Jak SSRI modulują funkcjonowanie neuronów 5-HT?
Badania przeprowadzone na neuronach serotoninowych (5-HT) w jądrze szwu grzbietowego (DRN) rzucają nowe światło na mechanizmy działania fluoksetyny, powszechnie stosowanego inhibitora wychwytu zwrotnego serotoniny (SSRI). Neurony 5-HT z DRN projektują do niemal wszystkich obszarów przodomózgowia u gryzoni i naczelnych, w tym ludzi, co ma kluczowe znaczenie dla rozwoju i funkcjonowania połączeń synaptycznych w mózgu. Serotonina, główny neuroprzekaźnik tych neuronów, odgrywa istotną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu i procesach poznawczych dojrzałego mózgu, co potwierdza fakt, że agoniści 5-HT, jak LSD, mogą wywoływać halucynacje, a SSRI skutecznie łagodzą objawy depresji u części pacjentów.
Neurony 5-HT wykazują aktywność około 3 Hz w stanie czuwania, która zmienia się w zależności od stanu poznawczego i behawioralnego organizmu oraz warunków środowiskowych. Wejścia synaptyczne, w tym GABAergiczne, przyczyniają się do tych zmian, hamując wyładowania neuronów 5-HT. Hamowanie to może być częściowo mediowane przez GABAergiczne wejścia z zewnętrznych źródeł, takich jak podwzgórze, jądro habenularne boczne, brzuszne pole okołowodociągowe i inne struktury mózgu. Co istotne, neurony 5-HT mogą również hamować same siebie (autoinhibicja) poprzez uwalnianie 5-HT w jądrze szwu i ekspresję hamujących autoreceptorów 5-HT1A. Aktywacja tych receptorów powoduje otwarcie kanałów potasowych aktywowanych białkami G (GirK), prowadząc do hiperpolaryzacji i hamowania aktywności neuronów.
Przewlekłe leczenie fluoksetyną (≥2 tygodnie) powoduje zmniejszenie regulacji lub desensytyzację receptorów 5-HT1A i zniesienie początkowego hamowania wyładowań neuronów 5-HT po zastosowaniu SSRI. Ta adaptacyjna zmiana receptorów 5-HT1A jest uważana za kluczową dla przeciwdepresyjnego działania fluoksetyny. Badacze zidentyfikowali lukę w wiedzy dotyczącą potencjalnych efektów przewlekłego podawania fluoksetyny na hiperpolaryzację mediowaną przez GirK aktywowany przez 5-HT oraz związane z tym zmiany w wewnętrznej pobudliwości neuronów 5-HT w DRN, a także potencjalnych zmian w regulacji 5-HT wejść GABAergicznych do tych neuronów.
- Po 2 tygodniach stosowania fluoksetyny następuje zmniejszenie regulacji receptorów 5-HT1A i zniesienie początkowego hamowania wyładowań neuronów serotoninowych
- Przewlekłe leczenie fluoksetyną znacząco zmniejsza hiperpolaryzację neuronów 5-HT (z -26,03 mV do -8,7 mV)
- Następuje redukcja hamowania serotoninowego wejść GABAergicznych do neuronów 5-HT
- Neurony 5-HT stają się bardziej odporne na autoinhibicję, co prowadzi do zwiększonej aktywności i uwalniania serotoniny
Jakie metody i mechanizmy ujawniają działanie fluoksetyny?
W opisywanym badaniu wykorzystano technikę elektrofizjologicznego zapisu patch-clamp w konfiguracji whole-cell na skrawkach mózgu myszy. Zwierzęta otrzymywały dootrzewnowo fluoksetynę (10 mg/kg) lub sól fizjologiczną przez dwa tygodnie (raz dziennie), począwszy od 13 dnia życia. Neurony 5-HT identyfikowano na podstawie ich charakterystycznych właściwości elektrofizjologicznych, w tym wysokiego potencjału szczytowego (93,3 ± 1,3 mV), szerokiego potencjału czynnościowego (2,94 ± 0,11 ms u podstawy) oraz wysokiej oporności wejściowej (362,2 ± 5,4 MΩ). Dla porównania, neurony GABAergiczne charakteryzowały się krótszym czasem trwania potencjału czynnościowego (1,19 ± 0,11 ms), niższą amplitudą potencjału czynnościowego (76,4 ± 2,3 mV) oraz niższą opornością wejściową (185,4 ± 8,5 MΩ).
W badaniu wykazano, że hamujące potencjały postsynaptyczne (IPSP) skutecznie hamują generowanie spontanicznych potencjałów czynnościowych w neuronach 5-HT DRN. Co ciekawe, 5-HT zmniejszała amplitudę szczytową każdego ewokowanego IPSC w sekwencji impulsów o około 70%, co sugeruje, że 5-HT, prawdopodobnie poprzez aktywację receptorów 5-HT1B, może zmniejszać ogólną pobudliwość i uwalnianie neuroprzekaźnika z GABAergicznych zakończeń aksonalnych tworzących synapsy na neuronach 5-HT. Zastosowanie tertiapin-Q, selektywnego inhibitora kanałów GirK, zapobiegało hamującemu działaniu 5-HT na IPSC, co wskazuje, że blokada kanałów GirK jest kluczowym mechanizmem działania 5-HT na hamowanie wejść GABAergicznych do neuronów 5-HT w jądrze szwu.
Po przewlekłym leczeniu fluoksetyną (≥14 dni, 10 mg/kg dziennie) zaobserwowano, że 5-HT tylko minimalnie zmniejszała amplitudę ewokowanych IPSC, co wskazuje na zmniejszenie regulacji lub redukcję hamowania 5-HT wejść GABAergicznych do neuronów 5-HT. Ponadto, w neuronach 5-HT myszy leczonych fluoksetyną, zastosowanie 5-HT wywołało znacznie mniejszą hiperpolaryzację (-8,7 ± 0,9 mV vs -26,03 ± 1,82 mV w kontroli), mniejszy spadek oporu wejściowego (z 542,04 ± 20,20 MΩ do 343,91 ± 14,26 MΩ, w porównaniu do spadku z 584,05 ± 23,14 MΩ do 128,17 ± 5,65 MΩ w grupie kontrolnej) oraz tylko umiarkowane zmniejszenie wyładowań wywoływanych przez wstrzyknięcie prądu (z 10,5 ± 0,5 do 7,5 ± 0,5 impulsów, w porównaniu do całkowitego zahamowania w grupie kontrolnej).
- Badania przeprowadzono na skrawkach mózgu myszy z wykorzystaniem techniki patch-clamp
- Dawkowanie fluoksetyny: 10 mg/kg dootrzewnowo przez 14 dni
- Nie zidentyfikowano jednoznacznie wszystkich zaangażowanych receptorów 5-HT
- Potrzebne są dalsze badania z wykorzystaniem selektywnych ligandów 5-HT1A i 5-HT1B oraz myszy transgenicznych
- Konieczne jest przeprowadzenie dodatkowych badań z użyciem roztworów wewnątrzkomórkowych na bazie CsCl do blokowania postsynaptycznych kanałów GirK
Jakie pytania pozostają bez odpowiedzi w badaniach SSRI?
Wyniki te wskazują, że przewlekłe leczenie fluoksetyną powoduje znaczące zmiany w regulacji aktywności neuronów 5-HT. Po pierwsze, zmniejsza hamowanie 5-HT (prawdopodobnie mediowane przez presynaptyczne receptory 5-HT1B) wejść GABAergicznych do neuronów 5-HT w DRN, co umożliwia zewnętrznym, behawioralnie istotnym neuronom GABAergicznym bardziej efektywne wpływanie na neurony 5-HT, tak aby aktywność neuronów 5-HT i uwalnianie 5-HT lepiej odpowiadały potrzebom behawioralnym. Po drugie, przewlekłe leczenie fluoksetyną zmniejsza hiperpolaryzację mediowaną przez kanały GirK aktywowane przez somatyczne autoreceptory 5-HT (prawdopodobnie 5-HT1A) oraz zmniejsza opór wejściowy i wewnętrzną pobudliwość, co sprawia, że neurony 5-HT w DRN stają się odporne na autoinhibicję 5-HT, prowadząc do zwiększonej aktywności neuronów 5-HT i uwalniania 5-HT.
Autorzy badania interpretują, że 5-HT aktywuje presynaptyczne receptory 5-HT1 (5-HT1B i/lub 5-HT1A), które z kolei aktywują kanały GirK wyrażane w zakończeniach aksonalnych, zmniejszając w ten sposób pobudliwość zakończeń aksonalnych, prowadząc do mniejszej liczby impulsów, mniejszego napływu Ca i mniejszego uwalniania GABA. Kanały GirK są wyrażane w zakończeniach aksonalnych w wielu obszarach mózgu, w tym w zakończeniach aferentnych w DRN. Jest to zgodne z doniesieniami, że presynaptyczne receptory dopaminowe zmniejszają uwalnianie GABA na neurony dopaminergiczne śródmózgowia poprzez aktywację presynaptycznych kanałów GirK.
Wcześniejsze badania wykazały, że przewlekłe leczenie przeciwdepresyjne powoduje desensytyzację autoreceptorów 5-HT1 na zakończeniach aksonalnych neuronów 5-HT, hamujących uwalnianie 5-HT, a ta desensytyzacja czasowo zbiega się z początkiem działania przeciwdepresyjnego w modelach zwierzęcych. Obecne badanie sugeruje, że przewlekłe leczenie SSRI i związany z tym wzrost poziomu 5-HT zewnątrzkomórkowej może wpływać również na heteroreceptory 5-HT1B. Wydaje się zatem, że przewlekła ekspozycja na wysokie poziomy 5-HT zewnątrzkomórkowej może desensytyzować funkcję i/lub zmniejszać ekspresję powierzchniową lub de novo zarówno autoreceptorów 5-HT1B, jak i heteroreceptorów.
Badanie potwierdziło również, że 2-tygodniowe codzienne leczenie fluoksetyną znacznie zmniejszyło autoinhibicję neuronów 5-HT w DRN monitorowaną za pomocą zapisu patch-clamp w konfiguracji whole-cell. Wyniki te są zgodne z i rozszerzają dane literaturowe w tej dziedzinie. W pionierskim badaniu z wykorzystaniem zapisu zewnątrzkomórkowego in vivo, Blier i De Montigny (1983) stwierdzili, że iniekcja dootrzewnowa SSRI zimelidyny początkowo autoinhibowała zewnątrzkomórkowo rejestrowane spontaniczne wyładowania impulsów w neuronach 5-HT DRN u szczurów; jednak po powtarzanym codziennym leczeniu tym SSRI, autoinhibicja stopniowo malała i ostatecznie zanikała po 2 tygodniach leczenia, co wykazało, że przewlekłe leczenie SSRI, które powodowało przewlekły wzrost poziomu 5-HT zewnątrzkomórkowej, może desensytyzować lub zmniejszać regulację autoinhibicji 5-HT.
Obecne badanie dostarcza komplementarnych danych z zapisu whole-cell, które dodają nowych i użytecznych informacji o neuroplastycznych zmianach w oporności wejściowej, wewnętrznej pobudliwości i prądzie GirK po przewlekłym leczeniu fluoksetyną. Te ważne szczegóły nie mogły być rejestrowane we wcześniejszych badaniach in vivo rejestrujących zewnątrzkomórkowe impulsy. W szczególności, dane te pokazują, że po 2 tygodniach codziennego leczenia fluoksetyną (10 mg/kg dootrzewnowo), neurony 5-HT DRN stały się bardziej odporne na autoinhibicję 5-HT, generując znacznie mniejszy prąd Kir, znacznie mniejszą hiperpolaryzację i znacznie mniejszy spadek oporności wejściowej.
Te komórkowe zmiany neuroplastyczne są potencjalnie kluczowymi mechanizmami farmakologicznymi, poprzez które SSRI wywierają swoje przeciwdepresyjne i inne efekty behawioralne oraz poznawcze. Badanie to dostarcza cennych informacji o mechanizmach działania leków przeciwdepresyjnych na poziomie komórkowym i molekularnym, co może przyczynić się do opracowania bardziej skutecznych strategii terapeutycznych w leczeniu depresji i innych zaburzeń neuropsychiatrycznych.
Warto zauważyć, że badanie ma pewne ograniczenia – nie zidentyfikowano jednoznacznie zaangażowanych receptorów 5-HT, co wymaga dalszych badań z wykorzystaniem selektywnych ligandów 5-HT1A i 5-HT1B oraz myszy transgenicznych z nokautem receptorów 5-HT1A i 5-HT1B. Ponadto, oprócz presynaptycznego mechanizmu 5-HT1B opisanego powyżej, autorzy uznają, że postsynaptyczne receptory 5-HT1A aktywujące kanały GirK mogą przyczyniać się do zmniejszenia przez 5-HT ewokowanych IPSC w neuronach 5-HT, chociaż donoszono, że agonizm 5-HT1A nie zmieniał amplitudy miniaturowego IPSC w neuronach 5-HT DRN rejestrowanych z roztworem wewnątrzkomórkowym na bazie K, co przemawia przeciwko możliwości, że niższa oporność wejściowa przyczynia się do niższej amplitudy eIPSC. Aby w pełni rozwiązać ten problem, przyszłe badania muszą wykorzystać roztwory wewnątrzkomórkowe na bazie CsCl do blokowania postsynaptycznych kanałów GirK.
Podsumowanie
Badania przeprowadzone na neuronach serotoninowych w jądrze szwu grzbietowym wykazały, że przewlekłe stosowanie fluoksetyny prowadzi do istotnych zmian w funkcjonowaniu układu nerwowego. Po dwutygodniowym leczeniu zaobserwowano znaczące zmniejszenie hamowania serotoninowego wejść GABAergicznych do neuronów 5-HT, co umożliwia bardziej efektywną regulację aktywności tych neuronów w odpowiedzi na bodźce behawioralne. Dodatkowo, stwierdzono redukcję hiperpolaryzacji mediowanej przez kanały GirK oraz zmniejszenie oporu wejściowego i wewnętrznej pobudliwości neuronów 5-HT. Te zmiany neuroplastyczne sprawiają, że neurony serotoninowe stają się bardziej odporne na autoinhibicję, co prowadzi do zwiększonej aktywności i uwalniania serotoniny. Odkrycia te mogą mieć kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmów działania leków przeciwdepresyjnych i rozwoju skuteczniejszych metod leczenia zaburzeń neuropsychiatrycznych.
