Neurotroofsed tegurid ja struktuurne plastilisus sõltuvuses (2009)

• Neurofarmakoloogia. 2009; 56 (Suppl 1): 73 – 82.
• Avaldatud Internetis 2008 Jul 4. doi:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

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

Autori teave ► Autoriõiguste ja litsentside teave ►

Mine:

Abstraktne

1. Sissejuhatus

Narkomaania oluliseks tunnuseks on see, et inimene kasutab jätkuvalt narkootikume hoolimata tõsiste ebasoodsate füüsiliste või psühhosotsiaalsete tagajärgede ohust. Kuigi ei ole kindel, milline on nende käitumismustrite juhtimine, on oletatud, et aju tasuarvestuses esinevad pikaajalised muutused on olulised (Joonis 1). Eriti arvatakse, et ventraalse tegmentaala (VTA) dopamiinergilistes neuronites ja nende sihtmärgiks olevates neuronites (NAc) olevad kohandused muudavad inimese vastuseid ravimi ja looduslikele hüvedele, mille tulemuseks on ravimi tolerantsus, tasu düsfunktsioon, eskalatsioon narkootikumide tarbimine ja lõpuks ka \ tEveritt et al., 2001; Kalivas ja O'Brien, 2008; Koob ja Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinson ja Kolb, 2004).

 

Joonis 1

Peamised rakutüübid sõltuvust põhjustavates närviahelates

Viimastel aastatel on tehtud suuri jõupingutusi, et määrata kindlaks rakulised ja molekulaarsed muutused, mis tekivad üleminekul algsest ravimi kasutamisest kompulsiivsele tarbimisele. Mitmesuguste ravimite poolt indutseeritud kohanduste hulgas on välja pakutud, et muutused aju pärinevas neurotroofses faktoris (BDNF) või sellega seotud neurotroofides ja nende signaaliradades muudavad neuronite funktsiooni VTA-NAc ahelas ja muudes tasustamispiirkondades, et moduleerida narkootikumide võtmise motivatsioon (Bolanos ja Nestler, 2004; Pierce ja Bari, 2001). Selle hüpoteesi tagajärjeks on see, et sellised kasvufaktori indutseeritud raku- ja molekulaarsed kohandused peegelduvad tasuliste neuronite morfoloogilistes muutustes. Näiteks suurendab krooniline stimulantide manustamine dendriitide hargnemist ja dendriitrakkude arvu ning suurendab dünaamiliselt BDNF taset mitmetes ajuhüvitiste piirkondades, samas kui krooniline opiaadi manustamine vähendab dendriitide hargnemist ja selgrooge ning samuti BDNF tasemeid mõnes samas piirkonnas ( vaadake (Robinson ja Kolb, 2004; Thomas et al., 2008). Lisaks vähendab krooniline morfiin VTA dopamiini neuronite suurust, mis on BDNF-i poolt vastupidine toime (Russo jt, 2007; Sklair-Tavron jt, 1996). Puuduvad siiski otsesed põhjuslikud tõendid selle kohta, et need struktuurimuutused põhjustavad sõltuvust.

Ettepanek, et BDNF võib olla seotud VTA-NAc ahela struktuurilise plastilisusega sõltuvusmudelites, on kooskõlas suure kirjandusega, mis on mõjutanud seda kasvufaktorit dendriitrakkude reguleerimisel. Näiteks BDNF-i või TrkB-retseptori tingimuslikke deletsioone kasutavad uuringud näitavad, et nad on vajalikud dendriitrakkude proliferatsiooniks ja küpsemiseks arenevatel neuronitel, samuti spinide säilitamine ja proliferatsioon neuronites kogu täiskasvanud ajus (Chakravarthy et al., 2006; Danzer et al., 2008; Horch et al., 1999; Tanaka et al., 2008a; von Bohlen Und Halbach jt, 2007).

Kuigi täpsed molekulaarsed mehhanismid, mille abil BDNF vahendavad aju tasulise ahela struktuurset plastilisust, ei ole teada, näitavad hiljutised uuringud, et BDNF-i allavoolu iseloomustavad spetsiifilised radad on moduleeritud kuritarvitamise ravimitega ja et need neurotroofse faktoriga seotud signaalimuutused korreleeruvad morfoloogilise ja käitumusliku lõppu - narkomaania loomamudelite punktid. Selles ülevaates arutame uusi edusamme meie arusaamades selle kohta, kuidas opiaadid ja stimulandid reguleerivad neurotroofseid tegureid ja nende toime rakulisi ja käitumuslikke tagajärgi. Samuti pakume välja edasise uurimise valdkonnad, et käsitleda stimulantide ja opiaatide paradoksaalselt vastupidist mõju neuronite morfoloogiale ja teatud sõltuvusega kooskõlas olevatele käitumuslikele fenotüüpidele.

2. Neurotropiini signaalirajad

Neuronite arengut ja ellujäämist vahendavate signalisatsiooniteede avamine on olnud neuroteaduste uurimise pikaajaline eesmärk. Kuid neurotroofse faktoriga signalisatsioon täiskasvanu kesknärvisüsteemis (CNS) on viimase kümne aasta jooksul muutunud oluliseks huvipakkuvaks valdkonnaks, kuna on näidatud, et neurotroofne signalisatsioon moduleerib neuroloogilist plastilisust ja käitumist kogu organismi elu jooksul (vaadake (vt.Chao, 2003)). Esimene identifitseeritud neurotroofne faktor, närvikasvufaktor (NGF), eraldati 1954-is (Cohen et al., 1954); geeni enda kloonimine ei toimunud enne 1983i (Scott jt, 1983). Seda avastust jälgiti tähelepanelikult täiendavate NGF-sarnaste kasvufaktorite puhastamisega ja identifitseerimisega, mis defineerisid neurotropiini perekonda: BDNF (Barde et al., 1982; Leibrock jt, 1989), neurotropiin-3 (NT3) (Hohn et al., 1990; Maisonpierre et al., 1990) ja neurotropiin-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier jt, 1991). Neurotropiini pereliikmed on paraloogid ja neil on märkimisväärne homoloogia (Hallbook et al., 2006); kõik need on polüpeptiidid, mis homodimeeruvad ja on leitud nii KNS-is nii ebaküpses kui ka küpses vormis. Kuigi on juba ammu arvatud, et lõhustatud 13 kDa küps vorm oli aktiivne signaalimolekul, näitavad hiljutised uuringud, et neurotrofiinide, mis säilitavad oma N-otsa, pro (ebaküpsed) vormid on ajus tuvastatavad.Fahnestock et al., 2001) ja vahendavad küpsetest peptiididest erinevad signaaliülekandekaskaadid. NGF-i toimed täiskasvanud KNS-is on suurel määral lokaliseerunud kolinergilistele rakkudele basaalses eesjoones, samas kui teiste neurotrofiinide jaotus on palju levinum.

Neurotropiini signaali täiendav spetsiifilisus saadakse neurotropiiniretseptorite diferentsiaalse ekspressiooni kaudu, mida saab jagada kahte kategooriasse: tropomüosiiniga seotud kinaasi (Trk) ja p75 neurotropiini (p75NTR) retseptorid. P75NTR tuvastati esmalt NGF retseptorina (Johnson et al., 1986), kuid seondub tegelikult kõigi nelja neurotroofi ebaküpsete ja küpsete vormidega (Lee jt, 2001; Rodriguez-Tebar jt, 1990; Rodriguez-Tebar jt, 1992). Vastupidiselt p75NTR-le on Trk-retseptorite perekonnal oma ligandide suhtes spetsiifilisus. TrkA-retseptor seondub eelistatavalt NGF-iga (Kaplan et al., 1991; Klein jt, 1991), seondub TrkB-retseptor BDNF-iga (Klein jt, 1991) ja NT4 / 5 (Berkemeier jt, 1991) ja TrkC retseptor seondub NT3iga (Lamballe et al., 1991). Kuigi küpsetel neurotrofiinidel on propeptiididega võrreldes suurenenud afiinsus Trk retseptorite suhtes, võivad nii ebaküpsed kui ka küpsed vormid siduda p75NTR-i suure afiinsusega. Lisaks on näidatud, et p75NTR moodustab Trk retseptoritega komplekse ja nendel retseptorikompleksidel on suurenenud afiinsus vastavate Trk ligandide suhtes võrreldes homodimeerse Trk-ga.

Trk-retseptorid on üksikud transmembraansed valgud, mis koosnevad ekstratsellulaarsest ligandi siduvast domeenist ja rakusisestest piirkondadest, mis sisaldavad türosiinkinaasi domeeni. Sarnaselt teistele retseptori türosiinkinaasidele homodimeeruvad Trk retseptorid vastuseks ligandi sidumisele, mis võimaldab aktiveerimissilmus trans-fosforüülimist, et suurendada retseptori kinaasi katalüütilist aktiivsust. Transfosforüülimine türosiini jääkides juxtamembraandomeenis ja C-otsas genereerib SH2 (Src homoloogia 2) tüüpi "linker" valkude, näiteks Src homoloogia domeeni sisaldava valgu (Shc) ja fosfolipaasi Cy (PLCy) kinnituskohad. ). Shc-seondumine käivitab allavoolu signaaliülekande kaskaadid, mis viivad lõppkokkuvõttes mitogeen-aktiveeritud proteiinkinaasi (MAPK) ja fosfatidüülinositool 3'-kinaasi (PI3K) aktiveerimisele. MAPK raja stimuleerimine hõlmab rakuvälise signaali reguleeritud kinaasi (ERK) aktiveerimist, samas kui insuliiniretseptori substraadi (IRS) sidumine viib PI3K värbamiseni ja aktiveerumiseni ning allavoolu kinaaside, näiteks tümoomiviiruse proto-onkogeeni (Akt) aktiveerumiseni. , tuntud ka kui proteiinkinaas B (PKB). PLCy fosforüülimine ja aktiveerimine viib inositooli (1,4,5) trifosfaadi moodustumiseni (IP₃) ja diatsüülglütserooli (DAG) ning proteiinkinaasi C (PKC) ja rakulise Ca stimuleerimist.²⁺ teed. Trk-retseptori aktivatsiooni poolt indutseeritud kolme peamist signalisatsiooniteed - PI3K, PLCγ ja MAPK / ERK - on illustreeritud Joonis 2. Huvitaval kombel on tõendeid nende kolme kaskaadi diferentsiaalsest aktiveerumisest sõltuvalt neurotrofiinist, retseptori tüübist ja signaalitugevusest ja kestusest (vtSegal, 2003). Nende allavoolu radade diferentsiaalne aktivatsioon tundub eriti asjakohane neuronite morfoloogia ja käitumise muutuste puhul ravimite poolt, nagu on üksikasjalikumalt kirjeldatud käesoleva läbivaatamise hilisemates osades.

 

Joonis 2

Intratsellulaarsed signaalirajad neurotroofidest allavoolu

Võrreldes ulatuslike teadmistega Trk retseptori aktiveerimise tagajärgedest, on palju vähem teada p75NTRi signaaliülekande rolli kohta neurotropiini funktsioonis. Trk-efektorite aktiveerimine viib üldiselt ellujäämise ja diferentseerumise signaale, samas kui p75NTR-i aktiveerimine käivitab nii pro-ellujäämise kui ka pro-death signalisatsioonikaskaade. P75NTR-i kaudu ellujäämise signaalimine nõuab allavoolu tuumafaktorit kappa B (NFkB), mis arvatakse olevat aktiveeritud kaudselt TNF (kasvaja nekroosifaktori) retseptoriga seotud faktor 4 / 6 (TRAF4 / 6) või retseptori interakteeruva valgu 2 (RIP2) kaudu ( vaadake (Chao, 2003)). Kuigi neurotropiini signaalimine võimaldab keerulist erinevaid signaale, mis sõltuvad neurotrofiinide ja retseptorite ekspressioonimustrist ning neurotropiinpeptiidide töötlemisest, keskendub see ülevaade ravimite poolt indutseeritud muutustele neurotroopide signalisatsiooniradadel BDNF-i allavoolu.

3. Narkootikumide poolt indutseeritud muutused BDNF-is aju tasustamise piirkondades

BDNF valgu ja mRNA taseme muutusi on uuritud mitmetes aju piirkondades pärast paljude sõltuvusainete klasside manustamist. Stimulandid põhjustavad laialdast, kuid mööduvat BDNF-valgu indutseerimist ambrdala NAc, prefrontaalses ajukoores (PFC), VTA-s ja kesk- (CeA) ja basolateraalsetes (BLA) tuumades (Graham et al., 2007; Grimm et al., 2003; Le Foll et al., 2005). Nii kontingentne kui ka mitte-kontingentne (st loomad, kellele on manustatud iseseisvalt) kokaiini manustamine põhjustab kõrgenenud BDNF valgu taseme NAc-s (Graham et al., 2007; Liu et al., 2006; Zhang et al., 2002). Samamoodi korreleerub kuni 90i päeva pikaajaline äravõtmine pärast kokaiini iseseisvat manustamist suurenenud BDNF valgu sisaldusega NAc-s, VTA-s ja amygdala-s (Grimm et al., 2003; Pu et al., 2006) ja on varased tõendid selle kohta, et epigeneetiline regulatsioon on bdnf geen võib olla kaasatud selle püsiva induktsiooni vahendamisse (Kumar et al., 2005).

Kuigi on tehtud vähem uuringuid BDNF-i mRNA ja valgu tasemete uurimiseks pärast opiaatide ekspositsiooni, näib, et BDNF-i tasemeid reguleerivad opiaadid teatud tasuvusega seotud aju piirkondades. Äge morfiini manustamine suurendab BDNF-i mRNA tasemeid NAc-s, mediaalses PFC-s (mPFC), VTA-s ja orbitofrontaalses ajukoores. VTA-s on krooniline morfiin, mida manustatakse subkutaansete (sc) implantaatide kaudu, BDNF mRNA ekspressiooni muutmisel ebaefektiivne (Numan et al., 1998). See on aga vastupidine BDNF valgu muutustele, mida täheldati pärast kroonilist morfiinravi. Kasutades intraperitoneaalse (ip) morfiini suurenevaid annuseid, on näidatud, et BTAF-i immunoreaktiivsete rakkude arv VTA-s väheneb (Chu et al., 2007), mis viitab BDNF-i funktsiooni langusele. Kuigi ükski aruanne ei ole pärast stimulantide või opiaatide manustamist uurinud BDNF ekspressiooni hipokampuses või caudate-putamenis (CPu), on sellised uuringud õigustatud, kuna hippokampuse CA3 piirkonna püramidaalsetes neuronites on täheldatud tugevaid morfoloogilisi muutusi ja kesknärvisid neuroneid (MSN). CPu nendel tingimustel ((Robinson ja Kolb, 2004); vaata Tabel 1).

 

Tabel 1

Ravimi poolt põhjustatud morfoloogia muutused

4. Narkootikumide poolt indutseeritud muutused BDNF signalisatsiooniradadel ajuhüvitiste piirkondades

On näidatud, et mitmed valgud neurotropiini signaali kaskaadides on reguleeritud opositsioonide ja stimulantidega mesolimbilise dopamiini süsteemis; need hõlmavad ravimi mõju IRS – PI3K – Akt, PLCγ, Ras – ERK ja NFkB signaalidele (Joonis 3). Stimulaatorid suurendavad oluliselt ERK fosforüülimist paljudes aju piirkondades, kaasa arvatud NAc, VTA ja PFC, pärast ägeda või kroonilise ravimi manustamist (Jenab et al., 2005; Shi ja McGinty, 2006, 2007; Sun jt, 2007; Valjent et al., 2004; Valjent et al., 2005). Need leiud on kooskõlas stimulantide poolt põhjustatud neuronite hargnemise ja selgroo arvu suurenemisega, võttes arvesse Ras-ERK poolt kindlaksmääratud rolli neuriidi väljakasvul. Opiaatide mõju ERK signalisatsioonile on vähem selge. Hiljuti on teatatud, et ERK fosforüülimine väheneb NAc-s (Muller ja Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon jt, 2004) ja VTA (avaldamata tähelepanekud) pärast kroonilist morfiini, toime, mis on kooskõlas nende piirkondade morfiinisõltuvatel loomadel täheldatud vähenenud neuriitide hargnemisega. Ent meie grupi ja teiste varasemate tööde tulemused näitasid ERK aktiivsuse suurenemist, sealhulgas ERK fosforüülimise ja katalüütilise aktiivsuse suurenemist VTA-s kroonilise morfiini (Berhow jt, 1996b; Liu et al., 2007; Ortiz et al., 1995). Nende lahknevate järelduste selgitamiseks on vaja täiendavaid uuringuid. Lisaks on oluline kasutada mitut lähenemist valgu aktiivsuse mõõtmiseks, nii et biokeemilisi sündmusi saab korreleerida morfoloogiliste ja käitumuslike lõpp-punktidega. Näiteks ERK inhibeerimine VTA dopamiini neuronites ei mõjuta raku suurust (Russo jt, 2007) nii, et tulevased uuringud on vajalikud ravimi poolt põhjustatud ERK aktiivsuse muutuste funktsionaalsuse käsitlemiseks selles ja teistes aju piirkondades, kuna need on seotud sõltuvust tekitavate fenotüüpidega.

 

Joonis 3

VTA-NAc ahela opiaatide ja stimulantide poolt põhjustatud struktuurse plastilisusega seotud BDNF signalisatsioonikaskaadide kohandused

Mitmed hiljutised aruanded on näidanud, et IRS-PI3K-Akt signalisatsiooni mõjutavad kuritarvitamise ravimid (Brami-Cherrier jt, 2002; McGinty et al., 2008; Muller ja Unterwald, 2004; Russo jt, 2007; Shi ja McGinty, 2007; Wei et al., 2007; Williams jt, 2007). Krooniline opiaatide manustamine vähendab Akt fosforüülimist nii NAc-s kui ka VTA-s (Muller ja Unterwald, 2004; Russo jt, 2007). Need biokeemilised muutused vastavad vähenenud neuronaalsele hargnemisele ja dendriitilisele lülisamba tihedusele või VTA dopamiini neuronite korral vähenenud raku suurusele (Diana et al., 2006; Robinson et al., 2002; Robinson ja Kolb, 1999b; Russo jt, 2007; Spiga jt, 2005; Spiga jt, 2003)

Stimulantide mõju IRS-PI3K-Akt signalisatsioonile nendes piirkondades on vähem selge. Näiteks suurendab krooniline kokaiin PI3K aktiivsust NAc kesta ja vähendab selle aktiivsust NAc südamikus (Zhang et al., 2006). Need andmed on kooskõlas eelmise aruandega, mis näitab, et krooniline kokaiin suurendas selektiivselt BDNF mRNA tasemeid NAc kesta ja vähenes TrKB retseptori mRNA-d NAc südamikus (Filip et al., 2006). Seega võib PI3K aktiivsuse kesta ja põhilisi erinevusi seletada BDNF ja TrKB diferentseeritud ülesvoolu reguleerimisega kokaiini poolt. Huvitav on see, et kui kasutatakse striatumi üldisemat dissekteerimist (sealhulgas NAc ja CPu), on näidatud, et amfetamiin vähendab Akt aktiivsust sünaptosoomipreparaatides (Wei et al., 2007; Williams jt, 2007) ja me oleme täheldanud sarnast mõju kroonilisele kokaiinile NAc-s, eristamata südamikku ja koorikut (Pulipparacharuvil jt, 2008). Lisaks sellele on need uuringud keerulised Akt signaali muutuste uurimiseks kasutatava ajaga, kuna McGinty ja kolleegide hiljutine töö viitab sellele, et krooniline amfetamiin põhjustab mööduva ja tuuma-spetsiifilise muutuse Akt fosforüülimisel striatumis (McGinty et al., 2008). Varasematel ajahetkedel pärast amfetamiini manustamist esineb Akt-fosforüülimise tuumapõhine suurenemine, kuid pärast kahte tundi väheneb Akt fosforüülimine, mis viitab kompenseerivale mehhanismile selle tegevuse väljalülitamiseks. Dünaamiliste suhete mõistmine stimulantide ja Akt signaaliülekande vahel on oluline, et teha kindlaks, kas see signalisatsioonirada on stimuleeriva indutseeritud struktuurilise plastilisuse juhtimisel NAc-s, nagu see on VTA opiaatide puhul (vt 6).

PLCy ja NFkB signalisatsiooniradade muutused uimastite kuritarvitamisel ei ole nii hästi uuritud kui ERK ja Akt; hiljutine töö näitab siiski, et mõlemat rada reguleerivad kuritarvitatavad ravimid. Morfiini krooniline manustamine suurendab PLCy valgu koguhulka ja selle aktiveeritud türosiini fosforüülitud vormi taset (Wolf jt, 2007; Wolf jt, 1999). Lisaks leiti, et viiruse poolt vahendatud PLCy üleekspressioon VTA-s suurendab ERK aktiivsust selles aju piirkonnas (Wolf jt, 2007), mis jäljendab sarnast ERK aktiivsuse suurenemist, mida täheldati pärast kroonilist morfiini \ tBerhow jt, 1996b). PLCy üleekspressioon VTA-s reguleerib ka opiaadi tasu ja sellega seotud emotsionaalset käitumist, kusjuures erilist mõju täheldatakse rostraalis ja caudal VTA-s (Bolanos et al., 2003). Ka Graham ja kolleegid (Graham et al., 2007) täheldas PLCy suurenenud fosforüülimist NAc-s pärast ägedaid, kroonilisi lööke ja kroonilist iseenesest manustatavat kokaiini, mis sõltus BDNF-ist.

Meie grupi varasem uuring näitas, et NFKB alamühikud p105, p65 ja IB on NAc-s suurenenud vastuseks kroonilisele kokaiini manustamisele (Ang et al., 2001). See on kooskõlas Cadeti ja kolleegide (Asanuma ja kadett, 1998), kes demonstreerisid, et metamfetamiin indutseerib NFKB sidumisaktiivsust striatali piirkondades. Arvestades, et mõned ravimireguleeritud NFKB valgud aktiveerivad NFKB signaaliülekande, teised aga pärsivad seda, oli nende algsete uuringute põhjal ebaselge, kas täheldatud valgu muutused peegeldavad NFkB signaaliülekande üldist suurenemist või vähenemist. Oleme hiljuti selle küsimuse lahendanud, näidates, et krooniline kokaiini manustamine reguleerib NFKB transkriptsiooni aktiivsust NAc-s, tuginedes NFKB-LacZ transgeensete reporterhiirte (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007) tulemustele. Hiljutised tõendid on otseselt mõjutanud NFkB signaaliülekande indutseerimist NAc-s kokaiini struktuurses ja käitumuslikus mõjus (vt 6). Need varased leiud on intrigeerivad ja nõuavad edasist uurimist, sealhulgas opiaatide mõju NFKB signaaliülekannetele aju tasustamise piirkondades.

5. Narkootikumide poolt põhjustatud struktuurne plastilisus ajuhüvitiste piirkondades

Aju tasustamisskeem on arenenud, et suunata oma ressursse loodusliku tasu saamiseks, kuid kuritarvitamise ravimid võivad seda süsteemi rikkuda või kaaperdada. Selles ahelas on struktuurilisele plastilisusele üldiselt iseloomulik muutunud dendriidi hargnemine või arboriseerumine ning dendriitrakkude tiheduse või morfomeetria muutused. Ehkki kogemustest sõltuvate morfoloogiliste muutuste otsene käitumuslik tähtsus on veel uurimise all, arvatakse, et sünaptilise funktsiooni määrab mitte ainult iga üksiku selgroo number, vaid ka suurus ja kuju. Selgroovina saadavad nad õhukesed ebaküpsed struktuurid, mis võtavad kas kangekaelseid, multisünaptilisi, filopoodseid või hargnenud kujuga (vaadake ülevaatamiseks (Bourne ja Harris, 2007; Tada ja Sheng, 2006). Täiskasvanud ajus on põhitingimustes hinnanguliselt vähemalt 10% selgroogidest need ebaküpsed kujundid, mis viitavad sellele, et plastilisus on pidev protsess kogu elu jooksul (Fiala et al., 2002; Harris, 1999; Harris et al., 1992; Peters ja Kaiserman-Abramof, 1970). Need struktuurid on mööduvad ja võivad moodustada tundide jooksul pärast stimulatsiooni ja püsivad nii kaua, kui in vivo (paar päeva).Holtmaat et al., 2005; Majewska jt, 2006; Zuo et al., 2005).

Arvatakse, et mööduva, ebaküpse selgroo stabiliseerumine püsivamaks, funktsionaalsemaks selgeks toimub aktiivsusest sõltuva mehhanismi kaudu (vaadake ülevaatust (Tada ja Sheng, 2006). Pikaajalist depressiooni indutseerivad stimuleerimisprotokollid on seotud selgroo kokkutõmbumisega või tagasitõmbumisega hipokampuse ja kortikaalsete püramidaalsete neuronite korral (Nagerl jt, 2004; Okamoto et al., 2004; Zhou et al., 2004), samas kui pikaajalise potentseerimise (LTP) esilekutsumine on seotud uute selgroogade moodustumisega ja olemasolevate selgroogide laienemisega (Matsuzaki et al., 2004; Nagerl jt, 2004; Okamoto et al., 2004). Molekulaarsel tasemel arvatakse, et LTP ja LTD käivitavad muutused signalisatsiooniradadel ja valkude sünteesimisel ja lokaliseerimisel, mis lõpuks muudavad aktiini polümerisatsiooni, et mõjutada selgroo küpsemist ja stabiilsust ning lõppkokkuvõttes funktsionaalse selgroo (LTP) valmistamist. olemasoleva selgroo (LTD) tagasitõmbamine (vaadake (Bourne ja Harris, 2007; Tada ja Sheng, 2006). Stabiliseerumise järel muutuvad spinid seene kujuga, neil on suuremad postünaptilised tihedused (Harris et al., 1992) ja on näidanud, et need püsivad ka mitu kuud (Holtmaat et al., 2005; Zuo et al., 2005). Need muutused peegeldavad väga stabiilset rakulist sündmust, mis võib olla usutav selgitus vähemalt mõnede narkomaaniaga seotud pikaajaliste käitumuslike muutuste kohta.

Enamik sõltuvust tekitavate ainete klassidest, kui neid manustatakse krooniliselt, muudavad struktuuri plastilisust kogu aju tasuahelas. Enamik neist uuringutest on korrelatiivsed ja seostavad struktuurseid muutusi teatud aju piirkondades, millel on sõltuvust näitav käitumuslik fenotüüp. Viimase kümne aasta jooksul on Robinson ja tema kolleegid juhtinud teed, kuidas mõista, kuidas kuritarvitamine narkootikume reguleerivad struktuurilist plastilisust (vaadake ülevaadet (Robinson ja Kolb, 2004). Kuna need esialgsed tähelepanekud, on teised narkootikumide kuritarvitamise teadlased lisanud sellele kasvavale kirjandusele, et avastada ravimiklassi spetsiifilisi toimeid neuronaalsele morfoloogiale. Nagu on kujutatud Tabel 1 ja Joonis 3Opiaadid ja stimulandid mõjutavad struktuurset plastilisust erinevalt. On näidatud, et opiaadid vähendavad dendriitrakkude arvu ja keerukust NAc MSN-idel ja mPFC-l ja hippokampuse püramiidsetel neuronitel ning vähendavad VTA dopamiinergiliste neuronite üldist soma suurust, ilma et see oleks täheldatud dopamiinergilistel neuronitel selles aju piirkonnas (Nestler, 1992; Robinson ja Kolb, 2004; Russo jt, 2007; Sklair-Tavron jt, 1996). Praeguseks on nendest leidudest üks erand, kus teatati, et morfiin suurendab selgroo arvu orbitofrontaalsetel koore neuronitel (Robinson et al., 2002). Erinevalt opiaatidest on tõestatud, et stimulandid nagu amfetamiin ja kokaiin suurendavad järjekindlalt dendriitseid selgroogasid ja keerukust NAc MSN-des, VTA dopamiinergilistes neuronites ja PFC-püramiidi neuronites, ilma et oleks teatatud vähenenud struktuurilisest plastilisusest (Lee jt, 2006; Norrholm jt, 2003; Robinson et al., 2001; Robinson ja Kolb, 1997, 1999; Sarti jt, 2007).

Kuigi nende muutuste aluseks olevate neurotroofsete faktorite signaaliülekande all olevad molekulaarsed mehhanismid on halvasti mõistetavad, kaasneb paljude nende struktuuriliste muutustega muutused neuronite tsütoskeleti reguleerimiseks hästi tuntud valkude tasemes või aktiivsuses. Nende hulka kuuluvad, kuid ei ole nendega piiratud, ravimi poolt indutseeritud muutused mikrotuubuliga seotud valgus 2 (MAP2), neurofilamentvalgud, aktiivsusega reguleeritud tsütoskeleti seotud valk (Arc), LIM-kinaas (LIMK), müotsüütide võimendaja faktor 2 (MEF2) , tsükliin-sõltuv kinaas s5 (Cdk5), postsünaptiline tihedus 95 (PSD95) ja cofiliin, samuti muutused aktiinitsüklis, NAc-s või teistes aju-tasu piirkondades (Beitner-Johnson jt, 1992; Bibb et al., 2001; Chase et al., 2007; Marie-Claire jt, 2004; Pulipparacharuvil jt, 2008; Toda jt, 2006; Yao et al., 2004; Ziolkowska jt, 2005). Kuna paljud stimulaatorite ja morfiini poolt põhjustatud biokeemilised muutused on sarnased, on oluline kindlaks teha dendriitfunktsiooniga seotud erinevad opiaatide ja stimulantide poolt reguleeritud geeni sihtmärgid, kuna need võivad anda ülevaate opiaadi ja stimulantide üldiselt vastandlikest mõjudest neurotroofsetele ainetele. faktorist sõltuv struktuuriline plastilisus.

Vastandlikud morfoloogilised muutused, mis on põhjustatud ajuhüvitiste piirkondades opiaatide ja stimulantide poolt, on paradoksaalsed, kuna need kaks ravimit põhjustavad väga sarnaseid käitumisfenotüüpe. Näiteks põhjustavad opiaatide ja stimulantide spetsiifilised ravirežiimid, mis mõlemad põhjustavad lokomotoorse sensibilisatsiooni ja sarnaseid ravimi eneseanalüüsi suurenemise mudeleid, põhjustavad vastupidist muutust dendriitrakkude tiheduses NAc-s (Robinson ja Kolb, 2004). Seega, kui need morfoloogilised muutused on sõltuvuse olulised vahendajad, peavad neil olema kahesuunalised omadused, kusjuures mõlema suuna algtaseme muutus tekitab sama käitumusliku fenotüübi või vahendavad erinevaid käitumuslikke või muid fenotüüpe, mida ei kasutata kasutatud katsevahenditega . Lisaks tuleb neid leidusid arvesse võtta kõnealuse ravimi manustamise paradigma kontekstis. Meie uuringutes, näiteks, saavad loomad suured subkutaanse morfiini annused, mis vabanevad pidevalt pelletimplantantidest, paradigma, mis on rohkem kooskõlas opiaadi taluvuse ja sõltuvusega. Seevastu kasutavad enamik stimuleerivaid paradigme ravimi ühekordseid päevasiseseid süstimisi, mis võimaldavad veretasemeid tipptasemel ja naasta algtasemeni enne järgmist manustamist, paradigmad, mis on paremini kooskõlas ravimite sensibiliseerimisega. Opiaatide ja stimulantide kasutamine inimestel võib erineda. Seetõttu tuleb tulevastes uuringutes käsitleda ravimi poolt indutseeritud morfoloogiliste muutuste käitumuslikku tähtsust aju tasustamise piirkondades annuse ja ravimi manustamise paradigmade kontekstis, mis peegeldavad inimestel esinevaid kokkupuuteid.

6. BDNF ja selle signalisatsioonikaskaadide roll ravimit põhjustatud struktuurses ja käitumuslikus plastilisuses

Kasvufaktori signalisatsiooni muutused on oletatavad peamise tegurina, mis mõjutab narkomaaniaga seotud struktuurilist ja käitumuslikku plastilisust. Inimese uuringud on piiratud. Kokaiinist, amfetamiinist, alkoholist või opiaatidest sõltuvates inimestes on täheldatud ravimi poolt indutseeritud BDNF-i muutusi seerumis.Angelucci jt, 2007; Janak jt, 2006; Kim et al., 2005), kuid selle BDNF allika ja nende muutuste olulisus sõltuvuse alguses ja säilitamises on jäänud ebaselgeks. Tulevaste uuringute puhul oleks huvitav uurida BDNF-i ja selle signalisatsiooniteid inimese postmortem-aju kudedes.

Viimase kümne aasta jooksul on närilistel tehtud töö kindlaks teinud BDNF-i mõju sõltuvusprotsessi erinevatele etappidele. Varased uuringud näitasid, et BDNF-i kohalik infusioon VTA-sse või NAc-sse suurendab liikumis- ja tasuvust kokaiinile, samas kui BDNF-i ülemaailmne kadu avaldab vastupidist mõju.Hall et al., 2003; Horger et al., 1999; Lu et al., 2004). Hiljem tehtud töö on näidanud, et kokaiini iseseisvus suurendab BDNF signaaliülekannet NAc-s (Graham et al., 2007). Lisaks võimendab BDNF-i sisemine infusioon NAC-s kokaiini enda manustamist ja kokaiini otsimist ning retsidiivi, samal ajal kui BDNF-i vastaste antikehade infusioon või kohalik nakatumine. bdnf NAc geen (mis saavutati Cre recominase viiruse ekspressiooni abil ujukes BDNF hiirtel), blokeerib need käitumised. Nende uuringute põhjal \ t Graham ja kolleegid (2007) järeldas, et BDNF-i vabanemine NAc-s kokaiini iseseisvuse algatamise ajal on sõltuvuse protsessi vajalik osa.

Need andmed toetavad seisukohta, et BDNF on kandidaatmolekul, mis vahendab kroonilise kokkupuute kokaiini või teiste stimulantide poolt tekitatud NAc neuronite struktuurseid muutusi. Selle hüpoteesi kohaselt indutseeriks stimulantide indutseeritud BDNF signaaliülekande suurenemine NAc-s NAc neuronite dendriitsete arboriseerumiste suurenemist, mis oleksid aluseks tundlikele käitumuslikele vastustele stimulantidele, samuti tugevate ravimiga seotud mälestuste suhtes, mis on olulised retsidiivi ja sõltuvuse jaoks. Kooskõlas selle hüpoteesiga on saadud kultiveeritud hipokampuse neuronite leiud, kus on näidatud, et BDNF sekretsioon indutseerib üksikute dendriitrakkude valgu sünteesist sõltuvat suurenemist (Tanaka jt, 2008b). Selle hüpoteesi nõrkuseks on see, et ei ole olnud otseseid eksperimentaalseid tõendeid selle kohta, et NAc neuronite dendriitrakkude suurenemine iseenesest on vajalik või piisav sensibiliseeritud ravivastustele. Tegelikult on olemas andmeid, mis viitavad keerulisemale seosele kahe nähtuse vahel: Cdk5i inhibeerimine NAc-s blokeerib kokaiini võime suurendada dendriitrakkude teket NAc neuronitel, hoolimata asjaolust, et selline inhibeerimine võimendab lokomotoorseid ja rahuldavaid vastuseid kokaiinile (Norrholm jt, 2003; Taylor et al., 2007). On selge, et selle struktuurse ja käitumusliku plastilisuse vahelise seose uurimiseks on vaja täiendavat tööd.

Teiseks oluliseks hoiatuseks selle hüpoteesi suhtes on see, et muutused BDNF-i signaaliülekandes võivad neuronite morfoloogiale ja käitumisele sõltuvalt uuritud aju piirkonnast avaldada põhjalikku mõju. Hiljutised aruanded on teinud selgeid vahet BDNF-i funktsiooni vahel hipokampuses ja VTA-s (Berton et al., 2006; Eisch jt, 2003; Krishnan et al., 2007; Shirayama jt, 2002): BDNF-i infusioonid hipokampuses on antidepressandid, samas kui BDNF-i infusioonid VTA-s või NAc-s tekitavad prodepressant-sarnaseid efekte. Sarnased mustrid tekivad sõltuvuse valdkonnas. Eelkõige tõstab NAc suurenenud BDNF kokaiinist põhjustatud käitumist (Graham et al., 2007; Horger et al., 1999), samas kui PFC-s BDNF pärsib neid samu käitumisi (Berglind et al., 2007). Pole ime, et BDNF-i indutseerimist kokaiiniga reguleeritakse ka nendes kahes aju piirkonnas erinevalt, mis kinnitab veelgi käitumuslikke erinevusi (Fumagalli jt, 2007).

Esialgsed tõendid on mõjutanud NFKB signaale kokaiinist tingitud struktuurse ja käitumusliku plastilisuse reguleerimisel. Kuigi otsene mehhanism, mille abil need muutused toimuvad, on teadmata, on eelmine töö näidanud, et pFNUMXNTR, mis on ülesvoolu NFKB-st, on lokaliseerunud sünapsis ja et pDNNXXTR on aktiveeritud BDNF-i poolt. Kuigi BDNF-TrkB interaktsioone on uimastite kuritarvitamisel põhjalikult uuritud, viitavad need andmed NFKB kaudu alternatiivsele teele, mis nõuab täiendavat uurimist. Kooskõlas selle hüpoteesiga oleme hiljuti täheldanud, et NFKB rada domineeriva negatiivse antagonisti viiruse poolt vahendatud üleekspressioonis NAc-s takistab kroonilise kokaiini võimet suurendada dendriitrakkude tihedust NAc MSN-idel. Niisugune NFkB signaali inhibeerimine tõhustab ka sensibiliseerimist kokaiini rahuldavate mõjude suhtes (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 75, 75). Need andmed, erinevalt eespool viidatud Cdk611.5-i olukorrast, toetavad seost suurenenud dendriitide arboriseerumise ja kokaiini käitumusliku sensibiliseerimise vahel, rõhutades veelgi nende nähtuste keerukust ja vajadust täiendavate uuringute järele.

Kuigi piiratud töö on käsitlenud neurotroofse teguri olulisust opiaadi poolt esilekutsutud käitumises, on meie laboratooriumi töö avastanud BDNF ja allavoolu IRS2-PI3K-Akt raja rolli VTA dopamiinergiliste rakkude suuruse reguleerimises ja sellele järgnenud tasuvustiheduses (Russo jt, 2007; Sklair-Tavron jt, 1996). Täpsemalt, kroonilise opiaadi manustamine närilistel tekitab tasu taluvuse ja füüsilise sõltuvuse seisundi suhteliselt varajastel katkestamisperioodidel, mis arvatakse kaasa narkootikumide võtmise käitumise suurenemisele. Varased katsed näitasid, et BDNF-i sisemine infusioon VTA-s väldib morfiini poolt indutseeritud VTA neuronite suuruse vähenemist (Sklair-Tavron jt, 1996). Hiljuti oleme näidanud, et tasu taluvuse ajajoon, mõõdetuna konditsioneeritud kohaprefektiga, on paralleelne vähendatud dopamiinergilise raku suuruse ajajoonega ja et need nähtused vahendatakse BDNF-i signaalikassade kaudu (Russo jt, 2007). Nagu eespool mainitud, reguleeritakse BTAF-i ja TrKB-retseptori allavoolu VTA-s biokeemilisi signaaliülekande radasid kroonilise morfiini poolt: morfiin aktiveerib PLCy (Wolf jt, 2007; Wolf jt, 1999), vähendab IRS-PI3K – Akt raja aktiivsust (Russo jt, 2007; Wolf jt, 1999) ja tekitab ERK-le muutuvat mõju (vt eespool). Arvestades hiljutisi tõendeid, et Akt reguleerib paljude kesknärvisüsteemi rakutüüpide suurust (Backman jt, 2001; Kwon et al., 2006; Kwon et al., 2001; Scheidenhelm jt, 2005) kasutasime viiruse geeniülekande tehnikaid, et näidata otseselt, et morfiin tekitab IRS2-PI3K-Akt raja inhibeerimise ja VTA dopamiini neuronite vähendatud tasu. Neid efekte ei täheldatud ERK või PLCy signaaliülekande muutmisega, osutades jälle IRS-PI3K-Akt signaali olulisusele selle nähtuse jaoks. Tulevased uuringud käsitlevad BDNF-i ja IRS-PI3K – Akt radade asjakohasust opiaadi eneseanalüüsi eskalatsioonis, mis on kliiniliselt olulisem sõltuvuse mõõtmise paradigma. Neurotroofsete tegurite või nende retseptorite ülesvoolu muutuste parem mõistmine ja Akt'i allavoolu sihtmärgid käsitlevad sõltuvusmudelite opiaadi tasu taluvuse spetsiifilisi mehhanisme. Peale selle on oluline mõista BDNF-i signaaliülekande rolli VTA-funktsiooni reguleerimisel närviringi kontekstis. Sellega seoses on huvitav märkida Pu jt. (2006) näitas, et pärast korduva kokaiini ekspositsiooni kõrvaldamist on VTA-s dopamiini neuronite ergutavatel sünapsidel tundlikumad nõrkade presünaptiliste stiimulite võimendumisele, mis nõuab endogeenset BDNF-TrkB signaaliülekannet.

7. Teiste neurotroofsete tegurite roll ravimit põhjustatud struktuurses ja käitumuslikus plastilisuses

Kuigi ülaltoodud arutelu keskendub BDNF-ile ja selle signaaliülekande kaskaadidele, on tõendeid selle kohta, et mitmed teised neurotroofsed tegurid ja nende allavoolu signaalirajad mõjutavad ka käitumis- või biokeemilisi vastuseid kuritarvitamise ravimitele. On näidatud, et NT3, nagu BDNF, soodustab tundlike reaktsioonide teket kokaiinile VTA tasemel (Pierce ja Bari, 2001; Pierce et al., 1999). Morfiini või kokaiini krooniline manustamine reguleerib glue rakuliinist pärinevat neurotroofset faktorit (GDNF) signaaliülekannet VTA-NAc ahelas, mis omakorda toob tagasi ja pärsib nende ravimite kuritarvituste käitumist.Messer jt, 2000). Amfetamiin indutseerib põhifibroblastide kasvufaktorit (bFGF) VTA-NAc ahelas ja bFGF-i knockout-hiirtel reageeritakse korduvalt amfetamiini süstimistel põhjustatud lokomotoorse sensibilisatsiooni suhtes (Flores jt, 2000; Flores ja Stewart, 2000). Tsütokiin, tsiliarne neurotroofne faktor (CNTF), manustatuna otse VTA-sse, suurendab kokaiini võimet indutseerida biokeemilisi kohandusi selles aju piirkonnas; kokaiin suurendab intratsellulaarset signaaliülekannet kaskaadide kaudu Januse kinaasi (JAK) ja signaali muundurite ja transkriptsiooni aktivaatorite (STATs) kaudu, mis on võimendatud CNTF-i äge infusiooniga (Berhow jt, 1996a). Samuti on tõendeid, et krooniline morfiin muudab insuliinitaolise kasvufaktori 1 (IGF1) taset VTA ja teistes aju piirkondades (Beitner-Johnson jt, 1992). Need isoleeritud leiud näitavad, et mitmesugused neurotroofsed mehhanismid kontrollivad VTA-NAc funktsiooni, et reguleerida plastiilsust kuritarvitatavate ravimitega keerulistel viisidel ja rõhutada vajadust tulevikus palju uurimistööd selles valdkonnas.

8. Järeldused

Viimase kümne aasta jooksul oleme laiendanud oma arusaama selle kohta, kuidas kuritarvitamise ravimid reguleerivad neurotroofseid signalisatsiooniradu ja erinevate neuronaalsete populatsioonide morfoloogiat kogu aju tasustamisskeemil. Hiljutised edusammud viiruse geeniülekandes võimaldavad manipuleerida spetsiifiliste allavoolu neurotroofsete signaalvalkude suhtes täielikult arenenud täiskasvanud loomade huvipakkuvas aju piirkonnas, et uurida uimastite kuritarvitamise, neuronaalse morfoloogia ja käitumusliku plastilisuse vahelisi seoseid. Uutel bistristroonsetel viirusvektoritel on võimalik neuronite morfoloogia visualiseerimiseks ekspresseerida nii neurotroofseid signaaliülekandeid kui ka fluorestseeruvat valku.Clark et al., 2002). Seega on spetsiifiliste neuronaalsete populatsioonide märgistamiseks paremate immunohistokeemiliste meetoditega võimalik hinnata neurotroofse signaaliülekandes ravimi poolt indutseeritud morfoloogilisi muutusi ja nendega seotud biokeemilisi kohandusi, mis annab seega olulise informatsiooni heterogeensete aju ravimi poolt indutseeritud regulatsiooni jaoks tasustada piirkondi. Kasutades multidistsiplinaarset lähenemist käitumuslike, füsioloogiliste, biokeemiliste ja morfoloogiliste tulemusnäitajatega, on üha suurem võimalik täpsustada sõltuvuse mehhanisme, sealhulgas neurotroofse teguri täpne roll kogemusest sõltuval plastilisusel ja sõltuvusprotsessil. Need teadmised võivad viia uute meditsiiniliste sekkumiste väljatöötamiseni, et normaliseerida kuritarvitamise põhjustatud pahaloomulist plastiilsust ajuhüvitiste piirkondades ja seeläbi muuta sõltuvuse protsessi inimestel.

Allmärkused

viited