Expression of monoamine transporters, nitric oxyde III and neurotrophin BDNF in antidepressant-stimulated astrocytes

Schwermut, Einsamkeit, Desinteresse: 2-7% der Weltbevölkerung werden von diesen Gefühlen bestimmt, sie sind an einer Depression erkrankt. In Deutschland leiden aktuell bis zu 4 Mio. Menschen an einer Depression. Zwei Drittel diese Kollektivs befinden sich in hausärztlicher Behandlung, aber nur etwa die Hälfte von diesen Patienten wird korrekt diagnostiziert und behandelt. Die Gründe hierfür sind auf der einen Seite die schwierige Diagnosefindung, auf der anderen die bisher nicht vollständig geklärte Ätiologie und die komplexen Wirkmechanismen der medikamentösen antidepressiven Therapieoptionen. Die Entstehung einer depressiven Episode ist multifaktoriell bedingt, wobei insbesondere genetischen Faktoren in der Pathogenese depressiver Erkrankungen eine wichtige Rolle zugeordnet wird. Neurobiologische Untersuchungen der molekularen und biochemischen Hintergründe von depressiven Episoden befassen sich zurzeit insbesondere mit drei Hypothesen: Diese sind die Neurotransmitter-Dysbalance-Hypothese (Monoaminhypothese), die Stressachsen-Hypothese (Hypothalamus-Hypophysen-Achse) und die Neurotrophin-Hypothese. Die Stressachsen-Hypothese befasst sich in diesem Zusammenhang mit der Aktivität des Hypothalamus-Hypophysen-Systems, die bei depressiv erkrankten Patienten dysreguliert ist und mit einer erhöhten Kortisolsekretion einhergeht. Die Monoaminhypothese der Depression postuliert eine Dysfunktion serotonerger, noradrenerger und dopaminerger Systeme. Die Neurotrophinhypothese bezieht sich auf das Second Messenger-System des durch Antidepressiva aktivierten cyclischen Adenosin-Monophosphat (cAMP) Signalwegs. Cyclisches Adenosin-Monophosphat aktiviert die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA), die wiederum den Transkriptionsfaktor cAMP response element binding protein (CREB) phosphoryliert und ihn somit stimuliert. Aktiviertes CREB verstärkt die Transkription zahlreicher Zielgene, inklusive die des brain-derived neurotrophic factor (BDNF), welcher unter anderem als Regulator von Neurotransmittern dient und Überleben, Differenzierung und Plastizität von Neuronen beeinflusst. Astrozyten gehören zur Gruppe der Makrogliazellen im zentralen Nervensystem (ZNS) und sind die größte Population der Gliazellen. Sie sind für die Kaliumhomöostase und ebenso für die Regulation der synaptischen Transmission und der neurovaskulären Koppelung zuständig. Des Weiteren scheinen Astrozyten eine wichtige Rolle für die Bildung glialer Narben, die Induktion der Blut-Hirn-Schranke und auch für das neuronale Überleben zu spielen. Bei der Analyse der Wirkmechanismen medikamentöser antidepressiver Therapien ist in der letzten Zeit die Rolle der Astrozyten in den Vordergrund gerückt, um deren Beitrag zu antidepressiven Therapien zu untersuchen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war zu untersuchen, ob in Astrozyten der Serotonin-Transporter (5-HT-Transporter, 5-HTT), der Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), der Dopamin-Transporter oder die Stickstoffmonoxyd-Synthase III (endotheliale Stickstoffmonoxid-Synthase, eNOS) gebildet werden und falls ja, ob sich deren Expression durch Applikation von Antidepressiva ändert. Die aus Rattenhirnen gewonnenen Astrozytenkulturen wurden hierfür entweder mit dem trizyklischen Antidepressivum Imipramin, dem selektiven Serotoninrückaufnahmeinhibitor Escitalopram oder zur Kontrolle mit Kochsalzlösung inkubiert. Nachdem die entsprechende mRNA aus den behandelten Astrozytenkulturen extrahiert wurde, ist sie in cDNA translatiert und mit Hilfe der quantitativen Real-Time PCR quantifiziert worden. Durch Vergleich der Expression des zu untersuchenden Gens mit der Expression der Housekeeping-Gene 18s-rRNA, Glycerinaldehyddehydrogenase (GAPDH) und Acidic ribosomal phosphoprotein (ARP) wurden Ungenauigkeiten bei der cDNA-Synthese ausgeglichen und die Daten normalisiert. Die rechnerische Auswertung der quantitativen Real-Time PCR erfolgte unter Verwendung der Ct-Werte unter Zuhilfenahme der geNORM Software. Die Ergebnisse zeigen eine signifikant erhöhte BDNF-Expression nach Imipramingabe. Hierbei zeigen bei den getrennten Untersuchungen der jeweiligen mRNA Chargen die mit 100µM Imipramin behandelten Astrozytenkulturen stärker signifikante Ergebnisse, als die mit 50µM Imipramin behandelten Astrozytenkulturen. Werden alle Proben, die mit der jeweiligen Imipraminkonzentration 4 Stunden inkubiert wurden, zusammen analysiert und mit den jeweiligen Kontrollen verglichen, zeigt sich sowohl bei der Behandlung mit 50µM Imipramin als auch mit 100µM Imipramin eine signifikante Steigerung der BDNF Expression. Escitalopram stimulierte die BDNF-Expression zwar ebenfalls nominell, jedoch war der Effekt nicht signifikant. Des Weiteren konnte eine deutliche Expression von 5-HTT-mRNA in Astrozytenkulturen nachgewiesen werden. Jedoch hatte keines der Antidepressiva einen signifikanten Effekt auf die 5-HTT-Expression. Es konnten weder in den behandelten, noch in den unbehandelten Astrozytenkulturen DAT oder NOS-III nachgewiesen werden.Melancholia, loneliness, lack of interest: 2-7% of world population are ruled by these feelings. In Germany, 4 million inhabitants suffer from depression. Two third of this population are under medical treatment, but only half of these patients are diagnosed and medicated correctly. Reasons are difficulties in finding the exact diagnosis on the one hand and the vague aetiology and complex effects of antidepressants on the other. The origin of a depressive episode has multiple reasons, especially genetic components are considered to play an important role. Neurobiological investigations of the molecular and biochemical backgrounds of depressive episodes centre on three hypotheses: The dysbalance hypothesis of neurotransmitters (monoamine hypothesis), the hypothesis of activated hypothalamus-pituitary-adrenal axis and the neurotrophin hypothesis. In this context, the hypothesis of activated hypothalamus-pituitary-adrenal axis deals with the dysregulation and over-stimulation of the hypothalamus-pituitary-adrenal axis and the following elevated cortisol-secretion. The monoamine hypothesis of depressive episodes postulates a dysfunction of serotonergic, noradrenergic and dopaminergic systems. The neurotrophin hypothesis refers to the cyclic adenosine monophosphate (cAMP) second messenger system, activated by antidepressants. Cyclic adenosine monophosphate activates the cAMP dependent protein kinase (PKA) that phosphorylates and consequently stimulates the transcription factor cAMP response element binding protein (CREB). Activated CREB enhances the transcription of numerous genes, including the brain derived neurotrophic factor (BDNF) that is among others regulating neurotransmitters and influences neuronal survival, differentiation and plasticity. Astrocytes are part of the macroglia in central nervous system and form the major population of glial cells. They are considered to be responsible for homeostasis of potassium and the regulation of synaptic transmission and neurovascular linkage. Furthermore, astrocytes take part in forming glial cicatrixes, induction of blood-brain-barrier and neuronal survival. In the course of investigating the effects of antidepressants, the centre of interest has focused on astrocytes and their contribution to antidepressant therapy. The aim of this dissertation was to study, if the serotonin transporter (5-HTT), the brain derived neurotrophic factor (BDNF), the dopamin transporter or the nitric oxide synthase III (eNOS) is synthesised in astrocytes and in case of, if their expression is modulated by antidepressants. The astrocyte cultures, gained from rats’ brains, were incubated with the tricyclic antidepressant imipramine, the selective serotonin reuptake-inhibitor escitalopram or sodium chloride solution. After extracting the corresponding mRNA from the astrocyte cultures, it was translated to cDNA and quantified using the quantitative Real-Time PCR. Comparing the expression of the gene of interest with the expression of the housekeeping genes 18s-rRNA, glyceraldehydes phosphate dehydrogenase (GAPDH) and acidic ribosomal phosphoprotein (ARP), equated inexactness of cDNA synthesis and normalised the acquired data. The mathematical evaluation of the qRT-PCR based on the Ct-figures with the assistance of geNORM software. The results show a significantly elevated BDNF expression after imipramine administration. mRNA batches of astrocyte cultures incubated with 100µM imipramine presented more significant results than mRNA batches of astrocyte cultures incubated with 50µM imipramine. Analysing all samples incubated for four hours with the corresponding concentration of imipramine and compared with the sodium chloride solution controls, a significant elevation of BDNF expression is detected in 50µM imipramine samples as well as in 100µM imipramine samples. Escitalopram stimulates the expression of BDNF nominally without showing significant effects. Furthermore, a clear expression of 5-HTT-mRNA in astrocyte cultures could be detected, but none of the antidepressants induced a significant effect on 5-HTT expression. Neither in medicated nor in control samples DAT or NOS-III were detected