Czynniki neurotroficzne i strukturalna plastyczność w uzależnieniu (2009)

Opublikowany w końcowym edytowanym formularzu jako:

• 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 i Eric J. Nestler ^*

Informacje o autorze ► Informacje o prawach autorskich i licencji ►

Idź do:

Abstrakcja

1. Wstęp

Istotną cechą uzależnienia od narkotyków jest to, że dana osoba kontynuuje używanie narkotyków pomimo zagrożenia poważnie niekorzystnymi konsekwencjami fizycznymi lub psychospołecznymi. Chociaż nie wiadomo na pewno, co napędza te wzorce zachowań, postawiono hipotezę, że ważne są długoterminowe zmiany zachodzące w obwodach nagrody w mózgu ( Rysunek 1 ). W szczególności uważa się, że adaptacje neuronów dopaminergicznych brzusznego obszaru nakrywki (VTA) i ich neuronów docelowych w jądrze półleżącym (NAc) zmieniają reakcje jednostki na narkotyki i naturalne nagrody, prowadząc do tolerancji na narkotyki, dysfunkcji nagrody, eskalacji przyjmowania narkotyków i ostatecznie kompulsywnego używania ( Everitt i in., 2001 ; Kalivas i O'Brien, 2008 ; Koob i Le Moal, 2005 ; Nestler, 2001 ; Robinson i Kolb, 2004 ).

W ostatnich latach podejmowano intensywne wysiłki mające na celu określenie zmian komórkowych i molekularnych zachodzących podczas przejścia od początkowego zażywania narkotyków do ich kompulsywnego przyjmowania. Spośród wielu rodzajów adaptacji wywołanych przez narkotyki, zaproponowano, że zmiany w neurotroficznym czynniku pochodzenia mózgowego (BDNF) lub pokrewnych neurotrofinach oraz ich szlakach sygnałowych modyfikują funkcję neuronów w obwodzie VTA-NAc i innych obszarach nagrody, modulując motywację do zażywania narkotyków ( Bolanos i Nestler, 2004 ; Pierce i Bari, 2001 ). Wniosek z tej hipotezy jest taki, że takie adaptacje komórkowe i molekularne wywołane przez czynnik wzrostu znajdują odzwierciedlenie w zmianach morfologicznych neuronów związanych z nagrodą. Na przykład przewlekłe podawanie stymulantów zwiększa rozgałęzienia dendrytów i liczbę kolców dendrytycznych oraz dynamicznie zwiększa poziomy BDNF w kilku obszarach nagrody w mózgu, podczas gdy przewlekłe podawanie opiatów zmniejsza rozgałęzienia i kolce dendrytyczne, a także poziomy BDNF w niektórych z tych samych obszarów (dla przeglądu zobacz ( Robinson i Kolb, 2004 ; Thomas i in., 2008 ). Ponadto przewlekłe podawanie morfiny zmniejsza rozmiar neuronów dopaminowych VTA, efekt odwracany przez BDNF ( Russo i in., 2007 ; Sklair-Tavron i in., 1996 ). Jednak nadal brakuje bezpośrednich, przyczynowych dowodów na to, że te zmiany strukturalne napędzają uzależnienie.

Propozycja, że ​​BDNF może być powiązany z plastycznością strukturalną obwodu VTA-NAc w modelach uzależnień, jest zgodna z obszerną literaturą, która wskazuje na udział tego czynnika wzrostu w regulacji kolców dendrytycznych. Na przykład badania z wykorzystaniem warunkowych delecji BDNF lub receptora TrkB pokazują, że są one niezbędne do proliferacji i dojrzewania kolców dendrytycznych w rozwijających się neuronach, a także do utrzymania i proliferacji kolców w 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 i przetrwaniu neuronów, od dawna stanowi cel badań neurologicznych. Jednakże sygnalizacja czynników neurotroficznych w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) dorosłych osobników stała się w ciągu ostatniej dekady ważnym obszarem zainteresowania, ponieważ wykazano, że sygnalizacja neurotroficzna moduluje plastyczność neuronalną i zachowanie organizmu przez całe jego życie (przegląd można znaleźć w publikacji ( Chao, 2003 )). Pierwszy zidentyfikowany czynnik neurotroficzny, czynnik wzrostu nerwów (NGF), został wyizolowany w 1954 roku ( Cohen i in., 1954 ); klonowanie samego genu nastąpiło dopiero w 1983 roku ( Scott i in., 1983 ). Odkryciu temu towarzyszyło oczyszczenie i identyfikacja dodatkowych czynników wzrostu podobnych do NGF, które zdefiniowały 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 neurotrofin są paralogami i wykazują znaczną homologię ( Hallbook i in., 2006 ); wszystkie są polipeptydami, które homodimeryzują i występują zarówno w formach niedojrzałych, jak i dojrzałych w ośrodkowym układzie nerwowym. Chociaż od dawna uważano, że rozszczepiona dojrzała forma o masie cząsteczkowej ~13 kDa była aktywną cząsteczką sygnałową, najnowsze badania wskazują, że pro- (niedojrzałe) formy neurotrofin, które zachowują swój N-koniec, są wykrywalne w mózgu ( Fahnestock i in., 2001 ) i pośredniczą w kaskadach sygnałowych odrębnych od dojrzałych peptydów. Działanie NGF w dorosłym ośrodkowym układzie nerwowym jest w dużej mierze zlokalizowane w komórkach cholinergicznych w podstawnej części przodomózgowia, podczas gdy dystrybucja pozostałych neurotrofin jest znacznie bardziej rozległa.

Dalsza specyficzność sygnału neurotrofiny jest produkowana poprzez różnicową ekspresję receptorów neurotrofiny, które można podzielić na dwie kategorie, receptory kinazy związanej z tropomiozyną (Trk) i receptory neurotrofiny p75 (p75NTR). 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 in., 2001 ; Rodriguez-Tebar i in., 1990 ; Rodriguez-Tebar i in., 1992 ). W przeciwieństwie do p75NTR, rodzina receptorów Trk wykazuje specyficzność wobec 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 do propeptydów, zarówno niedojrzałe, jak i dojrzałe formy mogą wiązać p75NTR z wysokim powinowactwem. Ponadto wykazano, że p75NTR tworzy kompleksy z receptorami Trk, a te kompleksy receptorów wykazują zwiększone powinowactwo do odpowiednich ligandów Trk w porównaniu do homodimerycznych Trk.

Receptory Trk to pojedyncze białka transbłonowe, składające się z zewnątrzkomórkowej domeny wiążącej ligand oraz regionu wewnątrzkomórkowego zawierającego domenę kinazy tyrozynowej. Podobnie jak inne receptory kinaz tyrozynowych, receptory Trk homodimeryzują w odpowiedzi na wiązanie ligandu, co umożliwia transfosforylację w pętli aktywacyjnej, zwiększając aktywność katalityczną kinazy receptorowej. Transfosforylacja reszt tyrozynowych w domenie przybłonowej i na C-końcu generuje miejsca przyłączenia dla białek „łącznikowych” typu SH2 (homologia Src 2), takich jak białko zawierające domenę homologiczną Src (Shc) i fosfolipaza Cγ (PLCγ). Wiązanie Shc inicjuje kaskady sygnałowe prowadzące ostatecznie do aktywacji szlaków kinazy białkowej aktywowanej mitogenami (MAPK) i kinazy fosfatydyloinozytolu 3′ (PI3K). Stymulacja szlaku MAPK obejmuje aktywację kinazy regulowanej sygnałem pozakomórkowym (ERK), podczas gdy wiązanie substratu receptora insuliny (IRS) prowadzi do rekrutacji i aktywacji PI3K oraz do aktywacji kinaz położonych niżej w szlaku, takich jak protoonkogen wirusowy grasicy (Akt), znany również jako kinaza białkowa B (PKB). Fosforylacja i aktywacja PLCγ prowadzi do powstania trifosforanu inozytolu (1,4,5) (IP3 ₎ i diacyloglicerolu (DAG) oraz do stymulacji kinazy białkowej C (PKC) i komórkowych szlaków Ca2 ⁺ . Te trzy główne szlaki sygnałowe – PI3K, PLCγ i MAPK/ERK – indukowane przez aktywację receptora Trk są zilustrowane na rysunku 2 . Co ciekawe, istnieją dowody na różnicową 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 w przypadku zmian w morfologii i zachowaniu neuronów wywołanych lekami, co zostanie szczegółowo opisane w dalszych częściach niniejszego przeglądu.

W porównaniu z rozległą wiedzą na temat konsekwencji aktywacji receptora Trk, znacznie mniej wiadomo na temat roli sygnalizacji p75NTR w funkcjonowaniu neurotrofin. Aktywacja efektorów Trk zazwyczaj prowadzi do sygnałów sprzyjających przeżyciu i różnicowaniu, podczas gdy aktywacja p75NTR inicjuje kaskady sygnalizacji sprzyjającej zarówno przeżyciu, jak i śmierci. Sygnalizacja przeżycia poprzez p75NTR wymaga dalszego działania czynnika jądrowego kappa B (NFκB), który uważa się za aktywowany pośrednio przez czynnik związany z receptorem TNF (czynnik martwicy nowotworów) 4/6 (TRAF4/6) lub białko oddziałujące z receptorem 2 (RIP2) (przegląd: patrz ( Chao, 2003 )). Chociaż sygnalizacja neurotrofinowa umożliwia powstanie wielu złożonych sygnałów zależnych od wzorca ekspresji neurotrofin i receptorów oraz przetwarzania peptydów neurotrofinowych, niniejszy przegląd koncentruje się na zmianach w szlakach sygnalizacji neurotrofinowych za pośrednictwem BDNF wywołanych przez leki.

3. Indukowane lekiem zmiany w BDNF w regionach nagradzających mózg

Zmiany w poziomach białka BDNF i mRNA zostały zbadane w wielu obszarach mózgu po podaniu wielu klas substancji uzależniających. Stymulanty powodują rozległą, ale przejściową indukcję białka BDNF w NAc, korze przedczołowej (PFC), VTA oraz jądrach centralnych (CeA) i jądrach boczno-podstawnych (BLA) ciała migdałowatego ( Graham i in., 2007 ; Grimm i in., 2003 ; Le Foll i in., 2005 ). Zarówno warunkowe, jak i niewarunkowe (tj. zwierzęta zaprzęgnięte do zwierząt podających sobie kokainę) podanie kokainy powoduje podwyższony poziom białka BDNF w NAc ( Graham i in., 2007 ; Liu i in., 2006 ; Zhang i in., 2002 ). Podobnie długotrwałe odstawienie kokainy, trwające do 90 dni po jej samodzielnym przyjęciu, koreluje ze zwiększonym poziomem białka BDNF w NAc, VTA i ciele migdałowatym ( Grimm i in., 2003 ; Pu i in., 2006 ), a istnieją wczesne dowody na to, że regulacja epigenetyczna genu bdnf może być zaangażowana w mediację tej trwałej indukcji ( Kumar i in., 2005 ).

Chociaż przeprowadzono mniej badań w celu zbadania poziomów mRNA i białka BDNF po ekspozycji na opiaty, wydaje się, że poziomy BDNF są regulowane przez opiaty w pewnych obszarach mózgu związanych z nagrodą. Ostre podanie morfiny zwiększa poziomy mRNA BDNF w NAc, środkowej części PFC (mPFC), VTA i korze oczodołowo-czołowej. W VTA przewlekłe podawanie morfiny za pomocą implantów podskórnych (sc) jest uważane za nieskuteczne w zmienianiu ekspresji mRNA BDNF ( Numan i in., 1998 ). Jest to jednak w kontraście do zmian w białku BDNF obserwowanych po przewlekłym leczeniu morfiną. Przy użyciu rosnących dawek morfiny dootrzewnowej (ip) wykazano, że liczba immunoreaktywnych komórek BDNF w VTA jest zmniejszona ( Chu i in., 2007 ), co sugeruje regulację w dół funkcji BDNF. Chociaż nie ma doniesień dotyczących badania ekspresji BDNF w hipokampie lub jądrze ogoniastym (CPu) po podaniu stymulantów lub opiatów, takie badania są uzasadnione, ponieważ zaobserwowano znaczne zmiany morfologiczne w neuronach piramidowych regionu CA3 hipokampa i średnich neuronach kolczastych (MSN) CPu w tych warunkach (( Robinson i Kolb, 2004 ); patrz Tabela 1 ).

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 sygnalizację IRS–PI3K–Akt, PLCγ, Ras–ERK i NFκB ( Rysunek 3 ). Stymulanty dramatycznie zwiększają fosforylację ERK w wielu obszarach mózgu, w tym NAc, VTA i PFC, po ostrym lub przewlekłym podawaniu leków ( Jenab i in., 2005 ; Shi i McGinty, 2006 , 2007 ; Sun i in., 2007 ; Valjent i in., 2004 ; Valjent i in., 2005 ). Odkrycia te są zgodne ze wzrostem rozgałęzień neuronalnych i liczby kolców nerwowych wywołanym stymulantami, biorąc pod uwagę ustaloną rolę Ras–ERK w rozroście wypustek nerwowych. Wpływ opiatów na sygnalizację ERK jest mniej jasny. Ostatnio doniesiono, że fosforylacja ERK jest zmniejszona w NAc ( Muller i Unterwald, 2004 ), PFC ( Ferer-Alcon i in., 2004 ) i VTA (niepublikowane obserwacje) po przewlekłym podawaniu morfiny, co jest efektem zgodnym ze zmniejszonym rozgałęzianiem neurytów obserwowanym w tych regionach u zwierząt uzależnionych od morfiny. Jednak wcześniejsze prace naszej grupy i innych wykazały zwiększoną aktywność ERK, w tym zwiększoną fosforylację ERK i aktywność katalityczną, w VTA po przewlekłym podawaniu morfiny ( Berhow i in., 1996b ; Liu i in., 2007 ; Ortiz i in., 1995 ). Konieczne są dalsze badania w celu ustalenia wyjaśnienia tych rozbieżnych ustaleń. Ponadto ważne jest, aby stosować wiele podejść do pomiaru aktywności białka, tak aby zdarzenia biochemiczne mogły być skorelowane z punktami końcowymi morfologicznymi i behawioralnymi. Na przykład hamowanie ERK w neuronach dopaminowych VTA nie wpływa na wielkość komórek ( Russo i in., 2007 ), w związku z czym konieczne są dalsze badania, aby określić funkcjonalne znaczenie zmian w aktywności ERK wywołanych lekami w tym i innych obszarach mózgu w kontekście fenotypów uzależniających.

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 jasny. Na przykład, przewlekłe stosowanie kokainy zwiększa aktywność PI3K w powłoce NAc i zmniejsza jej aktywność w rdzeniu NAc ( Zhang i in., 2006 ). Dane te są zgodne z wcześniejszymi doniesieniami, które wykazały, że przewlekłe stosowanie kokainy selektywnie zwiększa poziom mRNA BDNF w powłoce NAc i zmniejsza poziom mRNA receptora TrKB w rdzeniu NAc ( Filip i in., 2006 ). Zatem różnice w aktywności PI3K w powłoce i rdzeniu można wyjaśnić różnicą w regulacji BDNF i TrKB przez kokainę. Co ciekawe, gdy stosowana jest bardziej ogólna dysekcja prążkowia (w tym NAc i CPu), wykazano, że amfetamina zmniejsza aktywność Akt w preparatach synaptosomów ( Wei i in., 2007 ; Williams i in., 2007 ), a my zaobserwowaliśmy podobne efekty przewlekłej kokainy w NAc bez rozróżniania rdzenia i powłoki ( Pulipparacharuvil i in., 2008 ). Ponadto badania te są skomplikowane ze względu na przebieg czasowy użyty do badania zmian sygnalizacji Akt, ponieważ niedawna praca McGinty'ego i współpracowników sugeruje, że przewlekła amfetamina powoduje przejściową i specyficzną dla jądra zmianę fosforylacji Akt w prążkowiu ( McGinty i in., 2008 ). We wczesnych punktach czasowych po podaniu amfetaminy występuje specyficzny dla jądra wzrost fosforylacji Akt, jednak po dwóch godzinach fosforylacja Akt jest zmniejszona, co sugeruje mechanizm kompensacyjny, aby wyłączyć tę aktywność. Zrozumienie dynamicznej relacji między środkami pobudzającymi a sygnalizacją Akt będzie istotne dla ustalenia, czy ta ścieżka sygnałowa powoduje strukturalną plastyczność w NAc wywołaną przez środki pobudzające, tak jak ma to miejsce w przypadku opiatów w VTA (patrz rozdział 6).

Zmiany w szlakach sygnałowych PLCγ i NFκB w nadużywaniu narkotyków nie zostały tak dobrze zbadane jak ERK i Akt; jednakże ostatnie badania pokazują, że oba szlaki są regulowane przez narkotyki. Przewlekłe podawanie morfiny zwiększa całkowity poziom białka PLCγ, a także poziom jego aktywowanej formy tyrozynowo-fosforylowanej ( Wolf i in., 2007 ; Wolf i in., 1999 ). Co więcej, stwierdzono, że wirusowo pośredniczona nadmierna ekspresja PLCγ w VTA zwiększa aktywność ERK w tym obszarze mózgu ( Wolf i in., 2007 ), naśladując w ten sposób podobny wzrost aktywności ERK obserwowany po przewlekłym przyjmowaniu morfiny we wcześniejszych badaniach ( Berhow i in., 1996b ). Nadmierna ekspresja PLCγ w VTA reguluje również nagrodę opioidową i powiązane zachowania emocjonalne, z wyraźnymi efektami obserwowanymi w rostralnej vs. ogonowej VTA ( Bolanos i in., 2003 ). Podobnie Graham i współpracownicy ( Graham i in., 2007 ) zaobserwowali zwiększoną fosforylację PLCγ w NAc po ostrym, przewlekłym i przewlekłym samodzielnym przyjmowaniu kokainy, a efekt ten zależał od BDNF.

Wcześniejsze badanie naszej grupy wykazało, że podjednostki NFκB p105, p65 i IκB są zwiększone w NAc w odpowiedzi na przewlekłe podawanie kokainy ( Ang i in., 2001 ). Jest to zgodne z wynikami badań Cadeta i współpracowników ( Asanuma i Cadet, 1998 ), którzy wykazali, że metamfetamina indukuje aktywność wiązania NFκB w regionach prążkowia. Biorąc pod uwagę, że niektóre z regulowanych lekami białek NFκB aktywują sygnalizację NFκB, podczas gdy inne ją hamują, na podstawie tych oryginalnych badań nie było jasne, czy obserwowane zmiany białek odzwierciedlają ogólny wzrost czy spadek sygnalizacji NFκB. Niedawno rozwiązaliśmy to pytanie, wykazując, że przewlekłe podawanie kokainy zwiększa aktywność transkrypcyjną NFκB w NAc, na podstawie ustaleń dotyczących transgenicznych myszy reporterowych NFκB-LacZ (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Nowsze dowody bezpośrednio wskazują na indukcję sygnalizacji NFκB w jądrze półkulistym (NAc) w strukturalnych i behawioralnych efektach kokainy (patrz rozdział 6). Te wstępne odkrycia są intrygujące i uzasadniają dalsze badania, w tym badanie wpływu opiatów na sygnalizację NFκB w obszarach nagrody w mózgu.

5. Indukowana lekami plastyczność strukturalna w regionach nagradzania mózgu

Obwód nagrody w mózgu ewoluował, aby kierować zasobami w celu uzyskania naturalnej nagrody, ale system ten może zostać zaburzony lub przejęty przez narkotyki. W obrębie tego obwodu plastyczność strukturalna charakteryzuje się zazwyczaj zmianami w rozgałęzieniach lub rozgałęzieniach dendrytów oraz zmianami w gęstości lub morfometrii kolców dendrytycznych. Chociaż bezpośrednie behawioralne znaczenie zmian morfologicznych zależnych od doświadczenia jest nadal przedmiotem badań, uważa się, że funkcja synaptyczna jest determinowana nie tylko przez liczbę, ale także przez rozmiar i kształt poszczególnych głów kolców. Gdy kolce się formują, wysyłają cienkie, niedojrzałe struktury, które przyjmują albo krótkie, multisynaptyczne, filopodialne lub rozgałęzione kształty (dla przeglądu zobacz ( Bourne i Harris, 2007 ; Tada i Sheng, 2006 ). Szacuje się, że w mózgu dorosłego, w warunkach podstawowych, co najmniej 10% kolców ma te niedojrzałe kształty, co sugeruje, że plastyczność jest ciągłym procesem przez całe życie ( Fiala i in., 2002 ; Harris, 1999 ; Harris i in., 1992 ; Peters i Kaiserman-Abramof, 1970 ). Struktury te są przejściowe i mogą powstać w ciągu kilku godzin od stymulacji i utrzymywać się nawet kilka dni in vivo ( Holtmaat i in., 2005 ; Majewska i in., 2006 ; Zuo i in., 2005 ).

Uważa się, że stabilizacja przejściowego, niedojrzałego kolca w bardziej stały, funkcjonalny kolec następuje poprzez mechanizm zależny od aktywności (przegląd patrz ( Tada i Sheng, 2006 ). Protokoły stymulacji, które wywołują długotrwałą depresję (LTD), są związane z kurczeniem się lub cofaniem kolców na neuronach piramidowych hipokampa i kory mózgowej ( Nagerl i in., 2004 ; Okamoto i in., 2004 ; Zhou i in., 2004 ), podczas gdy indukcja długotrwałego wzmocnienia (LTP) jest związana z tworzeniem nowych kolców i powiększaniem 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, co ostatecznie zmienia polimeryzację aktyny wpływającej na dojrzewanie i stabilność kolca, a ostatecznie na wytworzenie funkcjonalnego kolca (LTP) lub cofnięcie istniejącego kolca (LTD) (przegląd można znaleźć w ( Bourne i Harris, 2007 ; Tada i Sheng, 2006 ). Po stabilizacji kolce przyjmują kształt grzyba, mają większą gęstość postsynaptyczną ( 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 całym układzie nagrody w mózgu. Większość tych badań ma charakter korelacyjny i wiąże zmiany strukturalne w określonych obszarach mózgu z fenotypem behawioralnym wskazującym na uzależnienie. W ciągu ostatniej dekady Robinson i współpracownicy przewodzili w zrozumieniu, w jaki sposób narkotyki regulują plastyczność strukturalną (przegląd można znaleźć w ( Robinson i Kolb, 2004 ). Od czasu tych pierwotnych obserwacji inni badacze zajmujący się nadużywaniem narkotyków dodali do tej rosnącej literatury, aby odkryć specyficzne dla klas narkotyków efekty na morfologię neuronów. Jak przedstawiono w Tabeli 1 i Rysunku 3 , opiaty i stymulanty różnicowo wpływają na plastyczność strukturalną. Wykazano, że opiaty zmniejszają liczbę i złożoność kolców dendrytycznych na neuronach MSN NAc oraz neuronach piramidowych mPFC i hipokampa, a także zmniejszają całkowity rozmiar soma neuronów dopaminergicznych VTA, bez zaobserwowanego wpływu na neurony niedopaminergiczne w tym obszarze mózgu ( Nestler, 1992 ; Robinson i Kolb, 2004 ; Russo i in., 2007 ; Sklair-Tavron i in., 1996 ). Do tej pory istnieje jeden wyjątek od tych ustaleń, gdzie doniesiono, że morfina zwiększa liczbę kolców dendrytycznych w neuronach kory oczodołowo-czołowej ( Robinson i in., 2002 ). W przeciwieństwie do opiatów, stymulanty takie jak amfetamina i kokaina, wykazano, że konsekwentnie zwiększają liczbę kolców dendrytycznych i złożoność w neuronach MSN NAc, neuronach dopaminergicznych VTA i neuronach piramidowych PFC, bez doniesień o zmniejszonej plastyczności strukturalnej ( Lee i in., 2006 ; Norrholm i in., 2003 ; Robinson i in., 2001 ; Robinson i Kolb, 1997 , 1999a ; Sarti i in., 2007 ).

Chociaż mechanizmy molekularne leżące u podstaw tych zmian, będące następstwem przekazywania sygnału przez czynniki neurotroficzne, są słabo poznane, wielu z tych zmian strukturalnych towarzyszą zmiany w poziomach lub aktywności białek, o których wiadomo, że regulują cytoszkielet neuronalny. Należą do nich między innymi zmiany wywołane lekami w białku związanym z mikrotubulami 2 (MAP2), białkach neurofilamentu, białku związanym z cytoszkieletem regulowanym aktywnością (Arc), kinazie LIM (LIMK), czynniku wzmacniacza miocytów 2 (MEF2), kinazie zależnej od cyklin s5 (Cdk5), gęstości postsynaptycznej 95 (PSD95) i kofilinie, a także zmiany w cyklu aktyny w NAc lub innych obszarach nagrody mózgu ( Beitner-Johnson i in., 1992 ; Bibb i in., 2001 ; Chase i in., 2007 ; Marie-Claire i in., 2004 ; Pulipparacharuvil i in., 2008 ; Toda i in., 2006 ; Yao i in., 2004 ; Ziolkowska i in., 2005 ). Ponieważ wiele zmian biochemicznych wywołanych przez stymulanty i morfinę jest podobnych, istotne będzie zidentyfikowanie odrębnych celów genów regulowanych przez opiaty i stymulanty, związanych z funkcją dendrytyczną, gdyż mogą one rzucić światło na generalnie przeciwstawne efekty opiatów i stymulantów na zależną od czynników neurotroficznych plastyczność strukturalną.

Przeciwstawne zmiany morfologiczne indukowane w obszarach nagrody mózgu przez opiaty i stymulanty są paradoksalne, ponieważ oba leki powodują bardzo podobne fenotypy behawioralne. Na przykład, specyficzne schematy leczenia opioidami i stymulantami, które oba skutkują uwrażliwieniem lokomotorycznym i podobnymi wzorcami eskalacji samopodawania narkotyków, powodują przeciwstawne zmiany w gęstości kolców dendrytycznych w jądrze półkulistym jądra ( Robinson i Kolb, 2004 ). Zatem, jeśli te zmiany morfologiczne są ważnymi mediatorami uzależnienia, muszą one albo mieć właściwości dwukierunkowe, gdzie zmiana od punktu wyjściowego w obu kierunkach powoduje ten sam fenotyp behawioralny, albo pośredniczą w odrębnych fenotypach behawioralnych lub innych, które nie są uchwycone przez użyte narzędzia eksperymentalne. Ponadto, te odkrycia należy rozpatrywać w kontekście omawianego paradygmatu podawania leku. W naszych badaniach, na przykład, zwierzęta otrzymują wysokie dawki morfiny podskórnej, uwalnianej w sposób ciągły z implantów peletkowych, paradygmat bardziej zgodny z tolerancją i uzależnieniem od opioidów. Z kolei większość paradygmatów dotyczących stymulantów opiera się na jednorazowym lub kilkukrotnym podaniu leku dziennie, co pozwala na osiągnięcie szczytowego stężenia leku we krwi i powrót do poziomu wyjściowego przed kolejnym podaniem – paradygmaty te są bardziej zgodne z uwrażliwieniem na lek. Wzorce używania opiatów i stymulantów przez ludzi mogą się znacznie różnić u poszczególnych osób. Dlatego przyszłe badania będą musiały uwzględnić behawioralne znaczenie zmian morfologicznych w obszarach mózgu odpowiedzialnych za nagrodę, wywołanych przez leki, w kontekście paradygmatów dawki i podawania leku, które odzwierciedlają ekspozycję obserwowaną u ludzi.

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

Hipotetycznie przyjmuje się, że zmiany w sygnalizacji czynników wzrostu są głównym czynnikiem wpływającym na plastyczność strukturalną i behawioralną związaną z uzależnieniem od narkotyków. Badania na ludziach są ograniczone. U osób uzależnionych od kokainy, amfetaminy, alkoholu lub opiatów obserwowano zmiany stężenia BDNF w surowicy wywołane lekami ( Angelucci i in., 2007 ; Janak i in., 2006 ; Kim i in., 2005 ), jednak źródło tego BDNF i znaczenie tych zmian dla wystąpienia i utrzymania uzależnienia pozostają niejasne. Interesujące byłoby zbadanie BDNF i jego szlaków sygnałowych w ludzkiej tkance mózgowej pośmiertnie.

W ciągu ostatniej dekady, badania na gryzoniach ustaliły wpływ BDNF na różne fazy procesu uzależnienia. Wczesne badania wykazały, że miejscowa infuzja BDNF do VTA lub NAc wzmacnia reakcje lokomotoryczne i nagradzające na kokainę, podczas gdy globalna utrata BDNF wywiera przeciwne skutki ( Hall i in., 2003 ; Horger i in., 1999 ; Lu i in., 2004 ). Nowsze prace wykazały, że samopodawanie kokainy zwiększa sygnalizację BDNF w NAc ( Graham i in., 2007 ). Ponadto, infuzja BDNF do NAc potęguje samopodawanie kokainy, poszukiwanie kokainy i nawrót, podczas gdy infuzja przeciwciał przeciwko BDNF lub lokalne wyłączenie genu bdnf w NAc (osiągnięte poprzez wirusową ekspresję rekominazy Cre u myszy BDNF poddanych floksowaniu) blokuje te zachowania. W oparciu o te badania Graham i współpracownicy (2007) doszli do wniosku, że uwalnianie BDNF w NAc podczas rozpoczynania samodzielnego przyjmowania kokainy jest niezbędnym elementem procesu uzależnienia.

Dane te potwierdzają pogląd, że BDNF jest potencjalną cząsteczką pośredniczącą w zmianach strukturalnych neuronów NAc wywołanych przewlekłą ekspozycją na kokainę lub inne stymulanty. Zgodnie z tą hipotezą, wzrost sygnalizacji BDNF w NAc wywołany stymulantami powodowałby wzrost rozgałęzień dendrytycznych neuronów NAc, co leżałoby u podstaw uwrażliwionych reakcji behawioralnych na stymulanty, a także silnych wspomnień związanych z narkotykami, kluczowych dla nawrotu i uzależnienia. Zgodne z tą hipotezą są wyniki badań hodowanych neuronów hipokampa, w których wykazano, że wydzielanie BDNF indukuje zależne od syntezy białek powiększenie pojedynczych kolców dendrytycznych ( Tanaka i in., 2008b ). Słabością tej hipotezy jest brak bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na to, że samo wzmocnienie kolców dendrytycznych neuronów NAc jest konieczne lub wystarczające do uwrażliwionych reakcji na leki. W rzeczywistości istnieją dane sugerujące bardziej złożoną relację między tymi dwoma zjawiskami: hamowanie Cdk5 w NAc blokuje zdolność kokainy do zwiększania liczby kolców dendrytycznych w neuronach NAc, pomimo faktu, że takie hamowanie wzmacnia reakcje lokomotoryczne i nagradzające na kokainę ( Norrholm i in., 2003 ; Taylor i in., 2007 ). Oczywiste jest, że konieczne są dalsze badania w celu zbadania związku między tą plastycznością strukturalną a behawioralną.

Kolejnym istotnym zastrzeżeniem wobec tej hipotezy jest to, że zmiany w sygnalizacji BDNF mogą wywierać znacząco odmienny wpływ na morfologię i zachowanie neuronów, w zależności od badanego obszaru mózgu. Najnowsze doniesienia wyraźnie rozróżniają funkcję BDNF w hipokampie i VTA ( Berton i in., 2006 ; Eisch i in., 2003 ; Krishnan i in., 2007 ; Shirayama i in., 2002 ): infuzje BDNF do hipokampa działają przeciwdepresyjnie, natomiast infuzje BDNF do VTA lub NAc wywołują efekty prodepresyjne. Podobne tendencje pojawiają się w obszarze uzależnień. Co ciekawe, wzrost poziomu BDNF w jądrze półkulistym (NAc) nasila zachowania wywołane kokainą ( Graham i in., 2007 ; Horger i in., 1999 ), podczas gdy w korze przedczołowej (PFC) BDNF hamuje te same zachowania ( Berglind i in., 2007 ). Nic dziwnego, że indukcja BDNF przez kokainę jest również różnie regulowana w tych dwóch obszarach mózgu, co dodatkowo potwierdza różnice w zachowaniach ( 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 wywołanych opiatami, prace z naszego laboratorium ujawniły rolę BDNF i dalszej ścieżki IRS2-PI3K-Akt w regulacji wielkości komórek dopaminergicznych VTA i późniejszej tolerancji na nagrodę ( Russo i in., 2007 ; Sklair-Tavron i in., 1996 ). Konkretnie, przewlekłe podawanie opiatów gryzoniom wywołuje stan tolerancji na nagrodę i uzależnienia fizycznego w stosunkowo wczesnych okresach odstawienia, co uważa się za przyczynę eskalacji zachowań związanych z przyjmowaniem narkotyków. Wczesne eksperymenty wykazały, że wlew BDNF do VTA zapobiega indukowanemu morfiną zmniejszeniu wielkości neuronów VTA ( Sklair-Tavron i in., 1996 ). Niedawno wykazaliśmy, że oś czasu tolerancji na nagrodę, mierzona za pomocą warunkowej preferencji miejsca, jest równoległa z osią czasu zmniejszonego rozmiaru komórek dopaminergicznych i że zjawiska te są pośredniczone przez kaskady sygnałowe BDNF ( Russo i in., 2007 ). Jak wspomniano wcześniej, biochemiczne szlaki sygnałowe w VTA, które są poniżej BDNF i receptora TrKB, są różnicowo regulowane przez przewlekłą morfinę: morfina aktywuje PLCγ ( Wolf i in., 2007 ; Wolf i in., 1999 ), zmniejsza aktywność szlaku IRS–PI3K–Akt ( Russo i in., 2007 ; Wolf i in., 1999 ) i wywołuje zmienne efekty na ERK (patrz powyżej). W świetle ostatnich dowodów na to, że Akt reguluje wielkość 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 wywołuje tolerancję na nagrodę poprzez hamowanie szlaku IRS2–PI3K–Akt i zmniejszenie wielkości neuronów dopaminowych VTA. Efektów tych nie zaobserwowano poprzez zmianę sygnalizacji ERK lub PLCγ, co ponownie wskazuje na znaczenie sygnalizacji IRS–PI3K–Akt dla tego zjawiska. Przyszłe badania zajmą się znaczeniem szlaków BDNF i IRS–PI3K–Akt w eskalacji samopodawania opiatów, co jest bardziej klinicznie istotnym paradygmatem do pomiaru uzależnienia. Lepsze zrozumienie zmian w czynnikach neurotroficznych lub ich receptorach oraz w dalszych etapach szlaku AKT pozwoli na poznanie specyficznych mechanizmów tolerancji na nagrody opioidowe w modelach uzależnień. Ponadto istotne będzie zrozumienie roli sygnalizacji BDNF w regulacji funkcji VTA w kontekście obwodów neuronalnych. W tym kontekście warto zauważyć, że Pu i in. (2006) wykazali, że po odstawieniu kokainy, synapsy pobudzające neurony dopaminowe w VTA są bardziej wrażliwe na potencjałowanie słabymi bodźcami presynaptycznymi, co wymaga endogennej sygnalizacji BDNF-TrkB.

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

Chociaż powyższa dyskusja skupia się na BDNF i jego kaskadach sygnałowych, istnieją dowody na to, że kilka innych czynników neurotroficznych i ich dalszych szlaków sygnałowych również wpływa na behawioralne lub biochemiczne reakcje na narkotyki. Wykazano, że NT3, podobnie jak BDNF, promuje uwrażliwione reakcje na kokainę na poziomie VTA ( Pierce i Bari, 2001 ; Pierce i in., 1999 ). Przewlekłe podawanie morfiny lub kokainy zwiększa sygnalizację czynnika neurotroficznego pochodzącego z linii komórek glejowych (GDNF) w obwodzie VTA-NAc, co z kolei sprzężenie zwrotne i tłumi behawioralne efekty tych narkotyków ( Messer i in., 2000 ). Amfetamina indukuje podstawowy czynnik wzrostu fibroblastów (bFGF) w obwodzie VTA-NAc, a myszy z wyłączonym genem bFGF mają stępioną odpowiedź na uwrażliwienie lokomotoryczne wywołane wielokrotnymi wstrzyknięciami amfetaminy ( Flores i in., 2000 ; Flores i Stewart, 2000 ). Cytokina, rzęskowy czynnik neurotroficzny (CNTF), podawana bezpośrednio do VTA, wzmacnia zdolność kokainy do indukowania adaptacji biochemicznych w tym obszarze mózgu; kokaina zwiększa wewnątrzkomórkowe kaskady sygnałowe poprzez kinazę Janus (JAK) oraz przekaźniki sygnału i aktywatory transkrypcji (STAT), efekt, który został spotęgowany przez ostrą infuzję CNTF ( Berhow i in., 1996a ). Istnieją również dowody na to, że przewlekłe przyjmowanie morfiny zmienia poziom insulinopodobnego czynnika wzrostu 1 (IGF1) w VTA i innych obszarach mózgu ( Beitner-Johnson i in., 1992 ). Te odosobnione odkrycia wskazują, że różnorodne mechanizmy neurotroficzne kontrolują funkcję VTA-NAc, regulując plastyczność w odpowiedzi na substancje psychoaktywne w złożony sposób, i podkreślają potrzebę dalszych badań w tym obszarze.

8. Wnioski

W ciągu ostatniej dekady poszerzyliśmy naszą wiedzę na temat tego, jak narkotyki regulują neurotroficzne szlaki sygnałowe i morfologię zróżnicowanych populacji neuronów w całym mózgu odpowiedzialnym za układ nagrody. Najnowsze postępy w dziedzinie wirusowego transferu genów pozwalają na manipulację specyficznymi białkami neurotroficznego szlaku sygnałowego w danym interesującym obszarze mózgu u w pełni rozwiniętych dorosłych zwierząt, co pozwala na badanie zależności między nadużywaniem narkotyków, morfologią neuronów i plastycznością behawioralną. Dzięki nowym bicistronowym wektorom wirusowym możliwa jest ekspresja białka, które manipuluje neurotroficznymi szlakami sygnałowymi, a także białka fluorescencyjnego, co pozwala na wizualizację morfologii neuronów ( Clark i in., 2002 ). Zatem, dzięki ulepszonym technikom immunohistochemicznym znakowania specyficznych populacji neuronów, możliwa jest ocena indukowanych lekami zmian morfologicznych i związanych z nimi adaptacji biochemicznych w sygnalizacji neurotroficznej w sposób specyficzny dla typu komórek, a tym samym dostarcza kluczowych informacji na temat indukowanej lekami regulacji heterogenicznych obszarów nagrody w mózgu. Dzięki zastosowaniu multidyscyplinarnych podejść, obejmujących behawioralne, fizjologiczne, biochemiczne i morfologiczne punkty końcowe, możliwe będzie coraz dokładniejsze zdefiniowanie mechanizmów uzależnienia, w tym precyzyjne określenie roli sygnalizacji czynników neurotroficznych w plastyczności zależnej od doświadczenia i procesie uzależnienia. Wiedza ta może doprowadzić do opracowania nowych interwencji medycznych mających na celu normalizację dezadaptacyjnej plastyczności indukowanej przez substancje psychoaktywne w obszarach nagrody w mózgu, a tym samym odwrócenie procesu uzależnienia u ludzi.

Przypisy

Referencje