Fatores Neurotróficos e Plasticidade Estrutural na Dependência (2009)

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

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

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Sumário

1. Introdução

Uma característica essencial da dependência de drogas é que um indivíduo continua a usar drogas, apesar da ameaça de consequências físicas ou psicossociais gravemente adversas. Embora não se saiba com certeza o que motiva esses padrões de comportamento, tem sido hipotetizado que mudanças de longo prazo que ocorrem dentro dos circuitos de recompensa do cérebro são importantes (Figura 1). Em particular, pensa-se que adaptações em neurónios dopaminérgicos da área tegmentar ventral (VTA) e nos seus neurónios alvo no nucleus accumbens (NAc) alterem as respostas de um indivíduo a fármacos e recompensas naturais, levando à tolerância a drogas, disfunção de recompensa, escalada de consumo de drogas e, eventualmente, uso compulsivo (Everitt et al., 2001; Kalivas e O'Brien, 2008; Koob e Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinson e Kolb, 2004).

 

Figura 1

Principais tipos de células no circuito neural subjacente à dependência

Nos últimos anos, tem havido um grande esforço para determinar as alterações celulares e moleculares que ocorrem durante a transição do uso inicial de drogas para o consumo compulsivo. Entre muitos tipos de adaptações induzidas por drogas, foi proposto que mudanças no fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF), ou neurotrofinas relacionadas, e suas vias de sinalização alteram a função dos neurônios dentro do circuito VTA-NAc e outras regiões de recompensa para modular a motivação para tomar drogas (Bolanos e Nestler, 2004; Pierce e Bari, 2001). Um corolário dessa hipótese é que tais adaptações celulares e moleculares induzidas por fatores de crescimento são refletidas nas alterações morfológicas dos neurônios relacionados à recompensa. Por exemplo, a administração de estimulantes crônicos aumenta a ramificação de dendritos e o número de espinhas dendríticas e dinamicamente aumenta os níveis de BDNF em várias regiões de recompensa cerebral, enquanto a administração crônica de opiáceos diminui ramificações dendríticas e espinhas bem como níveis de BDNF em algumas das mesmas regiões rever ver (Robinson e Kolb, 2004; Thomas et al., 2008). Além disso, a morfina crônica diminui o tamanho dos neurônios da VTA dopamina, efeito revertido pelo BDNF (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron e outros, 1996). No entanto, evidências causais diretas de que essas mudanças estruturais impulsionam o vício continuam faltando.

A proposta de que o BDNF possa estar relacionado à plasticidade estrutural do circuito VTA-NAc em modelos de dependência é consistente com uma grande literatura que implicou este fator de crescimento na regulação de espinhas dendríticas. Por exemplo, estudos usando deleções condicionais do BDNF ou do receptor TrkB mostram que eles são necessários para a proliferação e maturação de espinhas dendríticas no desenvolvimento de neurônios, bem como a manutenção e proliferação de espinhas em neurônios em todo o cérebro adulto (Chakravarthy et al., 2006; Danzer et al., 2008; Horch et al., 1999; Tanaka et al., 2008a; von Bohlen e Halbach et al., 2007).

Embora os mecanismos moleculares exatos pelos quais o BDNF medeia a plasticidade estrutural dos circuitos de recompensa do cérebro permaneçam desconhecidos, estudos recentes sugerem que vias específicas a jusante do BDNF são moduladas por drogas de abuso e que essas mudanças de sinalização dependentes de fatores neurotróficos se correlacionam com fatores morfológicos e comportamentais. aponta em modelos animais de dependência de drogas. Nesta revisão, discutimos novos avanços em nossa compreensão de como os opiáceos e estimulantes regulam a sinalização dos fatores neurotróficos e as consequências celulares e comportamentais desses efeitos. Também propomos áreas para futuras investigações para abordar os efeitos paradoxalmente opostos de estimulantes e opiáceos na morfologia neuronal e certos fenótipos comportamentais consistentes com o vício.

2. Vias de sinalização da neurotrofina

Descobrir as vias de sinalização que medeiam o desenvolvimento e a sobrevivência neuronal tem sido um objetivo de longa data da pesquisa em neurociência. Entretanto, a sinalização do fator neurotrófico no sistema nervoso central (SNC) adulto tornou-se na última década uma importante área de interesse, uma vez que a sinalização neurotrófica modulou a plasticidade e o comportamento neural ao longo da vida de um organismo (ver revisão).Chao, 2003)). O primeiro factor neurotrófico identificado, factor de crescimento nervoso (NGF), foi isolado em 1954 (Cohen et al., 1954); clonagem do gene em si não ocorreu até 1983 (Scott et al., 1983). Essa descoberta foi seguida de perto pela purificação e identificação de fatores adicionais de crescimento semelhantes ao NGF que definiram uma família de neurotrofinas: BDNF (Barde et al., 1982; Leibrock et al., 1989), neurotrofina-3 (NT3) (Hohn et al., 1990; Maisonpierre et al., 1990) e neurotrofina-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier et al., 1991). Os membros da família da neurotrofina são parálogos e partilham homologia significativa (Hallbook et al., 2006); todos são polipeptídeos que homodimerizam e são encontrados em formas imaturas e maduras no SNC. Embora se pense há muito tempo que a forma madura clivada ~ 13 kDa era a molécula de sinalização ativa, estudos recentes indicam que as formas pró (imaturas) das neurotrofinas, que retêm seu N-terminal, são detectáveis ​​no cérebro (Fahnestock et al., 2001) e medeiam cascatas de sinalização distintas dos péptidos maduros. As acções do NGF no SNC adulto estão largamente localizadas nas células colinérgicas do prosencéfalo basal, enquanto a distribuição das outras neurotrofinas é muito mais generalizada.

A especificidade adicional do sinal de neurotrofina é produzida através da expressão diferencial de receptores de neurotrofina, que podem ser separados em duas categorias, os receptores de quinotrofina relacionada com tropomiosina (Trk) e neurotrofina p75 (p75NTR). O p75NTR foi identificado pela primeira vez como um receptor para o NGF (Johnson et al., 1986), mas na verdade liga ambas as formas imaturas e maduras de todas as quatro neurotrofinas (Lee et al., 2001; Rodriguez-Tebar e outros, 1990; Rodriguez-Tebar e outros, 1992). Ao contrário do p75NTR, a família de receptores Trk exibe especificidade para seus ligantes. O receptor TrkA liga-se preferencialmente ao NGF (Kaplan et al., 1991; Klein et al., 1991), o receptor TrkB liga-se ao BDNF (Klein et al., 1991) e NT4 / 5 (Berkemeier et al., 1991) e o receptor TrkC liga-se a NT3 (Lamballe e outros, 1991). Enquanto as neurotrofinas maduras têm uma afinidade aumentada para os receptores Trk em comparação com os propéptidos, ambas as formas imaturas e maduras podem ligar-se a p75NTR com elevada afinidade. Adicionalmente, demonstrou-se que o p75NTR forma complexos com receptores Trk e estes complexos receptores exibem uma afinidade aumentada para os respectivos ligandos Trk em comparação com o Trk homodimérico.

Os receptores Trk s� prote�as abrangendo transmembrana simples compostas por um dom�io de liga�o ao ligando extracelular e uma regi� intracelular contendo um dom�io de tirosina cinase. Semelhante a outras tirosina-quinases receptoras, os receptores Trk homodimerizam em resposta à ligação do ligando, o que permite a trans-fosforilação dentro do ciclo de ativação para aumentar a atividade catalítica do receptor quinase. A transfosforilao em resuos de tirosina no domio de justamembrana e no terminal C gera locais de ligao para as proteas de ligao do tipo SH2 (homologia de Src 2), tais como protea contendo o domio de homologia de Src (Shc) e fosfolipase C (PLC? ), respectivamente. A ligação de Shc inicia cascatas de sinalização a jusante, levando, em última análise, à activação das vias da proteína quinase activada por mitogénios (MAPK) e da fosfatidilinositol 3′-quinase (PI3K). A estimulação da via da MAPK inclui a ativação da quinase regulada por sinal extracelular (ERK), enquanto a ligação do substrato do receptor de insulina (IRS) leva ao recrutamento e ativação do PI3K e à ativação de quinases a jusante, como o proto-oncogene viral do timoma (Akt) , também conhecida como proteína quinase B (PKB). Fosforilação e ativação de PLCγ leva à formação de trifosfato de inositol (1,4,5) (IP₃) e diacilglicerol (DAG) e à estimulação da proteína quinase C (PKC) e Ca celular²⁺ caminhos. Estas três principais vias de sinalização - PI3K, PLCγ e MAPK / ERK - induzidas pela ativação do receptor Trk são ilustradas Figura 2. Curiosamente, há evidências de ativação diferencial dessas três cascatas, dependendo da neurotrofina, do tipo de receptor e da intensidade e duração do sinal envolvidos (ver (Segal, 2003). A ativação diferencial dessas vias a jusante parece particularmente relevante para as alterações induzidas por drogas na morfologia e comportamento neuronal, como será detalhado em seções posteriores desta revisão.

 

Figura 2

Vias de sinalização intracelular a jusante de neurotrofinas

Em comparação com o amplo conhecimento das conseqüências da ativação do receptor Trk, sabe-se muito menos sobre o papel da sinalização p75NTR na função da neurotrofina. A ativação dos efetores Trk geralmente leva a sinais de pró-sobrevivência e diferenciação, enquanto a ativação de p75NTR inicia ambas as cascatas de sinalização pró-sobrevivência e pró-morte. A sinalização de sobrevivência através do p75NTR requer Factor Nuclear kappa B a jusante (NFkB) que se pensa ser activado indirectamente através do factor 4 / 6 (TRAF4 / 6) associado ao receptor de TNF (factor de necrose tumoral) ou proteína que interage com o receptor 2 (RIP2) rever ver (Chao, 2003)). Embora a sinalizao de neurotrofina permita uma variedade complexa de sinais que dependem do padr de express de neurotrofinas e receptores e do processamento dos ptidos de neurotrofina, esta revis focaliza as alteraes induzidas por fmaco nas vias de sinalizao da neurotrofina a jusante do BDNF.

3. Alterações induzidas por drogas no BDNF em regiões de recompensa do cérebro

As alterações nos níveis de proteína BDNF e ARNm foram examinadas em múltiplas regiões do cérebro após a administração de muitas classes de substâncias que causam dependência. Os estimulantes produzem uma indução difundida, mas transitória, da proteína BDNF no NAc, no córtex pré-frontal (PFC), na VTA e nos núcleos central (CeA) e basolateral (BLA) da amígdala (Graham et al., 2007; Grimm et al., 2003; Le Foll et al., 2005). Tanto a administração contingente como a não-contingente (isto é, animais ligados a animais auto-administrados) a administração de cocaína causa níveis elevados de proteína BDNF no NAc (Graham et al., 2007; Liu et al., 2006; Zhang et al., 2002). Da mesma forma, a retirada a longo prazo de até 90 dias após a auto-administração de cocaína está correlacionada com o aumento da proteína BDNF no NAc, VTA e amígdala (Grimm et al., 2003; Pu et al., 2006), e há evidências precoces de que a regulação epigenética no bdnf gene pode estar envolvido na mediação dessa indução persistente (Kumar et al., 2005).

Embora menos estudos tenham sido conduzidos para examinar os níveis de mRNA e proteína do BDNF após exposição a opiáceos, parece que os níveis de BDNF são regulados por opiáceos em certas regiões cerebrais relacionadas à recompensa. A administração aguda de morfina aumenta os níveis de mRNA do BDNF no NAc, PFC medial (mPFC), VTA e córtex orbitofrontal. Na VTA, a morfina crónica, administrada através de implantes subcutâneos (sc), é considerada ineficaz na alteração da expressão de ARNm de BDNF (Numan et al., 1998). Isto, no entanto, está em contraste com as alterações na proteína BDNF observada após o tratamento crônico com morfina. Usando doses crescentes de morfina intraperitoneal (ip), foi demonstrado que o número de células imunorreativas ao BDNF na VTA é diminuído (Chu et al., 2007), sugerindo uma regulação negativa da função do BDNF. Embora nenhum relato tenha examinado a expressão do BDNF no hipocampo ou no putão (CPu) após a administração de estimulantes ou opiáceos, tais estudos são necessários, já que alterações morfológicas robustas foram observadas em neurônios piramidais da região CA3 do hipocampo e neurônios espinhosos médios (MSNs) CPu sob estas condições ((Robinson e Kolb, 2004); Vejo tabela 1).

 

tabela 1

Alterações morfológicas induzidas por drogas

4. Alterações induzidas por drogas nas vias de sinalização do BDNF em regiões de recompensa cerebral

Várias proteínas nas cascatas de sinais de neurotrofinas mostraram ser reguladas no sistema dopaminérgico mesolímbico pelos opiáceos e estimulantes; estes incluem efeitos de drogas na sinalização IRS-PI3K-Akt, PLCγ, Ras-ERK e NFkB (Figura 3). Os estimulantes aumentam drasticamente a fosforilação de ERK em várias regiões do cérebro, incluindo o NAc, VTA e PFC, após administração aguda ou crônica de medicamentos (Jenab et al., 2005; Shi e McGinty, 2006, 2007; Sun et al., 2007; Valjent e outros, 2004; Valjent e outros, 2005). Esses achados são consistentes com o aumento induzido por estimulantes na ramificação neuronal e no número da coluna, dado o papel estabelecido do Ras-ERK no crescimento de neuritos. Os efeitos dos opiáceos na sinalização ERK são menos claros. Recentemente, foi relatado que a fosforilação de ERK está diminuída no NAc (Muller e Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon et al., 2004), e VTA (observações não publicadas) após morfina crónica, um efeito que é consistente com a diminuição da ramificação de neurites observada nestas regiões em animais dependentes de morfina. No entanto, trabalhos anteriores do nosso grupo e de outros relataram aumento da atividade da ERK, incluindo aumento da fosforilação da ERK e atividade catalítica, na ATV após morfina crônica (Berhow et al., 1996b; Liu et al., 2007; Ortiz et al., 1995). Mais estudos são necessários para determinar a explicação para esses achados discrepantes. Além disso, é importante usar várias abordagens para medir a atividade das proteínas, de modo que os eventos bioquímicos possam ser correlacionados com parâmetros morfológicos e comportamentais. Por exemplo, a inibição de ERK em neurónios de dopamina VTA não afecta o tamanho das células (Russo et al., 2007), de modo que estudos futuros sejam necessários para abordar a relevância funcional das mudanças induzidas por drogas na atividade de ERK nesta e em outras áreas do cérebro, pois elas se relacionam com fenótipos que causam dependência.

 

Figura 3

Adaptações em cascatas de sinalização do BDNF associadas à plasticidade estrutural induzida por opiáceos e estimulantes no circuito VTA-NAc

Vários relatórios recentes mostraram que a sinalização IRS-PI3K-Akt é influenciada por drogas de abuso (Brami-Cherrier e outros, 2002; McGinty e outros, 2008; Muller e Unterwald, 2004; Russo et al., 2007; Shi e McGinty, 2007; Wei et al., 2007; Williams et al., 2007). A administração crônica de opiáceos diminui a fosforilação de Akt tanto no NAc como no VTA (Muller e Unterwald, 2004; Russo et al., 2007). Essas alterações bioquímicas correspondem à diminuição da ramificação neuronal e da densidade da espinha dendrítica ou, no caso dos neurônios da VTA dopamina, à diminuição do tamanho do corpo celular (Diana et al., 2006; Robinson e outros, 2002; Robinson e Kolb, 1999b; Russo et al., 2007; Spiga et al., 2005; Spiga et al., 2003)

Os efeitos dos estimulantes na sinalização IRS-PI3K-Akt nestas regiões são menos claros. Por exemplo, a cocaína crónica aumenta a actividade do PI3K na camada de NAc e diminui a sua actividade no núcleo NAc (Zhang et al., 2006). Estes dados estão de acordo com um relatório anterior que mostra que a cocaína crónica aumentou selectivamente os níveis de ARNm de BDNF no invólucro de NAc e diminuiu o ARNm do receptor de TrKB no núcleo de NAc (Filip et al., 2006). Assim, as diferenças na casca e no núcleo da actividade do PI3K poderiam ser explicadas pela regulação a montante diferencial do BDNF e do TrKB pela cocaína. Curiosamente, quando uma dissecção mais geral do estriado é usada (incluindo NAc e CPu), foi demonstrado que a anfetamina diminui a atividade da Akt nas preparações de sinaptossomas (Wei et al., 2007; Williams et al., 2007), e observamos efeitos similares de cocaína crônica no NAc sem distinguir entre núcleo e casca (Pulipparacharuvil et al., 2008). Além disso, esses estudos são complicados pelo curso de tempo usado para estudar as mudanças na sinalização de Akt, como o recente trabalho de McGinty e colaboradores sugere que a anfetamina crônica causa uma alteração transitória e nuclear específica na fosforilação de Akt no estriado (McGinty e outros, 2008). Nos primeiros momentos após a administração de anfetamina há um aumento específico do núcleo na fosforilação de Akt, no entanto, após duas horas a fosforilação de Akt está diminuída, sugerindo um mecanismo compensatório para desligar esta atividade. Compreender a relação dinâmica entre os estimulantes e a sinalização de Akt será importante para determinar se esta via de sinalização está impulsionando a plasticidade estrutural induzida por estimulantes no NAc, como é o caso dos opiáceos na VTA (ver Seção 6).

Alterações nas vias de sinalização PLCγ e NFκB no abuso de drogas não foram tão bem estudadas quanto ERK e Akt; no entanto, trabalhos recentes mostram que ambas as vias são reguladas por drogas de abuso. A administração crónica de morfina aumenta os níveis totais de proteína PLCγ bem como os níveis da sua forma activada fosforilada em tirosina (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999). Além disso, verificou-se que a superexpressão de PLCγ mediada por vírus na VTA aumenta a atividade de ERK nesta região do cérebro (Wolf et al., 2007), mimetizando assim um aumento similar na atividade da ERK observada após a morfina crônica em estudos anteriores (Berhow et al., 1996b). A superexpressão de PLCγ na VTA também regula recompensas de opiáceos e comportamentos emocionais relacionados, com efeitos distintos observados na ATV rostral vs. caudal (Bolanos e outros, 2003). Da mesma forma, Graham e colegas (Graham et al., 2007) observaram aumento da fosforilação de PLCγ no NAc após cocaína aguda, crônica, crônica e autoadministrada, efeito que dependeu do BDNF.

Um estudo anterior do nosso grupo mostrou que as subunidades NFκB p105, p65 e IκB estão aumentadas no NAc em resposta à administração crônica de cocaína (Ang et al., 2001). Isto é consistente com os achados de Cadet e colegas (Asanuma e Cadete, 1998), que demonstraram que a metanfetamina induz a atividade de ligação do NFκB em regiões do estriado. Dado que algumas das proteínas NFkB reguladas por fármaco activam a sinalização de NFkB, enquanto outras inibem, não ficou claro a partir destes estudos originais se as alterações de proteína observadas reflectem um aumento ou diminuição global na sinalização de NFkB. Mais recentemente, resolvemos essa questão demonstrando que a administração crônica de cocaína aumenta a atividade transcricional do NFκB no NAc, com base nos achados em camundongos transgênicos NFκB-LacZ (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Evidências mais recentes têm implicado diretamente na indução da sinalização do NFκB no NAc nos efeitos estruturais e comportamentais da cocaína (ver Seção 6). Essas descobertas iniciais são intrigantes e merecem mais exploração, incluindo um exame do efeito dos opiáceos na sinalização do NFκB nas regiões de recompensa do cérebro.

5. Plasticidade estrutural induzida por drogas em regiões de recompensa cerebral

O circuito de recompensa do cérebro evoluiu para direcionar seus recursos para obter recompensa natural, mas esse sistema pode ser corrompido ou sequestrado por drogas de abuso. Dentro deste circuito, a plasticidade estrutural é geralmente caracterizada por ramificação ou arborização dendríticas alteradas e por mudanças na densidade ou morfometria das espinhas dendríticas. Embora a relevância comportamental direta de mudanças morfológicas dependentes da experiência ainda esteja sob investigação, acredita-se que a função sináptica é determinada não apenas pelo número, mas também pelo tamanho e forma de cada cabeça da coluna. À medida que as espinhas se formam, elas emitem finas estruturas imaturas que assumem formas grossas, multisinápticas, filopodiais ou ramificadas (para revisão, ver (Bourne e Harris, 2007; Tada e Sheng, 2006). No cérebro adulto, sob condições basais, estima-se que pelo menos 10% dos espinhos tenham estas formas imaturas, sugerindo que a plasticidade é um processo contínuo ao longo da vida (Fiala et al., 2002; Harris, 1999; Harris et al., 1992; Peters e Kaiserman-Abramof, 1970). Essas estruturas são transitórias e podem se formar em poucas horas após a estimulação e persistir por alguns dias in vivo (Holtmaat et al., 2005; Majewska et al., 2006; Zuo e outros, 2005).

Acredita-se que a estabilização de uma espinha imatura transitória em uma coluna funcional mais permanente ocorra por meio de um mecanismo dependente de atividade (ver revisão (Tada e Sheng, 2006). Protocolos de estimulação que induzem a depressão a longo prazo (LTD) estão associados ao encolhimento ou retracção dos espinhos nos neurónios piramidais hipocampais e corticais (Nagerl e outros, 2004; Okamoto et al., 2004; Zhou e outros, 2004), enquanto a indução da potenciação a longo prazo (LTP) está associada à formação de novos espinhos e à ampliação das espinhas existentes (Matsuzaki et al., 2004; Nagerl e outros, 2004; Okamoto et al., 2004). Em um nível molecular, acredita-se que LTP e LTD iniciem mudanças nas vias de sinalização, e na síntese e localização de proteínas, que eventualmente alteram a polimerização da actina para afetar a maturação e estabilidade da coluna e, finalmente, produzir uma coluna funcional (LTP) ou retração de uma espinha existente (LTD) (para revisão ver (Bourne e Harris, 2007; Tada e Sheng, 2006). Após a estabilização, os espinhos se tornam em forma de cogumelo, têm maiores densidades pós-sinápticas (Harris et al., 1992), e demonstraram persistir por meses (Holtmaat et al., 2005; Zuo e outros, 2005). Essas mudanças refletem um evento celular altamente estável que pode ser uma explicação plausível para pelo menos algumas das mudanças comportamentais de longo prazo associadas à dependência de drogas.

A maioria das classes de substâncias que causam dependência, quando administradas cronicamente, alteram a plasticidade estrutural em todo o circuito de recompensas do cérebro. A maioria desses estudos é correlata e associa as mudanças estruturais em regiões específicas do cérebro com um fenótipo comportamental indicativo de dependência. Ao longo da última década, Robinson e colegas lideraram o caminho para entender como as drogas de abuso regulam a plasticidade estrutural (para revisão, ver (Robinson e Kolb, 2004). Desde essas observações originais, outros pesquisadores de abuso de drogas têm adicionado a esta literatura crescente para descobrir efeitos específicos da classe de drogas na morfologia neuronal. Como mostrado em tabela 1 e Figura 3, opiáceos e estimulantes diferencialmente afetam a plasticidade estrutural. Foi demonstrado que os opiáceos diminuem o número e a complexidade das espinhas dendríticas nos MSNs de NAc e mPFC e nos neurônios piramidais do hipocampo e diminuem o tamanho total de soma dos neurônios dopaminérgicos de VTA, sem efeito observado nos neurônios não-dopaminérgicos nessa região do cérebro (Nestler, 1992; Robinson e Kolb, 2004; Russo et al., 2007; Sklair-Tavron e outros, 1996). Até o momento, há uma única exceção a essas descobertas, onde foi relatado que a morfina aumenta o número de espinhas nos neurônios corticais orbitofrontais (Robinson e outros, 2002). Em contraste com os opiáceos, estimulantes tais como anfetamina e cocaína mostraram aumentar consistentemente espinhas dendríticas e complexidade em MSNs de NAc, neurônios dopaminérgicos de VTA e neurônios piramidais de PFC, sem relatos de plasticidade estrutural diminuída (Lee et al., 2006; Norrholm et al., 2003; Robinson e outros, 2001; Robinson e Kolb, 1997, 1999a; Sarti e outros, 2007).

Embora os mecanismos moleculares a jusante da sinalização do fator neurotrófico subjacentes a essas alterações sejam pouco compreendidos, muitas dessas alterações estruturais são acompanhadas por alterações nos níveis ou atividade de proteínas bem conhecidas para regular o citoesqueleto neuronal. Estes incluem, mas não estão limitados a, alterações induzidas pelo fármaco na proteína 2 (MAP2) associada a microtúbulos, proteínas de neurofilamento, proteína associada ao citoesqueleto regulada pela actividade (Arc), LIM-quinase (LIMK), factor potenciador de miócitos 2 (MEF2) , quinase dependente de ciclina s5 (Cdk5), densidade pós-sináptica 95 (PSD95) e cofilina, bem como alterações no ciclo de actina, nas regiões NAc ou outras regiões de recompensa do cérebro (Beitner-Johnson et al., 1992; Bibb et al., 2001; Chase et al., 2007; Marie-Claire e outros, 2004; Pulipparacharuvil et al., 2008; Toda et al., 2006; Yao et al., 2004; Ziolkowska et al., 2005). Uma vez que muitas das alterações bioquímicas induzidas por estimulantes e morfina são semelhantes, será importante identificar alvos genéticos distintos regulados por opiáceos e estimulantes relacionados com a função dendrítica, uma vez que podem fornecer informações sobre os efeitos geralmente opostos do opiáceo e estimulantes na neurotrofia. plasticidade estrutural dependente de fatores.

As alterações morfológicas opostas induzidas nas regiões de recompensa do cérebro pelos opiáceos e estimulantes são paradoxais, uma vez que as duas drogas causam fenótipos comportamentais muito semelhantes. Por exemplo, regimes de tratamento específicos de opiáceos e estimulantes, ambos os quais resultam em sensibilização locomotora e padrões semelhantes de escalonamento da auto-administração do fármaco, causam mudanças opostas na densidade da espinha dendrítica no NAc (Robinson e Kolb, 2004). Assim, se essas mudanças morfológicas são importantes mediadores da adicção, elas devem ter propriedades bidirecionais, pelo que uma mudança da linha de base em ambas as direções produz o mesmo fenótipo comportamental ou elas mediam fenótipos distintos comportamentais ou outros que não são capturados com as ferramentas experimentais usadas. . Além disso, esses achados devem ser considerados no contexto do paradigma de administração de medicamentos em questão. Em nossos estudos, por exemplo, os animais recebem altas doses de morfina subcutânea, continuamente liberadas dos implantes de pellets, um paradigma mais consistente com a tolerância e dependência de opiáceos. Em contraste, a maioria dos paradigmas estimulantes utiliza injeções diárias da droga de uma a várias vezes, permitindo que os níveis sanguíneos atinjam o pico e retornem à linha de base antes da próxima administração, paradigmas mais consistentes com a sensibilização às drogas. Padrões de uso de opiáceos e estimulantes pelos seres humanos podem variar amplamente de pessoa para pessoa. Portanto, estudos futuros precisarão abordar a relevância comportamental de mudanças morfológicas induzidas por drogas em regiões de recompensa cerebral no contexto de paradigmas de dose e administração de medicamentos que espelham exposições vistas em humanos.

6. Papel do BDNF e suas cascatas de sinalização na plasticidade estrutural e comportamental induzida por drogas

Mudanças na sinalização do fator de crescimento são supostamente um dos principais fatores que influenciam a plasticidade estrutural e comportamental associada à dependência de drogas. Estudos humanos são limitados. Alterações induzidas pelo fármaco no BDNF sérico foram observadas em humanos dependentes de cocaína, anfetaminas, álcool ou opiáceos (Angelucci e outros, 2007; Janak et al., 2006; Kim et al., 2005), mas a fonte desse BDNF e a relevância dessas mudanças no início e na manutenção da dependência ainda não estão claras. Seria interessante em estudos futuros examinar o BDNF e suas vias de sinalização no tecido cerebral pós-morte humano.

Na última década, o trabalho em roedores estabeleceu a influência do BDNF em várias fases do processo de dependência. Estudos anteriores mostraram que a infusão local de BDNF na VTA ou NAc aumenta as respostas locomotoras e recompensadoras à cocaína, enquanto a perda global de BDNF exerce os efeitos opostos (Hall et al., 2003; Horger et al., 1999; Lu et al., 2004). Trabalhos mais recentes mostraram que a auto-administração de cocaína aumenta a sinalização do BDNF no NAc (Graham et al., 2007). Além disso, uma infusão intra-NAc de BDNF potencia a auto-administração de cocaína e procura e recaída de cocaína, enquanto a infusão de anticorpos contra o BDNF, ou nocaute local da bdnf O gene no NAc (obtido via expressão viral de Cre recominase em ratos BDNF floxed) bloqueia estes comportamentos. Com base nesses estudos, Graham e colegas (2007) concluíram que a liberação do BDNF no NAc durante o início da auto-administração de cocaína é um componente necessário do processo de dependência.

Estes dados suportam a visão de que o BDNF é uma molécula candidata para mediar as mudanças estruturais nos neurônios NAc produzidos pela exposição crônica à cocaína ou outros estimulantes. De acordo com essa hipótese, aumentos na sinalização de BDNF induzidos por estimulantes no NAc induziriam um aumento na arborização dendrítica de neurônios NAc, o que seria subjacente a respostas comportamentais sensibilizadas aos estimulantes, bem como fortes memórias relacionadas a drogas cruciais para recaída e dependência. Consistente com esta hipótese são descobertas de neurônios hipocampais cultivados, onde foi demonstrado que a secreção de BDNF induz o aumento dependente de síntese de proteínas de espinhas dendríticas individuais (Tanaka et al., 2008b). A fraqueza desta hipótese é que não houve evidência experimental direta de que o aumento das espinhas dendríticas dos neurônios NAc seja necessário ou suficiente para respostas de drogas sensibilizadas. De fato, há dados que sugerem uma relação mais complexa entre os dois fenômenos: a inibição de Cdk5 no NAc bloqueia a habilidade da cocaína em aumentar espinhas dendríticas em neurônios NAc, apesar de tal inibição potencializar respostas locomotoras e recompensadoras à cocaína (Norrholm et al., 2003; Taylor et al., 2007). Claramente, mais trabalho é necessário para estudar a relação entre esta plasticidade estrutural e comportamental.

Outra importante ressalva para essa hipótese é que mudanças na sinalização do BDNF podem produzir efeitos profundamente diferentes na morfologia e comportamento neuronal, dependendo da região cerebral examinada. Relatórios recentes têm desenhado distinções claras entre a função do BDNF no hipocampo versus VTA (Berton e outros, 2006; Eisch et al., 2003; Krishnan e outros, 2007; Shirayama et al., 2002): As infusões de BDNF no hipocampo são do tipo antidepressivo, enquanto as infusões de BDNF na VTA ou NAc produzem efeitos semelhantes a prodepressores. Padrões semelhantes estão surgindo no campo da dependência. Notavelmente, o aumento do BDNF no NAc aumenta os comportamentos induzidos pela cocaína (Graham et al., 2007; Horger et al., 1999), enquanto no PFC o BDNF suprime esses mesmos comportamentos (Berglind e outros, 2007). Não surpreendentemente, a indução de BDNF pela cocaína também é regulada diferencialmente nessas duas regiões cerebrais, um padrão que substancia ainda mais as diferenças comportamentais (Fumagalli et al., 2007).

Evidências preliminares implicaram na sinalização do NFκB na regulação da plasticidade estrutural e comportamental induzida pela cocaína. Embora o mecanismo direto pelo qual essas mudanças ocorrem seja desconhecido, trabalhos anteriores mostraram que o p75NTR, que está a montante do NFκB, está localizado na sinapse e que a ativação do p75NTR pelo BDNF é necessária para a LTD. Embora as interações BDNF-TrkB tenham sido extensivamente estudadas no abuso de drogas, esses dados sugerem uma via alternativa através do NFκB que merece uma investigação mais aprofundada. Em consonância com essa hipótese, observamos recentemente que a superexpressão mediada por vírus de um antagonista dominante negativo da via NFkB no NAc previne a capacidade da cocaína crônica de aumentar a densidade de espículas dendríticas em MSNs de NAc. Essa inibição da sinalização NFκB também atenua a sensibilização aos efeitos recompensadores da cocaína (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Esses dados, diferentemente da situação do Cdk5 citada acima, sustentam uma ligação entre o aumento da arborização dendrítica e a sensibilização comportamental à cocaína, enfatizando ainda mais a complexidade desses fenômenos e a necessidade de mais estudos.

Embora o trabalho limitado tenha abordado a relevância da sinalização do fator neurotrófico em comportamentos induzidos por opiáceos, o trabalho de nosso laboratório descobriu um papel para o BDNF ea via IRS2-PI3K-Akt a jusante na regulação do tamanho das células dopaminérgicas VTA e subseqüente tolerância à recompensa (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron e outros, 1996). Especificamente, a administração crónica de opiáceos em roedores produz um estado de tolerância à recompensa e dependência física durante períodos relativamente adiantados de retirada, que se pensa contribuir para uma escalada do comportamento de consumo de drogas. Os primeiros experimentos descobriram que a infusão intra-VTA de BDNF previne a diminuição induzida pela morfina no tamanho do neurônio VTA (Sklair-Tavron e outros, 1996). Mais recentemente, mostramos que a linha do tempo da tolerância à recompensa, medida pela preferência do lugar condicionado, é semelhante à linha do tempo do tamanho reduzido das células dopaminérgicas e que esses fenômenos são mediados via cascatas de sinalização do BDNF (Russo et al., 2007). Como mencionado anteriormente, as vias de sinalização bioquímica na VTA que estão a jusante do BDNF e do receptor TrKB são reguladas diferencialmente pela morfina crônica: a morfina ativa a PLCγ (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999), diminui a actividade da via IRS – PI3K – Akt (Russo et al., 2007; Wolf et al., 1999) e produz efeitos variáveis ​​no ERK (ver acima). À luz de evidências recentes de que Akt regula o tamanho de muitos tipos de células no sistema nervoso central (Backman et al., 2001; Kwon et al., 2006; Kwon et al., 2001; Scheidenhelm et al., 2005), utilizamos técnicas de transferência gênica viral para mostrar diretamente que a morfina produz tolerância à recompensa através da inibição da via IRS2-PI3K-Akt e tamanho reduzido dos neurônios da VTA dopamina. Estes efeitos não foram observados alterando a sinalização ERK ou PLCγ, mais uma vez apontando para a importância da sinalização IRS-PI3K-Akt para este fenômeno. Estudos futuros abordarão a relevância das vias BDNF e IRS-PI3K-Akt na escalada da autoadministração de opiáceos, um paradigma mais clinicamente relevante para medir o vício. Uma maior compreensão das alterações a montante nos factores neurotróficos ou nos seus receptores e alvos a jusante da Akt irá abordar os mecanismos específicos da tolerância à recompensa dos opiáceos nos modelos de dependência. Além disso, será importante entender o papel da sinalização BDNF na regulação da função VTA dentro de um contexto de circuito neural. A este respeito, é interessante notar que Pu et al. (2006) mostraram que após a retirada da exposição repetida à cocaína, as sinapses excitatórias para os neurônios dopaminérgicos na VTA são mais responsivas à potenciação por estímulos pré-sinápticos fracos, um efeito que requer sinalização BDNF-TrkB endógena.

7. Papel de outros fatores neurotróficos na plasticidade estrutural e comportamental induzida por drogas

Embora a discussão acima se concentre no BDNF e em suas cascatas de sinalização, há evidências de que vários outros fatores neurotróficos e suas vias de sinalização a jusante também influenciam as respostas comportamentais ou bioquímicas às drogas de abuso. O NT3, como o BDNF, demonstrou promover respostas sensibilizadas à cocaína ao nível da VTA (Pierce e Bari, 2001; Pierce e outros, 1999). A administração crónica de morfina ou cocaína regula positivamente a sinalização do factor neurotrófico derivado da linhagem das células gliais (GDNF) no circuito VTA-NAc, o que, por sua vez, alimenta e suprime os efeitos comportamentais destas drogas de abuso (Messer e outros, 2000). Anfetaminas induzem fator de crescimento básico de fibroblastos (bFGF) no circuito VTA-NAc e camundongos knockout para bFGF têm uma resposta diminuída à sensibilização locomotora induzida por injeções repetidas de anfetamina (Flores et al., 2000; Flores e Stewart, 2000). A citocina, fator neurotrófico ciliar (CNTF), administrado diretamente na ATV, aumenta a capacidade da cocaína em induzir adaptações bioquímicas nessa região do cérebro; a cocaína aumenta as cascatas de sinalização intracelular através da Janus quinase (JAK) e transdutores de sinal e ativadores da transcrição (STATs), um efeito que foi potencializado por uma infusão aguda de CNTF (Berhow et al., 1996a). Há também evidências de que a morfina crônica altera os níveis do fator de crescimento semelhante à insulina 1 (IGF1) na VTA e em outras regiões do cérebro (Beitner-Johnson et al., 1992). Esses achados isolados indicam que uma gama diversificada de mecanismos neurotróficos controla a função VTA-NAc para regular a plasticidade de drogas de abuso de maneiras complexas e destaca a necessidade de muitas pesquisas futuras nessa área.

8. Conclusões

Na última década, expandimos nossa compreensão de como as drogas de abuso regulam as vias de sinalização neurotrófica e a morfologia de diversas populações neuronais em todo o circuito de recompensa do cérebro. Recentes avanços na transferência de genes virais permitem manipulações de proteínas de sinalização neurotróficas a jusante específicas dentro de uma dada região cerebral de interesse de animais adultos completamente desenvolvidos para estudar as relações entre abuso de drogas, morfologia neuronal e plasticidade comportamental. Com novos vetores virais bicistrônicos, é possível expressar uma proteína que manipula as vias de sinalização neurotróficas, bem como uma proteína fluorescente, para visualizar a morfologia neuronal (Clark et al., 2002). Assim, com técnicas imuno-histoquímicas melhoradas para rotular populações neuronais específicas, é possível avaliar alterações morfológicas induzidas por drogas e adaptações bioquímicas associadas na sinalização neurotrófica de uma maneira específica do tipo celular e, portanto, fornece informações cruciais para a regulação induzida por drogas de cérebro heterogêneo. regiões de recompensa. Usando abordagens multidisciplinares com parâmetros comportamentais, fisiológicos, bioquímicos e morfológicos, será cada vez mais possível definir os mecanismos de dependência com uma precisão muito maior, incluindo o papel preciso da sinalização dos fatores neurotróficos na plasticidade dependente da experiência e no processo de dependência. Este conhecimento pode levar ao desenvolvimento de novas intervenções médicas para normalizar a plasticidade mal-adaptativa induzida por drogas de abuso em regiões de recompensa do cérebro e, assim, reverter o processo de dependência em seres humanos.

Notas de rodapé

Referências