The role of corticotropin releasing factor in the pathophysiology of schizophrenia

Abstract

Schizophrenia (SZ) is a chronic, severe mental disorder, which affects 1% of the global population. Its main symptoms are categorized in positive, negative and cognitive deficits and arise after late adolescence/early adulthood. The main brain regions affected are the hippocampus (HPC) and the prefrontal cortex (PFC). Its biological basis still remains unknown, with several hypotheses trying to shed light on the underlying mechanisms. The leading hypothesis for the etiopathology of SZ is the neurodevelopmental hypothesis, which supports that SZ may originate from abnormalities that occur during the early stages of fetal brain development. Additionally, there are several lines of evidence supporting a crucial role of stress on SZ, while an important but rarely studied fact is the sexual dimorphism observed in the emergence, symptomatology and response to treatment. The multifactorial character of SZ has become a barrier for the identification of its biological basis and has magnified the need for developing more complex models for the study of the disorder. A very well-characterized animal model of SZ, based on the neurodevelopmental hypothesis, in rats, is the gestational MAM model. It is generated by prenatal exposure to the mitotoxin MAM, during Gestational day (GD) 17. Our study aimed to develop and validate the MAM model in mice, in both sexes, and investigate the role of corticotropin releasing factor (CRF) system, the neuroendocrine modulator of stress response, in the symptoms of the model. We further investigated the effects of acute stress in the cognitive function of control animals, in both sexes. Because of its good validity, we believe that developing the MAM model in mice, would provide us with a strong tool to create more complex models for the study of SZ, given the increased number of genetic mouse models. In addition, we believe that studying both sexes would further elucidate the complexity of SZ, as the majority of the studies have been conducted in male subjects.We showed that the MAM model in mice is better reproduced by exposure to the mitotoxin on GD16. The validation experiments revealed histological adaptations in both PFC and HPC, and indications of positive symptoms in both male and female mice, such as enhanced locomotor activity in response to MK-801 administration in female mice and reduced pre-pulse inhibition in male mice. With regards to cognitive deficits, HPC function was found impaired in both sexes, as shown by reduced contextual fear memory and decreased long-term potentiation (LTP). However, this was not the case for PFC-dependent cognitive function or the Parvalbumin protein expression. Only male mice exposed to MAM exhibited impaired PFC function, as indicated by reduced performance in the delayed alternation task in the T-maze and reduced LTP. Furthermore, male, but not female, MAM mice exhibited reduced Parvalbumin expression in HPC and PFC, which is a marker of SZ phenotype in humans.We extended the sex comparison of MAM-exposed mice in the basal anxiety levels and CRF1 receptor levels on PFC, which was the region showing sexual dimorphism. We revealed heightened levels of trait anxiety in MAM-exposed female mice but decreased levels in males, which were only observed during adulthood. The quantification of CRF1 protein levels from PFC samples revealed a significant decrease only in male MAM-exposed mice. These results intrigued us to hypothesize that CRF system could have a strong influence on the sex-biased PFC-dysfunction, through CRF1 activation, as our results supported normal PFC function in female MAM-exposed mice. We therefore, systemically blocked CRF1 in female MAM-16 mice, using antalarmin, which is a CRF1 specific antagonist. Our aim was to test whether CRF1 inactivation could induce PFC-dysfunction. We observed a disruption of LTP in the PFC of female MAM-exposed mice, in contrast to the facilitation we recorded in saline-exposed animals treated with antalarmin. Finally, we acutely stressed control animals, in order to study PFC-cognitive function after enhancing CRF system activation, mimicking the alterations that we observed in CRF system of male MAM-16 mice. We found increased vulnerability of females, in terms of anxiety levels, but no significant alterations were found in the PFC-dependent cognitive function.In conclusion, our study reveals that the MAM model of SZ can be successfully reproduced in mice, showing sex-dimorphic alterations observed also in the human condition, and supports a significant contribution of CRF system in the pathology of the disorder. We speculate that SZ could be a condition of sustained CRF over-expression and the altered levels of CRF1 in male MAM-expose mice could reflect a homeostatic mechanism developed to counterbalance this abnormal increase, with the cost of impaired PFC function. An alternative mechanism in female MAM-exposed mice, through the activation of different cellular signaling pathways could protect PFC, without affecting CRF1 availability.

Η σχιζοφρένεια είναι μία χρόνια, σοβαρή νοητική διαταραχή, η οποία επηρεάζει το 1% του παγκόσμιου πληθυσμού. Τα κύρια συμπτώματα κατηγοριοποιούνται σε θετικά, αρνητικά και γνωσιακά ελλείμματα και εμφανίζονται μετά το τέλος της εφηβείας/ αρχή της ενηλικίωσης. Οι κύριες περιοχές που επηρεάζονται είναι ο ιππόκαμπος και ο προμετωπιαίος φλοιός. Η βιολογική της βάση παραμένει ακόμα άγνωστη, με διάφορες υποθέσεις να προσπαθούν να ρίξουν φως στους υποκείμενους μηχανισμούς. Η επικρατούσα υπόθεση για την αιτιοπαθολογία της σχιζοφρένειας είναι η νευροαναπτυξιακή υπόθεση, η οποία υποστηρίζει ότι η σχιζοφρένεια προέρχεται από ανωμαλίες που λαμβάνουν χώρα κατά τα πρώτα στάδια της ανάπτυξης του εγκεφάλου του εμβρύου. Επιπλέον, υπάρχουν αρκετές ενδείξεις που υποστηρίζουν ότι το στρες παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη σχιζοφρένεια, ενώ ένα πολύ σημαντικό στοιχείο που σπάνια μελετάται είναι ο διμορφισμός που σχετίζεται με το φύλο και παρατηρείται στην εμφάνιση, τη συμπτωματολογία και την απόκριση στη θεραπεία. Ο πολυπαραγοντικός χαρακτήρας της σχιζοφρένειας αποτελεί εμπόδιο για την ταυτοποίηση της βιολογικής βάσης της διαταραχής και έχει μεγεθύνει την ανάγκη για την ανάπτυξη πολύπλοκων μοντέλων για τη μελέτη της διαταραχής. Ένα πολύ καλά χαρακτηρισμένο ζωικό μοντέλο της σχιζοφρένειας, το οποίο βασίζεται στη νευροαναπτυξιακή υπόθεση, στους αρουραίους, είναι το νευροαναπτυξιακό μοντέλο ΜΑΜ. Δημιουργείται μετά από προγεννητική έκθεση στη μιτοτοξίνη ΜΑΜ, κατά τη 17η μέρα κύησης. Ο στόχος μας στη μελέτη αυτή ήταν να αναπτύξουμε και να επικυρώσουμε το μοντέλο ΜΑΜ στα ποντίκια και στα δύο φύλα, και να διερευνήσουμε το ρόλο του εκλυτικού παράγοντα κορτικοτροπίνης, του νευροενδοκρινικού ρυθμιστή της απόκρισης στο στρες, στα συμπτώματα του μοντέλου. Επιπλεόν, μελετήσαμε τις επιδράσεις του οξέος στρες στη γνωστική λειτουργία, σε φυσιολογικά ζωα και των δύο φύλων. Λόγω της καλής εγκυτότητας του μοντέλου, πιστεύουμε ότι η ανάπτυξη του μοντέλου ΜΑΜ σε ποντίκια , θα μας παράσχει ένα δυνατό εργαλείο για να δημιουργήσουμε πιο πολύπλοκα μοντέλα για τη μελέτη της σχιζοφρένειας, δεδομένου και του αυξημένου αριθμού γενετικών μοντέλων που έχουν αναπτυχθεί σε ποντίκια. Επιπλέον, πιστεύουμε ότι η μελέτη και των δύο φύλων θα διασαφηνίσει περαιτέρω την πολυπλοκότητα της διαταραχής, καθώς οι περισσότερες μελέτες έχουν διεξαχθεί σε αρσενικά άτομα.Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι το μοντέλο ΜΑΜ στα ποντίκια αναπαράγεται καλύτερα με έκθεση στη μιτοτοξίνη κατά τη 16η μέρα της κύηση. Τα πειράματα για την επικύρωση αποκάλυψαν ιστολογικές προσαρμογές τόσο στον προμετωπιαίο όσο και στον ιππόκαμπο, και ενδείξεις για θετικά συμπτώματα και στα δύο φύλα, όπως αυξημένη κινητική δραστηριότητα ως απόκριση στη χορήγηση του ΜΚ-801, στα θηλυκά ΜΑΜ ποντίκια, και μειωμένη προπαλμική αναστολή στα αρσενικά ΜΑΜ ποντίκια. Όσον αφορά στα γνωσιακά ελλείμματα, η λειτουργία του ιπποκάμπου βρέθηκε μειωμένη και στα δύο φύλα, όπως έδειξε η μειωμένη μνήμη φόβουκαι η μειωμένη μακρόχρονη ενδυνάμωση. Ωστόσο, δεν παρατηρήθηκε κάτι ανάλογο στην εξαρτώμενη από τον προμετωπιαίο φλοιό γνωσιακή λειτουργία ή την έκφραση της πρωτεΐνης παρβαλβουμίνης. Μόνο τα αρσενικά ΜΑΜ ποντίκια παρουσίασαν ελλείμματα στη λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού, όπως έδειξε η μειωμένη απόδοση στη δοκιμασία εναλλαγής βραχίονα με καθυστέρηση στο λαβύρινθο σχήματος «Τ», καθώς και η μειωμένη μακρόχρονη ενδυνάμωση. Επιπλέον, τα αρσενικά, αλλά όχι τα θηλυκά ΜΑΜ ποντίκια παρουσίασαν μειωμένη έκφραση της πρωτεΐνης παρβαλβουμίνης εύρημα το οποίο αποτελεί δείκτη του φαινότυπου σχιζοφρένειας στους ανθρώπους. Επεκτείναμε τη σύγκριση των δύο φύλων στα ζώα ΜΑΜ και στην απόκριση στο στρες, εστιάζοντας στον προμετωπιαίο φλοιό, η οποία έδειξε διμορφισμό που σχετίζεται με το φύλο. Αποκαλύψαμε υψηλά επίπεδα άγχους στα θηλυκά ΜΑΜ ποντίκια και χαμηλά επίπεδα στα αντίστοιχα αρσενικά, το οποία ήταν εμφανή μόνο κατά την ενηλικίωση. Η ποσοτικοποίηση των επιπέδων της πρωτεΐνης του υποδοχέα 1 του εκλυτικού παράγοντα κορτικοτροπίνης στον προμετωπιαίο φλοιό αποκάλυψε σημαντική μείωση μόνο στα αρσενικά ΜΑΜ ποντίκια. Τα αποτελέσματα αυτά μας οδήγησαν στο να υποθέσουμε ότι το σύστημα του εκλυτικού παράγοντα κορτικοτροπίνης θα μπορούσε να επηρεάζει τη λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού με διαφορετικό τρόπο σε κάθε φύλο, μέσω της ενεργοποίησης του υποδοχέα 1. Έτσι, προχωρήσαμε σε αποκλεισμό του υποδοχέα στα θηλυκά ΜΑΜ ποντίκια, με συστημική χορήγηση, χρησιμοποιώντας ανταλαρμίνη, η οποία είναι ένας ειδικός ανταγωνιστής του υποδοχέα 1. Ο στόχος μας ήταν να ελέγξουμε εάν η απενεργοποίηση του υποδοχέα 1 του εκλυτικού παράγοντα κορτικοτροπίνης, θα μπορούσε να προκαλέσει δυσλειτουργία στον προμτεωπιαίο φλοιό. Παρατηρήσαμε μείωση της μακρόχρονης ενδυνάμωσης στον προμετωπιαίο φλοιό των θηλυκών ΜΑΜ ποντικών, σε αντίθεση με την ενίσχυση της μακρόχρονης ενδυνάμωση που καταγράψαμε στα ζώα ελέγχου που έλαβαν ανταλαρμίνη. Τέλος, πραγματοποιήθηκε οξεία έκθεση ζώων ελέγχου σε στρες περιορισμόυ, με σκόπο τη μελέτη της γνωσιακής λειτουργίας του προμετωπιαίου φλοιού, μετά από ενίσχυση της ενεργότητας του συστήματος του εκλυτικού παραγοντα κορτικοτροπίνης, μιμούμενοι έτσι τις αλλαγές που παρατηρήσαμε στο σύστημα αυτό στα αρσενικά ΜΑΜ ποντίκια. Βρήκαμε αυξημένα επίπεδα άγχους στα θηλυκά ζώα, αλλά καμία σημαντική διαφορά στη γνωσιακή λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού. Συμπερασματικά, η μελέτη μας αποκαλύπτει ότι το μοντέλο ΜΑΜ της σχιζοφρένειας μπορεί να αναπαραχθεί με επιτυχία στα ποντίκια, εμφανίζοντας διαφορές ανάμεσα στα δύο φύλα που παρατηρούνται και στους ανθρώπους, και υποστηρίζει τη σημαντική συνεισφορά του συστήματος του εκλυτικού παράγοντα κορτικοτροπίνης στην παθολογία της διαταραχής. Υποθέτουμε ότι η σχιζοφρένεια θα μπορούσε να αποτελεί μία κατάσταση παρατεταμένης υπερέκφρασης του εκλυτικού παράγοντα κορτικοτροπίνης και οι αλλαγές στα επίπεδα του υποδοχέα 1 στα ΜΑΜ αρσενικά ποντίκια να αντικατοπτρίζουν έναν ομοιοστατικό μηχανισμό που έχει αναπτυχθεί για να εξισορροπήσει τη μη φυσιολογική αύξηση, με κόστος τη μειωμένη λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού. Ένας εναλλακτικός μηχανισμός στα θηλυκά ΜΑΜ ποντίκια, μέσω ενεργοποίησης διαφορετικών σηματοδοτικών μονοπατιών, θα μπορούσε να προστατεύει τον προμετωπιαίο φλοιό, χωρίς να επηρεάζει τη διαθεσιμότητα του υποδοχέα 1.