Czynniki neurotroficzne i strukturalna plastyczność w uzależnieniu (2009)

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

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

Informacje o autorze ► Informacje o prawach autorskich i licencji ►

Idź do:

Abstrakcyjny

1. Wstęp

Istotną cechą uzależnienia od narkotyków jest to, że dana osoba nadal używa narkotyków pomimo groźby poważnych negatywnych konsekwencji fizycznych lub psychospołecznych. Chociaż nie wiadomo z całą pewnością, co napędza te wzorce behawioralne, wysunięto hipotezę, że ważne są długotrwałe zmiany zachodzące w obwodzie nagrody mózgu (Rysunek 1). Uważa się, że adaptacje neuronów dopaminergicznych brzusznego obszaru nakrywkowego (VTA) i ich neuronów docelowych w jądrze półleżącym (NAc) zmieniają reakcje jednostki na nagrody lekowe i naturalne, prowadząc do tolerancji na leki, dysfunkcji nagrody, eskalacji przyjmowanie leków i ostatecznie kompulsywne stosowanie (Everitt i wsp., 2001; Kalivas i O'Brien, 2008; Koob i Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinson i Kolb, 2004).

 

Rysunek 1

Główne typy komórek w obwodach nerwowych leżących u podstaw uzależnienia

W ostatnich latach podjęto znaczne wysiłki w celu określenia zmian komórkowych i molekularnych, które występują podczas przejścia od początkowego zażywania leku do kompulsywnego przyjmowania. Wśród wielu rodzajów adaptacji wywołanych lekami zaproponowano, że zmiany w czynniku neurotroficznym pochodzenia mózgowego (BDNF) lub pokrewnych neurotrofinach i ich szlakach sygnałowych zmieniają funkcję neuronów w obwodzie VTA-NAc i inne regiony nagrody w celu modulowania motywacja do zażywania narkotyków (Bolanos i Nestler, 2004; Pierce i Bari, 2001). Następstwem tej hipotezy jest to, że takie indukowane czynnikiem wzrostu adaptacje komórkowe i molekularne znajdują odzwierciedlenie w zmianach morfologicznych neuronów związanych z nagrodami. Na przykład, przewlekłe podawanie stymulantów zwiększa rozgałęzianie dendrytów i liczbę kolców dendrytycznych i dynamicznie zwiększa poziomy BDNF w kilku regionach nagrody mózgowej, podczas gdy przewlekłe podawanie opiatów zmniejsza rozgałęzienia i kolce dendrytyczne, jak również poziomy BDNF w niektórych z tych samych regionów (dla recenzja zobacz (Robinson i Kolb, 2004; Thomas i wsp., 2008). Co więcej, przewlekła morfina zmniejsza rozmiar neuronów dopaminowych VTA, co jest efektem odwróconym przez BDNF (Russo i wsp., 2007; Sklair-Tavron i wsp., 1996). Brakuje jednak bezpośrednich dowodów przyczynowych, że te zmiany strukturalne napędzają uzależnienie.

Propozycja, że ​​BDNF może być związana z plastycznością strukturalną obwodu VTA-NAc w modelach uzależnień, jest zgodna z obszerną literaturą, która sugeruje ten czynnik wzrostu w regulacji kolców dendrytycznych. Na przykład badania wykorzystujące warunkowe delecje BDNF lub receptora TrkB pokazują, że są one wymagane do proliferacji i dojrzewania kolców dendrytycznych w rozwijających się neuronach, jak również do utrzymania i proliferacji kolców na neuronach w całym dorosłym mózgu (Chakravarthy i in., 2006; Danzer i in., 2008; Horch i in., 1999; Tanaka i in., 2008a; von Bohlen Und Halbach i in., 2007).

Chociaż dokładne mechanizmy molekularne, za pośrednictwem których BDNF pośredniczy w strukturalnej plastyczności obwodów nagrody mózgu, pozostają nieznane, ostatnie badania sugerują, że specyficzne szlaki poniżej BDNF są modulowane przez leki nadużywające, i że te zmiany sygnalizacji zależne od czynnika neurotroficznego korelują z końcem morfologicznym i behawioralnym -punkty w modelach zwierzęcych narkomanii. W tym przeglądzie omawiamy nowe postępy w naszym rozumieniu tego, jak opiaty i stymulanty regulują sygnalizację czynników neurotroficznych oraz konsekwencje komórkowe i behawioralne tych efektów. Proponujemy również obszary do przyszłych badań w celu rozwiązania paradoksalnie przeciwnych skutków używek i opiatów na morfologię neuronów i pewne fenotypy behawioralne zgodne z uzależnieniem.

2. Szlaki sygnałowe neurotrofiny

Odkrycie szlaków sygnałowych, które pośredniczą w rozwoju neuronalnym i przetrwaniu, było od dawna celem badań neurobiologicznych. Jednak sygnalizacja czynnika neurotroficznego w ośrodkowym układzie nerwowym dorosłego człowieka (CNS) w ciągu ostatniej dekady stała się ważnym obszarem zainteresowania, ponieważ wykazano, że sygnalizacja neurotroficzna moduluje plastyczność i zachowanie neuronów w całym życiu organizmu (patrz przegląd (Chao, 2003)). Pierwszy zidentyfikowany czynnik neurotroficzny, czynnik wzrostu nerwów (NGF), wyizolowano w 1954 (Cohen i wsp., 1954); klonowanie samego genu nastąpiło dopiero w 1983 (Scott i in., 1983). Po tym odkryciu dokładnie śledzono oczyszczanie i identyfikację dodatkowych czynników wzrostu podobnych do NGF, które określały rodzinę neurotrofin: BDNF (Barde i in., 1982; Leibrock i in., 1989), neurotrofina-3 (NT3) (Hohn i in., 1990; Maisonpierre i in., 1990), i neurotrofina-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier i in., 1991). Członkowie rodziny neurotrofinów są paralogami i mają znaczącą homologię (Hallbook i in., 2006); wszystkie są polipeptydami homodimeryzującymi i znajdują się zarówno w niedojrzałych, jak i dojrzałych postaciach w OUN. Chociaż od dawna uważano, że dojrzała forma „13 kDa” była aktywną cząsteczką sygnałową, ostatnie badania wskazują, że pro (niedojrzałe) formy neurotrofin, które zachowują swój N-koniec, są wykrywalne w mózgu (Fahnestock i in., 2001) i pośredniczą w kaskadach sygnalizacyjnych innych niż dojrzałe peptydy. Działania NGF w dorosłym ośrodkowym układzie nerwowym są w dużej mierze zlokalizowane w komórkach cholinergicznych w części podstawnej przodomózgowia, podczas gdy dystrybucja innych neurotrofin jest znacznie bardziej rozpowszechniona.

Dalsza specyficzność sygnału neurotrofiny jest wytwarzana przez różnicową ekspresję receptorów neurotrofinowych, które można podzielić na dwie kategorie, receptory kinazy (Trk) i neurotrofiny p75 (p75NTR) związane z tropomiozyną. P75NTR został po raz pierwszy zidentyfikowany jako receptor NGF (Johnson i in., 1986), ale w rzeczywistości wiąże zarówno niedojrzałe, jak i dojrzałe formy wszystkich czterech neurotrofin (Lee i wsp., 2001; Rodriguez-Tebar i in., 1990; Rodriguez-Tebar i in., 1992). W przeciwieństwie do p75NTR, rodzina receptorów Trk wykazuje swoistość względem swoich ligandów. Receptor TrkA preferencyjnie wiąże NGF (Kaplan i in., 1991; Klein i in., 1991), receptor TrkB wiąże BDNF (Klein i in., 1991) i NT4 / 5 (Berkemeier i in., 1991), a receptor TrkC wiąże NT3 (Lamballe i in., 1991). Podczas gdy dojrzałe neurotrofiny mają zwiększone powinowactwo do receptorów Trk w porównaniu z propeptydami, zarówno niedojrzałe, jak i dojrzałe formy mogą wiązać p75NTR z wysokim powinowactwem. Ponadto wykazano, że p75NTR tworzy kompleksy z receptorami Trk, a te kompleksy receptorowe wykazują zwiększone powinowactwo do odpowiednich ligandów Trk w porównaniu z homodimerycznym Trk.

Receptory Trk są pojedynczymi transbłonowymi białkami łączącymi złożonymi z zewnątrzkomórkowej domeny wiążącej ligand i regionu wewnątrzkomórkowego zawierającego domenę kinazy tyrozynowej. Podobnie do innych receptorowych kinaz tyrozynowych, receptory Trk homodimeryzują w odpowiedzi na wiązanie ligandu, co pozwala na trans-fosforylację w pętli aktywacyjnej w celu zwiększenia aktywności katalitycznej kinazy receptorowej. Transfosforylacja w resztach tyrozyny w domenie nadbłonowej i na końcu C generuje miejsca przyłączenia dla białek „linker” typu SH2 (homologia XcumX Src), takich jak białko zawierające domenę homologii Src (Shc) i fosfolipaza Cγ (PLCγ ), odpowiednio. Wiązanie Shc inicjuje kaskady sygnalizacji w dół, prowadząc ostatecznie do aktywacji szlaków kinazy białkowej aktywowanej mitogenami (MAPK) i kinazy 2′ fosfatydyloinozytolu (PI3K). Stymulacja szlaku MAPK obejmuje aktywację kinazy regulowanej sygnałem zewnątrzkomórkowym (ERK), podczas gdy wiązanie substratu receptora insuliny (IRS) prowadzi do rekrutacji i aktywacji PI3K oraz do aktywacji dalszych kinaz, takich jak protoonkogen grasiczaka (Akt) , znany również jako kinaza białkowa B (PKB). Fosforylacja i aktywacja PLCγ prowadzi do tworzenia trifosforanu inozytolu (3) (IP₃) i diacyloglicerol (DAG) oraz do stymulacji kinazy białkowej C (PKC) i Ca komórkowego²⁺ ścieżki. Te trzy główne szlaki sygnałowe - PI3K, PLCγ i MAPK / ERK - indukowane przez aktywację receptora Trk są zilustrowane w Rysunek 2. Co ciekawe, istnieją dowody na zróżnicowaną aktywację tych trzech kaskad w zależności od neurotrofiny, typu receptora oraz siły i czasu trwania sygnału (patrz (Segal, 2003). Różnicowa aktywacja tych dalszych szlaków wydaje się szczególnie istotna dla wywołanych lekami zmian w morfologii i zachowaniu neuronów, co zostanie szczegółowo omówione w dalszych częściach tego przeglądu.

 

Rysunek 2

Wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe poniżej neurotrofin

W porównaniu z rozległą wiedzą na temat konsekwencji aktywacji receptora Trk, znacznie mniej wiadomo na temat roli sygnalizacji p75NTR w funkcji neurotrofin. Aktywacja efektorów Trk generalnie prowadzi do sygnałów sprzyjających przetrwaniu i różnicowania, podczas gdy aktywacja p75NTR inicjuje kaskady sygnalizacji pro-survival i pro-death. Przekazywanie sygnału przeżycia przez p75NTR wymaga dalszego czynnika jądrowego kappa B (NFκB), który jest uważany za aktywowany pośrednio przez czynnik związany z receptorem TNN (czynnik martwicy nowotworu) 4 / 6 (TRAF4 / 6) lub białko 2 oddziałujące na receptor (RIP2) (dla recenzja zobacz (Chao, 2003)). Chociaż sygnalizacja neurotrofinowa pozwala na złożoną różnorodność sygnałów, które zależą od wzorca ekspresji neurotrofin i receptorów oraz przetwarzania peptydów neurotrofinowych, niniejszy przegląd skupia się na indukowanych lekiem zmianach w szlakach sygnałowych neurotrofin poniżej BDNF.

3. Indukowane lekiem zmiany w BDNF w regionach nagradzających mózg

Zmiany poziomów białka BDNF i mRNA badano w wielu regionach mózgu po podaniu wielu klas substancji uzależniających. Stymulanty wytwarzają szeroką, ale przejściową indukcję białka BDNF w NAc, korze przedczołowej (PFC), VTA i jądrze centralnym (CeA) i podstawno-bocznym (BLA) ciała migdałowatego (Graham i wsp., 2007; Grimm i wsp., 2003; Le Foll i in., 2005). Podawanie kokainy zarówno warunkowe, jak i nie warunkowe (tj. Zwierzęta poddane samozasilaniu) powoduje podwyższone poziomy białka BDNF w NAc (Graham i wsp., 2007; Liu i wsp., 2006; Zhang i in., 2002). Podobnie, długoterminowe wycofanie do 90 dni po samodzielnym podaniu kokainy jest skorelowane ze zwiększonym białkiem BDNF w NAc, VTA i ciele migdałowatym (Grimm i wsp., 2003; Pu i in., 2006), i jest wczesny dowód, że regulacja epigenetyczna na bdnf gen może być zaangażowany w pośredniczenie w tej trwałej indukcji (Kumar i wsp., 2005).

Chociaż przeprowadzono mniej badań w celu zbadania poziomu mRNA i białka BDNF po ekspozycji na opiaty, wydaje się, że poziomy BDNF są regulowane przez opiaty w niektórych regionach mózgu związanych z nagrodami. Ostre podawanie morfiny zwiększa poziomy mRNA BDNF w NAc, przyśrodkowej PFC (mPFC), VTA i korze oczodołowo-czołowej. W VTA, przewlekła morfina, podawana przez podskórne (sc) implanty, jest opisywana jako nieskuteczna w zmianie ekspresji mRNA BDNF (Numan i in., 1998). Kontrastuje to jednak ze zmianami w białku BDNF obserwowanym po przewlekłym leczeniu morfiną. Za pomocą rosnących dawek morfiny dootrzewnowej (ip) wykazano, że liczba komórek immunoreaktywnych BDNF w VTA jest zmniejszona (Chu i wsp., 2007), sugerując obniżenie funkcji BDNF. Chociaż żadne raporty nie badały ekspresji BDNF w hipokampie lub ogoniastym skorupie (CPu) po podaniu stymulantów lub opiatów, takie badania są uzasadnione, ponieważ zaobserwowano silne zmiany morfologiczne w neuronach piramidowych regionu CA3 hipokampa i średnich neuronów kolczastych (MSN) CPu w tych warunkach ((Robinson i Kolb, 2004); widzieć Tabela 1).

 

Tabela 1

Zmiany morfologiczne indukowane lekiem

4. Indukowane lekiem zmiany w szlakach sygnałowych BDNF w regionach nagradzających mózg

Wykazano, że kilka białek w kaskadach sygnałowych neurotrofin jest regulowanych w mezolimbicznym układzie dopaminowym przez opiaty i stymulanty; obejmują one wpływ leków na IRS-PI3K – Akt, PLCγ, Ras – ERK i sygnalizację NFκB (Rysunek 3). Stymulanty radykalnie zwiększają fosforylację ERK w wielu regionach mózgu, w tym NAc, VTA i PFC, po ostrym lub przewlekłym podawaniu leków (Jenab i in., 2005; Shi i McGinty, 2006, 2007; Sun i wsp., 2007; Valjent i wsp., 2004; Valjent i wsp., 2005). Odkrycia te są zgodne z indukowanymi przez stymulatory wzrostami rozgałęzień neuronów i liczbą kręgosłupa, biorąc pod uwagę ustaloną rolę Ras-ERK w rozwoju neurytów. Wpływ opiatów na sygnalizację ERK jest mniej wyraźny. Ostatnio doniesiono, że w NAc zmniejsza się fosforylacja ERK (Muller i Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon i in., 2004) i VTA (niepublikowane obserwacje) po przewlekłej morfinie, efekt, który jest zgodny ze zmniejszonymi rozgałęzieniami neurytów obserwowanymi w tych regionach u zwierząt zależnych od morfiny. Jednak wcześniejsze prace z naszej grupy i innych osób wykazały zwiększoną aktywność ERK, w tym zwiększoną fosforylację ERK i aktywność katalityczną w VTA po przewlekłej morfinie (Berhow i in., 1996b; Liu i wsp., 2007; Ortiz i in., 1995). Potrzebne są dalsze badania, aby określić wyjaśnienie tych niezgodnych wyników. Ponadto ważne jest stosowanie wielu podejść do pomiaru aktywności białka, aby zdarzenia biochemiczne mogły być skorelowane z morfologicznymi i behawioralnymi punktami końcowymi. Na przykład hamowanie ERK w neuronach dopaminowych VTA nie wpływa na wielkość komórki (Russo i wsp., 2007), takie, że przyszłe badania są wymagane, aby zająć się funkcjonalnym znaczeniem indukowanych lekiem zmian w aktywności ERK w tym i innych obszarach mózgu, ponieważ odnoszą się one do uzależniających fenotypów.

 

Rysunek 3

Adaptacje kaskad sygnalizacyjnych BDNF związane z plastycznością strukturalną wywołaną opiatami i stymulantami w obwodzie VTA-NAc

Kilka ostatnich raportów wykazało, że na sygnalizację IRS-PI3K – Akt mają wpływ narkotyki (Brami-Cherrier i in., 2002; McGinty i wsp., 2008; Muller i Unterwald, 2004; Russo i wsp., 2007; Shi i McGinty, 2007; Wei i wsp., 2007; Williams i in., 2007). Przewlekłe podawanie opiatów zmniejsza fosforylację Akt zarówno w NAc, jak i VTA (Muller i Unterwald, 2004; Russo i wsp., 2007). Te zmiany biochemiczne odpowiadają zmniejszonemu rozgałęzieniu neuronów i gęstości kręgosłupa dendrytycznego lub, w przypadku neuronów dopaminowych VTA, zmniejszeniu rozmiaru ciała komórki (Diana i in., 2006; Robinson i wsp., 2002; Robinson and Kolb, 1999b; Russo i wsp., 2007; Spiga i wsp., 2005; Spiga i wsp., 2003)

Wpływ stymulantów na sygnalizację IRS-PI3K – Akt w tych regionach jest mniej wyraźny. Na przykład przewlekła kokaina zwiększa aktywność PI3K w skorupie NAc i zmniejsza jego aktywność w rdzeniu NAc (Zhang i in., 2006). Dane te są zgodne z poprzednim raportem pokazującym, że przewlekła kokaina selektywnie zwiększa poziomy mRNA BDNF w powłoce NAc i zmniejsza mRNA receptora TrKB w rdzeniu NAc (Filip i in., 2006). Zatem różnice w powłoce i rdzeniu w aktywności PI3K można wyjaśnić różnicową regulacją w górę BDNF i TrKB przez kokainę. Co ciekawe, gdy stosuje się bardziej ogólną sekcję prążkowia (w tym NAc i CPu), wykazano, że amfetamina zmniejsza aktywność Akt w preparatach synaptosomów (Wei i wsp., 2007; Williams i in., 2007) i zaobserwowaliśmy podobne skutki przewlekłej kokainy w NAc bez rozróżnienia między rdzeniem a otoczką (Pulipparacharuvil i in., 2008). Dodatkowo, badania te są skomplikowane przez przebieg czasowy wykorzystywany do badania zmian sygnalizacji Akt, ponieważ ostatnie prace McGinty'ego i współpracowników sugerują, że przewlekła amfetamina powoduje przejściową i specyficzną dla jądra zmianę fosforylacji Akt w prążkowiu (McGinty i wsp., 2008). We wczesnych punktach czasowych po podaniu amfetaminy występuje specyficzny dla jądra wzrost fosforylacji Akt, jednak po dwóch godzinach zmniejsza się fosforylacja Akt, co sugeruje mechanizm kompensacyjny wyłączający tę aktywność. Zrozumienie dynamicznej zależności między stymulantami a sygnalizacją Akt będzie ważne dla ustalenia, czy ten szlak sygnalizacyjny napędza plastyczną stymulację stymulowaną przez NAc, jak to ma miejsce w przypadku opiatów w VTA (patrz Rozdział 6).

Zmiany w szlakach sygnałowych PLCγ i NFκB w nadużywaniu leków nie były tak dobrze badane jak ERK i Akt; jednak ostatnie prace pokazują, że obie ścieżki są regulowane przez narkotyki. Przewlekłe podawanie morfiny zwiększa całkowity poziom białka PLCγ, jak również poziomy jego aktywowanej postaci fosforylowanej tyrozyny (Wolf i in., 2007; Wolf i in., 1999). Ponadto stwierdzono, że nadekspresja PLCγ za pośrednictwem wirusów w VTA zwiększa aktywność ERK w tym regionie mózgu (Wolf i in., 2007), naśladując podobny wzrost aktywności ERK obserwowany po przewlekłej morfinie we wcześniejszych badaniach (Berhow i in., 1996b). Nadekspresja PLCγ w VTA reguluje również nagrodę opiatową i związane z nią zachowania emocjonalne, z wyraźnymi efektami obserwowanymi w VTA wgłębnym i ogonowym (Bolanos i in., 2003). Podobnie Graham i jego koledzy (Graham i wsp., 2007) obserwowano zwiększoną fosforylację PLCγ w NAc po ostrej, przewlekłej jarzmie i przewlekłej kokainie podawanej samodzielnie, efekt zależny od BDNF.

Wcześniejsze badanie z naszej grupy wykazało, że podjednostki NFκB p105, p65 i IκB są zwiększone w NAc w odpowiedzi na przewlekłe podawanie kokainy (Ang i wsp., 2001). Jest to zgodne z ustaleniami Cadet i współpracowników (Asanuma i Cadet, 1998), który wykazał, że metamfetamina indukuje aktywność wiązania NFκB w regionach prążkowia. Biorąc pod uwagę, że niektóre z regulowanych lekiem białek NFκB aktywują sygnalizację NFκB, podczas gdy inne go hamują, z tych oryginalnych badań nie było jasne, czy obserwowane zmiany białka odzwierciedlają ogólny wzrost lub spadek sygnalizacji NFκB. Niedawno rozwiązaliśmy to pytanie, pokazując, że przewlekłe podawanie kokainy zwiększa aktywność transkrypcyjną NFκB w NAc, w oparciu o wyniki u transgenicznych myszy reporterowych NFκB-LacZ (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Nowsze dowody bezpośrednio sugerują indukcję sygnalizacji NFκB w NAc w strukturalnym i behawioralnym działaniu kokainy (patrz Rozdział 6). Te wczesne odkrycia są intrygujące i uzasadniają dalsze badania, w tym badanie wpływu opiatów na sygnalizację NFκB w regionach nagradzających mózg.

5. Indukowana lekami plastyczność strukturalna w regionach nagradzania mózgu

Obwód nagrody mózgu ewoluował, aby kierować swoimi zasobami w celu uzyskania naturalnej nagrody, ale system ten może zostać uszkodzony lub porwany przez narkotyki. W tym obwodzie plastyczność strukturalna ogólnie charakteryzuje się zmienionym rozgałęzieniem lub arboracją dendrytów oraz zmianami gęstości lub morfometrii kolców dendrytycznych. Chociaż bezpośrednie znaczenie behawioralne zależnych od doświadczenia zmian morfologicznych jest nadal badane, uważa się, że funkcja synaptyczna zależy nie tylko od liczby, ale także od wielkości i kształtu każdej pojedynczej głowy kręgosłupa. Gdy tworzą się kolce, wysyłają cienkie, niedojrzałe struktury, które przybierają kształty stubby, multisynaptyczne, filopodialne lub rozgałęzione (do przeglądu patrz (Bourne i Harris, 2007; Tada i Sheng, 2006). W mózgu dorosłego, w warunkach podstawowych, szacuje się, że co najmniej 10% kolców ma te niedojrzałe kształty sugerujące, że plastyczność jest procesem ciągłym przez całe życie (Fiala i in., 2002; Harris, 1999; Harris i in., 1992; Peters i Kaiserman-Abramof, 1970). Struktury te są przejściowe i mogą tworzyć się w ciągu kilku godzin po stymulacji i utrzymują się przez kilka dni in vivo (Holtmaat i in., 2005; Majewska i in., 2006; Zuo i in., 2005).

Uważa się, że stabilizacja przejściowego, niedojrzałego kręgosłupa w bardziej trwały, funkcjonalny kręgosłup następuje za pośrednictwem mechanizmu zależnego od aktywności (do przeglądu patrz (Tada i Sheng, 2006). Protokoły stymulacji, które indukują długotrwałą depresję (LTD), są związane z kurczeniem się lub cofaniem kolców na hipokampowych i korowych neuronach piramidowych (Nagerl i in., 2004; Okamoto i in., 2004; Zhou i wsp., 2004), podczas gdy indukcja długotrwałego wzmocnienia (LTP) jest związana z tworzeniem nowych kolców i powiększeniem istniejących kolców (Matsuzaki i in., 2004; Nagerl i in., 2004; Okamoto i in., 2004). Na poziomie molekularnym uważa się, że LTP i LTD inicjują zmiany w szlakach sygnałowych oraz w syntezie i lokalizacji białek, które ostatecznie zmieniają polimeryzację aktyny, wpływając na dojrzewanie kręgosłupa i stabilność, a ostatecznie na wytworzenie funkcjonalnego kręgosłupa (LTP) lub wycofanie istniejącego kręgosłupa (LTD) (do przeglądu patrz (Bourne i Harris, 2007; Tada i Sheng, 2006). Po ustabilizowaniu się kolce mają kształt grzybów, mają większe gęstości postsynaptyczne (Harris i in., 1992) i wykazano, że utrzymują się przez miesiące (Holtmaat i in., 2005; Zuo i in., 2005). Zmiany te odzwierciedlają wysoce stabilne zdarzenie komórkowe, które może być wiarygodnym wyjaśnieniem przynajmniej niektórych długoterminowych zmian behawioralnych związanych z uzależnieniem od narkotyków.

Większość klas substancji uzależniających, podawanych przewlekle, zmienia plastyczność strukturalną w obwodzie nagrody w mózgu. Większość z tych badań wiąże się ze zmianami strukturalnymi w określonych regionach mózgu o fenotypie behawioralnym wskazującym na uzależnienie. W ciągu ostatniej dekady Robinson i jego współpracownicy doprowadzili do zrozumienia, w jaki sposób narkotyki regulują plastyczność strukturalną (patrz przeglądRobinson i Kolb, 2004). Od czasu tych oryginalnych obserwacji inni badacze nadużywania narkotyków dodali do tej rozwijającej się literatury, aby odkryć specyficzny dla klasy leków wpływ na morfologię neuronów. Jak przedstawiono w Tabela 1 i Rysunek 3, opiaty i stymulanty różnie wpływają na plastyczność strukturalną. Wykazano, że opiaty zmniejszają liczbę i złożoność kolców dendrytycznych na neuronach piramidalnych NAc i neuronach piramidowych mPFC i hipokampa oraz zmniejszają całkowity rozmiar somatyczny neuronów dopaminergicznych VTA, bez wpływu na neurony nie-dopaminergiczne w tym obszarze mózgu (Nestler, 1992; Robinson i Kolb, 2004; Russo i wsp., 2007; Sklair-Tavron i wsp., 1996). Do tej pory istnieje jeden wyjątek od tych ustaleń, w którym doniesiono, że morfina zwiększa liczbę kręgosłupa w neuronach kory oczodołowo-czołowej (Robinson i wsp., 2002). W przeciwieństwie do opiatów, środki pobudzające, takie jak amfetamina i kokaina, konsekwentnie zwiększają kolce dendrytyczne i złożoność w NAc MSN, neuronach dopaminergicznych VTA i neuronach piramidalnych PFC, bez doniesień o zmniejszonej plastyczności strukturalnej (Lee i wsp., 2006; Norrholm i wsp., 2003; Robinson i wsp., 2001; Robinson i Kolb, 1997, 1999; Sarti i in., 2007).

Chociaż mechanizmy molekularne poniżej sygnalizacji czynnika neurotroficznego leżące u podstaw tych zmian są słabo poznane, wielu z tych zmian strukturalnych towarzyszą zmiany poziomów lub aktywności białek dobrze znanych z regulowania cytoszkieletu neuronalnego. Obejmują one, ale nie wyłącznie, zmiany wywołane lekami w białku 2 związanym z mikrotubulami (MAP2), białka neurofilamentowe, regulowane aktywnością białko związane z cytoszkieletem (Arc), kinazę LIM (LIMK), czynnik wzmacniający miocyt 2 (MEF2) , kinaza zależna od cykliny s5 (Cdk5), gęstość postsynaptyczna 95 (PSD95) i kofilina, jak również zmiany w cyklach aktyny w NAc lub innych regionach nagradzania mózgu (Beitner-Johnson i wsp., 1992; Bibb i wsp., 2001; Chase i in., 2007; Marie-Claire i in., 2004; Pulipparacharuvil i in., 2008; Toda i in., 2006; Yao i wsp., 2004; Ziolkowska i in., 2005). Ponieważ wiele zmian biochemicznych wywołanych przez stymulanty i morfinę jest podobnych, ważne będzie zidentyfikowanie różnych docelowych genów regulowanych opiatami i stymulantami związanych z funkcją dendrytyczną, ponieważ mogą one zapewnić wgląd w ogólnie przeciwne działanie opiatów i stymulantów na neurotrofię plastyczność strukturalna zależna od czynnika.

Przeciwne zmiany morfologiczne wywołane w regionach nagradzania mózgu przez opiaty i środki pobudzające są paradoksalne, ponieważ oba leki powodują bardzo podobne fenotypy behawioralne. Na przykład specyficzne schematy leczenia opiatów i stymulantów, z których oba powodują uczulenie narządu ruchu i podobne wzorce eskalacji samopodawania leku, powodują przeciwne zmiany gęstości dendrytycznej kręgosłupa w NAc (Robinson i Kolb, 2004). Tak więc, jeśli te zmiany morfologiczne są ważnymi mediatorami uzależnienia, albo muszą mieć właściwości dwukierunkowe, dzięki czemu zmiana od linii podstawowej w obu kierunkach daje ten sam fenotyp behawioralny, lub pośredniczą w odrębnych fenotypach behawioralnych lub innych, które nie są wychwytywane za pomocą używanych narzędzi eksperymentalnych . Ponadto wyniki te należy rozważyć w kontekście omawianego paradygmatu podawania leków. Na przykład w naszych badaniach zwierzęta otrzymują wysokie dawki podskórnej morfiny, stale uwalniane z implantów peletkowych, paradygmat bardziej zgodny z tolerancją opiatów i uzależnieniem. W przeciwieństwie do tego, większość paradygmatów pobudzających wykorzystuje raz do kilku razy dziennie zastrzyki leku, umożliwiając osiągnięcie maksymalnego poziomu we krwi i powrót do wartości wyjściowych przed kolejnym podaniem, paradygmaty bardziej zgodne z uczuleniem na leki. Wzorce używania opiatów i stymulantów przez ludzi mogą się znacznie różnić w zależności od osoby. Dlatego przyszłe badania będą musiały uwzględniać behawioralne znaczenie indukowanych lekiem zmian morfologicznych w regionach nagradzania mózgu w kontekście paradygmatów dawkowania i podawania leków, które odzwierciedlają narażenie obserwowane u ludzi.

6. Rola BDNF i jego kaskad sygnalizacyjnych w plastyczności strukturalnej i behawioralnej indukowanej lekami

Przypuszcza się, że zmiany w sygnalizowaniu czynnika wzrostu są głównym czynnikiem wpływającym na plastyczność strukturalną i behawioralną związaną z uzależnieniem od narkotyków. Badania na ludziach są ograniczone. U ludzi uzależnionych od kokainy, amfetaminy, alkoholu lub opiatów zaobserwowano indukowane przez leki zmiany BDNF w surowicy (Angelucci i in., 2007; Janak i in., 2006; Kim i wsp., 2005), jednak źródło tego BDNF i znaczenie tych zmian dla początku i utrzymania uzależnienia pozostały niejasne. Interesujące byłoby w przyszłych badaniach zbadanie BDNF i jego szlaków sygnałowych w ludzkiej pośmiertnej tkance mózgowej.

W ciągu ostatniej dekady praca u gryzoni ustaliła wpływ BDNF na różne fazy procesu uzależnienia. Wczesne badania wykazały, że miejscowy wlew BDNF do VTA lub NAc zwiększa lokomotoryczność i nagradza reakcje na kokainę, podczas gdy globalna utrata BDNF wywiera przeciwne skutki (Hall i wsp., 2003; Horger i wsp., 1999; Lu i wsp., 2004). Nowsze prace wykazały, że samokontrola kokainy zwiększa sygnalizację BDNF w NAc (Graham i wsp., 2007). Ponadto, wlew BDNF wewnątrz NAc nasila samorzutne zażywanie kokainy i poszukiwanie kokainy oraz nawrót, podczas gdy wlew przeciwciał przeciwko BDNF lub miejscowy nokaut bdnf gen w NAc (osiągnięty przez wirusową ekspresję rekominazy Cre w floxed myszach BDNF), blokuje te zachowania. Na podstawie tych badań Graham i współpracownicy (2007) stwierdził, że uwalnianie BDNF w NAc podczas inicjacji samodzielnego podawania kokainy jest niezbędnym elementem procesu uzależnienia.

Dane te potwierdzają pogląd, że BDNF jest cząsteczką kandydującą do pośredniczenia w zmianach strukturalnych w neuronach NAc wytwarzanych przez chroniczną ekspozycję na kokainę lub inne stymulanty. Zgodnie z tą hipotezą, indukowane stymulantem zwiększenie sygnalizacji BDNF w NAc wywołałoby wzrost arborizacji dendrytycznych neuronów NAc, co leżałoby u podstaw uwrażliwionych reakcji behawioralnych na stymulanty, jak również silnych wspomnień związanych z narkotykami, istotnych dla nawrotu i uzależnienia. Zgodne z tą hipotezą są odkrycia pochodzące z hodowanych neuronów hipokampa, gdzie wykazano, że wydzielanie BDNF indukuje zależne od syntezy białek powiększenie poszczególnych kolców dendrytycznych (Tanaka i in., 2008b). Słabością tej hipotezy jest to, że nie było bezpośrednich dowodów eksperymentalnych, że wzmocnienie kolców dendrytycznych neuronów NAc per se jest konieczne lub wystarczające dla uczulonych odpowiedzi leków. W rzeczywistości istnieją dane sugerujące bardziej złożoną zależność między dwoma zjawiskami: hamowanie Cdk5 w NAc blokuje zdolność kokainy do zwiększania kolców dendrytycznych na neuronach NAc, pomimo faktu, że takie hamowanie nasila lokomotoryczne i nagradzające reakcje na kokainę (Norrholm i wsp., 2003; Taylor i wsp., 2007). Oczywiście potrzebne są dalsze prace, aby zbadać związek między tą strukturalną i behawioralną plastycznością.

Innym ważnym zastrzeżeniem do tej hipotezy jest to, że zmiany w sygnalizacji BDNF mogą powodować głęboko różne efekty na morfologię i zachowanie neuronów w zależności od badanego regionu mózgu. Ostatnie doniesienia rozróżniły funkcję BDNF w hipokampie od VTA (Berton i in., 2006; Eisch i in., 2003; Krishnan i in., 2007; Shirayama i in., 2002): Wlewy BDNF w hipokampie są podobne do leków przeciwdepresyjnych, podczas gdy wlewy BDNF w VTA lub NAc wywołują efekty podobne do działania proliferacyjnego. Podobne wzorce pojawiają się w dziedzinie uzależnień. Warto zauważyć, że zwiększone BDNF w NAc zwiększa zachowania indukowane kokainą (Graham i wsp., 2007; Horger i wsp., 1999), podczas gdy w PFC BDNF tłumi te same zachowania (Berglind i in., 2007). Nic dziwnego, że indukcja BDNF przez kokainę jest również regulowana w różny sposób w tych dwóch obszarach mózgu, co dodatkowo potwierdza różnice behawioralne (Fumagalli i in., 2007).

Wstępne dowody wskazują, że sygnalizacja NFκB wpływa na regulowaną przez kokainę plastyczność strukturalną i behawioralną. Chociaż bezpośredni mechanizm, za pomocą którego zachodzą te zmiany, jest nieznany, wcześniejsze prace wykazały, że p75NTR, który znajduje się powyżej NFκB, jest zlokalizowany w synapsie i że aktywacja p75NTR przez BDNF jest konieczna dla LTD. Chociaż interakcje BDNF-TrkB były szeroko badane w nadużywaniu leków, dane te sugerują alternatywny szlak przez NFκB, który uzasadnia dalsze badania. Zgodnie z tą hipotezą ostatnio zaobserwowaliśmy, że nadekspresja wirusa za pośrednictwem dominującego negatywnego antagonisty szlaku NFκB w NAc zapobiega zdolności przewlekłej kokainy do zwiększania gęstości kolców dendrytycznych w NAc MSN. Takie hamowanie sygnalizacji NFκB osłabia także uczulenie na satysfakcjonujące efekty kokainy (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Dane te, w przeciwieństwie do cytowanej powyżej sytuacji Cdk5, potwierdzają związek między zwiększoną arborizacją dendrytyczną a uczuleniem behawioralnym na kokainę, dodatkowo podkreślając złożoność tych zjawisk i potrzebę dalszych badań.

Chociaż ograniczone prace dotyczyły znaczenia sygnalizacji czynnika neurotroficznego w zachowaniach indukowanych opiatami, prace naszego laboratorium ujawniły rolę BDNF i dalszego szlaku IRS2-PI3K-Akt w regulacji wielkości komórek dopaminergicznych VTA i późniejszej tolerancji nagrody (Russo i wsp., 2007; Sklair-Tavron i wsp., 1996). W szczególności, przewlekłe podawanie opiatów u gryzoni powoduje stan tolerancji nagrody i uzależnienia fizycznego podczas stosunkowo wczesnych okresów odstawienia, które uważa się za przyczyniające się do eskalacji zachowań związanych z zażywaniem narkotyków. Wczesne eksperymenty wykazały, że wlew BDNF wewnątrz VTA zapobiega indukowanemu przez morfinę zmniejszeniu rozmiaru neuronu VTA (Sklair-Tavron i wsp., 1996). Niedawno wykazaliśmy, że harmonogram tolerancji nagrody, mierzony za pomocą warunkowej preferencji miejsca, jest równoległy do ​​osi czasu zmniejszonego rozmiaru komórek dopaminergicznych i że zjawiska te są mediowane przez kaskady sygnalizacyjne BDNF (Russo i wsp., 2007). Jak wspomniano wcześniej, biochemiczne szlaki sygnałowe w VTA, które znajdują się poniżej BDNF i receptora TrKB, są w różny sposób regulowane przez przewlekłą morfinę: morfina aktywuje PLCγ (Wolf i in., 2007; Wolf i in., 1999), zmniejsza aktywność ścieżki IRS – PI3K – Akt (Russo i wsp., 2007; Wolf i in., 1999) i tworzy zmienne efekty na ERK (patrz wyżej). W świetle ostatnich dowodów, że Akt reguluje rozmiar wielu typów komórek w ośrodkowym układzie nerwowym (Backman i in., 2001; Kwon i in., 2006; Kwon i in., 2001; Scheidenhelm i in., 2005), wykorzystaliśmy techniki transferu genów wirusowych, aby bezpośrednio wykazać, że morfina wytwarza tolerancję nagrody poprzez hamowanie szlaku IRS2 – PI3K – Akt i zmniejszenie rozmiarów neuronów dopaminowych VTA. Efektów tych nie obserwowano przez zmianę sygnalizacji ERK lub PLCγ, ponownie wskazując na znaczenie sygnalizacji IRS-PI3K – Akt dla tego zjawiska. Przyszłe badania będą dotyczyć znaczenia szlaków BDNF i IRS – PI3K – Akt w eskalacji samo-administracji opiatami, bardziej klinicznie istotnego paradygmatu do pomiaru uzależnienia. Lepsze zrozumienie wcześniejszych zmian czynników neurotroficznych lub ich receptorów i dalszych celów Akt będzie dotyczyć specyficznych mechanizmów tolerancji opiatów w modelach uzależnień. Ponadto ważne będzie zrozumienie roli sygnalizacji BDNF w regulacji funkcji VTA w kontekście obwodu nerwowego. W tym względzie warto zauważyć, że Pu i in. (2006) wykazali, że po wycofaniu się z powtarzanej ekspozycji na kokainę, synapsy pobudzające na neurony dopaminowe w VTA są bardziej wrażliwe na wzmocnienie przez słabe bodźce presynaptyczne, efekt wymagający endogennej sygnalizacji BDNF-TrkB.

7. Rola innych czynników neurotroficznych w plastyczności strukturalnej i behawioralnej indukowanej lekami

Podczas gdy powyższa dyskusja skupia się na BDNF i jego kaskadach sygnalizacyjnych, istnieją dowody na to, że kilka innych czynników neurotroficznych i ich dalsze szlaki sygnałowe wpływają również na behawioralne lub biochemiczne reakcje na narkotyki. Wykazano, że NT3, podobnie jak BDNF, promuje uczulone reakcje na kokainę na poziomie VTA (Pierce i Bari, 2001; Pierce i in., 1999). Przewlekłe podawanie morfiny lub kokainy zwiększa sygnał neurotroficzny pochodzący z linii komórek glejowych (GDNF) w obwodzie VTA-NAc, który z kolei przekazuje i tłumi behawioralne skutki tych narkotyków (Messer i in., 2000). Amfetamina indukuje podstawowy czynnik wzrostu fibroblastów (bFGF) w obwodzie VTA-NAc i myszy z nokautem bFGF mają tępą odpowiedź na uczulenie narządu ruchu wywołane powtarzanymi wstrzyknięciami amfetaminy (Flores i in., 2000; Flores i Stewart, 2000). Cytokina, rzęskowy czynnik neurotroficzny (CNTF), podawany bezpośrednio do VTA, zwiększa zdolność kokainy do indukowania adaptacji biochemicznych w tym regionie mózgu; kokaina zwiększa wewnątrzkomórkowe kaskady sygnalizacyjne poprzez kinazę Janus (JAK) i przekaźniki sygnału i aktywatory transkrypcji (STAT), efekt, który został wzmocniony przez ostrą infuzję CNTF (Berhow i in., 1996a). Istnieją również dowody, że przewlekła morfina zmienia poziom insulinopodobnego czynnika wzrostu 1 (IGF1) w VTA i innych regionach mózgu (Beitner-Johnson i wsp., 1992). Te odosobnione odkrycia wskazują, że różnorodne mechanizmy neurotroficzne kontrolują funkcję VTA-NAc w celu regulowania plastyczności leków nadużywanych w złożony sposób i podkreślają potrzebę dalszych badań w tej dziedzinie.

8. Wnioski

W ciągu ostatniej dekady poszerzyliśmy naszą wiedzę o tym, jak narkotyki regulują szlaki sygnalizacji neurotroficznej i morfologię różnych populacji neuronów w obwodach nagrody mózgu. Ostatnie postępy w wirusowym transferze genów pozwalają na manipulację specyficznymi neurotroficznymi białkami sygnalizacyjnymi w danym regionie mózgu będącym przedmiotem zainteresowania w pełni rozwiniętych dorosłych zwierząt w celu zbadania związków między nadużywaniem leków, morfologią neuronów i plastycznością behawioralną. Dzięki nowym bicistronowym wektorom wirusowym możliwa jest ekspresja białka, które manipuluje neurotroficznymi szlakami sygnalizacyjnymi, a także białkiem fluorescencyjnym do wizualizacji morfologii neuronów (Clark i in., 2002). Tak więc, dzięki ulepszonym technikom immunohistochemicznym do znakowania specyficznych populacji neuronów, możliwe jest oszacowanie zmian morfologicznych wywołanych lekami i związanych z nimi adaptacji biochemicznych w sygnalizacji neurotroficznej w sposób specyficzny dla typu komórki, a zatem dostarcza kluczowych informacji dla indukowanej lekami regulacji heterogenicznego mózgu regiony nagrody. Wykorzystując wielodyscyplinarne podejścia z behawioralnymi, fizjologicznymi, biochemicznymi i morfologicznymi punktami końcowymi, coraz bardziej możliwe będzie zdefiniowanie mechanizmów uzależnienia z dużo większą precyzją, w tym precyzyjną rolę czynnika neurotroficznego sygnalizującego w plastyczności zależnej od doświadczenia i procesie uzależnienia. Wiedza ta może prowadzić do opracowania nowych interwencji medycznych w celu znormalizowania plastyczności nieprzystosowanej indukowanej przez leki nadużywane w regionach nagradzania mózgu i tym samym odwrócenia procesu uzależnienia u ludzi.

Przypisy

Referencje