Neurotrofiska faktorer och strukturell plasticitet i beroende (2009)

• Neuro. 2009; 56 (Suppl 1): 73-82.
• Publicerad online 2008 Jul 4. doi:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

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

Författarinformation ► Upphovsrätt och licensinformation ►

Gå till:

Abstrakt

1. Inledning

Ett viktigt inslag i narkotikamissbruk är att en individ fortsätter att använda drogen trots hotet om allvarligt negativa fysiska eller psykosociala konsekvenser. Även om det inte är säkert med säkerhet som driver dessa beteendemönster, har det antagits att långsiktiga förändringar som sker inom hjärnans belöningskretsar är viktiga (Figur 1). I synnerhet anses anpassningar i dopaminerga neuroner i det ventrala tegmentala området (VTA) och i deras målneuroner i nukleär accumbens (NAc) förändra individens svar på läkemedel och naturliga belöningar, vilket leder till drogtolerans, belöningsdysfunktion, eskalering av drogintag och slutligen tvångsmässig användning (Everitt et al., 2001; Kalivas och O'Brien, 2008; Koob och Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinson och Kolb, 2004).

 

Figur 1

Större celltyper i den neurala kretsen underliggande missbruk

Det har varit en stor ansträngning de senaste åren för att bestämma de cell- och molekylära förändringar som uppstår under övergången från första läkemedelsanvändningen till tvångsmottagande. Bland många typer av läkemedelsinducerade anpassningar har det föreslagits att förändringar i hjärnavledad neurotrofisk faktor (BDNF) eller besläktade neurotrofiner och deras signaleringsvägar förändrar neuronernas funktion inom VTA-NAc-kretsen och andra belöningsregioner att modulera motivationen att ta droger (Bolanos och Nestler, 2004; Pierce och Bari, 2001). En följd av denna hypotes är att sådana tillväxtfaktorinducerade cellulära och molekylära anpassningar reflekteras i morfologiska förändringar av belöningsrelaterade neuroner. Till exempel ökar kronisk stimulantadministration förgrening av dendriter och antalet dendritiska ryggrader och ökar dynamisk nivåerna av BDNF i flera hjärnaväxlingsområden, medan kronisk opiatadministration minskar dendritisk förgrening och ryggrad samt BDNF-nivåer i vissa av samma regioner (för granska se (Robinson och Kolb, 2004; Thomas et al., 2008). Vidare minskar kronisk morfin storleken på VTA-dopaminneuroner, en effekt som reverseras av BDNF (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Direkt, kausalt bevis på att dessa strukturella förändringar kör missbruk saknas dock.

Förslaget att BDNF kan vara relaterat till VTA-NAc-kretsens strukturella plasticitet i beroendemodeller överensstämmer med en stor litteratur som har medfört denna tillväxtfaktor vid reglering av dendritiska ryggraden. Exempelvis visar studier med användning av villkorliga deletioner av BDNF eller TrkB-receptorn att de erfordras för proliferation och mognad av dendritiska spines vid utveckling av neuroner såväl som upprätthållandet och proliferationen av spines på neuroner i hela den vuxna hjärnan (Chakravarthy et al., 2006; Danzer et al., 2008; Horch et al., 1999; Tanaka et al., 2008a; von Bohlen und Halbach et al., 2007).

Även om de exakta molekylära mekanismerna genom vilka BDNF medierar strukturell plasticitet i hjärnans belöningskretsar förblir okända, förklarar nyligen studier att specifika vägar nedströms BDNF moduleras av missbruksmissbruk och att dessa neurotrofiska faktorberoende signaleringsförändringar korrelerar med morfologiska och beteendemässiga änden -poäng i djurmodeller av drogmissbruk. I den här översynen diskuterar vi nya framsteg i vår förståelse av hur opiater och stimulanser reglerar neurotrofa faktorer som signalerar och de cellulära och beteendemässiga konsekvenserna av dessa effekter. Vi föreslår också områden för framtida utredning för att ta itu med de paradoxalt motsatta effekterna av stimulanter och opiater på neuronal morfologi och vissa beteendemässiga fenotyper som överensstämmer med beroende.

2. Neurotropin signaleringsvägar

Avtäckande av signalvägarna som medlar neuronal utveckling och överlevnad har varit ett långsiktigt mål för neurovetenskaplig forskning. Den neurotrofiska signaleringen i det vuxna centrala nervsystemet (CNS) har emellertid under det senaste decenniet blivit ett viktigt intresseområde, eftersom neurotrofisk signalering har visat sig modulera neural plasticitet och beteende under hela organismens liv (för granskning se (Chao, 2003)). Den första neurotrofa faktorn som identifierades, nervtillväxtfaktor (NGF), isolerades i 1954 (Cohen et al., 1954); kloning av genen själv inträffade inte förrän 1983 (Scott et al., 1983). Denna upptäckt följdes noggrant genom rening och identifiering av ytterligare NGF-liknande tillväxtfaktorer som definierade en neurotrofinfamilj: BDNF (Barde et al., 1982; Leibrock et al., 1989), neurotrofin-3 (NT3) (Hohn et al., 1990; Maisonpierre et al., 1990) och neurotrofin-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier et al., 1991). Neurotropinfamiljer är paraloger och delar betydande homologi (Hallbook et al., 2006); alla är polypeptider som homodimeriserar och finns i både omogna och mogna former i CNS. Medan det länge har antagits att den klyvda 13 kDa mogna formen var den aktiva signaleringsmolekylen, indikerar nya studier att de pro-mogna formerna av neurotropinerna, som behåller deras N-terminus, kan detekteras i hjärnan (Fahnestock et al., 2001) och förmedla signalkaskader som skiljer sig från de mogna peptiderna. Åtgärderna av NGF i vuxna CNS är i stor utsträckning lokaliserade till kolinerga celler i den basala forkanten, medan fördelningen av de andra neurotrofinerna är mycket mer utbredd.

Ytterligare specificitet av neurotrofin-signalen produceras genom differentialuttrycket av neurotrofinreceptorer, som kan separeras i två kategorier, tropomyosinrelaterade kinas (Trk) och p75 neurotrofin (p75NTR) receptorer. P75NTR identifierades först som en receptor för NGF (Johnson et al., 1986), men binder faktiskt både de omogna och mogna formerna av alla fyra neurotrofiner (Lee et al., 2001; Rodriguez-Tebar et al., 1990; Rodriguez-Tebar et al., 1992). I motsats till p75NTR uppvisar Trk-familjen av receptorer specificitet för sina ligander. TrkA-receptorn binder företrädesvis NGF (Kaplan et al., 1991; Klein et al., 1991), binder TrkB-receptorn BDNF (Klein et al., 1991) och NT4 / 5 (Berkemeier et al., 1991) och TrkC-receptorn binder NT3 (Lamballe et al., 1991). Medan de mogna neurotrofinerna har en ökad affinitet för Trk-receptorer jämfört med propeptiderna, kan både de omogna och mogna formerna binda p75NTR med hög affinitet. Dessutom har p75NTR visats bilda komplex med Trk-receptorer, och dessa receptorkomplex uppvisar en ökad affinitet för respektive Trk-ligander jämfört med homodimer Trk.

Trk-receptorer är enkla transmembran som spänner över proteiner sammansatta av en extracellulär ligandbindande domän och en intracellulär region innehållande en tyrosinkinasdomän. På liknande sätt som andra receptortyrosinkinaser homodimeriserar Trk-receptorerna som svar på ligandbindning, vilket möjliggör transfosforylering inom aktiveringsslingan för att öka katalytisk aktivitet hos receptorkinas. Transfosforylering vid tyrosinrester i juxtamembran-domänen och i C-änden genererar bindningsställen för SH2 (Src homologi 2) -typ "linker" -proteiner, såsom Src-homologin domäninnehållande protein (Shc) och fosfolipas Cy (PLCy ). Shc-bindning initierar nedströms signalkaskader som slutligen leder till aktiveringen av mitogenaktiverade proteinkinas (MAPK) och fosfatidylinositol 3'-kinas (PI3K) vägar. Stimulering av MAPK-vägen innefattar aktivering av extracellulär signalreglerad kinas (ERK), medan bindning av insulinreceptorsubstrat (IRS) leder till rekrytering och aktivering av PI3K och aktivering av nedströms kinaser såsom tymomviralproto-onkogen (Akt) , även känd som proteinkinas B (PKB). Fosforylering och aktivering av PLCy leder till bildningen av inositol (1,4,5) trifosfat (IP₃) och diacylglycerol (DAG) och stimuleringen av proteinkinas C (PKC) och cellulär Ca²⁺ vägar. Dessa tre huvudsignalvägar-PI3K, PLCy och MAPK / ERK inducerad genom Trk-receptoraktivering visas i Figur 2. Intressant är att det finns tecken på differentiell aktivering av dessa tre kaskader beroende på neurotropin, receptortyp och signalstyrka och varaktighet (se (Segal, 2003). Differentialaktiveringen av dessa nedströmsbanor verkar särskilt relevant för läkemedelsinducerad förändring i neuronal morfologi och beteende, vilket kommer att beskrivas i senare avsnitt i denna översyn.

 

Figur 2

Intracellulära signaleringsvägar nedströms neurotrofiner

Jämfört med den omfattande kunskapen om följderna av Trk-receptoraktivering är mycket mindre känt om rollen av p75NTR-signalering i neurotrofinfunktionen. Aktivering av Trk-effektorerna leder generellt till pro-överlevnads- och differentieringssignaler, medan aktiveringen av p75NTR initierar både pro-överlevnad och pro-dödsignaleringskaskader. Överlevnadssignalering genom p75NTR kräver nedströms Nuclear Factor kappa B (NFκB) som antas aktiveras indirekt genom TNF (tumörnekrosfaktor) receptorassocierad faktor 4 / 6 (TRAF4 / 6) eller receptorinteragerande protein 2 (RIP2) granska se (Chao, 2003)). Även om neurotrofin-signaleringen möjliggör en komplex mängd signaler som beror på expressionsmönstret för neurotrofiner och receptorer och behandlingen av neurotrofinpeptiderna, fokuserar denna översyn på läkemedelsinducerade förändringar i neurotropin signaleringsvägar nedströms BDNF.

3. Droginducerade förändringar i BDNF i hjärnbelöningsregioner

Ändringar i nivåer av BDNF-protein och mRNA har undersökts i flera hjärnregioner efter administrering av många klasser av beroendeframkallande ämnen. Stimulanter producerar en utbredd, men övergående, induktion av BDNF-protein i NA-könkeln (PFC), VTA och de centrala (CeA) och basolaterala (BLA) -kärnorna i amygdalaen (Graham et al., 2007; Grimm et al., 2003; Le Foll et al., 2005). Både kontingent och icke-kontingent (det vill säga djur som yoked till självadministrerande djur) orsakar kokainadministration förhöjda nivåer av BDNF-protein i NAc (Graham et al., 2007; Liu et al., 2006; Zhang et al., 2002). På samma sätt korreleras långsiktigt tillbakadragande av upp till 90 dagar efter kokain självadministrering med ökat BDNF-protein i NAc, VTA och amygdala (Grimm et al., 2003; Pu et al., 2006), och det finns tidigt bevis på att epigenetisk reglering vid BDNF genen kan vara involverad i att mediera denna kvarstående induktion (Kumar et al., 2005).

Även om färre studier har genomförts för att undersöka BDNF-mRNA- och proteinhalter efter exponering för opiater, verkar det som om BDNF-nivåerna regleras av opiater i vissa belöningsrelaterade hjärnområden. Akut morfinadministration ökar BDNF-mRNA-nivåerna i NAc, medial PFC (mPFC), VTA och orbitofrontal cortex. I VTA rapporteras kronisk morfin, ges via subkutan (sc) implantat, vara ineffektiv vid förändring av BDNF-mRNA-uttryck (Numan et al., 1998). Detta står emellertid i kontrast till förändringar i BDNF-protein observerat efter kronisk morfinbehandling. Med användning av eskalerande doser intraperitoneal (ip) morfin har det visat sig att antalet BDNF-immunreaktiva celler i VTA minskas (Chu et al., 2007), vilket tyder på nedreglering av BDNF-funktionen. Även om inga rapporter har undersökt BDNF-uttryck i hippocampus eller caudate-putamen (CPu) efter administrering av stimulanter eller opiater, är sådana studier berättigade eftersom robusta morfologiska förändringar har observerats i pyramidala neuroner i den hippocampala CA3-regionen och medelstora nervösa neuroner (MSN) av CPu under dessa förhållanden ((Robinson och Kolb, 2004); se Tabell 1).

 

Tabell 1

Droginducerade morfologiska förändringar

4. Droginducerad förändring i BDNF-signalvägar i hjärnbelöningsregioner

Flera proteiner i neurotrofin-signalkaskader har visat sig regleras inom mesolimbisk dopaminsystemet genom opiater och stimulanser; Dessa inkluderar läkemedelseffekter på IRS-PI3K-Akt, PLCy, Ras-ERK och NFκB-signalering (Figur 3). Stimulanter ökar dramatiskt ERK-fosforylering i många hjärnregioner, inklusive NAc, VTA och PFC, efter akut eller kronisk läkemedelsadministration (Jenab et al., 2005; Shi och McGinty, 2006, 2007; Sun et al., 2007; Valjent et al., 2004; Valjent et al., 2005). Dessa fynd stämmer överens med stimulantinducerade ökningar i neuronförgrening och ryggrad, givet Ras-ERKs etablerade roll i neuritutväxten. Effekterna av opiater på ERK-signalering är mindre tydliga. Nyligen har det rapporterats att ERK-fosforylering minskas i NAc (Muller och Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon et al., 2004) och VTA (opublicerade observationer) efter kronisk morfin, en effekt som överensstämmer med minskad neuritförgrening sedd i dessa regioner i morfinberoende djur. Tidigare arbete från vår grupp och andra rapporterade dock ökad ERK-aktivitet, inklusive ökad ERK-fosforylering och katalytisk aktivitet, i VTA efter kronisk morfin (Berhow et al., 1996b; Liu et al., 2007; Ortiz et al., 1995). Ytterligare studier behövs för att bestämma förklaringen för dessa diskrepansfynd. Dessutom är det viktigt att använda flera metoder för att mäta proteinaktivitet så att biokemiska händelser kan korreleras med morfologiska och beteendemässiga ändpunkter. Exempelvis påverkar inhibition av ERK i VTA dopaminneuroner inte cellstorleken (Russo et al., 2007), så att framtida studier krävs för att hantera den funktionella relevansen av läkemedelsinducerade förändringar i ERK-aktivitet i detta och andra hjärnområden, eftersom de relaterar till beroendeframkallande fenotyper.

 

Figur 3

Anpassningar i BDNF-signalkaskader associerade med opiat och stimulerande inducerad strukturell plasticitet i VTA-NAc-kretsen

Flera nya rapporter har visat att IRS-PI3K-Akt-signaleringen påverkas av missbruksmissbruk (Brami-Cherrier et al., 2002; McGinty et al., 2008; Muller och Unterwald, 2004; Russo et al., 2007; Shi och McGinty, 2007; Wei et al., 2007; Williams et al., 2007). Kronisk opiatadministration minskar Akt fosforylering i både NAc och VTA (Muller och Unterwald, 2004; Russo et al., 2007). Dessa biokemiska förändringar motsvarar minskad neuronförgrening och dendritisk ryggradensitet eller, i fallet med VTA-dopaminneuroner, minskad cellkroppsstorlek (Diana et al., 2006; Robinson et al., 2002; Robinson och Kolb, 1999b; Russo et al., 2007; Spiga et al., 2005; Spiga et al., 2003)

Effekterna av stimulanter på IRS-PI3K-Akt-signalering i dessa regioner är mindre tydliga. Kronisk kokain ökar till exempel PI3K-aktivitet i NAc-skalet och minskar dess aktivitet i NAc-kärnan (Zhang et al., 2006). Dessa data överensstämmer med en tidigare rapport som visar att kronisk kokain ökade selektivt BDNF-mRNA-nivåer i NAc-skalet och minskat TrKB-receptor-mRNA i NAc-kärnan (Filip et al., 2006). Sålunda kan skal och kärnskillnader i PI3K-aktivitet förklaras med differentiell uppströmsreglering av BDNF och TrKB av kokain. Intressant är att när en mer generell dissektion av striatum används (inklusive NAc och CPu) har det visat sig att amfetamin minskar Akt-aktivitet i synaptosompreparat (Wei et al., 2007; Williams et al., 2007), och vi har observerat liknande effekter av kronisk kokain i NAc utan att skilja mellan kärna och skal (Pulipparacharuvil et al., 2008). Dessutom är dessa studier komplicerade av den tidskurs som används för att studera Akt-signaleringsändringar, eftersom det nyligen gjorda arbetet av McGinty och kollegor föreslår att kroniskt amfetamin orsakar en övergående och nukleinspecifik förändring av Akt-fosforylering i striatum (McGinty et al., 2008). Vid tidiga tidpunkter efter amfetaminadministration föreligger en kärnspecifik ökning av Akt-fosforylering, men efter två timmar reduceras Akt fosforylering, vilket föreslår en kompensationsmekanism för att stänga av denna aktivitet. Förståelsen av det dynamiska förhållandet mellan stimulanter och Akt-signalering kommer att vara viktigt för att bestämma huruvida denna signalvägen driver stimulantinducerad strukturell plasticitet i NAc, vilket är fallet för opiater i VTA (se avsnitt 6).

Förändringar i PLCy och NFκB-signalvägarna i drogmissbruk har inte studerats lika bra som ERK och Akt; Det senaste arbetet visar dock att båda vägarna regleras av missbruk. Kronisk administrering av morfin ökar totala nivåer av PLCy-protein såväl som nivåer av dess aktiverade tyrosinfosforylerade form (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999). Vidare visade sig virusmedierad PLCγ-överuttryckning i VTA öka ERK-aktivitet i denna hjärnområde (Wolf et al., 2007), vilket efterliknar en liknande ökning av ERK-aktivitet som ses efter kronisk morfin i tidigare studier (Berhow et al., 1996b). PLCy-överuttryck i VTA reglerar också opiatbelöning och relaterat känslomässigt beteende, med tydliga effekter som ses i rostral vs caudal VTA (Bolanos et al., 2003). På samma sätt, Graham och kollegor (Graham et al., 2007) observerade ökad fosforylering av PLCy i NAc efter akut, kronisk yoked och kronisk självadministrerad kokain, en effekt som var beroende av BDNF.

En tidigare studie från vår grupp visade att NFKB-underenheterna p105, p65 och IκB ökar i NAc som svar på kronisk kokainadministration (Ang et al., 2001). Detta överensstämmer med fynd från kadett och kollegor (Asanuma och Cadet, 1998), som visade att metamfetamin inducerar NFκB-bindningsaktivitet i striatala regioner. Med tanke på att några av de läkemedelsreglerade NFκB-proteinerna aktiverar NFκB-signaleringen, medan andra hämmar det, var det oklart från dessa ursprungliga studier om de observerade proteinförändringarna speglar en övergripande ökning eller minskning av NFKB-signalering. Vi har nyligen löst denna fråga genom att visa att kronisk kokainadministration upregulerar NFκB transkriptionell aktivitet i NAc, baserat på fynd i transgena reportermöss (Russo, Soc. Neurosci, Abstr. 611.5, 2007) i NFκB-LacZ. Nyare bevis har direkt implicerat induktionen av NFκB-signalering i NAc i konstruktions- och beteendeeffekterna av kokain (se avsnitt 6). Dessa tidiga fynd är spännande och motiverar ytterligare undersökning, inklusive en undersökning av effekten av opiater på NFKB-signalering i hjärnbelöningsregioner.

5. Droginducerad strukturell plasticitet i hjärnbelöningsregioner

Hjärnans belöningskrets har utvecklats för att rikta sina resurser för att erhålla naturlig belöning, men det här systemet kan skadas eller kapas av missbruksmissbruk. Inom denna krets kännetecknas strukturell plasticitet allmänt av förändrad dendritförgrening eller arborisering och genom förändringar i densitet eller morfometri hos dendritiska ryggrad. Även om den direkta beteendemässiga relevansen av erfarenhetsberoende morfologiska förändringar fortfarande undersöks antas det att synaptisk funktion inte bara bestäms av antalet men också storleken och formen hos varje enskilt ryggradshuvud. Som spines formas, skickar de ut tunna omogna strukturer som tar på antingen stubby, multisynaptiska, filopodiala eller förgrenade former (för granskning se (Bourne och Harris, 2007; Tada och Sheng, 2006). I den vuxna hjärnan, under basala förhållanden, uppskattas att minst 10% av ryggraden har dessa omogna former som tyder på att plasticitet är en kontinuerlig process under hela livet (Fiala et al., 2002; Harris, 1999; Harris et al., 1992; Peters och Kaiserman-Abramof, 1970). Dessa strukturer är övergående och kan bildas inom några timmar efter stimulering och kvarstår så länge som några dagar in vivo (Holtmaat et al., 2005; Majewska et al., 2006; Zuo et al., 2005).

Det antas att stabilisering av en övergående, omognig ryggrad i en mer permanent funktionell ryggraden sker genom en aktivitetsberoende mekanism (för granskning se (Tada och Sheng, 2006). Stimuleringsprotokoll som inducerar långsiktig depression (LTD) är associerade med krympning eller retraktion av ryggrad på hippocampala och kortikala pyramidala neuroner (Nagerl et al., 2004; Okamoto et al., 2004; Zhou et al., 2004), medan induktion av långsiktig potentiering (LTP) är associerad med bildandet av nya ryggraden och utvidgningen av befintliga ryggraden (Matsuzaki et al., 2004; Nagerl et al., 2004; Okamoto et al., 2004). På molekylär nivå antas att LTP och LTD initierar förändringar i signalvägarna och vid syntesen och lokaliseringen av proteiner som i slutändan förändrar polymerisationen av aktin för att påverka ryggradsmognad och stabilitet och slutligen producera en funktionell ryggrad (LTP) eller retraktion av en befintlig ryggrad (LTD) (för granskning se (Bourne och Harris, 2007; Tada och Sheng, 2006). Vid stabilisering blir spines svampformade, har större postsynaptiska densiteter (Harris et al., 1992) och har visat sig kvarstå i flera månader (Holtmaat et al., 2005; Zuo et al., 2005). Dessa förändringar återspeglar en mycket stabil cellhändelse som kan vara en trovärdig förklaring till åtminstone några av de långsiktiga beteendemässiga förändringarna i samband med narkotikamissbruk.

De flesta klasserna av beroendeframkallande ämnen, när de administreras kroniskt, förändrar strukturell plasticitet i hela hjärnans belöningskretsar. De flesta av dessa studier är korrelativa och associerar strukturella förändringar i specifika hjärnregioner med en beteendemässig fenotyp som indikerar beroende. Under det senaste årtiondet har Robinson och kollegor lett till att man förstår hur missbruk av droger reglerar strukturell plasticitet (för granskning se (Robinson och Kolb, 2004). Sedan dessa ursprungliga observationer har andra drogmissbrukare lagt till i denna växande litteratur för att avslöja läkemedelsklassspecifika effekter på neuronmorfologi. Som avbildad i Tabell 1 och Figur 3, opiater och stimulanser påverkar på olika sätt strukturell plasticitet. Opiater har visats minska antalet och komplexiteten hos dendritiska spines på NAc MSNs och mPFC- och hippocampuspyramidala neuroner och minska den totala soma-storleken av VTA dopaminerga neuroner, utan effekt på icke-dopaminerga neuroner i denna hjärnregion (Nestler, 1992; Robinson och Kolb, 2004; Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Hittills finns det ett enda undantag från dessa fynd, där det rapporterades att morfin ökar ryggraden på orbitofrontala kortikala nervceller (Robinson et al., 2002). I motsats till opiater har stimulanter som amfetamin och kokain visat sig konsekvent öka dendritiska spines och komplexitet i NAc-MSN, VTA-dopaminerga neuroner och PFC-pyramidala neuroner, utan rapporter om minskad strukturell plasticitet (Lee et al., 2006; Norrholm et al., 2003; Robinson et al., 2001; Robinson och Kolb, 1997, 1999; Sarti et al., 2007).

Trots att de molekylära mekanismerna nedströms neurotrofisk signalerande som ligger till grund för dessa förändringar är dåligt förståda, åtföljs många av dessa strukturella förändringar av förändringar i nivåer eller aktivitet hos proteiner som är välkända för att reglera den neuronala cytoskeleten. Dessa innefattar, men är inte begränsade till, läkemedelsinducerad förändring i mikrotubul-associerat protein 2 (MAP2), neurofilamentproteiner, aktivitetsreglerat cytoskeletalt associerat protein (Arc), LIM-kinas (LIMK), myocytförstärkarefaktor 2 (MEF2) , cyklinberoende kinas s5 (Cdk5), postsynaptisk densitet 95 (PSD95) och cofilin, såväl som förändringar i aktins cykling, i NAc eller andra hjärnbelöningsregioner (Beitner-Johnson et al., 1992; Bibb et al., 2001; Chase et al., 2007; Marie-Claire et al., 2004; Pulipparacharuvil et al., 2008; Toda et al., 2006; Yao et al., 2004; Ziolkowska et al., 2005). Eftersom många av de biokemiska förändringar som induceras av stimulanter och morfin är liknande, kommer det att vara viktigt att identifiera distinkta opiat- och stimulantreglerade genmål relaterade till dendritisk funktion, eftersom de kan ge insikt i de allmänt motsatta effekterna av opiat och stimulanter på neurotrofiska faktorberoende strukturell plasticitet.

De motsatta morfologiska förändringarna som induceras i hjärnbelöningsregioner med opiater och stimulanser är paradoxala eftersom de två drogerna orsakar mycket liknande beteendemässiga fenotyper. Exempelvis ger specifika behandlingsregimer för opiater och stimulanser, vilka båda resulterar i lokomotorisk sensibilisering och liknande mönster för eskalering av självhantering av läkemedel, orsakade motsatta förändringar i dendritisk ryggradens densitet i NAc (Robinson och Kolb, 2004). Om dessa morfologiska förändringar är viktiga mediatorer av beroende måste de antingen ha dubbelriktad egenskaper, varigenom en förändring från baslinjen i båda riktningarna ger samma beteendemässiga fenotyp eller de medger separata beteendemässiga eller andra fenotyper som inte fångas med de experimentella verktygen som används . Dessutom måste dessa resultat beaktas i samband med läkemedelsadministrationsparadigmet i fråga. I våra studier får djur till exempel höga doser av subkutan morfin, som kontinuerligt frigörs från pelletimplantat, ett paradigm som överensstämmer med opiattolerans och beroende. Däremot använder de flesta stimulansparamigramerna en gång till flera gånger dagligen injektioner av läkemedlet, vilket gör att blodnivåerna kan spika och återgå till baslinjen före nästa administrering, paradigmerna överensstämmer mer med läkemedelssensibilisering. Mönster av opiat och stimulant användning av människor kan variera mycket från person till person. Därför kommer framtida studier att ta itu med beteendemässig relevans av läkemedelsinducerade morfologiska förändringar i hjärnbelöningsregioner i samband med dos- och läkemedelsadministrationsparadigmer som speglar exponeringar som ses hos människor.

6. BDNFs roll och dess signalkaskader i läkemedelsinducerad strukturell och beteendetsplasticitet

Förändringar i tillväxtfaktorsignaler är hypoteserade för att vara en viktig faktor som påverkar den strukturella och beteendemässiga plasticiteten i samband med narkotikamissbruk. Mänskliga studier är begränsade. Droginducerad förändring i serum BDNF har observerats hos människor beroende av kokain, amfetamin, alkohol eller opiater (Angelucci et al., 2007; Janak et al., 2006; Kim et al., 2005), men källan till denna BDNF, och relevansen av dessa förändringar till uppkomsten och upprätthållandet av missbruk har varit oklara. Det skulle vara intressant i framtida studier för att undersöka BDNF och dess signalvägar i mänsklig postmortem hjärnvävnad.

Under det senaste decenniet har arbetet med gnagare etablerat BDNFs inflytande på olika faser av missbruksprocessen. Tidiga studier visade att lokal infusion av BDNF till VTA eller NAc ökar lokomotoriska och givande svar på kokain, medan global förlust av BDNF utövar motsatta effekter (Hall et al., 2003; Horger et al., 1999; Lu et al., 2004). Nyare arbete har visat att kokain självadministration ökar BDNF-signalering i NAc (Graham et al., 2007). Dessutom ökar en intra-NAc-infusion av BDNF kokain självadministrering och kokain-sökande och återfall, medan infusion av antikroppar mot BDNF eller lokal knockout av BDNF gen i NAc (uppnådd via virusuttryck av Cre recominas i floxade BDNF-möss) blockerar dessa beteenden. Baserat på dessa studier, Graham och kollegor (2007) slutsatsen att BDNF-frisättning i NAc under initiering av kokain självadministration är en nödvändig del av missbruksprocessen.

Dessa data stöder uppfattningen att BDNF är en kandidatmolekyl för att mediera de strukturella förändringarna i NAc-neuroner som produceras genom kronisk exponering för kokain eller andra stimulanser. Enligt denna hypotes skulle stimulansinducerade ökningar av BDNF-signaleringen i NAcinducera en ökning av dendritisk arborisering av NAc-neuroner, vilket skulle ligga till grund för sensibiliserat beteendemässigt svar på stimulanterna samt starka läkemedelsrelaterade minnen avgörande för återfall och beroende. I överensstämmelse med denna hypotes är fynd från odlade hippokampala neuroner, där det har visat sig att BDNF-sekretion inducerar proteinsyntesberoende utvidgning av individuella dendritiska ryggraden (Tanaka et al., 2008b). Svagheten i denna hypotes är att det inte har funnits några direkta experimentella bevis för att förstärkning av dendritiska spines av NAc-neuroner i sig är nödvändig eller tillräcklig för sensibiliserade läkemedelsresponser. Faktum är att det finns data som föreslår ett mer komplext förhållande mellan de två fenomenen: inhibering av Cdk5 i NAc blockerar kokainens förmåga att öka dendritiska spines på NAc-neuroner, trots att sådan inhibering förstärker lokomotoriska och givande svar på kokain (Norrholm et al., 2003; Taylor et al., 2007). Det är uppenbart att ytterligare arbete behövs för att studera sambandet mellan denna strukturella och beteendemässiga plasticitet.

En annan viktig motsats till denna hypotes är att förändringar i BDNF-signaler kan ge djupgående olika effekter på neuronal morfologi och beteende beroende på den undersökta hjärnregionen. De senaste rapporterna har dragit tydliga skillnader mellan BDNF-funktionen i hippocampus kontra VTA (Berton et al., 2006; Eisch et al., 2003; Krishnan et al., 2007; Shirayama et al., 2002): BDNF-infusioner i hippocampus är antidepressiva, medan infusioner av BDNF i VTA eller NAc producerar prodepressantliknande effekter. Liknande mönster dyker upp i missbruksfältet. I synnerhet ökar ökad BDNF i NAc kokaininducerad beteende (Graham et al., 2007; Horger et al., 1999), medan PFC BDNF undertrycker samma beteenden (Berglind et al., 2007). Inte överraskande är induktionen av BDNF av kokain också differentiellt reglerad i dessa två hjärnregioner, ett mönster som ytterligare underbygger beteendeskillnaderna (Fumagalli et al., 2007).

Preliminära bevis har implicerat NFKB-signalering i reglering av kokaininducerad strukturell och beteendemässig plasticitet. Även om den direkta mekanismen genom vilken dessa förändringar inträffar är okänd har tidigare arbete visat att p75NTR, som ligger uppströms NFκB, lokaliseras vid synaps och att p75NTR-aktivering av BDNF är nödvändig för LTD. Även om BDNF-TrkB-interaktioner har studerats omfattande i drogmissbruk, föreslår dessa data en alternativ väg genom NFKB som garanterar ytterligare undersökning. I linje med denna hypotes har vi nyligen observerat att viralmedierad överuttryck av en dominerande negativ antagonist av NFKB-vägen i NAc förhindrar förmågan hos kronisk kokain att öka densiteten hos dendritiska spines på NAc MSN. En sådan inhibering av NFKB-signalering blunter också sensibilisering till de givande effekterna av kokain (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Dessa uppgifter, till skillnad från situationen för Cdk5 citerad ovan, stödjer en länk mellan ökad dendritisk arborisering och beteendessensibilisering mot kokain, vilket ytterligare betonar komplexiteten hos dessa fenomen och behovet av ytterligare studier.

Även om begränsat arbete har behandlat relevansen av neurotrofisk signalering i opiatinducerad beteende har arbetet från vårt laboratorium upptäckt en roll för BDNF och den nedströms IRS2-PI3K-Akt-vägen vid reglering av VTA-dopaminergcellstorlek och efterföljande belöningstolerans (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Specifikt producerar kronisk opiatadministration hos gnagare ett tillstånd av belöningstolerans och fysiskt beroende under relativt tidiga återupptagningsperioder som antas bidra till en eskalering av läkemedelsbeteende. Tidiga försök visade att intra-VTA-infusion av BDNF förhindrar den morfininducerade minskningen i VTA-neuronstorlek (Sklair-Tavron et al., 1996). Mer nyligen har vi visat att tidslinjen för belöningstolerans, mätt med konditionerad platspreferens, är parallell med tidslinjen för minskad dopaminerge cellstorlek och att dessa fenomen medieras via BDNF-signalkaskader (Russo et al., 2007). Som tidigare nämnts regleras de biokemiska signaleringsvägarna i VTA som är nedströms för BDNF och TrKB-receptorn differentiellt av kronisk morfin: morfin aktiverar PLCy (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999), minskar aktiviteten hos IRS-PI3K-Akt-vägen (Russo et al., 2007; Wolf et al., 1999) och producerar variabla effekter på ERK (se ovan). Mot bakgrund av de senaste bevisen att Akt reglerar storleken på många celltyper i centrala nervsystemet (Backman et al., 2001; Kwon et al., 2006; Kwon et al., 2001; Scheidenhelm et al., 2005) använde vi viral genöverföringsteknik för att direkt visa att morfin producerar belöningstolerans genom inhibering av IRS2-PI3K-Akt-vägen och minskad storlek på VTA-dopaminneuroner. Dessa effekter observerades inte genom att ändra ERK- eller PLCy-signalering, vilket igen pekade på betydelsen av IRS-PI3K-Akt-signaleringen för detta fenomen. Framtida studier kommer att ta upp relevansen av BDNF och IRS-PI3K-Akt-vägar i eskalering av opiat självadministration, ett mer kliniskt relevant paradigm för att mäta beroende. En större förståelse av uppströmsförändringar i neurotrofiska faktorer eller deras receptorer och nedströms mål av Akt kommer att behandla de specifika mekanismerna för opiatbelöningstolerans i beroendemodeller. Dessutom är det viktigt att förstå rollen som BDNF-signalering vid reglering av VTA-funktionen inom en neuralkretskontext. I detta avseende är det intressant att notera det Pu et al. (2006) visade att efter upptagning från upprepad kokainexponering är excitatoriska synapser på dopaminneuroner i VTA mer mottagliga för potentiering genom svaga presynaptiska stimuli, en effekt som kräver endogen BDNF-TrkB-signalering.

7. Roll av andra neurotrofa faktorer i läkemedelsinducerad strukturell och beteendetsplasticitet

Medan ovanstående diskussion fokuserar på BDNF och dess signalkaskader finns det bevis för att flera andra neurotrofa faktorer och deras nedströms signaleringsvägar också påverkar beteendemässiga eller biokemiska reaktioner på missbruksmissbruk. NT3, som BDNF, har visat sig främja sensibiliserad respons på kokain vid VTA-nivå (Pierce och Bari, 2001; Pierce et al., 1999). Kronisk administrering av morfin eller kokain uppreglerar signaleringen av glialcellslinjeavledad neurotrofisk faktor (GDNF) i VTA-NAc-kretsen, som i sin tur leder tillbaka och undertrycker beteendeeffekterna av dessa missbruksmedel (Messer et al., 2000). Amfetamin inducerar basisk fibroblasttillväxtfaktor (bFGF) i VTA-NAc-kretsen och bFGF-knockout-möss har ett trubbigt svar på lokomotorisk sensibilisering inducerad av upprepade amfetamininjektioner (Flores et al., 2000; Flores och Stewart, 2000). Cytokinen, den ciliära neurotrofiska faktorn (CNTF), administrerad direkt i VTA, ökar förmågan hos kokain att framkalla biokemiska anpassningar i denna hjärnregion; kokain ökar intracellulära signalkaskader genom Janus-kinas (JAK) och signaltransducers och aktivatorer för transkription (STAT), en effekt som potentierades genom en akut infusion av CNTF (Berhow et al., 1996a). Det finns också tecken på att kronisk morfin förändrar nivåerna av insulinliknande tillväxtfaktor 1 (IGF1) i VTA och andra hjärnregioner (Beitner-Johnson et al., 1992). Dessa isolerade fynd indikerar att en mängd olika neurotrofa mekanismer styr VTA-NAc-funktionen för att reglera plasticitet mot missbruksmissbruk på komplexa sätt och framhäva behovet av mycket framtida forskning på detta område.

8. Slutsatser

Under det senaste årtiondet har vi utökat vår förståelse av hur missbruk av droger reglerar neurotrofiska signalvägar och morfologin hos olika neuronpopulationer i hela hjärnans belöningskrets. Nya framsteg inom viral genöverföring möjliggör manipulering av specifika nedströms neurotrofiska signalproteiner inom en given hjärnregion av intresse för fullt utvecklade vuxna djur för att studera relationerna mellan drogmissbruk, neuronal morfologi och beteendets plasticitet. Med nya bicistroniska virala vektorer är det möjligt att uttrycka ett protein som manipulerar neurotrofa signaleringsvägar såväl som ett fluorescerande protein för att visualisera neuronmorfologi (Clark et al., 2002). Med förbättrade immunohistokemiska tekniker för att märka specifika neuronala populationer är det således möjligt att bedöma läkemedelsinducerade morfologiska förändringar och associerade biokemiska anpassningar vid neurotrofisk signalering på ett celltypsspecifikt sätt och tillhandahåller därför avgörande information för läkemedelsinducerad reglering av heterogen hjärna belöning regioner. Med hjälp av tvärvetenskapliga tillvägagångssätt med beteendemässiga, fysiologiska, biokemiska och morfologiska ändpunkter blir det alltmer möjligt att definiera missbruksmekanismerna med mycket större precision, inklusive den exakta rollen av neurotrofisk faktorsignalisering i erfarenhetsberoende plasticitet och beroendeprocessen. Denna kunskap kan leda till utvecklingen av nya medicinska ingrepp för att normalisera den maladaptiva plasticitet som induceras av missbruksmissbruk i hjärnbelöningsregioner och för att därmed vända missbruksprocessen hos människor.

fotnoter

Referensprojekt