SiNAPSA, nedelja, 7. junij 2020

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Nov molekulski mehanizem delovanja ketamina v astrocitih

Matjaž Stenovec

Klinična depresija je resna duševna motnja, ki prizadene ~20% ljudi v svetu in je poglavitni vzrok za dolgotrajno nezmožnost za delo 1; njeno terapevtsko omejevanje je večinoma neuspešno. Antidepresivi v današnji klinični rabi delujejo predvsem na mono-aminergični sistem, pri katerem je razkorak med hitrim moduliranjem mono-aminskih tarč in antidepresivnim učinkom praviloma dolg – več tednov 2. Ketamin, splošni anestetik in psihotomimetik (učinkovina, ki povzroči psihozi podobno stanje), je s hitrim in dolgotrajnim antidepresivnim učinkom vzbudil veliko pozornost v psihiatriji 3. Že ena sama intravenska aplikacija (~40 min) subanestetičnega odmerka ketamina lahko izzove hiter (v ~2 urah) in dolgotrajen (do 2 tedna trajajoč) antidepresivni učinek 3, ki sam po sebi kaže na drugačen molekulski mehanizem delovanja od drugih antidepresivov 4.

Ketamin je nekompetitivni antagonist N-metil-D-aspartatnega receptorja (NMDAR). Antidepresivni učinek je skladen z glutamatergično hipotezo o nastanku depresije 5, po kateri antagonizem NMDAR vodi v povečano sintezo možganskega nevrotrofičnega dejavnika (BDNF) 6, ki posreduje antidepresivni učinek. Drugi antagonisti NMDAR nimajo antidepresivnega učinka 7, 8, zato ketamin verjetno deluje na dodatne tarče poleg nevronskih NMDAR. Med drugim lahko modulira signalizacijo s sekundarnim prenašalcem cAMP v odsotnosti NMDAR 9 in spremeni ekso- ter endocitozo v astrocitih 10, 11 – najštevilčnejših in heterogenih celicah glije v možganih, ki vzdržujejo homeostazo živčnih prenašalcev (kot so glutamat, GABA, adenozin in noradrenalin 12). Zanimivo psihiatrične bolezni sovpadajo z zmanjšanjem števila astrocitov v možganovini in izgubo astrocitne funkcije, ki lahko privede do neravnovesja v homeostazi živčnih prenašalcev in netipičnega procesiranja informacij v živčnih mrežah 13, 14, 15, 16, 17. Na molekulski ravni, so motnje razpoloženja tako lahko povezane s spremenjeno signalizacijo v astrocitih 18.

Raziskovalci na Medicinski fakulteti Univerze v Ljubljani, biomedicinskem centru Celica in Kemijskem Inštitutu smo zato preučili vpliv ketamina na astrocitno signalizacijo s cAMP. Čeprav je ketamin spodbudil nastanek cAMP, je na elementarno ekso-/endocitozo v astrocitih deloval drugače kot cAMP, zato smo v nadaljevanju ugotavljali njegov vpliv na strukturo astrocitne plazmaleme, katere sprememba lahko vpliva na aktivnost adenilatne ciklaze in poveča [cAMP]i brez aktivacije z G-proteini sklopljenih receptorjev 9. Z vizualizacijo s holesterolom obogatenih lipidnih splavov s fluorescentnim peptidom D4 (domena klostridijskega toksina perfringolizina O) smo pokazali, da ketamin izzove hitro prerazporeditev holesterolnih splavov v plazmalemi astrocitov, ne pa tudi v plazmalemi nevronom podobnih celic PC12 in fibroblastov (nevzdražne celice vezivnega tkiva) 19. Ketamin lahko tako kot amfipatična učinkovina neposredno interagira s plazmalemo 20 in spremeni njeno strukturo, ki se manifestira s spremenjeno porazdelitvijo lipidnih splavov 19. Ugotovljena sprememba strukture plazmaleme je verjetno posledica spremenjenega uravnavanja zlivanja/cepitve posameznih mešičkov s/od plazmaleme, saj lahko že subanestetični odmerek ketamina stabilizira fuzijsko poro v ozki konfiguraciji, ki zavira popolno odcepitev mešičkov v citosol 10. Motena dinamika endocitoze tako lahko prispeva k povečanju površinske gostote holesterola v plazmalemi astrocitov (slika 1).

 Slika 1. Ketamin izzove povečanje (zelena puščica) znotrajcelične koncentracije sekundarnega prenašalca cAMP ([cAMP]) v astrocitih in stabilizira ozko fuzijsko poro zlitih mešičkov, ki preprečuje (rdeča puščica in dvojna črta) endocitotsko odcepitev od plazmaleme in njihov prehod v citosol. Ketamin hkrati izzove povečanje števila s holesterolom obogatenih območij (zelena puščica) na površini astrocitov, ki omogočijo povečan pretok holesterola k nevronom, kjer igra ključno vlogo pri oblikovanju in ohranjanju sinaps.
Slika 1. Ketamin izzove povečanje (zelena puščica) znotrajcelične koncentracije sekundarnega prenašalca cAMP ([cAMP]) v astrocitih in stabilizira ozko fuzijsko poro zlitih mešičkov, ki preprečuje (rdeča puščica in dvojna črta) endocitotsko odcepitev od plazmaleme in njihov prehod v citosol. Ketamin hkrati izzove povečanje števila s holesterolom obogatenih območij (zelena puščica) na površini astrocitov, ki omogočijo povečan pretok holesterola k nevronom, kjer igra ključno vlogo pri oblikovanju in ohranjanju sinaps.

S ketaminom izzvano povečanje površinske gostote lipidnih splavov lahko omogoči učinkovitejši pretok holesterola do nevronov. Holesterol je ključnega pomena za sinaptično plastičnost 21 in naši rezultati kažejo, da astrociti souravnavajo homeostazo holesterola v centralnem živčnem sistemu. S tem mehanizmom lahko pojasnimo nekatere antidepresivne učinke ketamina. Z raziskavo smo dodatno osvetlili pomen astrocitov kot alternativnih celičnih tarč, primernih za iskanje novih, hitro delujočih antidepresivov.

    ___
  1. Kessler RC, Bromet EJ. The epidemiology of depression across cultures. Annu Rev Public Health. 2013;34:119-38. 

  2. Rush AJ, Trivedi MH, Wisniewski SR, et al. Acute and longer-term outcomes in depressed outpatients requiring one or several treatment steps: a STAR*D report. Am J Psychiatry. 2006 Nov;163(11):1905-17. 

  3. Berman RM, Cappiello A, Anand A, et al. Antidepressant effects of ketamine in depressed patients. Biol Psychiatry. 2000 Feb 15;47(4):351-4. 

  4. Kavalali ET, Monteggia LM. How does ketamine elicit a rapid antidepressant response? Curr Opin Pharmacol. 2014 Feb;20:35-9. 

  5. Sanacora G, Treccani G, Popoli M. Towards a glutamate hypothesis of depression: an emerging frontier of neuropsychopharmacology for mood disorders. Neuropharmacology. 2012 Jan;62(1):63-77. 

  6. Li N, Lee B, Liu RJ, et al. mTOR-dependent synapse formation underlies the rapid antidepressant effects of NMDA antagonists. Science. 2010 Aug 20;329(5994):959-64. 

  7. Newport DJ, Carpenter LL, McDonald WM, et al. Ketamine and Other NMDA Antagonists: Early Clinical Trials and Possible Mechanisms in Depression. Am J Psychiatry. 2015 Oct;172(10):950-66. 

  8. Zanos P, Moaddel R, Morris PJ, et al. NMDAR inhibition-independent antidepressant actions of ketamine metabolites. Nature. 2016 May 26;533(7604):481-6. 

  9. Wray NH, Schappi JM, Singh H, Senese NB, Rasenick MM. NMDAR-independent, cAMP-dependent antidepressant actions of ketamine. Mol Psychiatry. 2018 Jun 12. 

  10. Lasic E, Rituper B, Jorgacevski J, Kreft M, Stenovec M, Zorec R. Subanesthetic doses of ketamine stabilize the fusion pore in a narrow flickering state in astrocytes. J Neurochem. 2016 Sep;138(6):909-17. 

  11. Stenovec M, Lasic E, Bozic M, et al. Ketamine Inhibits ATP-Evoked Exocytotic Release of Brain-Derived Neurotrophic Factor from Vesicles in Cultured Rat Astrocytes. Mol Neurobiol. 2016 Dec;53(10):6882-96. 

  12. Verkhratsky A, Nedergaard M. Physiology of Astroglia. Physiol Rev. 2018;98:239-389. 

  13. Cobb JA, O’Neill K, Milner J, et al. Density of GFAP-immunoreactive astrocytes is decreased in left hippocampi in major depressive disorder. Neuroscience. 2016 Mar 1;316:209-20. 

  14. Peng L, Li B, Verkhratsky A. Targeting astrocytes in bipolar disorder. Expert Rev Neurother. 2016 Jun;16(6):649-57. 

  15. Rajkowska G, Legutko B, Moulana M, et al. Astrocyte pathology in the ventral prefrontal white matter in depression. J Psychiatr Res. 2018 Jul;102:150-8. 

  16. Rajkowska G, Stockmeier CA. Astrocyte pathology in major depressive disorder: insights from human postmortem brain tissue. Curr Drug Targets. 2013 Oct;14(11):1225-36. 

  17. Verkhratsky A, Rodriguez JJ, Steardo L. Astrogliopathology: a central element of neuropsychiatric diseases? Neuroscientist. 2014 Dec;20(6):576-88. 

  18. Peng L, Song D, Li B, Verkhratsky A. Astroglial 5-HT2B receptor in mood disorders. Expert Rev Neurother. 2018 Mar 30:1-8. 

  19. Lasic E, Lisjak M, Horvat A, et al. Astrocyte Specific Remodeling of Plasmalemmal Cholesterol Composition by Ketamine Indicates a New Mechanism of Antidepressant Action. Sci Rep. 2019 Jul 29;9(1):10957. 

  20. Jain MK, Jahagirdar DV, Van Linde M, Roelofsen B, Eibl H. Solute-induced acceleration of transbilayer movement and its implications on models of blood-brain barrier. Biochim Biophys Acta. 1985 Sep 10;818(3):356-64. 

  21. Mauch DH, Nägler K, Schumacher S, et al. CNS synaptogenesis promoted by glia-derived cholesterol. Science. 2001 Nov;294(5545):1354-7. 

višji znanstv. sod. dr. Matjaž Stenovec, univ. dipl. biol.
Laboratorij za nevroendokrinologijo – molekularna celična fiziologija,
Inštitut za patološko fiziologijo, Medicinska fakulteta, Univerza v Ljubljani
Celica BIOMEDICAL

Sprejeto: 19.11.2019
Objavljeno: 13.12.2019