In-vitro-effects of antidepressants on mitochondrial respiratory chain complexes in human hippocampus and prefrontal cortex

Ausgehend von Literaturdaten, die auf einen möglichen Zusammenhang zwischen dem Auftreten extrapyramidal-motorischer Störungen (EPMS) unter Neuroleptika- Therapie und hemmenden Effekten dieser Psychopharmaka auf die Enzymkomplexe der mitochondrialen Atmungskette (hierbei insbesondere Komplex I) hinweisen, sollte die vorliegende Untersuchung prüfen, ob auch Antidepressiva in der Lage sind, die Elektronentransportkette der Mitochondrien zu beeinflussen. Da EPMS auch als Nebenwirkung einer Behandlung mit Antidepressiva beobachtet werden, bestand die Vermutung, dass bestimmte antidepressiv wirksame Substanzen ähnliche hemmende Wirkungen auf die Enzyme der Atmungskette ausüben könnten wie Neuroleptika. In der vorliegenden Pilotstudie wurden in-vitro-Effekte von Amitriptylin, Nortriptylin, Fluoxetin, Citalopram, Escitalopram, Brofaromin und Venlafaxin auf die Atmungskettenenzyme SDH, Komplex I/III und Komplex II/III in Homogenaten aus tiefgefrorenen Proben des Hippocampus und Präfrontalcortex eines an einem Myokardinfarkt verstorbenen Mannes ohne psychiatrische und neurodegenerative Erkrankungen untersucht. Es sollte geprüft werden, welches der ausgewählten Antidepressiva die stärkste inhibitorische Potenz hat und ob die Enzymkomplexe der Atmungskette in den beiden untersuchten Hirnregionen unterschiedlich empfindlich auf Antidepressiva reagieren würden. Die Untersuchung erfolgte in zwei Schritten: Ein Screening-Test bei einer relativ hohen Konzentration der Testsubstanzen von 1 mM sollte zunächst dazu dienen, diejenigen Wirkstoffe zu identifizieren, die mehr als 20% Hemmung der Enzymaktivität bewirkten. Im zweiten Schritt wurde nur für diese Substanzen die Konzentrationsabhängigkeit der beobachteten Effekte analysiert. Alle Messungen erfolgten als Doppelbestimmung in vier bis acht separaten Experimenten. Die Untersuchungsergebnisse zeigten, dass bei einer Konzentration von 1 mM keine der Testsubstanzen eine nennenswerte Beeinflussung der SDH-Aktivität in den untersuchten Hirnregionen bewirkte (Hemmung < 20%). Komplex I/III erfuhr bei 1 mM Konzentration eine mehr oder weniger starke, jedoch signifikante Hemmung durch alle Antidepressiva mit Ausnahme von Venlafaxin und Citalopram im Präfrontalcortex bzw. mit Ausnahme von Citalopram im Hippocampus. Die stärkste Inhibition bei dieser Konzentration erzielten die Substanzen Brofaromin, Fluoxetin und Nortriptylin, wobei die Effekte in beiden Hirnregionen ähnlich waren (zwischen 27% und 40% Hemmung der Enzymaktivität). Die stärksten hemmenden Wirkungen waren für alle Antidepressiva außer Venlafaxin an Komplex II/III in beiden Hirnregionen zu beobachten. Bei einer Konzentration von 1 mM bewirkten Brofaromin, Fluoxetin, Nortriptylin und Amitriptylin eine Hemmung der Komplex II/III-Aktivität im Bereich von 45% bis 59%. Für alle untersuchten Antidepressiva fand sich eine Konzentrationsabhängigkeit der auf Komplex I/III und Komplex II/III erzielten Effekte. Im Präfrontalcortex zeigten sich für Brofaromin und Nortriptylin sehr ähnliche Verläufe der Dosis-Wirkungs-Kurven für Komplex II/III mit einer schwachen Hemmung der Enzymaktivität im Konzentrationsbereich zwischen 25 µM und 250 µM. Die maximal erzielbare Hemmung der Komplex II/III-Aktivität lag bei durchschnittlich 58-82% und wurde bei Konzentrationen ab etwa 1 mM erreicht. Amitriptylin, die Muttersubstanz des Nortriptylins, bewirkte dagegen zunächst eine leichte, jedoch signifikante Aktivierung des Komplexes II/III im Präfrontalcortex bei Konzentrationen zwischen 50 µM und 100 µM; ab 500-750 µM kam es zu einem steilen Aktivitätsabfall mit maximaler Hemmung von knapp 80% bei einer Konzentration von 2-3 mM. Im Hippocampus dahingegen wirkte Amitriptylin im gesamten getesteten Konzentrationsbereich inhibitorisch auf Komplex II/III. Dieser Befund erklärt möglicherweise die unterschiedlichen IC50-Werte für Amitriptylin in den untersuchten Hirnregionen (Präfrontalcortex: 1,21 mM; Hippocampus: 0,81 mM). Fluoxetin und Brofaromin erwiesen sich von allen untersuchten Antidepressiva als die potentesten Inhibitoren des Komplexes II/III. Die IC50-Werte für Brofaromin waren in beiden Hirnregionen ähnlich (Präfrontalcortex: 0,74 mM; Hippocampus: 0,85 mM). Für Fluoxetin zeigten sich Unterschiede zwischen den IC50-Werten in Präfrontalcortex und Hippocampus: Hier war eine deutlich größere Empfindlichkeit des Komplexes II/III im hippocampalen Gewebe zu beobachten (IC50 = 0,59 mM versus IC50 = 1,13 mM im Präfrontalcortex). Die Ergebnisse der vorliegenden Pilotuntersuchung an menschlichem Hirngewebe zeigen, dass einige Antidepressiva unter in-vitro-Bedingungen im Unterschied zu Neuroleptika weniger Komplex I/III, sondern eher Komplex II/III der Atmungskette hemmen. Da die Ergebnisse von in-vitro-Studien nicht ohne weiteres auf die Verhältnisse am lebenden Organismus übertragbar sind und zudem das untersuchte Hirngewebe nur von einem Probanden stammte, besteht hier weiterer Forschungsbedarf, auch hinsichtlich der Aufklärung der exakten Mechanismen, über die Antidepressiva die Atmungskettenenzyme inhibieren. Als Beitrag zu einem bislang wenig untersuchten, aber klinisch bedeutsamen Themenkomplex können die vorliegenden Ergebnisse Anstoß zu weiterführenden gezielten Untersuchungen bieten.Based on experimental evidence postulating a link between the incidence of extrapyramidal motor symptoms (EPMS) under neuroleptic treatment and the inhibitory effects of neuroleptics on the mitochondrial respiratory chain (especially complex I), this study was designed to investigate possible effects of antidepressants on mitochondrial electron transport. As EPMS are known to occur under antidepressive treatment, it seemed plausible that certain antidepressants might exert inhibitory effects on mitochondrial respiratory chain enzymes similar to those recorded for neuroleptic therapy. The present study investigated in-vitro effects of amitriptyline, nortriptyline, fluoxetine, citalopram, escitalopram, brofaromine, and venlafaxine on respiratory chain complexes SDH (succinate dehydrogenase), complex I/III, and complex II/III in post-mortal homogenates of human hippocampus and prefrontal cortex of an individual free from neurological and psychiatric conditions. The objective was to investigate which antidepressive agent showed the strongest inhibitory potency and whether the two brain regions under investigation differed regarding their susceptibility to these inhibitory effects. The experiments were conducted in two steps: An initial screening test exploring effects of the antidepressants at a high concentration of 1 mM served to identify those substances that caused an inhibition of enzyme activity of more than 20%. In a second step, only these substances were used for studying dose dependency. All experiments were conducted in duplicate in four to eight separate experiments. The results show that none of the antidepressants caused a considerable inhibition of SDH- activity in the brain regions investigated (< 20% inhibition). At 1 mM concentration, complex I/III was shown to be inhibited significantly, but to different extents by all antidepressants tested (except for venlafaxine and citalopram in prefrontal cortex, and citalopram in hippocampus). The most potent inhibitors were brofaromine, fluoxetine and nortriptyline with similar effects on both brain areas studied (27%-40% inhibition). The strongest effects of all antidepressants except venlafaxine were to be seen for complex II/III in both brain areas. At a concentration of 1 mM, brofaromine, fluoxetine, nortriptyline and amitriptyline caused an inhibition of complex II/III activity of 45%-59%. The effects on complex I/III and on complex II/III were found to be dose-dependent for all antidepressants investigated. In prefrontal cortex, brofaromine and nortriptyline displayed very similar dose- response-curves for complex II/III with weak inhibitory effects in a range of concentrations between 25 µM and 250 µM. The maximum inhibition of complex II/III activity amounted to 58-82% and was reached at concentrations 1 mM. Amitriptyline, the parent compound of nortriptyline, effected a slight but significant activation of complex II/III in prefrontal cortex at a concentration of 50-100 µM. However, at a concentration of 500-750 µM, there was a rapid decline of enzyme activity with a maximum inhibition of almost 80% at a concentration of 2-3 mM. In contrast, in hippocampal homogenates, amitriptyline displayed inhibitory effects at the whole range of concentrations tested. This might explain the difference in IC50-values found for amitriptyline in the two brain areas (prefrontal cortex: 1.21 mM; hippocampus: 0.81 mM). Fluoxetine and brofaromine revealed themselves to be the most potent inhibitors of complex II/III of all antidepressants tested. IC50-values for brofaromine were similar in both brain areas (prefrontal cortex: 0.74 mM; hippocampus: 0.85 mM). For fluoxetine, there were, however, differences in IC50-values between brain areas with a greater susceptibility of complex II/III in hippocampal homogenates (IC50 = 0.59 mM versus IC50 = 1.13 mM in prefrontal cortex). The present study conducted on human brain homogenates shows that in-vitro, contrary to neuroleptic agents, antidepressants exert their inhibitory effects on complex II/III rather than complex I/III of the respiratory chain. However, as results from in-vitro studies cannot be directly transferred to conditions in-vivo and as the human brain specimens investigated were drawn from a single individual, further research is needed. Also, the exact molecular mechanisms underlying the inhibitory effects of antidepressants on respiratory chain enzymes have to be investigated. As a contribution to a field of research of great clinical impact, the results of the present work might provide an impetus to further studies