Neurotrophe Faktoren und strukturelle Plastizität in Abhängigkeit (2009)

• Neuropharmakologie. 2009; 56 (Zusatz 1): 73-82.
• Veröffentlicht online 2008 Jul 4. doi:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

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

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Abstrakt

1. Einleitung

Ein wesentliches Merkmal der Drogenabhängigkeit ist, dass eine Person trotz der Bedrohung durch schwerwiegende nachteilige physische oder psychosoziale Folgen weiterhin Drogen konsumiert. Obwohl nicht mit Sicherheit bekannt ist, was diese Verhaltensmuster antreibt, wurde die Hypothese aufgestellt, dass langfristige Änderungen, die in der Belohnungsschaltung des Gehirns auftreten, wichtig sind (Figure 1). Insbesondere wird angenommen, dass Anpassungen in dopaminergen Neuronen des ventralen tegmentalen Bereichs (VTA) und in ihren Zielneuronen im Nucleus accumbens (NAc) die Reaktionen eines Individuums auf Arzneimittel und natürliche Belohnungen verändern, was zu Arzneimitteltoleranz, Belohnungsdysfunktion und Eskalation von führt Drogenkonsum und schließlich Zwangskonsum (Everitt et al., 2001; Kalivas und O'Brien, 2008; Koob und Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinson und Kolb, 2004).

 

Figure 1

Wichtige Zelltypen in der neuronalen Schaltung, die der Sucht zugrunde liegen

In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um die zellulären und molekularen Veränderungen zu bestimmen, die während des Übergangs vom anfänglichen Drogenkonsum zur zwanghaften Einnahme auftreten. Unter vielen Arten von arzneimittelinduzierten Anpassungen wurde vorgeschlagen, dass Änderungen des neurotrophen Faktors (BDNF) des Gehirns oder verwandter Neurotropine und deren Signalwege die Funktion von Neuronen innerhalb des VTA-NAc-Schaltkreises und anderer Belohnungsregionen zur Modulation verändern die Motivation, Drogen zu nehmen (Bolanos und Nestler, 2004; Pierce und Bari, 2001). Eine Konsequenz dieser Hypothese ist, dass solche durch Wachstumsfaktoren induzierten zellulären und molekularen Anpassungen sich in morphologischen Veränderungen von belohnungsbezogenen Neuronen widerspiegeln. Beispielsweise erhöht die Verabreichung chronischer Stimulanzien die Verzweigung von Dendriten und die Anzahl der dendritischen Stacheln und erhöht dynamisch die BDNF-Spiegel in mehreren Gehirnbelohnungsregionen, während die Verabreichung chronischer Opiate die Verzweigung und die Stacheln sowie die BDNF-Spiegel in einigen derselben Regionen (z Bewertung siehe (Robinson und Kolb, 2004; Thomas et al., 2008). Darüber hinaus verringert chronisches Morphin die Größe von VTA-Dopamin-Neuronen, ein Effekt, der durch BDNF umgekehrt wird (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Es fehlen jedoch direkte kausale Beweise dafür, dass diese strukturellen Veränderungen die Sucht treiben.

Der Vorschlag, dass BDNF mit der strukturellen Plastizität des VTA-NAc-Kreislaufs in Suchtmodellen in Zusammenhang gebracht werden könnte, steht im Einklang mit einer großen Literatur, die diesen Wachstumsfaktor bei der Regulation dendritischer Stacheln in Betracht gezogen hat. Beispielsweise zeigen Studien mit bedingten Deletionen von BDNF oder des TrkB-Rezeptors, dass sie für die Proliferation und Reifung von dendritischen Stacheln in sich entwickelnden Neuronen sowie für die Aufrechterhaltung und Proliferation von Stacheln auf Neuronen im gesamten erwachsenen Gehirn erforderlich sind (Chakravarthy et al., 2006; Danzer et al., 2008; Horch et al., 1999; Tanaka et al., 2008a; von Bohlen und Halbach et al., 2007).

Obwohl die genauen molekularen Mechanismen, über die BDNF die strukturelle Plastizität der Belohnungsschaltung des Gehirns vermittelt, unbekannt sind, legen neuere Studien nahe, dass bestimmte Wege stromabwärts von BDNF durch Drogenmissbrauch moduliert werden und dass diese von neurotrophen Faktoren abhängigen Signaländerungen mit dem morphologischen und Verhaltensende korrelieren -Punkte in Tiermodellen der Drogenabhängigkeit. In diesem Aufsatz diskutieren wir neue Fortschritte in unserem Verständnis, wie Opiate und Stimulanzien die Signalübertragung neurotropher Faktoren und die zellulären und Verhaltensfolgen dieser Effekte regulieren. Wir schlagen auch Bereiche für zukünftige Untersuchungen vor, um die paradoxerweise entgegengesetzten Wirkungen von Stimulanzien und Opiaten auf die neuronale Morphologie und bestimmte Verhaltensphänotypen zu untersuchen, die mit Sucht in Einklang stehen.

2. Neurotrophin Signalwege

Die Aufdeckung der Signalwege, die die Entwicklung und das Überleben von Neuronen vermitteln, ist seit langem ein Ziel der neurowissenschaftlichen Forschung. Das Signalisieren neurotropher Faktoren im adulten Zentralnervensystem (ZNS) hat sich in den letzten zehn Jahren jedoch zu einem wichtigen Interessensgebiet entwickelt, da gezeigt wurde, dass das Signalisieren neurotropher Faktoren die neuronale Plastizität und das neuronale Verhalten während des gesamten Lebens eines Organismus beeinflusst (Übersicht siehe (Chao, 2003)). Der erste identifizierte neurotrophe Faktor, der Nervenwachstumsfaktor (NGF), wurde in 1954 isoliert (Cohen et al., 1954); Die Klonierung des Gens selbst erfolgte erst mit 1983 (Scott et al., 1983). Dieser Entdeckung folgte die Reinigung und Identifizierung weiterer NGF-ähnlicher Wachstumsfaktoren, die eine Neurotrophin-Familie definierten: BDNF (Barde et al., 1982; Leibrock et al., 1989), Neurotrophin-3 (NT3) (Hohn et al., 1990; Maisonpierre et al., 1990) und Neurotrophin-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier et al., 1991). Mitglieder der Neurotrophin-Familie sind Paralogs und weisen eine signifikante Homologie auf (Hallbook et al., 2006); Alle sind Polypeptide, die homodimerisieren und sowohl in unreifer als auch in reifer Form im ZNS vorkommen. Während lange angenommen wurde, dass die gespaltene ~ 13 kDa-reife Form das aktive Signalmolekül war, deuten neuere Studien darauf hin, dass die pro- (unreifen) Formen der Neurotrophine, die ihren N-Terminus beibehalten, im Gehirn nachweisbar sind (Fahnestock et al., 2001) und vermitteln Signalkaskaden, die sich von den reifen Peptiden unterscheiden. Die Wirkungen von NGF im adulten ZNS sind größtenteils auf cholinerge Zellen im basalen Vorderhirn beschränkt, während die Verteilung der anderen Neurotrophine viel weiter verbreitet ist.

Eine weitere Spezifität des Neurotrophin-Signals wird durch die differentielle Expression von Neurotrophin-Rezeptoren erzeugt, die in zwei Kategorien unterteilt werden können: die Tropomyosin-verwandten Kinase- (Trk) und die p75-Neurotrophin-Rezeptoren (p75NTR). Das p75NTR wurde erstmals als Rezeptor für NGF identifiziert (Johnson et al., 1986), bindet aber tatsächlich sowohl die unreife als auch die reife Form aller vier Neurotropine (Lee et al., 2001; Rodriguez-Tebar et al., 1990; Rodriguez-Tebar et al., 1992). Im Gegensatz zu p75NTR weist die Trk-Rezeptorfamilie eine Spezifität für ihre Liganden auf. Der TrkA-Rezeptor bindet bevorzugt NGF (Kaplan et al., 1991; Klein et al., 1991), der TrkB-Rezeptor bindet BDNF (Klein et al., 1991) und NT4 / 5 (Berkemeier et al., 1991) und der TrkC-Rezeptor bindet NT3 (Lamballe et al., 1991). Während die reifen Neurotrophine im Vergleich zu den Propeptiden eine erhöhte Affinität für Trk-Rezeptoren aufweisen, können sowohl die unreife als auch die reife Form p75NTR mit hoher Affinität binden. Zusätzlich wurde gezeigt, dass p75NTR Komplexe mit Trk-Rezeptoren bildet, und diese Rezeptorkomplexe zeigen eine erhöhte Affinität für die jeweiligen Trk-Liganden im Vergleich zu homodimerem Trk.

Trk-Rezeptoren sind einzelne Transmembran-überspannende Proteine, die aus einer extrazellulären Ligandenbindungsdomäne und einer intrazellulären Region bestehen, die eine Tyrosinkinasedomäne enthält. Ähnlich wie bei anderen Rezeptortyrosinkinasen homodimerisieren Trk-Rezeptoren als Reaktion auf die Ligandenbindung, wodurch die Transphosphorylierung innerhalb der Aktivierungsschleife ermöglicht wird, um die katalytische Aktivität der Rezeptorkinase zu erhöhen. Die Transphosphorylierung an Tyrosinresten in der Juxtamembrandomäne und im C-Terminus erzeugt Bindungsstellen für SH2- (Src-Homologie 2-) Linkerproteine, wie das Src-Homologiedomänen-haltige Protein (Shc) und Phospholipase Cγ (PLCγ ), beziehungsweise. Die Shc-Bindung initiiert nachgeschaltete Signalkaskaden, die letztendlich zur Aktivierung der mitogenaktivierten Proteinkinase (MAPK) und der Phosphatidylinositol-3'-Kinase (PI3K) führen. Die Stimulierung des MAPK-Signalwegs umfasst die Aktivierung der extrazellulären signalregulierten Kinase (ERK), während die Bindung des Insulinrezeptorsubstrats (IRS) zur Rekrutierung und Aktivierung von PI3K und zur Aktivierung von nachgeschalteten Kinasen wie dem viralen Thymom-Protoonkogen (Akt) führt. , auch bekannt als Proteinkinase B (PKB). Die Phosphorylierung und Aktivierung von PLC & ggr; führt zur Bildung von Inosit (1,4,5) -triphosphat (IP)₃) und Diacylglycerin (DAG) und zur Stimulierung von Proteinkinase C (PKC) und zellulärem Ca²⁺ Pfade. Diese drei Hauptsignalwege - PI3K, PLC & ggr; und MAPK / ERK - induziert durch Trk-Rezeptoraktivierung sind in dargestellt Figure 2. Interessanterweise gibt es Hinweise auf eine unterschiedliche Aktivierung dieser drei Kaskaden in Abhängigkeit von Neurotropin, Rezeptortyp sowie Signalstärke und -dauer (siehe (Segal, 2003). Die unterschiedliche Aktivierung dieser Downstream-Pfade scheint besonders relevant für medikamenteninduzierte Änderungen der neuronalen Morphologie und des neuronalen Verhaltens zu sein, wie in späteren Abschnitten dieses Aufsatzes näher ausgeführt wird.

 

Figure 2

Intrazelluläre Signalwege stromabwärts von Neurotrophinen

Im Vergleich zu den umfangreichen Kenntnissen über die Folgen der Trk-Rezeptoraktivierung ist über die Rolle der p75NTR-Signalübertragung bei der Neurotrophinfunktion viel weniger bekannt. Die Aktivierung der Trk-Effektoren führt im Allgemeinen zu Überlebens- und Differenzierungssignalen, wohingegen die Aktivierung von p75NTR sowohl Überlebens- als auch Todessignalkaskaden auslöst. Die Überlebenssignalisierung durch das p75NTR erfordert den nachgeschalteten Kernfaktor kappa B (NFκB), der vermutlich indirekt durch den TNF-Rezeptor-assoziierten Faktor 4 / 6 (TRAF4 / 6) oder das Rezeptor-interagierende Protein 2 (RIP2) aktiviert wird (z Bewertung siehe (Chao, 2003)). Obwohl die Neurotrophin-Signalübertragung eine komplexe Vielfalt von Signalen ermöglicht, die vom Expressionsmuster von Neurotrophinen und Rezeptoren und der Verarbeitung der Neurotrophin-Peptide abhängen, konzentriert sich diese Übersicht auf arzneimittelinduzierte Änderungen der Neurotrophin-Signalwege stromabwärts von BDNF.

3. Arzneimittelinduzierte Veränderungen des BDNF in Gehirnprämienregionen

Veränderungen der Spiegel von BDNF-Protein und mRNA wurden in mehreren Hirnregionen nach Verabreichung vieler Klassen von Suchtmitteln untersucht. Stimulanzien erzeugen eine weit verbreitete, aber vorübergehende Induktion von BDNF-Protein im NAc, präfrontalen Cortex (PFC), VTA und den zentralen (CeA) und basolateralen (BLA) Kernen der Amygdala (Graham et al., 2007; Grimm et al., 2003; Le Foll et al., 2005). Sowohl kontingente als auch nicht-kontingente (dh Tiere, die an sich selbst verabreichende Tiere gekoppelt sind) Kokainverabreichung verursacht erhöhte Spiegel an BDNF-Protein in der NAc (Graham et al., 2007; Liu et al., 2006; Zhang et al. 2002). Ebenso korreliert ein langfristiger Entzug von bis zu 90 Tagen nach der Selbstverabreichung von Kokain mit einem Anstieg des BDNF-Proteins in NAc, VTA und Amygdala (Grimm et al., 2003; Pu et al., 2006), und es gibt erste Hinweise darauf, dass die epigenetische Regulation am bdnf Gen kann bei der Vermittlung dieser persistierenden Induktion beteiligt sein (Kumaret al., 2005).

Obwohl weniger Studien durchgeführt wurden, um die BDNF-mRNA- und -Proteinspiegel nach der Exposition gegenüber Opiaten zu untersuchen, scheint es, dass die BDNF-Spiegel in bestimmten belohnungsbezogenen Gehirnregionen durch Opiate reguliert werden. Die akute Gabe von Morphin erhöht die BDNF-mRNA-Spiegel in NAc, medialem PFC (mPFC), VTA und orbitofrontalem Cortex. In der VTA wird berichtet, dass chronisches Morphin, das über subkutane (sc) Implantate verabreicht wird, die BDNF-mRNA-Expression nicht beeinflusst (Numan et al., 1998). Dies steht jedoch im Gegensatz zu Veränderungen des BDNF-Proteins, die nach einer Behandlung mit chronischem Morphium beobachtet wurden. Unter Verwendung von eskalierenden Dosen von intraperitonealem (ip) Morphin wurde gezeigt, dass die Anzahl der immunreaktiven BDNF-Zellen im VTA verringert ist (Chuet al., 2007), was auf eine Herunterregulierung der BDNF-Funktion hindeutet. Obwohl keine Berichte die BDNF-Expression im Hippocampus oder Caudate-Putamen (CPu) nach Verabreichung von Stimulanzien oder Opiaten untersucht haben, sind solche Studien gerechtfertigt, da robuste morphologische Veränderungen in pyramidalen Neuronen der Hippocampus-CA3-Region und mittelstacheligen Neuronen (MSNs) beobachtet wurden. der CPu unter diesen Bedingungen ((Robinson und Kolb, 2004); sehen Tabelle 1).

 

Tabelle 1

Arzneimittelinduzierte Morphologieänderungen

4. Arzneimittelinduzierte Veränderungen der BDNF-Signalwege in Gehirnprämienregionen

Es wurde gezeigt, dass verschiedene Proteine ​​in Neurotrophin-Signalkaskaden durch Opiate und Stimulanzien im mesolimbischen Dopaminsystem reguliert werden. Dazu gehören Arzneimittelwirkungen auf die IRS-PI3K-Akt-, PLCγ-, Ras-ERK- und NFκB-Signale (Figure 3). Stimulanzien erhöhen die ERK-Phosphorylierung in zahlreichen Hirnregionen, einschließlich NAc, VTA und PFC, nach akuter oder chronischer Arzneimittelverabreichung dramatisch (Jenab et al., 2005; Shi und McGinty, 2006, 2007; Sun et al., 2007; Valjent et al., 2004; Valjent et al., 2005). Diese Ergebnisse stimmen mit stimulanzieninduzierten Erhöhungen der neuronalen Verzweigung und der Anzahl der Wirbelsäulen überein, da Ras-ERK eine etablierte Rolle beim Neuritenwachstum spielt. Die Auswirkungen von Opiaten auf die ERK-Signalgebung sind weniger klar. Kürzlich wurde berichtet, dass die ERK-Phosphorylierung im NAc abnimmt (Müller und Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon et al., 2004) und VTA (unveröffentlichte Beobachtungen) nach chronischem Morphin, ein Effekt, der mit einer verringerten Neuritenverzweigung in diesen Regionen bei Morphin-abhängigen Tieren vereinbar ist. Frühere Arbeiten unserer Gruppe und anderer Autoren berichteten jedoch über eine erhöhte ERK-Aktivität, einschließlich einer erhöhten ERK-Phosphorylierung und katalytischen Aktivität, bei der VTA nach chronischem Morphin (Berhow et al., 1996b; Liu et al., 2007; Ortiz et al., 1995). Weitere Studien sind erforderlich, um die Erklärung für diese unterschiedlichen Befunde zu ermitteln. Darüber hinaus ist es wichtig, mehrere Ansätze zur Messung der Proteinaktivität zu verwenden, damit biochemische Ereignisse mit morphologischen und Verhaltensendpunkten korreliert werden können. Beispielsweise beeinflusst die Hemmung der ERK in VTA-Dopamin-Neuronen nicht die Zellgröße (Russo et al., 2007), so dass künftige Studien erforderlich sind, um die funktionelle Relevanz von medikamenteninduzierten Veränderungen der ERK-Aktivität in diesem und anderen Hirnregionen im Zusammenhang mit süchtig machenden Phänotypen zu untersuchen.

 

Figure 3

Anpassungen in BDNF-Signalkaskaden, die mit Opiat- und Stimulans-induzierter struktureller Plastizität im VTA-NAc-Kreis verbunden sind

Mehrere neuere Berichte haben gezeigt, dass die IRS-PI3K-Akt-Signalgebung durch Drogenmissbrauch beeinflusst wird (Brami-Cherrier et al., 2002; McGinty et al., 2008; Müller und Unterwald, 2004; Russo et al., 2007; Shi und McGinty, 2007; Wei et al., 2007; Williams et al., 2007). Die Verabreichung von chronischem Opiat verringert die Akt-Phosphorylierung sowohl im NAc als auch im VTA (Müller und Unterwald, 2004; Russo et al., 2007). Diese biochemischen Veränderungen entsprechen einer verminderten neuronalen Verzweigung und dendritischen Wirbelsäulendichte oder, im Fall von VTA-Dopamin-Neuronen, einer verminderten Zellkörpergröße (Diana et al., 2006; Robinson et al., 2002; Robinson und Kolb, 1999b; Russo et al., 2007; Spiga et al., 2005; Spiga et al., 2003)

Die Auswirkungen von Stimulanzien auf die IRS-PI3K-Akt-Signalübertragung in diesen Regionen sind weniger klar. Zum Beispiel erhöht chronisches Kokain die PI3K-Aktivität in der NAc-Schale und verringert ihre Aktivität im NAc-Kern (Zhang et al. 2006). Diese Daten stimmen mit einem früheren Bericht überein, der zeigt, dass chronisches Kokain die BDNF-mRNA-Spiegel in der NAc-Schale selektiv erhöhte und die TrKB-Rezeptor-mRNA im NAc-Kern verringerte (Filipet al., 2006). Somit könnten die Unterschiede in der PI3K-Aktivität in der Schale und im Kern durch die unterschiedliche Regulation von BDNF und TrKB durch Kokain im Vorlauf erklärt werden. Interessanterweise wurde bei Verwendung einer allgemeineren Striatumsektion (einschließlich NAc und CPu) gezeigt, dass Amphetamin die Akt-Aktivität in Synaptosomenpräparaten senkt (Wei et al., 2007; Williams et al., 2007), und wir haben ähnliche Wirkungen von chronischem Kokain in der NAc beobachtet, ohne zwischen Kern und Schale zu unterscheiden (Pulipparacharuvil et al., 2008). Zusätzlich werden diese Studien durch den Zeitverlauf verkompliziert, der zur Untersuchung von Akt-Signaländerungen verwendet wird, da jüngste Arbeiten von McGinty und Kollegen darauf hindeuten, dass chronisches Amphetamin eine vorübergehende und kernspezifische Änderung der Akt-Phosphorylierung im Striatum verursacht (McGinty et al., 2008). Zu frühen Zeitpunkten nach der Verabreichung von Amphetamin kommt es zu einem kernspezifischen Anstieg der Akt-Phosphorylierung. Nach zwei Stunden nimmt die Akt-Phosphorylierung jedoch ab, was auf einen Kompensationsmechanismus zur Deaktivierung dieser Aktivität hindeutet. Das Verständnis der dynamischen Beziehung zwischen Stimulanzien und Akt-Signalen ist wichtig, um festzustellen, ob dieser Signalweg die durch Stimulanzien induzierte strukturelle Plastizität im NAc beeinflusst, wie dies bei Opiaten im VTA der Fall ist (siehe Abschnitt 6).

Veränderungen der PLC & ggr; - ​​und NF & kgr; B-Signalwege beim Drogenmissbrauch wurden nicht so gut untersucht wie ERK und Akt; Jüngste Arbeiten zeigen jedoch, dass beide Wege durch Drogenmissbrauch reguliert werden. Die chronische Verabreichung von Morphin erhöht die Gesamtmenge an PLC & ggr; -Protein sowie die Menge an aktivierter Tyrosin-phosphorylierter Form (Wolf ua, 2007; Wolf ua, 1999). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine viral vermittelte PLCγ-Überexpression im VTA die ERK-Aktivität in dieser Gehirnregion erhöht (Wolf ua, 2007), wodurch ein ähnlicher Anstieg der ERK-Aktivität nachgeahmt wird, der in früheren Studien nach chronischem Morphin zu beobachten war (Berhow et al., 1996b). Die PLCγ-Überexpression im VTA reguliert auch die Opiatbelohnung und das damit verbundene emotionale Verhalten, wobei bei rostralem vs. kaudalem VTA unterschiedliche Effekte beobachtet werden (Bolanos et al., 2003). Ebenso Graham und Kollegen (Graham et al., 2007) beobachteten eine erhöhte Phosphorylierung von PLC & ggr; im NAc nach akutem, chronischem Joch und chronisch selbst verabreichtem Kokain, eine Wirkung, die von BDNF abhängig war.

Eine frühere Studie aus unserer Gruppe zeigte, dass die NF & kgr; B-Untereinheiten p105, p65 und I & kgr; B in der NAc als Reaktion auf eine chronische Kokainverabreichung erhöht sind (Ang et al., 2001). Dies steht im Einklang mit den Erkenntnissen von Cadet und Kollegen (Asanuma und Cadet, 1998), die zeigten, dass Methamphetamin die NFκB-Bindungsaktivität in striatalen Regionen induziert. Angesichts der Tatsache, dass einige der medikamentenregulierten NFκB-Proteine ​​die NFκB-Signalübertragung aktivieren, während andere diese hemmen, war aus diesen ursprünglichen Studien nicht klar, ob die beobachteten Proteinveränderungen eine allgemeine Zunahme oder Abnahme der NFκB-Signalübertragung widerspiegeln. Wir haben diese Frage kürzlich gelöst, indem wir gezeigt haben, dass die chronische Kokainverabreichung die NFκB-Transkriptionsaktivität im NAc hochreguliert, basierend auf Befunden bei transgenen NFκB-LacZ-Reportermäusen (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Neuere Erkenntnisse haben direkt die Induktion von NFκB-Signalen in der NAc in Bezug auf die strukturellen und verhaltensbezogenen Auswirkungen von Kokain impliziert (siehe Abschnitt 6). Diese frühen Ergebnisse sind faszinierend und rechtfertigen eine weitere Untersuchung, einschließlich einer Untersuchung der Wirkung von Opiaten auf die NFκB-Signalübertragung in Gehirnbelohnungsregionen.

5. Arzneimittelinduzierte strukturelle Plastizität in Hirnprämienregionen

Die Belohnungskreise des Gehirns haben sich dahingehend weiterentwickelt, dass die Ressourcen gezielt auf natürliche Belohnungen ausgerichtet werden. Dieses System kann jedoch durch Missbrauchsdrogen beschädigt oder entführt werden. Innerhalb dieses Kreislaufs ist die strukturelle Plastizität im Allgemeinen durch eine veränderte Verzweigung oder Arborisierung der Dendriten und durch Änderungen der Dichte oder Morphometrie der dendritischen Stacheln gekennzeichnet. Obwohl die direkte Verhaltensrelevanz erfahrungsabhängiger morphologischer Veränderungen noch untersucht wird, wird angenommen, dass die synaptische Funktion nicht nur von der Anzahl, sondern auch von der Größe und Form jedes einzelnen Wirbelsäulenkopfes bestimmt wird. Als Stacheln senden sie dünne unreife Strukturen aus, die entweder stoppelige, multisynaptische, filopodiale oder verzweigte Formen annehmen (zur Übersicht siehe (Bourne und Harris, 2007; Tada und Sheng, 2006). Es wird geschätzt, dass im erwachsenen Gehirn unter basalen Bedingungen mindestens 10% der Stacheln diese unreifen Formen aufweisen, was darauf hindeutet, dass Plastizität ein kontinuierlicher Prozess während des gesamten Lebens ist (Fiala et al., 2002; Harris, 1999; Harris et al., 1992; Peters und Kaiserman-Abramof, 1970). Diese Strukturen sind vorübergehend und können sich innerhalb weniger Stunden nach der Stimulation bilden und in vivo einige Tage anhalten (Holtmaat et al., 2005; Majewska et al., 2006; Zuo ua, 2005).

Es wird angenommen, dass die Stabilisierung einer vorübergehenden, unreifen Wirbelsäule in eine dauerhaftere, funktionelle Wirbelsäule durch einen aktivitätsabhängigen Mechanismus erfolgt (Übersicht siehe (Tada und Sheng, 2006). Stimulationsprotokolle, die eine Langzeitdepression (LTD) auslösen, sind mit einem Schrumpfen oder Zurückziehen der Stacheln an Neuronen des Hippocampus und der kortikalen Pyramide verbunden (Nagerl et al., 2004; Okamoto et al., 2004; Zhou et al., 2004), während die Induktion der Langzeitpotenzierung (LTP) mit der Bildung neuer Stacheln und der Vergrößerung bestehender Stacheln verbunden ist (Matsuzaki et al., 2004; Nagerl et al., 2004; Okamoto et al., 2004). Auf molekularer Ebene wird angenommen, dass LTP und LTD Veränderungen in den Signalwegen und in der Synthese und Lokalisierung von Proteinen auslösen, die schließlich die Polymerisation von Actin verändern, um die Reifung und Stabilität der Wirbelsäule zu beeinflussen und letztendlich eine funktionelle Wirbelsäule (LTP) zu produzieren. oder Zurückziehen einer bestehenden Wirbelsäule (LTD) (zur Überprüfung siehe (Bourne und Harris, 2007; Tada und Sheng, 2006). Nach der Stabilisierung werden die Stacheln pilzförmig und haben eine größere postsynaptische Dichte (Harris et al., 1992) und bestehen seit Monaten (Holtmaat et al., 2005; Zuo ua, 2005). Diese Veränderungen spiegeln ein hochstabiles zelluläres Ereignis wider, das möglicherweise eine plausible Erklärung für zumindest einige der langfristigen Verhaltensänderungen darstellt, die mit Drogenabhängigkeit verbunden sind.

Die meisten Klassen von Suchtmitteln verändern bei chronischer Verabreichung die strukturelle Plastizität im gesamten Belohnungskreislauf des Gehirns. Die meisten dieser Studien sind korrelativ und assoziieren strukturelle Veränderungen in bestimmten Hirnregionen mit einem Verhaltensphänotyp, der auf eine Sucht hinweist. In den letzten zehn Jahren haben Robinson und seine Kollegen eine Vorreiterrolle dabei gespielt, zu verstehen, wie Drogen die strukturelle Plastizität regulieren (Übersicht siehe (Robinson und Kolb, 2004). Seit diesen ursprünglichen Beobachtungen haben andere Drogenmissbrauchsforscher diese wachsende Literatur ergänzt, um medikamentenspezifische Effekte auf die neuronale Morphologie aufzudecken. Wie abgebildet in Tabelle 1 und Figure 3, Opiate und Stimulanzien beeinflussen die strukturelle Plastizität unterschiedlich. Es wurde gezeigt, dass Opiate die Anzahl und Komplexität von dendritischen Stacheln auf NAc-MSNs und mPFC- und Hippocampus-Pyramiden-Neuronen verringern und die Soma-Gesamtgröße von dopaminergen VTA-Neuronen verringern, ohne dass eine Auswirkung auf nicht-dopaminerge Neuronen in dieser Gehirnregion zu beobachten ist (Nestler, 1992; Robinson und Kolb, 2004; Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Bisher gibt es eine einzige Ausnahme von diesen Befunden, in der berichtet wurde, dass Morphium die Anzahl der Wirbelsäulen in den orbitofrontalen kortikalen Neuronen erhöht (Robinson et al., 2002). Im Gegensatz zu Opiaten wurde gezeigt, dass Stimulanzien wie Amphetamin und Kokain die dendritischen Stacheln und die Komplexität von NAc-MSNs, dopaminergen VTA-Neuronen und pyramidenförmigen PFC-Neuronen konsistent erhöhen, ohne dass von einer verminderten strukturellen Plastizität berichtet wird (Lee et al., 2006; Norrholm et al., 2003; Robinson et al., 2001; Robinson und Kolb, 1997, 1999a; Sarti et al., 2007).

Obwohl die molekularen Mechanismen stromabwärts des neurotrophen Faktorsignals, die diesen Veränderungen zugrunde liegen, kaum verstanden sind, gehen viele dieser strukturellen Veränderungen mit Veränderungen der Spiegel oder der Aktivität von Proteinen einher, von denen bekannt ist, dass sie das neuronale Zytoskelett regulieren. Diese umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, arzneimittelinduzierte Veränderungen des Mikrotubulus-assoziierten Proteins 2 (MAP2), der Neurofilamentproteine, des aktivitätsregulierten Cytoskelett-assoziierten Proteins (Arc), der LIM-Kinase (LIMK) und des Myozyten-Enhancer-Faktors 2 (MEF2). , Cyclin-abhängige Kinase s5 (Cdk5), postsynaptische Dichte 95 (PSD95) und Cofilin sowie Änderungen des Actin-Cyclings in der NAc oder anderen Gehirnprämienregionen (Beitner-Johnson et al., 1992; Bibb ua, 2001; Chase et al., 2007; Marie-Claire et al., 2004; Pulipparacharuvil et al., 2008; Toda et al., 2006; Yao et al., 2004; Ziolkowska et al., 2005). Da viele der biochemischen Veränderungen, die durch Stimulanzien und Morphin hervorgerufen werden, ähnlich sind, ist es wichtig, bestimmte opiat- und stimulanzienregulierte Genziele zu identifizieren, die mit der dendritischen Funktion zusammenhängen, da sie einen Einblick in die allgemein gegensätzlichen Wirkungen von Opiat und Stimulanzien auf neurotrophe Erkrankungen geben können faktorabhängige strukturelle Plastizität.

Die entgegengesetzten morphologischen Veränderungen, die durch Opiate und Stimulanzien in den Belohnungsregionen des Gehirns hervorgerufen werden, sind paradox, da die beiden Medikamente sehr ähnliche Verhaltensphänotypen verursachen. Beispielsweise verursachen bestimmte Behandlungsschemata von Opiaten und Stimulanzien, die beide zu einer Sensibilisierung des Bewegungsapparats und ähnlichen Mustern der Eskalation der Arzneimittel-Selbstverabreichung führen, entgegengesetzte Veränderungen der Dichte der dendritischen Wirbelsäule im NAc (Robinson und Kolb, 2004). Wenn diese morphologischen Veränderungen wichtige Mediatoren der Sucht sind, müssen sie entweder bidirektionale Eigenschaften haben, wodurch eine Änderung von der Grundlinie in beide Richtungen den gleichen Verhaltensphänotyp erzeugt, oder sie vermitteln unterschiedliche Verhaltens- oder andere Phänotypen, die mit den verwendeten experimentellen Werkzeugen nicht erfasst werden . Zusätzlich müssen diese Ergebnisse im Kontext des fraglichen Paradigmas der Arzneimittelverabreichung betrachtet werden. In unseren Studien erhalten Tiere beispielsweise hohe Dosen von subkutanem Morphin, das kontinuierlich von Pelletimplantaten freigesetzt wird. Dies ist ein Paradigma, das eher mit Opiatverträglichkeit und -abhängigkeit vereinbar ist. Im Gegensatz dazu verwenden die meisten Stimulanzien-Paradigmen eine ein- bis mehrmalige tägliche Injektion des Arzneimittels, so dass die Blutspiegel vor der nächsten Verabreichung ihren Höhepunkt erreichen und wieder zum Ausgangswert zurückkehren können. Diese Paradigmen stimmen besser mit der Arzneimittel-Sensibilisierung überein. Die Muster des Opiat- und Stimulanzienkonsums beim Menschen können von Person zu Person sehr unterschiedlich sein. Zukünftige Studien müssen sich daher mit der Verhaltensrelevanz von arzneimittelinduzierten morphologischen Veränderungen in Gehirnbelohnungsregionen im Zusammenhang mit Paradigmen der Dosis- und Arzneimittelverabreichung befassen, die die Exposition des Menschen widerspiegeln.

6. Die Rolle von BDNF und seiner Signalkaskaden bei der arzneimittelinduzierten Struktur- und Verhaltensplastizität

Es wird angenommen, dass Änderungen der Wachstumsfaktorsignalisierung einen wesentlichen Einfluss auf die strukturelle und verhaltensbezogene Plastizität im Zusammenhang mit der Drogenabhängigkeit haben. Humanstudien sind begrenzt. Bei Menschen, die abhängig von Kokain, Amphetamin, Alkohol oder Opiaten sind, wurden arzneimittelinduzierte Veränderungen des Serum-BDNF beobachtet (Angelucci et al., 2007; Janak et al., 2006; Kim et al., 2005), aber die Quelle dieses BDNF und die Relevanz dieser Veränderungen für den Beginn und die Aufrechterhaltung der Sucht sind unklar geblieben. In zukünftigen Studien wäre es interessant, BDNF und seine Signalwege im menschlichen postmortalen Hirngewebe zu untersuchen.

In den letzten zehn Jahren hat die Arbeit an Nagetieren den Einfluss von BDNF auf verschiedene Phasen des Suchtprozesses nachgewiesen. Frühe Studien zeigten, dass die lokale Infusion von BDNF in das VTA oder NAc den Bewegungsapparat erhöht und die Reaktion auf Kokain belohnt, während der globale Verlust von BDNF die gegenteiligen Wirkungen ausübt (Hall et al., 2003; Horgeret al., 1999; Lu et al., 2004). Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass die Selbstverabreichung von Kokain die BDNF-Signalübertragung in der NAc erhöht (Graham et al., 2007). Zusätzlich potenziert eine intra-NAc-Infusion von BDNF die Selbstverabreichung von Kokain und das Suchen nach Kokain und den Rückfall, während die Infusion von Antikörpern gegen BDNF oder das lokale Ausschalten des Kokains bewirkt bdnf Das NAc-Gen (das über die virale Expression der Cre-Rekominase in floxierten BDNF-Mäusen erreicht wird) blockiert dieses Verhalten. Basierend auf diesen Studien, Graham und Kollegen (2007) schlussfolgerte, dass die Freisetzung von BDNF in der NAc während der Einleitung der Selbstverabreichung von Kokain ein notwendiger Bestandteil des Suchtprozesses ist.

Diese Daten stützen die Ansicht, dass BDNF ein Kandidatenmolekül ist, um die strukturellen Veränderungen in NAc-Neuronen zu vermitteln, die durch chronische Exposition gegenüber Kokain oder anderen Stimulanzien hervorgerufen werden. Nach dieser Hypothese würde ein durch Stimulanzien induzierter Anstieg der BDNF-Signalübertragung im NAc zu einer Zunahme der dendritischen Arborisierung von NAc-Neuronen führen, was sensibilisierten Verhaltensreaktionen auf die Stimulanzien sowie starken drogenbedingten Erinnerungen, die für Rückfall und Sucht entscheidend sind, zugrunde liegen würde. Übereinstimmend mit dieser Hypothese sind Befunde von kultivierten Hippocampusneuronen, bei denen gezeigt wurde, dass die BDNF-Sekretion eine von der Proteinsynthese abhängige Vergrößerung einzelner dendritischer Stacheln induziert (Tanaka et al., 2008b). Die Schwäche dieser Hypothese besteht darin, dass es keine direkten experimentellen Beweise dafür gibt, dass eine Verstärkung der dendritischen Stacheln von NAc-Neuronen an sich für sensibilisierte Arzneimittelreaktionen notwendig oder ausreichend ist. Tatsächlich gibt es Daten, die auf eine komplexere Beziehung zwischen den beiden Phänomenen hinweisen: Die Hemmung von Cdk5 im NAc blockiert die Fähigkeit von Kokain, die dendritischen Stacheln auf NAc-Neuronen zu erhöhen, obwohl eine solche Hemmung den Bewegungsapparat potenziert und die Reaktionen auf Kokain belohnt (Norrholm et al., 2003; Taylor et al., 2007). Es ist klar, dass weitere Arbeiten erforderlich sind, um die Beziehung zwischen dieser strukturellen und Verhaltensplastizität zu untersuchen.

Eine weitere wichtige Einschränkung dieser Hypothese ist, dass Änderungen der BDNF-Signalübertragung je nach untersuchter Hirnregion stark unterschiedliche Auswirkungen auf die neuronale Morphologie und das Verhalten haben können. In jüngsten Berichten wurde klar zwischen der BDNF-Funktion im Hippocampus und der VTA-Funktion unterschieden (Berton et al., 2006; Eisch et al., 2003; Krishnan et al., 2007; Shirayama et al., 2002): BDNF-Infusionen im Hippocampus sind antidepressiv, während Infusionen von BDNF im VTA oder NAc prodepressiv wirken. Ähnliche Muster zeichnen sich im Suchtbereich ab. Insbesondere erhöht ein erhöhter BDNF-Wert in der NAc das kokaininduzierte Verhalten (Graham et al., 2007; Horgeret al., 1999), während in der PFC BDNF das gleiche Verhalten unterdrückt (Berglind et al., 2007). Es überrascht nicht, dass die Induktion von BDNF durch Kokain auch in diesen beiden Hirnregionen unterschiedlich reguliert wird, ein Muster, das die Verhaltensunterschiede weiter untermauert (Fumagalli et al., 2007).

Vorläufige Beweise haben die NFκB-Signalübertragung in die Regulation der kokaininduzierten Struktur- und Verhaltensplastizität einbezogen. Obwohl der direkte Mechanismus, durch den diese Änderungen auftreten, unbekannt ist, haben frühere Arbeiten gezeigt, dass p75NTR, das sich stromaufwärts von NFκB befindet, an der Synapse lokalisiert ist und dass die Aktivierung von p75NTR durch BDNF für LTD erforderlich ist. Obwohl BDNF-TrkB-Wechselwirkungen in Bezug auf Drogenmissbrauch eingehend untersucht wurden, legen diese Daten einen alternativen Weg durch NFκB nahe, der weitere Untersuchungen rechtfertigt. In Übereinstimmung mit dieser Hypothese haben wir kürzlich beobachtet, dass eine viral vermittelte Überexpression eines dominanten negativen Antagonisten des NFκB-Signalwegs im NAc die Fähigkeit von chronischem Kokain verhindert, die Dichte von dendritischen Stacheln auf NAc-MSNs zu erhöhen. Eine solche Hemmung der NF & kgr; B-Signalgebung hemmt auch die Sensibilisierung für die vorteilhaften Wirkungen von Kokain (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Anders als bei Cdk5 sprechen diese Daten für einen Zusammenhang zwischen einer erhöhten dendritischen Arborisierung und einer Sensibilisierung des Verhaltens gegenüber Kokain, wodurch die Komplexität dieser Phänomene und die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen weiter unterstrichen werden.

Obwohl in begrenztem Umfang die Bedeutung des Signals neurotropher Faktoren für opiatinduziertes Verhalten untersucht wurde, haben Arbeiten aus unserem Labor eine Rolle für BDNF und den nachgeschalteten IRS2-PI3K-Akt-Signalweg bei der Regulierung der dopaminergen VTA-Zellgröße und der anschließenden Belohnungstoleranz aufgedeckt (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Insbesondere die Verabreichung von chronischem Opiat bei Nagetieren führt zu einer Belohnungstoleranz und körperlichen Abhängigkeit während relativ früher Entzugsperioden, von denen angenommen wird, dass sie zu einer Eskalation des Drogenkonsumverhaltens beitragen. Frühe Experimente ergaben, dass die intra-VTA-Infusion von BDNF die durch Morphin induzierte Abnahme der VTA-Neuronengröße verhindert (Sklair-Tavron et al., 1996). In jüngerer Zeit haben wir gezeigt, dass der zeitliche Verlauf der Belohnungstoleranz, gemessen anhand der Präferenz für konditionierte Orte, dem zeitlichen Verlauf der Verringerung der dopaminergen Zellgröße entspricht und dass diese Phänomene über BDNF-Signalkaskaden vermittelt werden (Russo et al., 2007). Wie bereits erwähnt, werden die biochemischen Signalwege im VTA, die dem BDNF und dem TrKB-Rezeptor nachgeschaltet sind, durch chronisches Morphin unterschiedlich reguliert: Morphin aktiviert PLCγ (Wolf ua, 2007; Wolf ua, 1999), verringert die Aktivität des IRS-PI3K-Akt-Signalwegs (Russo et al., 2007; Wolf ua, 1999) und erzeugt variable Effekte auf ERK (siehe oben). In Anbetracht der jüngsten Erkenntnisse, dass Akt die Größe vieler Zelltypen im Zentralnervensystem reguliert (Backman et al., 2001; Kwon et al., 2006; Kwon et al., 2001; Scheidenhelm et al., 2005) verwendeten wir virale Gentransfertechniken, um direkt zu zeigen, dass Morphin Belohnungstoleranz durch Hemmung des IRS2-PI3K-Akt-Signalwegs und Verringerung der Größe von VTA-Dopamin-Neuronen erzeugt. Diese Effekte wurden nicht durch Veränderung der ERK- oder PLCγ-Signalgebung beobachtet, was wiederum auf die Bedeutung der IRS-PI3K-Akt-Signalgebung für dieses Phänomen hinweist. Zukünftige Studien werden sich mit der Relevanz von BDNF- und IRS-PI3K-Akt-Pfaden für die Eskalation der Opiat-Selbstverabreichung befassen, einem klinisch relevanteren Paradigma zur Messung der Sucht. Ein besseres Verständnis der stromaufwärtigen Veränderungen neurotropher Faktoren oder ihrer Rezeptoren und stromabwärtigen Ziele von Akt wird die spezifischen Mechanismen der Opiatbelohnungstoleranz in Suchtmodellen ansprechen. Darüber hinaus ist es wichtig, die Rolle der BDNF-Signalisierung bei der Regulierung der VTA-Funktion in einem neuronalen Schaltungskontext zu verstehen. In dieser Hinsicht ist es interessant, das zu bemerken Pu et al. (2006) zeigten, dass nach dem Rückzug von wiederholter Kokainexposition die exzitatorischen Synapsen auf Dopamin-Neuronen im VTA stärker auf die Potenzierung durch schwache präsynaptische Stimuli ansprechen, was eine endogene BDNF-TrkB-Signalübertragung erfordert.

7. Rolle anderer neurotropher Faktoren bei der arzneimittelinduzierten Struktur- und Verhaltensplastizität

Während sich die obige Diskussion auf BDNF und seine Signalkaskaden konzentriert, gibt es Hinweise darauf, dass verschiedene andere neurotrophe Faktoren und ihre nachgeschalteten Signalwege auch die Verhaltens- oder biochemischen Reaktionen auf Drogenmissbrauch beeinflussen. Wie BDNF wurde gezeigt, dass NT3 sensibilisierte Reaktionen auf Kokain auf der Ebene des VTA fördert (Pierce und Bari, 2001; Pierce et al., 1999). Die chronische Gabe von Morphin oder Kokain reguliert das Signal des von Gliazellen abgeleiteten neurotrophen Faktors (GDNF) im VTA-NAc-Kreislauf nach oben, was wiederum die Verhaltensweisen dieser Drogen des Missbrauchs zurückführt und unterdrückt (Messer et al., 2000). Amphetamin induziert den basischen Fibroblasten-Wachstumsfaktor (bFGF) im VTA-NAc-Kreislauf, und bFGF-Knockout-Mäuse reagieren abgestumpft auf die durch wiederholte Amphetamin-Injektionen ausgelöste Sensibilisierung des Bewegungsapparats (Flores et al., 2000; Flores und Stewart, 2000). Das Cytokin CNTF (Ciliary Neurotrophic Factor), das direkt in das VTA verabreicht wird, verbessert die Fähigkeit von Kokain, biochemische Anpassungen in dieser Gehirnregion zu induzieren. Kokain erhöht die intrazellulären Signalkaskaden durch Janus Kinase (JAK) und Signaltransducer und Aktivatoren der Transkription (STATs), ein Effekt, der durch eine akute Infusion von CNTF verstärkt wurde (Berhow et al., 1996a). Es gibt auch Hinweise darauf, dass chronisches Morphium den Spiegel des insulinähnlichen Wachstumsfaktors 1 (IGF1) in der VTA und anderen Hirnregionen verändert (Beitner-Johnson et al., 1992). Diese isolierten Befunde deuten darauf hin, dass eine Vielzahl von neurotrophen Mechanismen die VTA-NAc-Funktion steuern, um die Plastizität von Drogenmissbrauch auf komplexe Weise zu regulieren.

8. Schlussfolgerungen

In den letzten zehn Jahren haben wir unser Verständnis darüber erweitert, wie Drogen den neurotrophen Signalweg und die Morphologie verschiedener neuronaler Populationen im Belohnungskreislauf des Gehirns regulieren. Jüngste Fortschritte beim viralen Gentransfer ermöglichen die Manipulation spezifischer stromabwärtiger neurotropher Signalproteine ​​innerhalb einer bestimmten interessierenden Gehirnregion voll entwickelter erwachsener Tiere, um die Beziehungen zwischen Drogenmissbrauch, neuronaler Morphologie und Verhaltensplastizität zu untersuchen. Mit neuartigen bicistronischen viralen Vektoren ist es möglich, ein Protein, das neurotrophe Signalwege manipuliert, sowie ein fluoreszierendes Protein zur Visualisierung der neuronalen Morphologie zu exprimieren (Clark et al., 2002). So ist es mit verbesserten immunhistochemischen Techniken zur Markierung spezifischer neuronaler Populationen möglich, arzneimittelinduzierte morphologische Veränderungen und damit verbundene biochemische Anpassungen in der neurotrophen Signalübertragung zelltypspezifisch zu bewerten und liefert daher wichtige Informationen für die arzneimittelinduzierte Regulation heterogenen Gehirns Regionen belohnen. Mit multidisziplinären Ansätzen mit verhaltensbedingten, physiologischen, biochemischen und morphologischen Endpunkten können die Suchtmechanismen zunehmend genauer definiert werden, einschließlich der genauen Rolle der neurotrophen Faktorsignale für die erfahrungsabhängige Plastizität und den Suchtprozess. Dieses Wissen könnte zur Entwicklung neuer medizinischer Interventionen führen, um die durch Drogenmissbrauch in Gehirnbelohnungsregionen verursachte missbräuchliche Plastizität zu normalisieren und damit den Suchtprozess beim Menschen umzukehren.

Fußnoten

Bibliographie