drogami zneužívání v oblastech odměňování mozku a tím ke zvrácení procesu závislosti na lidech.

Poznámky pod čarou

Reference