Neirotrofiskie faktori un strukturālā plastiskums atkarībā (2009)

• Neirofarmakoloģija. 2009; 56 (Suppl 1): 73 – 82.
• Publicēts tiešsaistē 2008 Jul 4. doi:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

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

Autora informācija ► Autortiesību un licences informācija ►

Iet uz:

Anotācija

1. Ievads

Narkotiku atkarības būtiska iezīme ir tā, ka indivīds turpina lietot narkotikas, neraugoties uz nopietnu nelabvēlīgu fizisku vai psihosociālu seku draudiem. Lai gan nav droši zināms, kas vada šos uzvedības modeļus, ir pieņemts, ka ir svarīgas ilgtermiņa izmaiņas, kas rodas smadzeņu atalgojuma shēmā (Skaitlis 1). Konkrēti, domājams, ka adaptācijas ventrālās tegmentālās zonas (VTA) dopamīnerģiskajos neironos un to mērķa neironos kodola accumbens (NAc) ietekmē indivīda reakciju uz zāļu un dabisko atlīdzību, kā rezultātā tiek panākta zāļu tolerance, atalgojuma disfunkcija, eskalācija narkotiku lietošana un galu galā lieki lietot (Everitt et al., 2001; Kalivas un O'Brien, 2008; Koob un Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinsons un Kolb, 2004).

 

Skaitlis 1

Galvenie šūnu tipi, kas ir atkarīgi no neironu shēmas

Pēdējos gados ir bijis liels darbs, lai noteiktu šūnu un molekulārās izmaiņas, kas rodas pārejot no sākotnējās zāļu lietošanas uz kompulsīvo devu. Daudzu veidu narkotiku izraisītu adaptāciju dēļ ir ierosināts, ka izmaiņas smadzeņu radītā neirotrofiskā faktora (BDNF) vai ar to saistīto neirotrofīnu un to signalizācijas ceļos maina neironu funkciju VTA-NAc ķēdē un citus atlīdzības reģionus, lai modulētu motivācija lietot narkotikas (Bolanos un Nestler, 2004; Pierce un Bari, 2001). Šīs hipotēzes rezultāts ir tāds, ka šādas augšanas faktora izraisītas šūnu un molekulārās adaptācijas atspoguļojas ar atalgojumu saistīto neironu morfoloģiskajās pārmaiņās. Piemēram, hroniska stimulantu lietošana palielina dendritu sazarošanu un dendritisko muguriņu skaitu un dinamiski palielina BDNF līmeni vairākos smadzeņu atalgojuma reģionos, turpretim hroniska opiātu administrācija samazina dendritisko zarošanu un muguriņas, kā arī BDNF līmeni dažos no tiem pašiem reģioniem ( pārskatīšana skatiet (Robinsons un Kolb, 2004; Thomas et al., 2008). Turklāt hronisks morfīns samazina VTA dopamīna neironu lielumu, un to ietekmē BDNF (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Tomēr joprojām trūkst tiešu cēloņsakarību, ka šīs strukturālās pārmaiņas rada atkarību.

Priekšlikums, ka BDNF var būt saistīts ar VTA-NAc shēmas strukturālo plastiskumu atkarības modeļos, atbilst plašai literatūrai, kas ir saistīta ar šo augšanas faktoru dendritisko muguriņu regulēšanā. Piemēram, pētījumi, kuros izmanto BDNF vai TrkB receptoru nosacītus dzēšanu, liecina, ka tie ir nepieciešami dendritisko muguriņu proliferācijai un nogatavināšanai jaunattīstības neironos, kā arī muguriņu uzturēšanai un izplatīšanai neironiem visā pieaugušo smadzenēs (Chakravarthy et al., 2006; Danzer et al., 2008; Horch et al., 1999; Tanaka et al., 2008a; von Bohlen Und Halbach et al., 2007).

Lai gan precīzs molekulārais mehānisms, ar kura palīdzību BDNF mediē smadzeņu atalgojuma shēmas strukturālo plastiskumu, joprojām nav zināms, jaunākie pētījumi liecina, ka specifiski ceļi lejup pa BDNF tiek modulēti ar ļaunprātīgas lietošanas narkotikām un ka šie neirotrofiskie faktori atkarīgie signālu maiņas korelē ar morfoloģisko un uzvedības galu - punkti narkomānijas dzīvnieku modeļos. Šajā pārskatā mēs apspriežam jaunus sasniegumus mūsu izpratnē par to, kā opiāti un stimulanti regulē neirotrofiskos faktorus, kā arī šo seku šūnu un uzvedības sekas. Mēs ierosinām arī turpmākas izmeklēšanas jomas, lai risinātu paradoksāli pretējo ietekmi, ko stimulanti un opiāti ietekmē neironu morfoloģiju un noteiktus uzvedības fenotipus, kas atbilst atkarībai.

2. Neirotropīna signalizācijas ceļi

Neironu zinātnes pētījumu ilgstošs mērķis ir atklāt atklāšanas signālu ceļus, kas veicina neironu attīstību un izdzīvošanu. Tomēr neirotrofiskā faktora signalizācija pieaugušo centrālajā nervu sistēmā (CNS) pēdējo desmit gadu laikā ir kļuvusi par nozīmīgu interešu jomu, jo ir pierādīts, ka neirotrofā signāli modulē neirālo plastiskumu un uzvedību visā organisma dzīvē (skat.Chao, 2003)). Pirmais identificētais neirotrofiskais faktors, nervu augšanas faktors (NGF) tika izolēts 1954 (Cohen et al., 1954); gēna klonēšana pati par sevi nenotika līdz 1983 (Scott et al., 1983). Šo atklājumu cieši sekoja papildu NGF līdzīgu augšanas faktoru attīrīšana un identificēšana, kas definēja neirotropīna ģimeni: BDNF (Barde et al., 1982; Leibrock et al., 1989), neirotropīns-3 (NT3) (Hohn et al., 1990; Maisonpierre et al., 1990) un neirotropīns-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier et al., 1991). Neirotropīna ģimenes locekļi ir paralogi un tiem ir ievērojama homoloģija (Hallbook et al., 2006); visi ir polipeptīdi, kas homodimerizējas un atrodami gan nenobriedušos, gan nobriedušos veidos CNS. Lai gan jau sen ir domāts, ka šķeltais ~ 13 kDa nobriedis forma bija aktīvā signalizācijas molekula, nesenie pētījumi liecina, ka neirotrofīnu (nenobriedušo) formas, kas saglabā savu N-galu, ir konstatējamas smadzenēs (Fahnestock et al., 2001) un mediē signalizācijas kaskādes, kas atšķiras no nobriedušiem peptīdiem. NGF darbība pieaugušo CNS lielākoties ir lokalizēta kolinergiskām šūnām bazālajā priekšā, savukārt citu neirotrofīnu izplatība ir daudz izplatītāka.

Neirotropīna signāla papildu specifiku rada neirotropīna receptoru diferenciāla ekspresija, ko var iedalīt divās kategorijās: ar tropomiozīnu saistītā kināzes (Trk) un p75 neirotropīna (p75NTR) receptoriem. Pirmo reizi p75NTR tika identificēts kā NGF receptoru (Johnson et al., 1986), bet faktiski saistās gan visu četru neirotrofīnu nenobriedušo, gan nobriedušo formu \ tLee et al., 2001; Rodriguez-Tebar et al., 1990; Rodriguez-Tebar et al., 1992). Pretstatā p75NTR, Trk receptoru ģimenei piemīt specifika tās ligandiem. TrkA receptoriem, galvenokārt, saistās ar NGF (\ tKaplan et al., 1991; Klein et al., 1991), TrkB receptoru saistās ar BDNF (\ tKlein et al., 1991) un NT4 / 5 (Berkemeier et al., 1991), un TrkC receptors saistās ar NT3 (Lamballe et al., 1991). Lai gan nobriedušiem neirotrofīniem ir lielāka afinitāte pret Trk receptoriem, salīdzinot ar propeptīdiem, gan nenobriedušās, gan nobriedušās formas var saistīt p75NTR ar augstu afinitāti. Turklāt ir pierādīts, ka p75NTR veido kompleksus ar Trk receptoriem, un šiem receptoru kompleksiem ir paaugstināta afinitāte pret attiecīgajiem Trk ligandiem, salīdzinot ar homodimēru Trk.

Trk receptori ir vienas transmembrānas aptverošas olbaltumvielas, kas sastāv no ekstracelulāra liganda saistoša domēna un intracelulāra reģiona, kas satur tirozīna kināzes domēnu. Līdzīgi kā citi receptoru tirozīna kināzes, Trk receptoriem homodimerizējas, reaģējot uz ligandu saistīšanos, kas ļauj trans-fosforilāciju aktivācijas kontūrā palielināt receptoru kināzes katalītisko aktivitāti. Trans-fosforilēšana pie tirozīna atlikumiem juxtamembrana domēnā un C-galā ģenerē SH2 (Src homoloģijas 2) tipa "linkera" proteīnu, piemēram, Src homoloģijas domēna saturošo proteīnu (Shc) un fosfolipāzes Cγ (PLCγ), piesaistes vietas. ). Shc saistīšanās sāk progresējošas signalizācijas kaskādes, kas galu galā noved pie mitogēna aktivētu proteīnu kināzes (MAPK) un fosfatidilinozitola 3'-kināzes (PI3K) aktivācijas. MAPK ceļa stimulēšana ietver ekstracelulāro signālu regulēto kināzes (ERK) aktivāciju, bet insulīna receptoru substrāta (IRS) saistīšanās izraisa PI3K piesaistīšanu un aktivāciju un pakārtoto kināžu, piemēram, timomas vīrusu protonkogēna (Akt) aktivāciju. , ko sauc arī par proteīnu kināzi B (PKB). PLCγ fosforilācija un aktivācija izraisa inozīta (1,4,5) trifosfāta veidošanos (IP₃) un diacilglicerīnu (DAG) un proteīnkināzes C (PKC) un šūnu Ca stimulāciju.²⁺ ceļiem. Šie trīs galvenie signalizācijas ceļi - PI3K, PLCγ un MAPK / ERK -, ko inducē Trk receptoru aktivācija, ir ilustrēti Skaitlis 2. Interesanti, ka ir pierādījumi par šo trīs kaskāžu diferenciālo aktivizēšanos atkarībā no neirotropīna, receptoru veida un signāla stipruma un ilguma (skatīt (Segal, 2003). Šo pakārtoto ceļu diferenciālā aktivizēšana, šķiet, ir īpaši svarīga narkotiku izraisītajām neironu morfoloģijas un uzvedības izmaiņām, kā tas būs sīkāk izklāstīts šīs pārskatīšanas turpmākajās sadaļās.

 

Skaitlis 2

Intracelulārie signālu ceļi lejup pa neurotrofīniem

Salīdzinot ar plašām zināšanām par Trk receptoru aktivācijas sekām, ir daudz mazāk zināms par p75NTR signalizācijas lomu neirotropīna funkcijā. Trk efektoru aktivizēšana parasti izraisa izdzīvošanas un diferenciācijas signālus, bet p75NTR aktivizēšana sāk gan pro-izdzīvošanas, gan pro-death signālu kaskādes. Izdzīvošanas signalizācija caur p75NTR prasa lejupējo kodolfaktoru kappa B (NFkB), kas, domājams, tiek aktivizēts netieši caur TNF (audzēja nekrozes faktora) receptoru saistītu faktoru 4 / 6 (TRAF4 / 6) vai receptoru mijiedarbīgu proteīnu 2 (RIP2) ( pārskatīšana skatiet (Chao, 2003)). Kaut arī neirotropīna signalizācija ļauj sarežģītam signālu daudzumam, kas ir atkarīgs no neirotrofīnu un receptoru ekspresijas modeļa un neirotropīna peptīdu apstrādes, šis pārskats koncentrējas uz zāļu izraisītajām izmaiņām neirotropīna signalizācijas ceļos lejup pa BDNF.

3. Narkotiku izraisītas izmaiņas BDNF smadzeņu atlīdzības reģionos

BDNF proteīna un mRNS līmeņa izmaiņas ir pārbaudītas vairākos smadzeņu reģionos pēc daudzu atkarību izraisošo vielu grupu ievadīšanas. Stimulanti rada plašu, bet pārejošu, BDNF proteīna indukciju amprdala NAc, prefrontālā garozā (PFC), VTA un centrālajā (CeA) un bazolaterālajā (BLA) kodolā (Graham et al., 2007; Grims et al., 2003; Le Foll et al., 2005). Gan kontingenta, gan nefunkcionāla (ti, dzīvnieki, kas dzīvo uz pašpārvaldes dzīvniekiem) kokaīna lietošana izraisa paaugstinātu BDNF proteīna līmeni NAc (Graham et al., 2007; Liu et al., 2006; Zhang et al., 2002). Līdzīgi, ilgstoša 90 dienu pārtraukšana pēc kokaīna pašpārvaldes korelācijas ar palielināto BDNF proteīnu NAc, VTA un amygdala (Grims et al., 2003; Pu et al., 2006), un ir agrīni pierādījumi, ka epigenetiskais regulējums bdnf gēns var būt iesaistīts šīs pastāvīgās indukcijas mediācijā (Kumar et al., 2005).

Lai gan ir veikti mazāk pētījumi, lai pārbaudītu BDNF mRNS un proteīnu līmeni pēc opiātu iedarbības, šķiet, ka BDNF līmeņus regulē opiāti dažos ar atalgojumu saistītos smadzeņu reģionos. Akūta morfīna ievadīšana palielina BDNF mRNS līmeni NAc, mediālajā PFC (mPFC), VTA un orbitofrontālā garozā. VTA gadījumā tiek ziņots, ka hronisks morfīns, ko ievada subkutāni (sc) implanti, ir neefektīvs, mainot BDNF mRNS ekspresiju (Numan et al., 1998). Tomēr tas atšķiras no izmaiņām BDNF proteīnos, kas novērotas pēc hroniskas morfīna terapijas. Izmantojot intraperitoneālas (ip) morfīna devas palielināšanos, ir pierādīts, ka BTAF imūnreaktīvo šūnu skaits VTA tiek samazināts (Chu et al., 2007), kas liecina par BDNF funkcijas pazemināšanos. Kaut arī nevienā ziņojumā nav pētīta BDNF ekspresija hipokampā vai caudāta-putamenā (CPu) pēc stimulantu vai opiātu ievadīšanas, šādi pētījumi ir pamatoti, jo hipokampālā CA3 reģiona piramīdie neironi un vidēji smaili neironi (MSNs) ir novērojušas spēcīgas morfoloģiskas izmaiņas. CPu šajos apstākļos ((Robinsons un Kolb, 2004); redzēt Tabula 1).

 

Tabula 1

Narkotiku izraisītas morfoloģijas izmaiņas

4. Narkotiku izraisītas izmaiņas BDNF signalizācijas ceļos smadzeņu atlīdzības reģionos

Ir pierādīts, ka vairāki proteīni neirotropīna signālu kaskādēs ir regulēti ar mezolimbisko dopamīna sistēmu opiāti un stimulanti; tie ietver zāļu ietekmi uz IRS – PI3K – Akt, PLCγ, Ras – ERK un NFκB signalizāciju (Skaitlis 3). Stimulanti ievērojami palielina ERK fosforilāciju daudzos smadzeņu reģionos, ieskaitot NAc, VTA un PFC pēc akūtas vai hroniskas zāļu lietošanas (Jenab et al., 2005; Shi un McGinty, 2006, 2007; Sun et al., 2007; Valjent et al., 2004; Valjent et al., 2005). Šie rezultāti saskan ar stimulantu izraisītu neironu zaru un mugurkaula skaita palielināšanos, ņemot vērā Ras-ERK konstatēto lomu neitīta izaugšanā. Opiātu ietekme uz ERK signalizāciju ir mazāk skaidra. Nesen tika ziņots, ka ERK fosforilācija ir samazinājusies (Muller un Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon et al., 2004) un VTA (nepublicēti novērojumi) pēc hroniskas morfīna - efekts, kas saskan ar samazinātu neirīta sazarošanu, kas novērota šajos reģionos no morfīna atkarīgiem dzīvniekiem. Tomēr iepriekšējais mūsu grupas un citu darbu darbs ziņoja par ERK aktivitātes palielināšanos, ieskaitot paaugstinātu ERK fosforilāciju un katalītisko aktivitāti VTA pēc hroniskas morfīna (Berhow et al., 1996b; Liu et al., 2007; Ortiz et al., 1995). Ir nepieciešami turpmāki pētījumi, lai noteiktu šo neatbilstīgo konstatējumu skaidrojumu. Turklāt ir svarīgi izmantot vairākas pieejas proteīnu aktivitātes mērīšanai, lai bioķīmiskos notikumus varētu korelēt ar morfoloģiskiem un uzvedības parametriem. Piemēram, ERK inhibēšana VTA dopamīna neironos neietekmē šūnu lielumu (Russo et al., 2007) tā, ka nākotnē ir nepieciešami pētījumi, lai risinātu narkotiku izraisīto ERK aktivitāšu izmaiņu funkcionālo nozīmi šajā un citās smadzeņu zonās, jo tās ir saistītas ar atkarību izraisošiem fenotipiem.

 

Skaitlis 3

Pielāgojumi BDNF signalizācijas kaskādēs, kas saistītas ar opiātu un stimulantu izraisītu strukturālu plastiskumu VTA-NAc kontūrā

Vairāki jaunākie ziņojumi ir parādījuši, ka IRS – PI3K – Akt signālierīces ietekmē ļaunprātīgas lietošanas narkotikas (Brami-Cherrier et al., 2002; McGinty et al., 2008; Muller un Unterwald, 2004; Russo et al., 2007; Shi un McGinty, 2007; Wei et al., 2007; Williams et al., 2007). Hronisks opiātu ievadīšana samazina Akt fosforilāciju gan NAc, gan VTA (Muller un Unterwald, 2004; Russo et al., 2007). Šīs bioķīmiskās izmaiņas atbilst samazinātajam neironu zarojumam un dendrīta mugurkaula blīvumam vai, ja VTA dopamīna neironu gadījumā, samazināts šūnu ķermeņa lielums (Diana et al., 2006; Robinson et al., 2002; Robinsons un Kolb, 1999b; Russo et al., 2007; Spiga et al., 2005; Spiga et al., 2003)

Stimantu ietekme uz IRS – PI3K – Akt signalizāciju šajos reģionos ir mazāk skaidra. Piemēram, hronisks kokaīns palielina PI3K aktivitāti NAc korpusā un samazina tās aktivitāti NAc kodolā (Zhang et al., 2006). Šie dati atbilst iepriekšējam ziņojumam, kas liecina, ka hronisks kokaīns selektīvi palielināja BDNF mRNS līmeni NAc korpusā un samazināja TrKB receptoru mRNS NAc kodolā (Filip et al., 2006). Tādējādi PI3K aktivitātes čaulas un galvenās atšķirības var izskaidrot ar diferenciālo BDNF un TrKB regulēšanu ar kokaīnu. Interesanti, ka, lietojot vispārīgāku striatuma sadalījumu (ieskaitot NAc un CPu), ir pierādīts, ka amfetamīns samazina Akt aktivitāti sinaptosomu preparātos (Wei et al., 2007; Williams et al., 2007), un mēs esam novērojuši līdzīgu hroniska kokaīna iedarbību NAc, nenošķirot kodolu un čaumalu (Pulipparacharuvil et al., 2008). Turklāt šos pētījumus sarežģī Akt signālu izmaiņu izpētes laiks, jo McGinty un kolēģu nesenais darbs liecina, ka hronisks amfetamīns izraisa pārejošu un kodolspecifisku izmaiņu Akt fosforilācijā striatumā (McGinty et al., 2008). Agrīnos laikos pēc amfetamīna ievadīšanas Akt fosforilācija ir kodolam specifiska, tomēr pēc divām stundām Akt fosforilācija ir samazināta, kas liecina par kompensācijas mehānismu šīs darbības izslēgšanai. Izpratne par dinamisko attiecību starp stimulantiem un Akt signalizāciju būs svarīga, lai noteiktu, vai šis signalizācijas ceļš veicina stimulatora izraisīto strukturālo plastiskumu NAc, kā tas ir attiecībā uz opiātiem VTA (skatīt 6 sadaļu).

PLCγ un NFkB signalizācijas ceļu izmaiņas narkotiku lietošanas laikā nav tikpat labi pētītas kā ERK un Akt; tomēr nesenais darbs rāda, ka abus ceļus regulē ļaunprātīgas lietošanas narkotikas. Hroniska morfīna lietošana palielina PLCγ proteīna kopējo līmeni, kā arī aktivētā tirozīna fosforilētā daudzuma līmeni.Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999). Turklāt tika konstatēts, ka vīrusu mediētā PLCγ pārmērīga ekspresija VTA palielina ERK aktivitāti šajā smadzeņu reģionā (Wolf et al., 2007), tādējādi imitējot līdzīgu ERK aktivitātes palielināšanos, ko novēroja pēc hroniska morfīnaBerhow et al., 1996b). PLCγ pārmērīga ekspresija VTA regulē arī opiātu atlīdzību un ar to saistītās emocionālās uzvedības, ar izteiktu efektu, kas novērots rostral vs caudal VTA (Bolanos et al., 2003). Tāpat Graham un kolēģi (Graham et al., 2007) novēroja palielinātu PLCγ fosforilāciju NAc pēc akūta, hroniska līkuma un hroniska pašpārvaldes kokaīna, kas bija atkarīgs no BDNF.

Iepriekšējais mūsu grupas pētījums parādīja, ka NFKB apakšvienības p105, p65 un IB ir palielinātas NAc, reaģējot uz hronisku kokaīna lietošanu (Ang et al., 2001). Tas atbilst Cadet un kolēģu konstatējumiem (Asanuma un kadets, 1998), kas parādīja, ka metamfetamīns inducē NFKB saistošo aktivitāti striatāla reģionos. Ņemot vērā, ka dažas no NFKB regulētajām NFkB olbaltumvielām aktivizē NFKB signālu pārraidi, bet citas tās kavē, no šiem sākotnējiem pētījumiem nebija skaidrs, vai novērotās olbaltumvielu izmaiņas atspoguļo NFKB signalizācijas vispārējo pieaugumu vai samazināšanos. Mēs nesen esam atrisinājuši šo jautājumu, parādot, ka hroniska kokaīna lietošana palielina NFKB transkripcijas aktivitāti NAc, balstoties uz konstatējumiem NFKB-LacZ transgēnu reportieru pelēm (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Jaunāki pierādījumi ir tieši saistīti ar NFkB signalizācijas indukciju NAc strukturālajā un uzvedības ietekmē kokaīnu (skatīt 6 sadaļu). Šie agrie atklājumi ir intriģējoši un pamato tālāku izpēti, ieskaitot opiātu ietekmes uz NFKB signālu pārraidi smadzeņu atlīdzības reģionos.

5. Narkotiku izraisīta strukturālā plastitāte smadzeņu atlīdzības reģionos

Smadzeņu atalgojuma shēma ir attīstījusies, lai novirzītu resursus, lai iegūtu dabisku atalgojumu, bet ļaunprātīgas lietošanas zāles var tikt bojātas vai nolaupītas. Šajā shēmā strukturālo plastiskumu parasti raksturo mainīta dendrīta sazarošana vai arborizācija, kā arī dendritisko muguriņu blīvuma vai morfometrijas izmaiņas. Lai gan patlaban tiek pētīta no pieredzes atkarīgo morfoloģisko izmaiņu tieša uzvedība, tiek uzskatīts, ka sinaptisko funkciju nosaka ne tikai katra individuālā mugurkaula galva, bet arī lielums un forma. Kā mugurkaula formas, viņi nosūta plānas, nenobriedušas struktūras, kas uzņemas vai nu stīvs, multisinaptisks, filopodisks vai sazarots (pārskatīšanai skatīt (Bourne un Harris, 2007; Tada un Sheng, 2006). Pieaugušo smadzenēs, pamata apstākļos, tiek lēsts, ka vismaz 10% mugurkaula ir šīs nenobriedušās formas, kas liek domāt, ka plastiskums ir nepārtraukts process visā dzīvē (Fiala et al., 2002; Harris, 1999; Harris et al., 1992; Peters un Kaiserman-Abramof, 1970). Šīs struktūras ir pārejošas un var veidoties dažu stundu laikā pēc stimulācijas, un tās saglabājas tik ilgi, cik dažas dienas in vivo (Holtmaat et al., 2005; Majewska et al., 2006; Zuo et al., 2005).

Tiek uzskatīts, ka pārejoša, nenobrieduša mugurkaula stabilizācija par pastāvīgāku, funkcionālu mugurkaulu notiek ar darbības atkarīgu mehānismu starpniecību (pārskatīšanai skatīt (Tada un Sheng, 2006). Stimulācijas protokoli, kas izraisa ilgstošu depresiju (LTD), ir saistīti ar muguriņu sašaurināšanos vai atņemšanu hippokampālā un kortikālā piramīdas neironos (Nagerl et al., 2004; Okamoto et al., 2004; Zhou et al., 2004), tā kā ilgstoša potencēšana (LTP) ir saistīta ar jaunu mugurkaulu veidošanos un esošo muguriņu palielināšanos (Matsuzaki et al., 2004; Nagerl et al., 2004; Okamoto et al., 2004). Molekulārā līmenī tiek uzskatīts, ka LTP un LTD ierosina izmaiņas signalizācijas ceļos un proteīnu sintēze un lokalizācija, kas galu galā maina aktīna polimerizāciju, lai ietekmētu mugurkaula nobriešanu un stabilitāti un galu galā izveidotu funkcionālu mugurkaulu (LTP). esošā mugurkaula (LTD) atgriešana (skat.Bourne un Harris, 2007; Tada un Sheng, 2006). Stabilizējoties, muguriņas kļūst par sēņu formām, tām ir lielāks postinaptiskais blīvums (Harris et al., 1992), un ir pierādīts, ka tie saglabājas mēnešus (Holtmaat et al., 2005; Zuo et al., 2005). Šīs izmaiņas atspoguļo ļoti stabilu šūnu notikumu, kas var būt ticams izskaidrojums vismaz dažām ilgtermiņa uzvedības izmaiņām, kas saistītas ar narkomāniju.

Vairums atkarību izraisošo vielu klases, lietojot hroniski, maina strukturālo plastiskumu visā smadzeņu atalgojuma shēmā. Lielākā daļa no šiem pētījumiem ir korelatīvas un saistītās strukturālās izmaiņas specifiskos smadzeņu reģionos ar uzvedības fenotipu, kas norāda uz atkarību. Pēdējo desmit gadu laikā Robinsons un kolēģi ir vadījuši ceļu izpratnei par to, kā ļaunprātīgas izmantošanas narkotikas regulē strukturālo plastiskumu (skat.Robinsons un Kolb, 2004). Tā kā šie sākotnējie novērojumi, citi narkomānijas pētnieki ir pievienojuši šai augošajai literatūrai, lai atklātu narkotiku klases specifisko ietekmi uz neironu morfoloģiju. Kā attēlots Tabula 1 un Skaitlis 3opiāti un stimulanti atšķirīgi ietekmē strukturālo plastiskumu. Ir pierādīts, ka opiāti samazina dendritisko muguriņu skaitu un sarežģītību NAc MSN un mPFC un hipokampu piramīdās neironos un samazina VTA dopamīnerģisko neironu kopējo soma lielumu, neraugoties uz ne-dopamīnerģiskiem neironiem šajā smadzeņu reģionā (Nestler, 1992; Robinsons un Kolb, 2004; Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Līdz šim ir tikai viens izņēmums attiecībā uz šiem konstatējumiem, ja tika ziņots, ka morfīns palielina mugurkaula numuru uz orbitofrontālo kortikālo neironu (Robinson et al., 2002). Atšķirībā no opiātiem, stimulanti, piemēram, amfetamīns un kokaīns, pastāvīgi palielina dendritisko muguriņu un sarežģītību NAc MSN, VTA dopamīnerģiskajiem neironiem un PFC piramīdajiem neironiem, nesniedzot ziņojumus par samazinātu strukturālo plastiskumu (Lee et al., 2006; Norrholm et al., 2003; Robinson et al., 2001; Robinsons un Kolb, 1997, 1999a; Sarti et al., 2007).

Lai gan molekulārie mehānismi, kas atrodas lejup pa neurotrofisko faktoru signalizāciju, kas ir šo pārmaiņu pamatā, ir nepietiekami saprotami, daudzas no šīm strukturālajām izmaiņām ir saistītas ar tādu proteīnu līmeņa vai aktivitātes izmaiņām, kas labi zināmas, lai regulētu neironu citozelonu. Tie ietver, bet neaprobežojoties ar zāļu izraisītajām izmaiņām, kas saistītas ar proteīnu 2 (MAP2), ar neirofilamentu saistītām olbaltumvielām, ar proteīniem saistītu proteīnu (Arc), LIM-kināzi (LIMK), miokītu pastiprinātāja faktoru 2 (MEF2) ciklīna atkarīgais kināze s5 (Cdk5), postsinaptiskais blīvums 95 (PSD95) un cofilīns, kā arī izmaiņas aktīna ciklos, NAc vai citos smadzeņu atlīdzības reģionos (Beitner-Johnson et al., 1992; Bibb et al., 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). Tā kā daudzas no stimulantu un morfīna izraisītajām bioķīmiskajām pārmaiņām ir līdzīgas, būs svarīgi noteikt atšķirīgus opiātu un stimulantu regulētus gēnu mērķus, kas saistīti ar dendritisko funkciju, jo tie var sniegt ieskatu par opiātu un stimulantu vispārējo pretējo ietekmi uz neirotrofisko iedarbību. faktoru atkarīga strukturālā plastitāte.

Pretēji morfoloģiskajām izmaiņām, ko izraisa smadzeņu atalgojuma reģioni opiāti un stimulanti, paradoksāli, jo abas zāles izraisa ļoti līdzīgus uzvedības fenotipus. Piemēram, specifiski opiātu un stimulantu ārstēšanas režīmi, kas izraisa lokomotorisku sensibilizāciju un līdzīgus narkotiku pašpārvaldes palielināšanās modeļus, izraisa pretējas izmaiņas dendrīta mugurkaula blīvumā NAc (Robinsons un Kolb, 2004). Tādējādi, ja šīs morfoloģiskās izmaiņas ir nozīmīgi atkarības mediatori, vai nu tām ir jābūt divvirzienu īpašībām, kur pārmaiņas no bāzes līnijas abos virzienos rada tādu pašu uzvedības fenotipu, vai arī tās rada atšķirīgus uzvedības vai citus fenotipus, kas netiek izmantoti ar izmantotajiem eksperimentālajiem instrumentiem . Turklāt šie konstatējumi ir jāņem vērā saistībā ar attiecīgo zāļu lietošanas paradigmu. Pētījumos, piemēram, dzīvnieki saņem lielas subkutānas morfīna devas, kas pastāvīgi atbrīvojas no granulu implantiem, kas ir paradigma, kas vairāk atbilst opiātu tolerancei un atkarībai. Turpretim vairums stimulējošo paradigmu lieto vienu reizi līdz vairākkārtējai zāļu ikdienas injekcijai, ļaujot asinīm maksimāli paaugstināties un atgriezties sākotnējā līmenī pirms nākamās ievadīšanas, paradigmas, kas vairāk atbilst narkotiku sensibilizācijai. Cilvēki var izmantot dažādus opiātu un stimulantu lietošanas veidus. Tāpēc turpmākajos pētījumos būs jārisina narkotiku izraisīto morfoloģisko izmaiņu uzvedības nozīme smadzeņu atlīdzības reģionos saistībā ar devu un zāļu lietošanas paradigmām, kas atspoguļo iedarbību cilvēkiem.

6. BDNF un tā signalizācijas kaskāžu loma narkotiku izraisītā strukturālā un uzvedības plastitātē

Izmaiņas augšanas faktora signalizācijā ir hipotētiskas kā galvenais faktors, kas ietekmē strukturālo un uzvedības plastiskumu, kas saistīts ar narkomāniju. Cilvēka pētījumi ir ierobežoti. Cilvēkiem, kas ir atkarīgi no kokaīna, amfetamīna, alkohola vai opiātiem, ir novērotas zāļu izraisītas BDNF izmaiņas.Angelucci et al., 2007; Janak et al., 2006; Kim et al., 2005), tomēr šī BDNF avots un šo izmaiņu nozīme atkarības sākumā un saglabāšanā ir palikusi neskaidra. Būtu interesanti turpmākajos pētījumos pārbaudīt BDNF un tā signalizācijas ceļus cilvēka pēcdzemdību smadzeņu audos.

Pēdējo desmit gadu laikā darbs grauzējiem ir pierādījis BDNF ietekmi uz dažādiem atkarības procesa posmiem. Agrīnie pētījumi parādīja, ka vietējā BDNF infūzija VTA vai NAc palielina lokomotorisko un atalgojošo reakciju uz kokaīnu, bet globālais BDNF zudums rada pretēju efektu (Hall et al., 2003; Horgers et al., 1999; Lu et al., 2004). Nesenāks darbs ir parādījis, ka kokaīna pašpārvalde palielina BDNF signalizāciju NAc (Graham et al., 2007). Turklāt BDNF infūzija ar NAc pastiprina kokaīna pašpārvaldi un kokaīna meklēšanu un recidīvu, bet antivielu infūzija pret BDNF vai vietēja iznīcināšana no BDNF. bdnf NAc gēns (kas iegūts, izmantojot Cre recominase ekspresiju peldošos BDNF pelēm), bloķē šo uzvedību. Pamatojoties uz šiem pētījumiem, Graham un kolēģi (2007) secināja, ka BDNF izdalīšanās NAc kokaīna pašpārvaldes uzsākšanas laikā ir nepieciešama atkarības procesa sastāvdaļa.

Šie dati apstiprina viedokli, ka BDNF ir kandidātmolekula, kas veicina strukturālās izmaiņas NAc neironos, ko rada hroniska kokaīna vai citu stimulantu iedarbība. Saskaņā ar šo hipotēzi, stimulējošā induktīvā BDNF signālu palielināšanās NAc izraisītu NAc neironu dendrīta arborizācijas palielināšanos, kas pamatotu sensitīvas reakcijas uz stimulantiem, kā arī spēcīgas ar narkotikām saistītas atmiņas, kas ir būtiskas recidīvam un atkarībai. Saskaņā ar šo hipotēzi ir iegūti dati no kultivētiem hipokampiem neironiem, kur ir pierādīts, ka BDNF sekrēcija izraisa proteīnu sintēzes atkarīgu atsevišķu dendritisko muguriņu palielināšanos (Tanaka et al., 2008b). Šīs hipotēzes vājums ir tāds, ka nav bijis tiešu eksperimentālu pierādījumu tam, ka NAc neironu dendritisko muguriņu pastiprināšanās pati par sevi ir nepieciešama vai pietiekama, lai reaģētu uz jutīgām vielām. Faktiski pastāv dati, kas liecina par sarežģītāku saikni starp abām parādībām: Cdk5 inhibīcija NAc bloķē kokaīna spēju palielināt dendritisko muguriņu NAc neironiem, neskatoties uz to, ka šāda inhibīcija veicina lokomotorisko un atalgojošo reakciju uz kokaīnu (Norrholm et al., 2003; Taylor et al., 2007). Skaidrs, ka ir nepieciešams turpināt darbu, lai izpētītu saikni starp šo strukturālo un uzvedības plastiskumu.

Vēl viens svarīgs brīdinājums šai hipotēzei ir tas, ka izmaiņas BDNF signalizācijā var būtiski ietekmēt neironu morfoloģiju un uzvedību atkarībā no pārbaudāmās smadzeņu zonas. Nesenie ziņojumi ir skaidri nošķirti starp BDNF funkciju hipokampā pret VTA (Bertons et al., 2006; Eisch et al., 2003; Krishnan et al., 2007; Shirayama et al., 2002): BDNF infūzijas hipokampā ir līdzīgi antidepresanti, bet BDNF infūzijas VTA vai NAc rada prodepresantu līdzīgu efektu. Līdzīgi modeļi parādās atkarības laukā. Jāatzīmē, ka palielināta BDNF NAc uzlabo kokaīna izraisīto uzvedību (Graham et al., 2007; Horgers et al., 1999), bet PFC BDNF nomāc šīs pašas darbības (Berglind et al., 2007). Nav pārsteidzoši, ka šajos divos smadzeņu reģionos arī atšķirīgi regulē BDNF indukciju ar kokaīnu, kas vēl vairāk pamato uzvedības atšķirības (Fumagalli et al., 2007).

Iepriekšējie pierādījumi ir saistīti ar NFKB signalizāciju kokaīna izraisītas strukturālās un uzvedības plastiskuma regulēšanā. Lai gan tiešais mehānisms, ar kuru šīs izmaiņas notiek, nav zināms, iepriekšējais darbs ir parādījis, ka p75NTR, kas atrodas augšpus NFkB, ir lokalizēts sinapsē un ka BDNF aktivizācija ar p75NTR ir nepieciešama LTD. Lai gan BDNF-TrkB mijiedarbība ir plaši pētīta ar narkotiku lietošanu, šie dati liecina par alternatīvu ceļu caur NFKB, kas prasa turpmāku izmeklēšanu. Saskaņā ar šo hipotēzi, mēs nesen esam novērojuši, ka NFkB ceļa dominējošā negatīvā antagonista pārmērīga pārmērīga ekspresija NAc novērš hroniska kokaīna spēju palielināt dendritisko muguriņu blīvumu NAc MSNs. Šāda NFKB signalizācijas inhibīcija arī nomāc jutīgumu pret kokaīna atalgojošo iedarbību (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Šie dati, atšķirībā no iepriekšminētās situācijas Cdk5, atbalsta saikni starp paaugstinātu dendritisko arborizāciju un uzvedību pret kokaīnu, vēl vairāk uzsverot šo parādību sarežģītību un nepieciešamību pēc tālākas izpētes.

Lai gan ierobežots darbs ir risinājis neirotrofiskā faktora nozīmīgumu opiātu izraisītas uzvedības apstākļos, mūsu laboratorijas darbs atklāj BDNF un pakārtotā IRS2-PI3K-Akt ceļa lomu VTA dopamīnerģisko šūnu lieluma regulēšanā un turpmākajā atalgojuma pielaidei (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Konkrēti, hronisku opiātu ievadīšana grauzējiem rada atalgojuma toleranci un fizisko atkarību relatīvi agri pārtraukšanas periodos, kas, domājams, veicina narkotiku lietošanas uzvedību. Sākotnējie eksperimenti atklāja, ka BDNF iekšēja VTA infūzija novērš morfīna izraisītu VTA neironu lieluma samazināšanos (Sklair-Tavron et al., 1996). Pavisam nesen mēs esam parādījuši, ka atalgojuma pielaides grafiks, ko mēra ar nosacītu vietu izvēli, ir paralēls samazināta dopamīnerģisko šūnu lieluma laikam un ka šīs parādības ir saistītas ar BDNF signalizācijas kaskādēm (Russo et al., 2007). Kā minēts iepriekš, bioķīmiskie signalizācijas ceļi VTA, kas atrodas lejup pa BDNF un TrKB receptoriem, ir atšķirīgi regulēti ar hronisku morfīnu: morfīns aktivizē PLCγ (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999), samazina IRS – PI3K – Akt ceļa darbību (Russo et al., 2007; Wolf et al., 1999) un rada mainīgu ietekmi uz ERK (skatīt iepriekš). Ņemot vērā nesenos pierādījumus, ka Akt regulē daudzu šūnu tipu skaitu centrālajā nervu sistēmā (Backman et al., 2001; Kwon et al., 2006; Kwon et al., 2001; Scheidenhelm et al., 2005), mēs izmantojām vīrusu gēnu pārneses paņēmienus, lai tieši parādītu, ka morfīns rada atalgojuma toleranci, inhibējot IRS2 – PI3K – Akt ceļu un samazinot VTA dopamīna neironu lielumu. Šīs sekas netika novērotas, mainot ERK vai PLCγ signalizāciju, atkal norādot uz IRS – PI3K – Akt signālu nozīmi šai parādībai. Turpmākie pētījumi pievērsīsies BDNF un IRS – PI3K – Akt ceļu nozīmībai opiātu pašpārvaldes eskalācijā, kas ir klīniski nozīmīgāka paradigma atkarības noteikšanai. Lielāka izpratne par augšupvērstajām neirotrofisko faktoru vai to receptoru izmaiņām un Akt pakārtotajiem mērķiem risinās specifiskos opiātu atalgojuma tolerances mehānismus atkarības modeļos. Turklāt būs svarīgi saprast BDNF signalizācijas lomu VTA funkcijas regulēšanā neironu ķēdes kontekstā. Šajā sakarā ir interesanti atzīmēt to Pu et al. (2006) parādīja, ka pēc atkāpšanās no atkārtotas kokaīna iedarbības VTA eksitējošās sinapses uz dopamīna neironiem vairāk reaģē uz vājo presinaptīvo stimulu pastiprināšanos, kas prasa endogēno BDNF-TrkB signalizāciju.

7. Citu neirotrofu faktoru loma narkotiku izraisītā strukturālā un uzvedības plastitātē

Lai gan iepriekš minētajā diskusijā galvenā uzmanība ir pievērsta BDNF un tā signalizācijas kaskādēm, ir pierādījumi, ka vairāki citi neirotrofiskie faktori un to lejupvērsti signālierīces ietekmē arī uzvedības vai bioķīmiskās reakcijas uz ļaunprātīgu izmantošanu. Ir pierādīts, ka NT3, tāpat kā BDNF, veicina jutīgu reakciju uz kokaīnu VTA līmenī.Pierce un Bari, 2001; Pierce et al., 1999). Hroniska morfīna vai kokaīna lietošana regulē glielu šūnu līnijas radīto neirotrofisko faktoru (GDNF) signalizāciju VTA-NAc shēmā, kas savukārt veicina un nomāc šo narkotiku ļaunprātīgas izmantošanas uzvedību (Messer et al., 2000). Amfetamīns izraisa pamata fibroblastu augšanas faktoru (bFGF) VTA-NAc ķēdē un bFGF knockout pelēm ir neskaidra reakcija uz lokomotorisko sensibilizāciju, ko izraisa atkārtotas amfetamīna injekcijas (Flores et al., 2000; Flores un Stewart, 2000). Citokīns, ciliariskais neirotrofiskais faktors (CNTF), ko ievada tieši VTA, uzlabo kokaīna spēju izraisīt bioķīmiskus pielāgojumus šajā smadzeņu reģionā; kokaīns palielina intracelulāros signālu kaskādes caur Janus kināzi (JAK) un signālu pārveidotājiem un transkripcijas aktivatoriem (STATs), ko pastiprināja akūta infūzija (Berhow et al., 1996a). Ir arī pierādījumi, ka hronisks morfīns maina insulīna tipa augšanas faktora 1 (IGF1) līmeni VTA un citos smadzeņu reģionos (Beitner-Johnson et al., 1992). Šie izolētie atklājumi liecina, ka daudzveidīgs neirotrofisko mehānismu klāsts kontrolē VTA-NAc funkciju, lai sarežģītos veidos regulētu plastiskumu pret ļaunprātīgu narkotiku lietošanu un uzsvērtu vajadzību pēc daudziem turpmākiem pētījumiem šajā jomā.

8. Secinājumi

Pēdējās desmitgades laikā mēs esam paplašinājuši izpratni par to, kā ļaunprātīgas izmantošanas narkotikas regulē neirotrofiskos signālu ceļus un dažādu neironu populāciju morfoloģiju visā smadzeņu atalgojuma shēmā. Nesenie sasniegumi vīrusu gēnu pārnesē ļauj manipulēt ar specifiskiem lejupvērstiem neirotrofiskiem signālu proteīniem noteiktā smadzeņu apvidū, kurā ir pilnībā attīstīti pieaugušie dzīvnieki, lai pētītu attiecības starp narkotiku lietošanu, neironu morfoloģiju un uzvedības plastitāti. Ar jauniem bicistroniskiem vīrusu vektoriem ir iespējams ekspresēt proteīnu, kas manipulē ar neirotrofiskiem signalizācijas ceļiem, kā arī fluorescējošu proteīnu, lai vizualizētu neironu morfoloģiju (Clark et al., 2002). Tādējādi, uzlabojot imūnhistoķīmiskās metodes, lai marķētu specifiskas neironu populācijas, ir iespējams novērtēt narkotiku izraisītās morfoloģiskās izmaiņas un ar tām saistītās bioķīmiskās adaptācijas neirotrofās signalizācijā šūnu tipa specifiskā veidā, un tādēļ sniedz būtisku informāciju par narkotiku izraisītu heterogēnu smadzeņu regulēšanu atalgot reģionus. Izmantojot multidisciplināras pieejas ar uzvedības, fizioloģiskiem, bioķīmiskiem un morfoloģiskiem galarezultātiem, aizvien vairāk būs iespējams noteikt atkarības mehānismus ar daudz lielāku precizitāti, tostarp precīzu neirotrofiskā faktora lomu, kas signalizē pieredzes atkarīgā plastiskumā un atkarības procesā. Šīs zināšanas var novest pie jaunu medicīnisku iejaukšanos izstrādes, lai normalizētu ļaundabīgo plastiskumu, ko izraisa ļaunprātīgas lietošanas narkotikas smadzeņu atalgojuma reģionos, un tādējādi mainīt cilvēku atkarības procesu.

Zemsvītras piezīmes

Atsauces