Neurotróf tényezők és szerkezeti plaszticitás függőségben (2009)

• Neuropharmacology. 2009; 56 (Suppl 1): 73 – 82.
• Megjelent online 2008 Jul 4. doi:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

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

Szerzői információk ► Szerzői jogi és licencinformációk ►

Ugrás:

Absztrakt

1. Bevezetés

A kábítószer-függőség egyik alapvető jellemzője, hogy az egyén továbbra is kábítószert használ, annak ellenére, hogy súlyosan káros fizikai vagy pszichoszociális következményei vannak. Annak ellenére, hogy nem biztosan tudjuk, mi mozgatja ezeket a viselkedési mintákat, feltételezték, hogy az agy jutalmazási rendszerében bekövetkező hosszú távú változások fontosak (ábra 1). Konkrétan úgy gondolják, hogy a ventrális tegmental terület dopaminerg neuronjaiban (VTA) és a célmagasabb idegsejtjeikben lévő gyűrűk (NAc) adaptációi megváltoztatják az egyén reakcióját a gyógyszerrel és a természetes haszonnal, ami drog toleranciához, jutalom diszfunkcióhoz és a kábítószer-bevitel és végül kényszeres használat (Everitt és munkatársai, 2001; Kalivas és O'Brien, 2008; Koob és Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinson és Kolb, 2004).

 

ábra 1

Főbb sejttípusok a függőség mögötti idegi áramkörökben

Az utóbbi években komoly erőfeszítéseket tettek annak meghatározására, hogy milyen celluláris és molekuláris változások alakulnak ki a kezdeti gyógyszerhasználatról a kényszeres bevitelre való áttérés során. A gyógyszer-indukált adaptációk sok típusa között azt javasolták, hogy az agyi eredetű neurotróf faktor (BDNF) vagy kapcsolódó rokon neurotrofinok, valamint ezek jelátviteli útjai megváltoztassák az idegsejtek működését a VTA-NAc áramkörön és más juttatási régiókban a modulálás érdekében a drogfogyasztási motiváció (Bolanos és Nestler, 2004; Pierce és Bari, 2001). Ennek a hipotézisnek a következménye az, hogy az ilyen növekedési faktor által indukált celluláris és molekuláris adaptációk tükröződnek a jutalomhoz kapcsolódó idegsejtek morfológiai változásaiban. Például a krónikus stimuláns beadása növeli a dendritek elágazását és a dendritikus tüskék számát, és dinamikusan növeli a BDNF szintet több agyi jutalom régióban, míg a krónikus opiát adagolás csökkenti a dendritikus elágazások és a tüskék, valamint a BDNF szintet ugyanazon régiók néhányában ( áttekintés lásd (Robinson és Kolb, 2004; Thomas és munkatársai, 2008). Sőt, a krónikus morfin csökkenti a VTA dopamin neuronok méretét, ezt a hatást a BDNF megfordítja (Russo és munkatársai, 2007; Sklair-Tavron és munkatársai, 1996). Ugyanakkor nincs közvetlen és okozati bizonyíték arra, hogy ezek a szerkezeti változások a függőséget okozzák.

Az a javaslat, miszerint a BDNF összefügghet a VTA-NAc áramkör szerkezeti plaszticitásával a függőségi modellekben, összhangban áll egy nagy irodalommal, amely befolyásolta ezt a növekedési tényezőt a dendritikus tüskék szabályozásában. Például a BDNF vagy a TrkB receptor feltételes delécióit alkalmazó vizsgálatok azt mutatják, hogy ezekre szükség van a dendritikus tüskék proliferációjához és éréséhez a fejlődő idegsejtekben, valamint a tüskék fenntartásához és proliferációjához az idegsejteken a felnőtt agyában (Chakravarthy és munkatársai, 2006; Danzer és munkatársai, 2008; Horch és munkatársai, 1999; Tanaka és munkatársai, 2008a; von Bohlen Und Halbach és munkatársai, 2007).

Noha a pontos molekuláris mechanizmusok, amelyek révén a BDNF közvetíti az agy jutalmazási struktúrájának szerkezeti plaszticitását, továbbra sem ismertek, a legfrissebb tanulmányok azt sugallják, hogy a BDNF-től későbbiekben lévő specifikus útvonalakat a visszaélés elleni gyógyszerek modulálják, és hogy ezek a neurotróf faktorfüggő jelátviteli változások korrelálnak a morfológiai és viselkedési véggel -pontok a drogfüggőség állatmodelleiben. Ebben az áttekintésben új fejleményeket tárgyalunk annak megértésében, hogy az opiák és stimulánsok hogyan szabályozzák a neurotrofikus tényezőket jelző jeleket, és ezeknek a hatásoknak a sejtbeli és viselkedési következményeire. Javasoljuk továbbá a jövőbeli vizsgálatok területeit az stimulánsok és az opiátok paradox módon ellentétes hatásainak kezelésére az idegsejtek morfológiájára és bizonyos, a függőséggel összefüggő viselkedési fenotípusokra vonatkozóan.

2. Neurotrophin jelátviteli útvonalak

Az idegtudományi kutatás hosszú ideje kitűzött idegrendszeri fejlődést és túlélést közvetítő jelátviteli útvonalak feltárása. Ugyanakkor a felnőttkori központi idegrendszerben (CNS) a neurotróf faktor jelzés az elmúlt évtizedben fontos érdeklődési területré vált, mivel a neurotrofikus jelátvitelről kimutatták, hogy a szervezet életében modulálja az idegi plaszticitást és viselkedést (áttekintésért lásd: (Chao, 2003)). Az első azonosított neurotrofikus faktort, az ideg növekedési faktorot (NGF) az 1954-ben izoláltuk (Cohen és munkatársai, 1954); maga a gén klónozása csak az 1983 (Scott és munkatársai, 1983). Ezt a felfedezést szorosan követték egy további NGF-szerű növekedési faktor tisztításával és azonosításával, amelyek meghatározták a neurotrophin családot: BDNF (Barde és munkatársai, 1982; Leibrock és munkatársai, 1989), neurotrophin-3 (NT3) (Hohn és munkatársai, 1990; Maisonpierre és munkatársai, 1990) és a neurotrophin-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier és munkatársai, 1991). A neurotrophin család tagjai paralogok, és jelentős homológiával rendelkeznek (Hallbook és munkatársai, 2006); mind polipeptidek, amelyek homodimerizálódnak, és mind az éretlen, mind az érett formában megtalálhatók a központi idegrendszerben. Noha hosszú ideje azt gondolják, hogy a hasított ~ 13 kDa érett forma volt az aktív jelátviteli molekula, a közelmúltban végzett tanulmányok azt mutatják, hogy az idegrendszer pro-(éretlen) formái, amelyek megtartják N-terminálisujukat, kimutathatók az agyban (Fahnestock és munkatársai, 2001), és az érett peptidektől eltérő jelátviteli kaszkádok. Az NGF hatása a felnőttkori központi idegrendszerben nagyrészt a kolinerg sejtekre lokalizálódik az elülső agyban, míg a többi neurotropin eloszlása ​​sokkal elterjedtebb.

A neurotrophin szignál további specifitása a neurotrophin receptorok differenciált expresszióján keresztül jön létre, amelyeket két kategóriába lehet osztani: a tropomyosinnal rokon kináz (Trk) és a p75 neurotrophin (p75NTR) receptorokkal. A p75NTR-t először az NGF receptorának azonosították (Johnson és munkatársai, 1986), de valójában mind a négy neurotropin éretlen és érett formáját köti (Lee és munkatársai, 2001; Rodriguez-Tebar és munkatársai, 1990; Rodriguez-Tebar és munkatársai, 1992). A p75NTR-rel ellentétben a Trk-receptorcsalád specifikusan mutat ligandumait. A TrkA receptor elsősorban az NGF-t köti (Kaplan és munkatársai, 1991; Klein és munkatársai, 1991), a TrkB receptor köti a BDNF-t (Klein és munkatársai, 1991) és NT4 / 5 (Berkemeier és munkatársai, 1991), és a TrkC receptor köti az NT3-t (Lamballe és munkatársai, 1991). Míg az érett neurotrofinek fokozott affinitást mutatnak a Trk-receptorokhoz, szemben a propeptidekkel, mind az éretlen, mind az érett formák nagy affinitással kötődhetnek a p75NTR-hez. Ezen felül kimutatták, hogy a p75NTR komplexeket képez Trk-receptorokkal, és ezek a receptorkomplexek fokozott affinitást mutatnak a megfelelő Trk-ligandumokkal szemben a homodimer Trk-hez viszonyítva.

A Trk-receptorok egyetlen transzmembrán átfogó fehérje, amely extracelluláris ligandumkötő doménből és tirozin-kináz domént tartalmazó intracelluláris régióból áll. A többi tirozin-kinázhoz hasonlóan a Trk-receptorok homodimerizálódnak a ligandum-kötődésre adott válaszként, ami lehetővé teszi az aktivációs hurkon belüli transzfoszforilációt, hogy fokozza a receptor-kináz katalitikus aktivitását. A tiroxinmaradványok transzfoszforilációja a juxtamembrane doménben és a C-terminálison kapcsolódási helyeket generál az SH2 (Src homológia 2) típusú „linker” proteinekhez, mint például az Src homológia domént tartalmazó fehérje (Shc) és a foszfolipáz Cγ (PLCγ) ). Az Shc-kötés a jeláteresztő kaszkádokat indítja el, amelyek végül a mitogén-aktivált protein-kináz (MAPK) és a foszfatidil-inozitol 3′-kináz (PI3K) aktiválódásához vezetnek. A MAPK út stimulálása magában foglalja az extracelluláris szignál-szabályozott kináz (ERK) aktiválását, míg az inzulinreceptor-szubsztrát (IRS) kötődése a PI3K toborzásához és aktiválásához, valamint az downstream kinázok, például a thymoma virális proto-onkogén (Akt) aktiválásához vezet. , más néven protein kináz B (PKB). A PLCγ foszforilezése és aktiválása inozitol (1,4,5) trifoszfát (IP) képződéséhez vezet₃) és diacil-glicerin (DAG), valamint a protein-kináz C (PKC) és a celluláris Ca stimulálására²⁺ útvonalakat. Ezt a három fő jelátviteli utat - PI3K, PLCγ és MAPK / ERK -, amelyeket Trk-receptor aktiválás indukált, a ábra 2. Érdekes módon bizonyítékok vannak arra, hogy e három kaszkád különféle módon aktiválódik, a neurotropin, a receptor típusa, valamint a szignál erőssége és időtartama alapján (lásd (Segal, 2003). Ezen lefelé haladó útvonalak differenciált aktiválása különösen relevánsnak tűnik a neuronok morfológiájának és viselkedésének gyógyszer-indukált változásainál, amint ezt a későbbi szakaszokban ismertetjük.

 

ábra 2

Intracelluláris jelátviteli útvonalak a neurotrophinek után

A Trk-receptor aktiválás következményeinek széles körű ismeretéhez képest sokkal kevesebbet tudunk a p75NTR jelátvitel szerepéről a neurotrophin funkcióban. A Trk effektorok aktiválása általában túlélési és differenciálódási jelekhez vezet, míg a p75NTR aktiválása mind a túlélést, mind a halált megelőző jelző kaszkádokat indítja el. A p75NTR-en keresztüli túlélési jelzéshez szükséges a kappa B (NFκB) lefelé irányuló nukleáris faktor (NFκB), amelyet feltételezhetően közvetett módon aktiválnak a TNF (tumornekrózis-faktor) receptorral társított 4 / 6 (TRAF4 / 6) vagy a receptorokkal kölcsönhatásban lévő 2 (RIP2) fehérjével (RIPXNUMX). áttekintés lásd (Chao, 2003)). Bár a neurotrophin jelátvitel lehetővé teszi a szignálok komplex változatosságát, amely függ a neurotrophinok és receptorok expressziós mintázatától és a neurotrophin peptidek feldolgozásától, ez a beszámoló a BDNF-től később a neurotrophin jelátviteli utak gyógyszer-indukált változásaira összpontosít.

3. A drog által kiváltott BDNF változások az agyi jutalom régiókban

A BDNF fehérje és mRNS szintjének változásait több agyi régióban megvizsgálták, az addiktív anyagok sok osztályának beadását követően. A stimulánsok széles körben, de átmenetileg indukálják a BDNF fehérjét a NAc, prefrontalis kéreg (PFC), VTA, valamint az amygdala központi (CeA) és basolateral (BLA) magjában (Graham és munkatársai, 2007; Grimm és munkatársai, 2003; Le Foll és munkatársai, 2005). Mind a függő, mind a nem kontingensek (azaz állatok, akiknek önmaguknak adják be az állatokat) a kokain beadása megnöveli a BDNF fehérje szintjét a NAc-ban (Graham és munkatársai, 2007; Liu és munkatársai, 2006; Zhang és munkatársai, 2002). Hasonlóképpen, a kokain önadása után az 90 napig tartó hosszú távú abbahagyása korrelál a NAc, VTA és amygdala megnövekedett BDNF fehérjével (Grimm és munkatársai, 2003; Pu és munkatársai, 2006), és korai bizonyítékok vannak arra, hogy az epigenetikus szabályozás a BDNF a gén részt vehet ennek a tartós indukciónak a közvetítésében (Kumar és munkatársai, 2005).

Bár kevesebb vizsgálatot végeztek a BDNF mRNS és fehérje szintjének vizsgálatára az opiátokkal való kitettség után, úgy tűnik, hogy a BDNF szintet az opiátok szabályozzák bizonyos jutalomhoz kapcsolódó agyi régiókban. Az akut morfin beadása növeli a BDNF mRNS szintet a NAc, a mediális PFC (mPFC), a VTA és az orbitofrontalis kéregben. A VTA-ban a szubkután (sc) implantátumok útján adott krónikus morfin hatástalan a BDNF mRNS expressziójának megváltoztatásában (Numan és munkatársai, 1998). Ez azonban ellentétben áll a BDNF fehérje krónikus morfinkezelés után megfigyelt változásával. Az intraperitoneális (ip) morfin növekvő adagjainak alkalmazásával kimutatták, hogy a BDNF immunreaktiv sejtek száma a VTA-ban csökken (Chu és munkatársai, 2007), amely a BDNF függvény alulszabályozására utal. Noha egyetlen jelentés sem vizsgálta a BDNF expresszióját a hippokampuszban vagy a caudate-putamenben (CPu) stimulánsok vagy opiátok beadása után, az ilyen vizsgálatok indokoltak, mivel robusztus morfológiai változásokat figyeltek meg a hippokampusz CA3 régiójának piramis idegsejtjeiben és a közepes tüskés idegsejtekben (MSN). ezen feltételek mellett (Robinson és Kolb, 2004); lát Táblázat 1).

 

Táblázat 1

A gyógyszer által kiváltott morfológiai változások

4. A drog által kiváltott BDNF jelátviteli útvonalak változásai az agyi jutalom régiókban

A neurotropin szignál kaszkádokban levő számos fehérjéről kimutatták, hogy az opiátok és stimulánsok szabályozják a mezolimbikus dopamin rendszerben; ezek magukban foglalják az IRS – PI3K – Akt, a PLCγ, a Ras – ERK és az NFκB jelátvitelre gyakorolt ​​gyógyszerhatásokat (ábra 3). A stimulánsok drámai módon növelik az ERK foszforilációját számos agyi régióban, beleértve a NAc-t, a VTA-t és a PFC-t, az akut vagy krónikus gyógyszerbeadás után (Jenab és munkatársai, 2005; Shi és McGinty, 2006, 2007; Sun és munkatársai, 2007; Valjent és munkatársai, 2004; Valjent és munkatársai, 2005). Ezek a megállapítások összhangban állnak a stimulánsok által kiváltott neuronális elágazódások és a gerincszám növekedésével, figyelembe véve a Ras – ERK bizonyított szerepét a neurit-kinövésben. Az opiátok ERK jelátvitelre gyakorolt ​​hatása kevésbé egyértelmű. Nemrég arról számoltak be, hogy az ERK foszforilációja csökkent a NAc-ban (Muller és Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon és munkatársai, 2004) és a VTA (nem publikált megfigyelések) krónikus morfin után, ez a hatás összhangban áll a morfinfüggő állatok ezen régiókban tapasztalt csökkent neurit-elágazódásával. A csoportunk és mások korábbi munkája szerint azonban fokozott ERK-aktivitás, ideértve a fokozott ERK-foszforilációt és a katalitikus aktivitást a VTA-ban krónikus morfin után (Berhow és munkatársai, 1996b; Liu és munkatársai, 2007; Ortiz és munkatársai, 1995). További vizsgálatokra van szükség az eltérő eredmények magyarázatának meghatározásához. Fontos továbbá, hogy a fehérjeaktivitás mérésére többféle megközelítést alkalmazzunk, hogy a biokémiai események korrelálódjanak a morfológiai és viselkedési végpontokkal. Például az ERK gátlása a VTA dopamin neuronokban nem befolyásolja a sejtek méretét (Russo és munkatársai, 2007), így a jövőbeli vizsgálatokra szükség van az ERK-aktivitás gyógyszer-indukált változásainak funkcionális relevanciájának vizsgálatára ezen és más agyi területeken, mivel ezek függőségi fenotípusokkal kapcsolatosak.

 

ábra 3

Adapciók a BDNF jelátviteli kaszkádokban opiátok és stimulánsok által indukált szerkezeti plaszticitáshoz kapcsolódóan a VTA-NAc körben

Számos közelmúltbeli jelentés kimutatta, hogy az IRS – PI3K – Akt jelátvitelt befolyásolják a visszaélés elleni gyógyszerek (Brami-Cherrier és munkatársai, 2002; McGinty és munkatársai, 2008; Muller és Unterwald, 2004; Russo és munkatársai, 2007; Shi és McGinty, 2007; Wei és munkatársai, 2007; Williams és munkatársai, 2007). A krónikus ópiát-beadás csökkenti az Akt-foszforilációt mind a NAc, mind a VTA (Muller és Unterwald, 2004; Russo és munkatársai, 2007). Ezek a biokémiai változások a csökkent neuronális elágazásoknak és a dendritikus gerinc sűrűségnek, vagy a VTA dopamin neuronok esetében a csökkent sejttest méretnek felelnek meg (Diana és munkatársai, 2006; Robinson és munkatársai, 2002; Robinson és Kolb, 1999b; Russo és munkatársai, 2007; Spiga és munkatársai, 2005; Spiga és munkatársai, 2003)

Az stimulánsoknak az IRS – PI3K – Akt jelátvitelre gyakorolt ​​hatása ezekben a régiókban kevésbé egyértelmű. Például a krónikus kokain növeli a PI3K aktivitást a NAc héjában és csökkenti annak aktivitását a NAc magjában (Zhang és munkatársai, 2006). Ezek az adatok összhangban állnak egy korábbi jelentéssel, amely azt mutatja, hogy a krónikus kokain szelektíven növelte a BDNF mRNS szintet a NAc héjában, és csökkentette a TrKB receptor mRNS-t az NAc magban (Filip és munkatársai, 2006). Így a héj és a mag különbségei a PI3K aktivitásban a BDNF és a TrKB eltérő, upstream regulációjával magyarázhatók kokainnal. Érdekes módon, amikor a striatum szélesebb körű boncolását alkalmazzák (beleértve a NAc-t és a CPu-t), kimutatták, hogy az amfetamin csökkenti az Akt-aktivitást a szinaptoszóma készítményekben (Wei és munkatársai, 2007; Williams és munkatársai, 2007), és megfigyeltük a krónikus kokain hasonló hatásait a NAc-ban, anélkül hogy megkülönböztettük volna a magot és a héjat (Pulipparacharuvil és munkatársai, 2008). Ezeket a vizsgálatokat emellett bonyolítja az Akt jelátviteli változások tanulmányozására alkalmazott időtáv, mivel McGinty és munkatársai legutóbbi munkája szerint a krónikus amfetamin átmeneti és atom-specifikus változást okoz az Akt foszforilációjában a striatumban (McGinty és munkatársai, 2008). Az amfetamin beadása utáni korai időpontokban az Akt foszforilációja mag-specifikusan növekszik, azonban két óra elteltével az Akt foszforiláció csökken, ami arra utal, hogy egy kompenzációs mechanizmusról lehet kikapcsolni ezt az aktivitást. A stimulánsok és az Akt jelzés közötti dinamikus kapcsolat megértése fontos annak meghatározásához, hogy ez a jelző út vezet-e az stimulánsok által kiváltott szerkezeti plaszticitást a NAc-ben, amint az az opiátok esetében a VTA-ban van (lásd 6 fejezet).

A kábítószerrel való visszaélés PLCγ és NFκB jelátviteli útjainak változásait nem vizsgálták olyan jól, mint az ERK és az Akt; a legfrissebb munkák azonban azt mutatják, hogy mindkét utat a visszaélés elleni gyógyszerek szabályozzák. A morfin krónikus adagolása növeli a PLCγ fehérje teljes szintjét, valamint az aktivált tirozin-foszforilezett forma szintjét (Wolf és munkatársai, 2007; Wolf és munkatársai, 1999). Ezenkívül azt találták, hogy a VTA vírus-mediált túlzott expressziója fokozza az ERK aktivitást ezen agyi régióban (Wolf és munkatársai, 2007), utánozva ezzel az ERK-aktivitás hasonló növekedését a korábbi vizsgálatokban a krónikus morfin után (Berhow és munkatársai, 1996b). A PLCγ túlzott expressziója a VTA-ban az opiátok jutalmát és az ahhoz kapcsolódó érzelmi viselkedést is szabályozza, különös hatásokkal jár a rostral és a caudalis VTA (Bolanos és munkatársai, 2003). Hasonlóképpen, Graham és munkatársai (Graham és munkatársai, 2007) megfigyelték a PLCγ fokozott foszforilációját a NAc-ban akut, krónikus test és krónikus önbeadott kokain után, ami a BDNF-től függ.

Egy csoportunk korábbi tanulmánya kimutatta, hogy a krónikus kokain-beadás eredményeként a p105, p65 és IκB NFκB alegységei megnövekednek a NAc-ben (Ang és munkatársai, 2001). Ez összhangban áll a Cadet és munkatársai (Asanuma és Cadet, 1998), akik bebizonyították, hogy a metamfetamin NFκB kötő aktivitást indukál a striatális régiókban. Tekintettel arra, hogy a gyógyszer-szabályozott NFkB fehérjék egy része aktiválja az NFκB jelátvitelt, míg mások gátolják, ezekből az eredeti vizsgálatokból nem volt világos, hogy a megfigyelt fehérjeváltozások tükrözik-e az NFκB jelátvitel általános növekedését vagy csökkenését. Az utóbbi időben ezt a kérdést úgy oldottuk meg, hogy bebizonyítottuk, hogy a krónikus kokain beadása növeli az NFκB transzkripciós aktivitását a NAc-ban, az NFκB-LacZ transzgenikus riporter egerek eredményei alapján (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). A legfrissebb bizonyítékok közvetlenül befolyásolták az NFκB jelátvitel indukálását a NAc-ban a kokain szerkezeti és viselkedési hatásaiban (lásd az 6 fejezetet). Ezek a korai eredmények érdekes és további kutatást indokolnak, ideértve az opiátoknak az NFKB jelátvitelre gyakorolt ​​hatását az agyi jutalom régiókban.

5. A gyógyszer által kiváltott szerkezeti plaszticitás az agyi jutalom régiókban

Az agy jutalmazási rendszere úgy alakult ki, hogy az erőforrásokat a természetes jutalom elérésére irányítsa, ám ezt a rendszert megrongálhatják vagy eltéríthetik a visszaélés elleni gyógyszerek. Ezen a körön belül a szerkezeti plaszticitást általában a megváltozott dendritelágazás vagy arborizáció jellemzi, valamint a dendritikus tüskék sűrűségének vagy morfometriájának megváltozása. Bár a tapasztalatfüggő morfológiai változások közvetlen viselkedésbeli relevanciáját még vizsgálják, úgy gondolják, hogy a szinaptikus funkciót nem csak az egyes gerincfejek száma, hanem mérete és alakja is meghatározza. A tüskék kialakulásakor vékony, éretlen struktúrákat küldnek ki, amelyek magukban állnak, multisynaptic, filopodial vagy elágazó formájúak (áttekintésért lásd: (Bourne és Harris, 2007; Tada és Sheng, 2006). A felnőtt agyban alapvető körülmények között a becslések szerint a tüskék legalább 10% -ának van ilyen éretlen alakja, ami arra utal, hogy a plaszticitás az egész élet során folyamatos folyamat (Fiala és munkatársai, 2002; Harris, 1999; Harris és munkatársai, 1992; Peters és Kaiserman-Abramof, 1970). Ezek a struktúrák átmeneti jellegűek és a stimulációtól számított néhány órán belül kialakulhatnak, és in vivo néhány napig fennállnak (Holtmaat és munkatársai, 2005; Majewska és munkatársai, 2006; Zuo és munkatársai, 2005).

Úgy gondolják, hogy egy átmeneti, éretlen gerinc stabilizálódása egy állandóbb, funkcionálisabb gerincbe egy aktivitástól függő mechanizmuson keresztül történik (áttekintésért lásd: (Tada és Sheng, 2006). A hosszú távú depressziót (LTD) indukáló stimulációs protokollok összekapcsolódnak a gerinc összehúzódásával vagy visszahúzódásával a hippokampusz és a kortikális piramis idegsejteken (Nagerl és munkatársai, 2004; Okamoto és munkatársai, 2004; Zhou és munkatársai, 2004), mivel a hosszú távú potencifikáció (LTP) indukciója új tüskék kialakulásához és a meglévő tüskék kibővítéséhez kapcsolódik (Matsuzaki és munkatársai, 2004; Nagerl és munkatársai, 2004; Okamoto és munkatársai, 2004). Molekuláris szinten úgy gondolják, hogy az LTP és az LTD megváltoztatja a jelátviteli útvonalakat, valamint a fehérjék szintézisét és lokalizációját, amelyek végül megváltoztatják az aktin polimerizációját, hogy befolyásolják a gerinc érését és stabilitását, végül pedig funkcionális gerincét (LTP) hozzák létre. meglévő gerinc (LTD) visszahúzódása (áttekintésre lásd: (Bourne és Harris, 2007; Tada és Sheng, 2006). A stabilizálás után a tüskék gomba alakúvá válnak, nagyobb postsynaptic sűrűséggel rendelkeznek (Harris és munkatársai, 1992), és bizonyították, hogy hónapokig is fennállnak (Holtmaat és munkatársai, 2005; Zuo és munkatársai, 2005). Ezek a változások egy rendkívül stabil celluláris eseményt tükröznek, amely valószínű magyarázat lehet a kábítószer-függőséggel kapcsolatos hosszú távú viselkedésbeli változások legalább egy részére.

A függőséget okozó anyagok legtöbb osztálya, ha krónikusan adják be, megváltoztatja a szerkezeti plaszticitást az agy jutalmazási áramkörében. Ezeknek a tanulmányoknak a többsége korrelációs és a specifikus agyi régiók szerkezeti változásait a függőségre utaló viselkedési fenotípussal társítja. Az elmúlt évtizedben Robinson és munkatársai megmutatták az utat annak megértésében, hogy a bántalmazó szerek hogyan szabályozzák a szerkezeti plaszticitást (áttekintésért lásd: (Robinson és Kolb, 2004). Az eredeti megfigyelések óta más kábítószer-visszaélésekkel foglalkozó kutatók hozzáadják ezt a növekvő irodalmat, hogy felfedezzék a gyógyszercsoport-specifikus hatásokat az idegrendszer morfológiájára. Amint az a Táblázat 1 és a ábra 3, az opiátok és stimulánsok eltérő módon befolyásolják a szerkezeti plaszticitást. Kimutatták, hogy az opiátok csökkentik a dendritikus tüskék számát és összetettségét NAc MSN-ek és mPFC és hippocampus piramis idegsejteken, és csökkentik a VTA dopaminerg neuronok általános sóméretet, és nem mutatnak hatást a nem-dopaminerg neuronokra ezen agyi régióban (Nestler, 1992; Robinson és Kolb, 2004; Russo és munkatársai, 2007; Sklair-Tavron és munkatársai, 1996). A mai napig egyetlen kivétel van ezekre a megállapításokra, amikor arról számoltak be, hogy a morfin növeli a gerincszámot az orbitofrontalis corticalis neuronokon (Robinson és munkatársai, 2002). Az opiátokkal ellentétben olyan stimulánsokról, mint az amfetamin és a kokain, kimutatták, hogy következetesen növelik a dendritikus gerincokat és a komplexitást a NAc MSN-ekben, a VTA dopaminerg idegsejtekben és a PFC piramis idegsejtekben, és nem számoltak be a strukturális plaszticitás csökkenéséről (Lee és munkatársai, 2006; Norrholm és munkatársai, 2003; Robinson és munkatársai, 2001; Robinson és Kolb, 1997, 1999a; Sarti és munkatársai, 2007).

Noha a neurotróf faktor jelátvitel utáni molekuláris mechanizmusok, amelyek ezen változások alapját képezik, nem jól érthetők, ezeknek a szerkezeti változásoknak számos olyan fehérje szintjének vagy aktivitásának megváltozása kíséri, amelyről ismert, hogy a neuronális citoszkeletont szabályozza. Ide tartoznak, de nem korlátozódnak ezekre, a gyógyszer-indukált változások a mikrotubulushoz kapcsolódó 2 fehérjében (MAP2), neurofil fehérjékben, aktivitással szabályozott citoszkeletális asszociált fehérjében (Arc), LIM-kinázban (LIMK), a myocyta-fokozó faktorban 2 (MEF2). , ciklin-függő kináz s5 (Cdk5), posztszinaptikus sűrűség 95 (PSD95) és kofilin, valamint az aktin-ciklus változásai az NAc vagy más agyi jutalom régiókban (Beitner-Johnson és munkatársai, 1992; Bibb és munkatársai, 2001; Chase és munkatársai, 2007; Marie-Claire és munkatársai, 2004; Pulipparacharuvil és munkatársai, 2008; Toda és munkatársai, 2006; Yao és munkatársai, 2004; Ziolkowska és munkatársai, 2005). Mivel az stimulánsok és a morfin által kiváltott biokémiai változások sokasága hasonló, fontos a különféle opiát- és stimulánsszabályozott géncélok azonosítása a dendritikus funkcióval kapcsolatban, mivel ezek betekintést nyújthatnak az opiátok és stimulánsok által az idegrendszeri káros hatásokra. tényezőtől függő szerkezeti plaszticitás.

Az agyi jutalomrégiókban az opiátok és stimulánsok által kiváltott ellentétes morfológiai változások paradoxnak tekinthetők, mivel a két gyógyszer nagyon hasonló viselkedési fenotípusokat okoz. Például az opiátok és stimulánsok speciális kezelési rendjei, amelyek mindkettő mozgásszervi szenzibilizációt eredményeznek, és a gyógyszer önbeadásának hasonló mértékű eszkalációját eredményezik, ellentétes változásokat okoznak a NAc dendritikus gerinc-sűrűségében (Robinson és Kolb, 2004). Tehát, ha ezek a morfológiai változások a függőség fontos mediátorai, akkor vagy kétirányú tulajdonságokkal kell rendelkezniük, vagyis ha mindkét irányba történő változás az alapvonalhoz képest ugyanazt a viselkedési fenotípust eredményezi, vagy közvetítő viselkedésbeli vagy más fenotípusokat közvetítenek, amelyeket nem rögzítenek az alkalmazott kísérleti eszközökkel . Ezen túlmenően ezeket az eredményeket figyelembe kell venni a kérdéses gyógyszeradagolási paradigma összefüggésében. Kísérleteinkben például az állatok nagy dózisban kapnak szubkután morfint, amelyet folyamatosan szabadítanak fel a pelletimplantátumokból, ez az paradigma jobban megfelel az ópiáttoleranciának és -függőségnek. Ezzel szemben a legtöbb stimuláns paradigma a gyógyszer napi egyszeri vagy többszöri befecskendezését használja fel, lehetővé téve a vér szintjének csúcspontját, és a következő adagolás előtt visszatérhet az alapértékre, a gyógyszerérzékenységgel összhangban álló paradigmák. Az emberben az opiát- és stimulánsszer-felhasználás mintázata személyenként nagyon eltérő lehet. Ezért a jövőbeli tanulmányoknak az agyi jutalom régiókban a drogok által kiváltott morfológiai változások viselkedésbeli relevanciájával kell foglalkozniuk olyan dózis- és gyógyszeradagolási paradigmák összefüggésében, amelyek tükrözik az emberekben tapasztalt expozíciókat.

6. A BDNF és jelző kaszkádok szerepe a gyógyszer által kiváltott szerkezeti és viselkedési plaszticitásban

A növekedési faktor jelátvitelében bekövetkező változások feltételezése szerint a fő tényező befolyásolja a kábítószer-függőséggel kapcsolatos strukturális és viselkedési plaszticitást. Az emberi tanulmányok korlátozottak. Kábítószer-indukált szérum BDNF változásokat figyeltek meg kokain-, amfetamin-, alkohol- vagy opiátfüggő emberekben (Angelucci és munkatársai, 2007; Janak és munkatársai, 2006; Kim és munkatársai, 2005), mégis ennek a BDNF-nek a forrása, és ezeknek a változásoknak a függőség kialakulására és fenntartására való relevanciája továbbra sem világos. A jövőbeli tanulmányokban érdekes lenne megvizsgálni a BDNF-et és annak jelátviteli útvonalait az emberi postmortem agyszövetben.

Az elmúlt évtizedben a rágcsálókkal végzett munka megállapította a BDNF hatását a függőség különböző fázisaira. A korai tanulmányok kimutatták, hogy a BDNF helyi infúziója a VTA-ba vagy a NAc-be fokozza a mozgásérzékelést és a kokainra adott pozitív választ, míg a BDNF globális vesztesége ellentétes hatást fejt ki (Hall és munkatársai, 2003; Horger és munkatársai, 1999; Lu és munkatársai, 2004). A legfrissebb munkák azt mutatták, hogy a kokain önigazgatása növeli a BDNF jelátvitelt a NAc-ban (Graham és munkatársai, 2007). Ezenkívül a BDNF NAc-n belüli infúziója fokozza a kokain önbeadását, a kokain keresését és visszaesését, míg a BDNF elleni antitestek infúziója vagy a BDNF A NAc génje (a Cre-rekombináz vírus expressziójával érhető el floxed BDNF egerekben) gátolja ezeket a viselkedéseket. Ezen tanulmányok alapján Graham és munkatársai (2007) arra a következtetésre jutott, hogy a BDNF felszabadulása a NAc-ban a kokain önbeadásának megkezdésekor a függőségi folyamat szükséges eleme.

Ezek az adatok alátámasztják azt a nézetet, hogy a BDNF egy jelölt molekula, amely közvetíti a NAc idegsejtek szerkezeti változásait, amelyeket a kokain vagy más stimulánsok krónikus expozíciója okoz. E hipotézis szerint a stimulánsok által kiváltott BDNF jelátvitel növekedése az NAc-ben megnöveli a NAc neuronok dendritikus elrendeződését, ami a stimulánsokkal szembeni szenzibilizált viselkedési válaszok, valamint a visszaesés és a függőség szempontjából kulcsfontosságú erős gyógyszerrel kapcsolatos emlékek alapját képezi. E hipotézissel összhangban állnak a tenyésztett hippokampusz neuronok eredményei, ahol kimutatták, hogy a BDNF szekréció az egyes dendritikus tüskék proteinszintézis-függő megnövekedését indukálja (Tanaka és munkatársai, 2008b). Ennek a hipotézisnek az a gyengesége, hogy nincs közvetlen kísérleti bizonyíték arra, hogy a NAc idegsejtek dendritikus gerincének önmagában történő fokozása szükséges vagy elegendő az érzékenyített gyógyszerválaszokhoz. Valójában vannak olyan adatok, amelyek a két jelenség összetettebb kapcsolatát sugallják: a Cdk5 gátlása a NAc-ban blokkolja a kokain azon képességét, hogy növelje a NAc idegsejtek dendritikus gerincét, annak ellenére, hogy az ilyen gátlás fokozza a lokomotoros és jutalmazó válaszokat a kokainra (Norrholm és munkatársai, 2003; Taylor és munkatársai, 2007). Nyilvánvaló, hogy további munkára van szükség a szerkezeti és a magatartási plaszticitás kapcsolatának vizsgálatához.

Ennek a hipotézisnek egy másik fontos oka, hogy a BDNF jelátvitel változásai a vizsgált agyi régiótól függően alapvetően eltérő hatást gyakorolhatnak az idegsejtek morfológiájára és viselkedésére. A legújabb jelentések egyértelműen különbséget tettek a hippokampusz BDNF funkciója és a VTA (Berton és munkatársai, 2006; Eisch és munkatársai, 2003; Krishnan és munkatársai, 2007; Shirayama és munkatársai, 2002): A BDNF infúziók a hippokampuszban antidepresszáns-szerűek, míg a BDNF-infúziók a VTA-ban vagy a NAc-ben prodepresszáns-szerû hatást fejtenek ki. Hasonló minták jelennek meg a függőség területén. Nevezetesen, a NAc-ban megnövekedett BDNF fokozza a kokain által kiváltott viselkedést (Graham és munkatársai, 2007; Horger és munkatársai, 1999), mivel a PFC-ben a BDNF elnyomja ezeket a magatartásokat (Berglind és munkatársai, 2007). Nem meglepő, hogy a BDNF kokain indukciója e két agyrégióban szintén differenciáltan szabályozott, ez a minta tovább igazolja a viselkedésbeli különbségeket (Fumagalli és munkatársai, 2007).

Az előzetes bizonyítékok befolyásolták az NFκB jelátvitelt a kokain által kiváltott szerkezeti és viselkedési plaszticitás szabályozásában. Noha a közvetlen mechanizmus, amellyel ezek a változások bekövetkeznek, ismeretlen, a korábbi munkák kimutatták, hogy a p75NTR, amely az NFκB-től felfelé helyezkedik el, a szinapszisban lokalizálódik, és hogy a LTD számára szükséges a BDNF által történő p75NTR aktiváció. Noha a BDNF-TrkB kölcsönhatásokat széles körben tanulmányozták a kábítószerrel való visszaélés terén, ezek az adatok arra utalnak, hogy az NFκB-n keresztül alternatív út vezethet be, amely további vizsgálatot indokol. Ezzel a hipotézissel összhangban nemrégiben megfigyeltük, hogy az NFκB út domináns negatív antagonistájának vírusközvetített túlzott expressziója a NAc-ban megakadályozza a krónikus kokain azon képességét, hogy növelje a dendritikus tüskék sűrűségét NAc MSN-eken. Az NFKB jelátvitel ilyen gátlása a kokain jutalmazó hatásainak szenzibilizációját is elrontja (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Ezek az adatok - a fent hivatkozott Cdk5 helyzettel ellentétben - alátámasztják a kapcsolatot a megnövekedett dendritikus arborizáció és a kokain viselkedésbeli szenzibilizálása között, hangsúlyozva ezen jelenségek összetettségét és a további vizsgálatok szükségességét.

Bár korlátozott mennyiségű munka foglalkozott a neurotróf faktor jelátvitel fontosságával az opiát-indukált viselkedésben, laboratóriumi munkánk során feltárták a BDNF és az downstream IRS2-PI3K-Akt út szerepét a VTA dopaminerg sejtméretének és az azt követő jutalomtűrés szabályozásában (Russo és munkatársai, 2007; Sklair-Tavron és munkatársai, 1996). Konkrétan, a rágcsálók krónikus opiát-beadása a jutalomtűrés és a fizikai függőség állapotát eredményezi a viszonylag korai elvonási periódusokban, amelyről azt gondolják, hogy hozzájárul a kábítószer-szedő viselkedés fokozódásához. A korai kísérletek azt mutatták, hogy a BDNF VTA-n belüli infúziója megakadályozza a VTA neuron méretének morfin által kiváltott csökkenését (Sklair-Tavron és munkatársai, 1996). A közelmúltban bebizonyítottuk, hogy a jutalomtűrés ütemterve, a kondicionált helypreferencia alapján mérve, párhuzamos a csökkentett dopaminerg sejtméret idővonalával, és hogy ezeket a jelenségeket a BDNF jelátviteli kaszkádok közvetítik (Russo és munkatársai, 2007). Mint korábban említettük, a VTA biokémiai jelátviteli útvonalait, amelyek a BDNF-től és a TrKB-receptortól lefelé mutatnak, a krónikus morfin különbözõen szabályozza: a morfin aktiválja a PLCy-t (Wolf és munkatársai, 2007; Wolf és munkatársai, 1999), csökkenti az IRS – PI3K – Akt út aktivitását (Russo és munkatársai, 2007; Wolf és munkatársai, 1999), és változó hatást gyakorol az ERK-ra (lásd fent). A közelmúltbeli bizonyítékok fényében, hogy az Akt számos sejttípus méretét szabályozza a központi idegrendszerben (Backman és munkatársai, 2001; Kwon és munkatársai, 2006; Kwon és munkatársai, 2001; Scheidenhelm és munkatársai, 2005) virális génátviteli technikákat alkalmaztunk annak közvetlen bemutatására, hogy a morfin az IRS2 – PI3K – Akt út gátlásának és a VTA dopamin neuronok kisebb méretének gátlása révén jutalomtoleranciát hoz létre. Ezeket a hatásokat az ERK vagy a PLCγ jelátvitel megváltoztatásával nem figyelték meg, ismét rámutatva az IRS – PI3K – Akt jelzés jelentőségére e jelenség szempontjából. A jövőbeni tanulmányok a BDNF és az IRS – PI3K – Akt útvonalak relevanciájával foglalkoznak az opiát önadomány fokozódásával, amely klinikailag relevánsabb paradigma a függőség mérésére. Az idegrendszeri tényezők vagy receptoraik upstream változásainak és az Akt downstream célkitűzéseinek jobb megértése foglalkozik az opiát-jutalom tolerancia speciális mechanizmusaival a függőségi modellekben. Fontos továbbá, hogy megértsük a BDNF jelzés szerepét a VTA funkció szabályozásában egy idegi áramkörben. E tekintetben érdekes megjegyezni Pu et al. (2006) kimutatták, hogy az ismételt kokain-expozíciótól való kilábalás után a VTA dopamin idegsejtjeire stimuláló szinapszisok jobban reagálnak a gyenge presynapticus stimulusok általi erősítésre, ami endogén BDNF-TrkB jelátvitelt igényel.

7. Egyéb neurotróf tényezők szerepe a gyógyszer által kiváltott szerkezeti és viselkedési plaszticitásban

Noha a fenti megbeszélés a BDNF-re és annak jelátviteli kaszkáira fókuszál, bizonyítékok vannak arra, hogy számos más neurotróf tényező és azok downstream jelzési útvonalai befolyásolják a visszaélés elleni gyógyszerek viselkedési vagy biokémiai reakcióit is. Az NT3-ről, mint a BDNF-ről, kimutatták, hogy elősegíti a kokainra érzékenyített reakciókat a VTA szintjén (Pierce és Bari, 2001; Pierce és munkatársai, 1999). A morfin vagy a kokain krónikus adagolása szabályozza a gliasejtből származó neurotrofikus faktor (GDNF) jelátvitelt a VTA-NAc áramkörben, amely viszont táplálkozik és elnyomja ezen visszaélés gyógyszereinek viselkedési hatásait (Messer és munkatársai, 2000). Az amfetamin alapvető fibroblast növekedési faktorot (bFGF) indukál a VTA-NAc áramkörben, és a bFGF knockout egerek tompa választ adnak az ismételt amfetamin injekciók által kiváltott mozgásszervi szenzibilizációra (Flores és munkatársai, 2000; Flores és Stewart, 2000). A citokin, ciliáris neurotróf faktor (CNTF), amelyet közvetlenül a VTA-ba adnak be, javítja a kokain azon képességét, hogy biokémiai alkalmazkodást indukáljon ezen agyi régióban; a kokain növeli az intracelluláris jelátviteli kaszkádot a Janus kináz (JAK) és a jelátvivők és transzkripció aktivátorok (STAT) révén, ezt a hatást fokozta a CNTF akut infúziója (Berhow és munkatársai, 1996a). Bizonyítékok vannak arra is, hogy a krónikus morfin megváltoztatja az inzulinszerű 1 (IGF1) növekedési faktor szintjét a VTA-ban és más agyi régiókban (Beitner-Johnson és munkatársai, 1992). Ezek az izolált eredmények arra utalnak, hogy a VTA-NAc funkcióját sokféle neurotróf mechanizmus szabályozza, hogy komplex módon szabályozza a visszaélés elleni drogok plaszticitását, és kiemeli, hogy ezen a téren sok jövőbeli kutatásra van szükség.

8. Következtetések

Az elmúlt évtizedben kibővítettük annak megértését, hogy a visszaélés-elhárító szerek hogyan szabályozzák az idegrendszeri jelátviteli útvonalakat és a különféle idegpopulációk morfológiáját az agy jutalmazási körében. A vírusgén-transzfer legújabb fejlesztései lehetővé teszik a specifikus, downstream neurotróf jelátviteli fehérjék manipulálását egy teljesen kifejlett felnőtt állatok egy adott agyterületén belül a droghasználat, az idegi morfológia és a viselkedési plaszticitás összefüggéseinek tanulmányozása céljából. Új bicistronic vírusvektorokkal olyan neurotróf jelátviteli utakon manipuláló fehérjét és fluoreszcens fehérjét expresszálhatunk, amely a neuronális morfológiát megjeleníti (Clark és munkatársai, 2002). Így a továbbfejlesztett immunhisztokémiai technikákkal a specifikus neuronpopulációk jelölésére lehetővé válik a gyógyszer által kiváltott morfológiai változások és a kapcsolódó biokémiai alkalmazkodás felmérése a neurotróf jelátvitelben sejttípus-specifikus módon, és ezért kritikus információt nyújt a heterogén agy gyógyszer-indukált szabályozásához. jutalmazza a régiókat. A magatartási, élettani, biokémiai és morfológiai végpontokkal rendelkező multidiszciplináris megközelítésekkel egyre inkább lehetővé válik a függőség mechanizmusainak sokkal pontosabb meghatározása, ideértve a neurotrofikus faktor jelzés pontos szerepét a tapasztalatfüggő plaszticitásban és a függőségi folyamatban. Ez az ismeret új orvosi beavatkozások kifejlesztéséhez vezethet az agyi jutalom régiókban a visszaélés elleni gyógyszerek által kiváltott rosszindulatú plaszticitás normalizálásához és ezáltal az addiktív folyamatok megfordításához az emberekben.

Lábjegyzetek

Referenciák