MDMA causes neurodegeneration in the developing rat brain

Die Anfälligkeit des sich entwickelnden Gehirns für Veränderungen von außen ist seit Jahrzehnten bekannt. Während der Entwicklung des zentralen Nervensystems (ZNS) ist die Empfindlichkeit gegenüber Drogen bei akuter oder chronischer Exposition besonders hoch. Das neurotoxische Potential von MDMA (3,4-Methylendioxymetamphetamin, Ecstasy) stand im Mittelpunkt vieler Untersuchungen und wurde kontrovers diskutiert, nicht zuletzt wegen der großen Verbreitung der Droge als ein illegales Psychostimulanz [101]. MDMA (Ecstasy) ist das am weitesten verbreitete und bekannteste plazentagängige Amphetamin [16]. Es steht mittlerweile an zweiter Stelle der am häufigsten illegal konsumierten Drogen in Deutschland [107]. Derzeit haben die meisten Studien die Effekte von MDMA auf das adulte Gehirn untersucht. Ungeachtet der Tatsache, dass die Mehrzahl der Konsumenten in der Gruppe junger Erwachsener und somit unter jungen Frauen im gebährfähigem Alter liegt, ist aber wenig über die Exposition des Fetus mit MDMA bekannt. Es herrscht eine wachsende Befürchtung über seine potentielle Toxizität für das unreife Gehirn [60]. Um die Frage nach den potentiellen Schädigungsmechanismen auf das unreife Gehirn näher zu betrachten, wurden in dieser Arbeit neonatale Gehirne von Ratten im Alter von 3, 7, 14 und 21 Tagen untersucht. Die Hirnschnitte wurden mit verschiedenen Färbemethoden behandelt und nach der stereologischen Dissektionsmethode mikroskopisch ausgewertet. In dieser Arbeit konnte am unreifen Rattengehirn nachgewiesen werden, dass eine einmalige intraperitoneale Injektion ab einer Dosis von 60 mg/kg KG MDMA zu einer ausgeprägten apoptotischen Neurodegeneration in verschiedenen Regionen des Gehirns führt. Es hat sich gezeigt, dass eine MDMA-Applikation in dieser Dosis besonders um den siebten Lebenstag, also in einer sehr vulnerablen Phase der Hirnentwicklung („brain growth spurt period“, vgl. 1.2), zu ausgeprägten Veränderungen im unreifen Gehirn führt. In dieser Phase der Hirnentwicklung, die dem letzten Trimenon der Schwangerschaft beim Menschen entspricht [30], dürfte das menschliche Gehirn am empfindlichsten auf MDMA reagieren. Während sowohl die physiologische, als auch die durch MDMA verursachte Neurodegeneration am siebten Lebenstag der Versuchstiere am ausgeprägtesten war, zeigen auch 14 und 21 Tage alte Ratten einen signifikant erhöhten apoptotischen Nervenzelluntergang im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die untersuchten Hirnregionen reagierten mit einer unterschiedlichen Empfindlichkeit gegenüber der neurodegenerativen Wirkung von MDMA. Ein signifikanter Nervenzelluntergang war in folgenden Hirnregionen der sieben Tage alten Ratten nachweisbar: Kortex, Septum, Thalamus ventralis, Hypothalamus und der CA1-Region des Hippocampus. Selbst sieben Tage nach einer Injektion von 60 mg/kg KG MDMA war noch eine signifikant erhöhte Nervenzelldegeneration nachweisbar und konnte nicht vollständig kompensiert werden. Zusammenfassend konnte im Rahmen des histologischen Teils der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass der Grad der neurodegenerativen Schädigung durch MDMA abhängig von der verwendeten Dosis, dem Alter der Tiere, der Überlebenszeit und der untersuchten Hirnregion ist. Da Neurotrophine unter anderem eine wichtige Rolle im Überleben und der Differenzierung von Neuronen spielen, wurde im zweiten Abschnitt dieser Arbeit der Effekt von MDMA- Injektionen auf die Neurotrophinexpression molekularbiologisch untersucht. Mit Hilfe der PCR konnte der Einfluss von MDMA auf die Transkriptionsrate der Wachstumsfaktoren BDNF, NGF und NT-3 überprüft werden. Darüberhinaus wurde für BDNF die Regulation unter Zuhilfenahme eines Westernblots auch auf Proteinebene betrachtet. Dabei wurde deutlich, dass MDMA Einfluss auf die Expression von Wachstumsfaktoren nimmt. Schon eine einmalige Dosis von 20 mg/kg KG MDMA führte zu einem Anstieg der Transkriptionsraten für BDNF. Die Exposition mit 60mg/kg KG MDMA führte im unreifen Rattengehirn zu einer deutlich erhöhten Transkriptionsrate für BDNF (brain-derived neurotrophic factor) und NT-3 (neurotrophin 3), während die Expression von NGF (nerve growth factor) MDMA-unabhängig war. Ein maximaler Anstieg von BDNF und NT-3 konnte nach 24 Stunden beobachtet werden. Selbst nach 72 Stunden war die Transkriptionsrate noch nicht auf den Ausgangswert zurückgekehrt und noch signifikant erhöht. Interessanterweise lässt dieser Befund auf einen möglichen kompensatorischen neuroprotektiven Mechanismus schließen. Die Expression körpereigener Neurotrophine wie BDNF und NT-3 wurden nach der MDMA-Applikation hochreguliert. Somit könnte über diese Faktoren ein Ungleichgewicht in der apoptotischen Kaskade entstehen, das über das neuronale Überleben entscheidet. Abschließend wurden Versuche mit BDNF Knockout Mäusen (+/- BDNF) durchgeführt, um eine möglische antagonistische Wirkung des Neurotrophins gegenüber des Neurotoxins MDMA aufzudecken. So wurde gezeigt, dass der neurodegenerative Schaden durch MDMA bei den BDNF Knockout Tieren annähernd um das 3-fache größer ist, als bei den Kontrollen des Wildtyps, die ebenfalls MDMA bekamen. Unter den Knockout Mäusen hatten diejenigen, die MDMA appliziert bekamen einen signifikant größeren Schaden gegenüber den Knockout Mäusen, die Natriumchloridlösung erhielten. Demzufolge konnte nachgewiesen werden, dass BDNF tatsächlich eine neuroprotektive Funktion im Zusammenhang mit dem Abusus von MDMA hat. Die Hochregulation der Expression von BDNF wirkt letztlich der schädigenden Wirkung von MDMA an den Neuronen entgegen. Zusätzlich war bei allen Tieren, die eine Exposition mit MDMA erfahren hatten, eine signifikante Abnahme des Körpergewichtes oder zumindest aber eine verringerte Gewichtszunahme im Vergleich zu den Kontrollen festzustellen. Etliche Risiken, wie drohende Frühgeburt, Wachstumsretardierung, Fehlbildungen von Organen, kognitive und motorische Unterentwicklung gegenüber Altersgenossen, die mit einer pränatalen Exposition von MDMA und seinen Metaboliten einhergehen können, sind bereits beschrieben worden [33, 69, 86]. Erstmalig konnnte mit den hier vorliegenden Ergebnissen eindeutig gezeigt werden, dass ein Konsum von MDMA während einer Schwangerschaft schädigende Wirkung im Hinblick auf die Hirnentwicklung des ungeborenen Kindes hat.Methylenedioxymethamphetamine (MDMA, Ecstasy) is a popular recreationally used drug. The recent surge in use of MDMA and increasing concerns about possible toxic effects of the drug have inspired a great deal of research into the mechanisms by which it may affect the central nervous system. Recreational use of methylenedioxymethamphetamine (MDMA) has dramatically increased among juveniles and young adults of child-bearing age, and growing concerns surround the risk of fetal exposure to MDMA. For this reason, it is surprising that comparatively few studies have assessed the effects of MDMA on neonatal rat brain. The purpose of this study was to determine whether exposure to MDMA during the brain growth spurt period (q.v. 1.2) would cause neuronal damage in the rat brain. Prior animal studies using neonatal rats administered MDMA from postnatal days (P) 11-20 (a period approximating third trimester brain development in humans) have demonstrated long-lasting decrements in serotonin (5-HT) and learning; however, no studies have examined the acute post-MDMA response of the brain at this early age. Early developmental treatment of rats with MDMA was previously found to cause apoptotic neurodegeneration. One of the implicated mechanisms is enhancement of apoptotic neuronal death, which occurs physiologically in the developing rat brain. We investigated whether MDMA, one of the most popular drugs of abuse, has neurotoxic properties in the developing rat brain. Exposure of newborn rats to MDMA has been shown to induce apoptotic neurodegeneration in the developing rat brain. Newborn Wistar rats were treated with intraperitoneal injections of MDMA on postnatal days 3, 7, 14and 21 and compared to controls. Brains were examined histopathologically using the De Olmos cupric silver staining, Fluorojade B and TUNEL staining. Additionally, a summation score of the density of apoptotic cells was calculated for every brain. Brains of MDMA-treated animals showed a significant higher neurodegenerative summation score when compared to controls. MDMA significantly enhanced apoptotic neuronal death in the 7-day- old rat brain at doses of 60 mg/kg. These findings demonstrate that neonatal MDMA administration exposure stimulates apoptotic cell death in various areas of the brain.Consequently, offspring of MDMA-using women may be at heightened risk for abnormal neural development. Because neurotrophin signaling plays an important role in neuronal survival and differentiation, we have investigated the effect of MDMA exposure on cell death in the developing brain and whether this effect correlates with alterations in brain-derived neurotrophic factor (BDNF) levels. We here report that, 6-48 h after acute MDMA treatment, the expression of BDNF is increased. These results suggest that the upregulation of BDNF expression and protein in the neonatal rat brain could be an important part of the neuroadaptive response to psychostimulants. All in all these data suggest that MDMA exposure to the developing rat brain from P 3-21 produces higher alterations in nerve cell degeneration to those observed from adult administrations. In addition, a compensatory increase in BDNF and NT-3 (neurotrophin 3) was observed and may be the brains ameliorative response to minimize MDMA effects. The results of the studies with BDNF knockout mice corroborate this hypothesis. The neural damage in brains of BDNF knockout mice was almost three times as high as in brains of the wild type. Future research is needed to elucidate any deleterious effects MDMA-induced increases in trophic activity might have on the developing brain to examine earlier gestational exposure periods in order to assess the risk throughout pregnancy. Amphetamine use during pregnancy can cause many serious adverse effects on both mothers and infants. Increasing awareness and improving understanding of drug abuse in the medical, legal and social aspects are needed in order to reduce these impacts