Ανάπτυξη ενός μοντέλου για τη μελέτη της διπολικής διαταραχής και της δράσης των σταθεροποιητικών της διάθεσης στον επίμυ

Abstract

Bipolar Disorder (BD) is a chronic recurrent mood disorder characterized by alternating episodes of depression and mania. Over the last several years there have been significant developments identifying its pathophysiology. However, the exact neurobiological substrate of the disease, as well as the therapeutic mechanism of action of mood stabilizers have not been clearly defined. Current theories consider that mood disorders, which are highly influenced by genetic factors, could be better conceptualized in the general context of disorders of neuroplasticity. The underlying substrate seems to involve dysfunction of complex intracellular signaling circuits and synaptic plasticity instead of a simple dysfunction of single neurotransmitter systems. The observed heterogeneity considering symptomatology and the absence of relevant animal models that reflect the whole spectrum of the disorder consists of major obstacles in the effort of understanding the underlying substrate. For this reason, current research utilizes the endophenotype theory. According to this theory, the study of certain facets of the disease which relates to more specific dysfunctions of the Central Nervous System (CNS), could ultimately contribute to a better understanding of the various facets of BD. The present PhD thesis is focused on the study of a certain endophenotype of manic behaviour: The dysfunction in the brain reward circuit that has been observed in BD. Specifically, we developed a drug-induced manic model in rats which utilized the intracranial self-stimulation (ICSS) paradigm combined with amphetamine administration. We then evaluated the effects of the different mood stabilizers on this behavioural model. Initially, we performed several novel behavioural studies to assess the effects of acute and chronic administration of LiCl, VPA, combined LiCl and VPA and aripiprazole on brain stimulation reward (BSR) as well as on amphetamine-induced facilitation of BSR. Our findings indicated that acute administration of mood stabilizers increased ICSS threshold, thus decreasing the reinforcing efficacy of brain stimulation and consequently producing anhedonia. However, only acute LiCl, acute combined LiCl and VPA and acute aripiprazole administration, but not VPA administration, attenuated amphetamine-induced facilitation of BSR. Our theory is in accordance with clinical data which indicated that LiCl and aripiprazole are more effective during the manic phase of the disease, while VPA is more effective during the depressive phase of the disease. Data from our chronic studies indicated that chronic administration of LiCl and chronic combined administration of LiCl and VPA induced tolerance to the anhedonic effect of the drugs. The finding might be related to their inability to attenuate the reward-facilitating effects of amphetamine following chronic treatment. In contrast, chronic VPA and chronic aripiprazole produced a sustained anhedonic effect. Following chronic administration, only aripiprazole attenuated the reward-facilitating effect of amphetamine. This finding indicates that aripiprazole might be the most efficacious mood stabilizer following chronic treatment to counteract the presently studied manic endophenotype. We hypothesize that these findings exemplified that chronic administration of LiCl affected neuronal plasticity in the brain reward circuitry. Thus, in follow-up studies we sought to examine the underlying neuronal plasticity following chronic LiCl and chronic aripiprazole administration. More specifically, we examined the effects of acute and chronic administration of LiCl and aripiprazole in key regions of brain reward circuitry, such as ventral striatum and prefrontal cortex (PFC). Based on the neuronal plasticity theory for BD, we performed several immunoblotting studies to assess protein phosphorylation states, which are related to signaling via PKA, PKC, CaMKII and Fyn pathways, as well as with trafficking of glutamate ionotropic NMDA and AMPA receptors. Finally, we tested the phosphorylation state of the transcription factor CREB in order to define the effects of mood stabilizers on neuronal transcription processes. According to our results, acute administration of mood stabilizers inhibited PKA activity. This might have been related to the anhedonic effect that we have observed in the ICSS studies. In contrast to the acute treatments, chronic administration of mood stabilizers significantly affected neuronal plasticity. We demonstrated that several intracellular signaling pathways including PKA, PKC, CaMKII and Fyn pathways are regulated by chronic administration. In addition, synaptic plasticity seemed to be highly influenced by the inhibition of the insertion of new NMDA and AMPA receptors in synapse as well as by the stimulation of endocytosis of membrane receptors that ultimately lead to the induction of LTD. Considering the common mechanisms of action of mood stabilizers, we should also include the suppression of transcriptional processes in the ventral striatum, since these drugs seemed to inhibit the activation of the transcription factor CREB via the reduction of its phosphorylation. Although we considered that the aforementioned mechanisms of mood stabilizers might be related to their antimanic mechanisms, additional plasticity might be related to the development of behavioral tolerance to the anhedonic effect of LiCl following its chronic treatment. Specifically, suppression of transcription processes in the regulatory region of PFC as well as CaMKII-depended inhibition of the insertion of new AMPA receptors in the “silent” synapses of ventral striatum might be related to the reward circuitry’s inability to encode anhedonic stimuli as well as to the development of behavioral tolerance that we observed following chronic LiCl administration. In summary, the present PhD thesis has provided original data on the effects of acute and chronic treatments of mood stabilizers on brain reward processes considering multiple physiological levels from the behavioral and systemic to the molecular. Moreover, the results suggest a new pharmacologically-induced animal model of mania to assess the increased euphoria/hedonistic drive that is observed in a specific population of bipolar patients during the manic phase of BD. In addition, our data indicated that chronic administration of LiCl can lead to the development of behavioral tolerance in some of its effects. This tolerance is related to neuronal and synaptic plasticity of brain reward circuitry. We demonstrated that the effects of mood stabilizers following acute treatment differ from their affects following chronic treatment. These effects are related to robust neuronal plasticity that involves LTD induction, the regulation of multiple signaling pathways, and the suppression of gene expression. In conclusion, the present PhD thesis supports the theory of disturbed neuronal plasticity in BD and suggests that mood stabilizers relieve manic symptoms via attenuation of neuronal plasticity deficits that are observed in bipolar patients.

Η Διπολική Διαταραχή (ΔΔ) είναι μια χρόνια υποτροπιάζουσα διαταραχή του συναισθήματος, η οποία χαρακτηρίζεται από κυκλικές εναλλαγές καταθλιπτικών και μανιακών επεισοδίων. Παρά τις σημαντικές εξελίξεις στον τομέα της έρευνας τα τελευταία χρόνια, το ακριβές νευροβιολογικό υπόστρωμα της διαταραχής καθώς και ο θεραπευτικός μηχανισμός δράσης των σταθεροποιητικών της διάθεσης δεν έχει ακόμα διαλευκανθεί. Οι σύγχρονες θεωρίες πρεσβεύουν ότι οι συναισθηματικές διαταραχές, που έχουν σε μεγάλο βαθμό γενετικό υπόστρωμα, μπορούν να γίνουν καλύτερα αντιληπτές στο ευρύτερο πλαίσιο των διαταραχών της νευρωνικής πλαστικότητας του εγκεφάλου. Έτσι φαίνεται να σχετίζονται με διαταραχές πολύπλοκων κυκλωμάτων ενδοκυττάριας διαβίβασης σήματος και συναπτικής πλαστικότητας, παρά με μια απλή δυσλειτουργία ενός νευροδιαβιβαστικού συστήματος. Η ετερογένεια ως προς τη συμπτωματολογία που παρατηρείται στη ΔΔ καθώς και η απουσία μοντέλων σε πειραματόζωα για τη μελέτη του πλήρους φάσματος της διαταραχής αποτελεί τροχοπέδη στην προσπάθεια κατανόησης του υποκείμενου υποστρώματος. Τα παραπάνω οδήγησαν τη σύγχρονη έρευνα στην αξιοποίηση της θεωρίας των ενδοφαινοτύπων. Η θεωρία αυτή στηρίζει τη μελέτη συγκεκριμένων πτυχών της διαταραχής, οι οποίες σχετίζονται με πιο συγκεκριμένες δυσλειτουργίες του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος (ΚΝΣ) και έχει ως απώτερο στόχο την καλύτερη κατανόηση πτυχών της ΔΔ. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη ενός συγκεκριμένου ενδοφαινότυπου μανιακής συμπεριφοράς, ο οποίος σχετίζεται με τη διαταραχή του κυκλώματος ανταμοιβής του εγκεφάλου που παρατηρείται στη ΔΔ. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύξαμε ένα φαρμακο-επαγόμενο μοντέλο μανίας στον επίμυ, αξιοποιώντας το πρότυπο του ενδοκρανιακού αυτοερεθισμού σε συνδυασμό με χορήγηση αμφεταμίνης και ελέγξαμε τις επιδράσεις διαφορετικών σταθεροποιητικών της διάθεσης στο συμπεριφορικό αυτό πρότυπο. Αρχικά πραγματοποιήσαμε σειρά πρωτότυπων συμπεριφορικών μελετών στις οποίες εκτιμήσαμε τις επιδράσεις της οξείας και χρόνιας χορήγησης LiCl, VPA, LiCl και VPA και αριπιπραζόλης στην ενίσχυση του εγκεφαλικού ερεθισμού καθώς και στην ενισχυτική δράση της αμφεταμίνης στη συμπεριφορά ενδοκρανιακού αυτοερεθισμού. Σύμφωνα με τα ευρήματα των μελετών μας, η οξεία χορήγηση όλων των σταθεροποιητικών της διάθεσης αύξησε τον ουδό ενδοκρανιακού αυτοερεθισμού, υποδηλώνοντας μείωση της ενίσχυσης του εγκεφαλικού ερεθισμού και επομένως ανηδονία. Ωστόσο, μόνο η οξεία χορήγηση LiCl, η οξεία συγχορήγηση LiCl και VPA και η οξεία χορήγηση αριπιπραζόλης, αλλά όχι η οξεία χορήγηση VPA, ανέστειλε την επαγόμενη από αμφεταμίνη αύξηση της αποτελεσματικότητας της ενίσχυσης του εγκεφαλικού ερεθισμού. Τα ευρήματα αυτά φαίνεται να συμφωνούν με κλινικά δεδομένα που υποδεικνύουν ότι το LiCl και η αριπιπραζόλη είναι αποτελεσματικότερα κατά τη μανιακή φάση της νόσου ενώ το VPA φαίνεται να είναι αποτελεσματικότερο κατά την καταθλιπτική φάση της διαταραχής. Τα αποτελέσματα των χρόνιων μελετών μας έδειξαν ότι η χρόνια χορήγηση LiCl καθώς και η χρόνια συγχορήγηση LiCl και VPA οδήγησε στην ανάπτυξη συμπεριφορικής αντοχής στις ανηδονικές δράσεις των φαρμάκων, η οποία υποθέσαμε ότι σχετίζεται με την αδυναμία αναστολής των ενισχυτικών δράσεων της αμφεταμίνης έπειτα από τη χρόνια χορήγησή τους. Αντίθετα η χρόνια χορήγηση VPA και αριπιπραζόλης επέδειξε μια σταθερή ανηδονική δράση. Μετά από χρόνια χορήγηση μόνο η αριπιπραζόλη ανέστειλε την επαγόμενη από αμφεταμίνη αύξηση της αποτελεσματικότητας της ενίσχυσης του εγκεφαλικού ερεθισμού. Αυτό αναδεικνύει την αριπιπραζόλη ως το πλέον αποτελεσματικό σταθεροποιητικό της διάθεσης μετά από χρόνια χορήγηση για την αντιμετώπιση του συγκεκριμένου ενδοφαινότυπου μανιακής συμπεριφοράς. Τα ευρήματα αυτά πιθανολογούν ότι η χρόνια χορήγηση LiCl επηρέασε τη νευρωνική πλαστικότητα του κυκλώματος ανταμοιβής του εγκεφάλου. Γι’ αυτό και στόχος των επόμενων μελετών μας ήταν η διαλεύκανση της υποκείμενης νευρωνικής πλαστικότητας. Επιλέξαμε να μελετήσουμε τις επιδράσεις της οξείας και χρόνιας χορήγησης LiCl και αριπιπραζόλης σε κομβικές περιοχές του κυκλώματος ανταμοιβής, όπως το κοιλιακό ραβδωτό και ο προμετωπιαίος φλοιός. Βασισμένοι στη θεωρία της νευρωνικής πλαστικότητας της ΔΔ, πραγματοποιήσαμε μια σειρά πρωτότυπων μελετών ανοσοαποτύπωσης για τη μελέτη της κατάστασης φωσφορυλίωσης πρωτεϊνών που εμπλέκονται στη μηνυματοδότηση μέσω των μονοπατιών της PKA, PKC, CaMKII και Fyn καθώς και στη διακίνηση των ιοντοτροπικών γλουταμινεργικών υποδοχέων NMDA και AMPA. Τέλος, μελετήσαμε την κατάσταση φωσφορυλίωσης του μεταγραφικού παράγοντα CREB για να προσδιορίσουμε τις επιδράσεις των σταθεροποιητικών της διάθεσης στις νευρωνικές μεταγραφικές διεργασίες. Τα αποτελέσματα των μελετών αυτών έδειξαν ότι η οξεία χορήγηση των σταθεροποιητικών της διάθεσης οδηγεί σε αναστολή της δραστικότητας της PKA, η οποία φαίνεται ότι σχετίζεται με τις ανηδονικές επιδράσεις που παρατηρήσαμε στο πρότυπο του ενδοκρανιακού αυτοερεθισμού. Σε αντίθεση με ότι παρατηρήσαμε κατά την οξεία χορήγηση των σταθεροποιητικών της διάθεσης, η χρόνια χορήγησή τους επηρέασε σημαντικά τη νευρωνική πλαστικότητα. Δείξαμε ότι ποικίλα ενδοκυττάρια μονοπάτια όπως αυτά των PKA, PKC, CaMKII και Fyn ρυθμίζονται έπειτα από τη χρόνια χορήγηση αυτών των φαρμάκων. Επιπλέον φαίνεται ότι υπάρχει σημαντική ρύθμιση της συναπτικής πλαστικότητας μέσω της αναστολής της ένθεσης νέων NMDA και AMPA υποδοχέων στη σύναψη αλλά και μέσω της προαγωγής της ενδοκυττάρωσης των υπαρχόντων μεμβρανικών υποδοχέων έχοντας ως τελικό αποτέλεσμα την επαγωγή LTD. Τέλος, στους κοινούς μηχανισμούς δράσης των σταθεροποιητικών της διάθεσης θα πρέπει να συμπεριλάβουμε και την καταστολή των μεταγραφικών διεργασιών στο κοιλιακό ραβδωτό καθώς φαίνεται ότι τα φάρμακα αυτά αναστέλλουν την ενεργοποίηση του μεταγραφικού παράγοντα CREB μέσω της μείωσης της φωσφορυλίωσής του. Αν και θεωρούμε ότι οι προαναφερόμενοι μηχανισμοί των σταθεροποιητικών της διάθεσης μπορεί να σχετίζονται με τους αντιμανιακούς μηχανισμούς δράσης τους, επιπρόσθετη πλαστικότητα θα πρέπει να σχετίζεται με την ανάπτυξη συμπεριφορικής αντοχής στις ανηδονικές δράσεις του LiCl έπειτα από τη χρόνια χορήγησή του. Πιο συγκεκριμένα, η καταστολή των μεταγραφικών διεργασιών στη ρυθμιστική περιοχή του προμετωπιαίου φλοιού καθώς και η CaMKII εξαρτώμενη αναστολή της ένθεσης νέων ΑΜΡΑ υποδοχέων στις «σιωπηλές» συνάψεις του κοιλιακού ραβδωτού πιστεύουμε ότι σχετίζονται με την αδυναμία του κυκλώματος ανταμοιβής να κωδικεύσει ανηδονικά ερεθισμάτα καθώς και με τη σχετιζόμενη ανάπτυξη συμπεριφορικής αντοχής που παρατηρήσαμε έπειτα από τη χρόνια χορήγηση LiCl. Εν κατακλείδι, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρέχει πρωτότυπα δεδομένα αναφορικά με τις οξείες και χρόνιες επιδράσεις των σταθεροποιητικών της διάθεσης στις διεργασίες ανταμοιβής του εγκεφάλου σε πολλαπλά επίπεδα, από το συμπεριφορικό και συστημικό έως το μοριακό. Επιπλέον προτείνει ένα νέο φαρμακο-επαγόμενο μοντέλο μανίας για τη μελέτη της αυξημένης ευφορίας/ηδονής που χαρακτηρίζει ορισμένους διπολικούς ασθενείς κατά την μανιακή φάση της ΔΔ. Επιπροσθέτως, τα ευρήματά της υποδεικνύουν ότι η χρόνια χορήγηση LiCl μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη συμπεριφορικής αντοχής σε κάποιες από τις δράσεις του, η οποία σχετίζεται με αλλαγές στη νευρωνική και συναπτική πλαστικότητα του κυκλώματος ανταμοιβής. Δείξαμε, ότι οι οξείες επιδράσεις των σταθεροποιητικών της διάθεσης διαφοροποιούνται από τις χρόνιες επιδράσεις τους, οι οποίες σχετίζονται με την ύπαρξη έντονης νευρωνικής πλαστικότητας που εμπλέκει την επαγωγή LTD, τη ρύθμιση ποικίλων ενδοκυττάριων μονοπατιών καθώς και την καταστολή της έκφρασης γονιδίων. Συμπερασματικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή στηρίζει τη θεωρία της ύπαρξης ελλειμμάτων στη νευρωνική πλαστικότητα στη ΔΔ και προτείνει ότι η χορήγηση σταθεροποιητικών της διάθεσης αμβλύνει τη σχετική συμπτωματολογία μέσω άμβλυνσης των ελλειμμάτων της νευρωνικής πλαστικότητας που παρουσιάζουν οι διπολικοί ασθενείς.