Jakie wyzwania niesie modelowanie schizofrenii u zwierząt?
Różnice płciowe w skuteczności olanzapiny w modelu schizofrenii wywołanej ketaminą u szczurów – wpływ na zachowanie i ekspresję BDNF
Schizofrenia to poważne przewlekłe zaburzenie neuropsychiatryczne o heterogennym podłożu genetycznym i neurobiologicznym, wpływające na wczesny rozwój mózgu. Charakteryzuje się objawami pozytywnymi (halucynacje, urojenia), negatywnymi (anhedonia, wycofanie społeczne) oraz poznawczymi (zaburzenia uwagi i pamięci). W modelach zwierzęcych podchroniczne podawanie antagonistów receptora NMDA, takich jak ketamina, jest powszechnie stosowane do wywołania objawów przypominających schizofrenię oraz zmian neurochemicznych modelujących aspekty tej choroby. Na przykład, ośmiodniowe podchroniczne leczenie ketaminą (25 mg/kg, i.p.) u szczurów powoduje deficyty interakcji społecznych i upośledzenie pamięci rozpoznawania nowych obiektów, naśladując dysfunkcje poznawcze podobne do schizofrenii.
Czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego (BDNF), kluczowy dla neuroplastyczności, uczenia się, pamięci i regulacji nastroju, jest uważany za istotny element w patofizjologii schizofrenii. BDNF odgrywa ważną rolę w rozwoju mózgu i plastyczności synaptycznej, procesach, które często są zmienione w schizofrenii. Wcześniejsze badania wykazały, że poziom ekspresji BDNF w hipokampie i korze przedczołowej jest znacząco obniżony w szczurzych modelach schizofrenii wywołanej ketaminą. Podobnie badania kliniczne wykazały obniżony poziom BDNF we krwi zarówno u pacjentów leczonych, jak i nieleczonych farmakologicznie. Leki przeciwpsychotyczne mogą wywierać część swoich efektów terapeutycznych poprzez modulację poziomu BDNF; na przykład, różne leki przeciwpsychotyczne (olanzapina, risperidon, klozapina, haloperidol, aripiprazol) wpływają na poziomy BDNF.
Olanzapina, atypowy lek przeciwpsychotyczny o szerokim profilu wiązania receptorowego podobnym do klozapiny, jest powszechnie stosowana w leczeniu schizofrenii i zaburzeń afektywnych dwubiegunowych. Znana jest z efektywności w leczeniu objawów pozytywnych i zaburzeń nastroju, przy niższym ryzyku wystąpienia objawów pozapiramidowych według FDA. Wcześniejsze badania wskazują, że olanzapina ma działanie ochronne przeciwko nieprawidłowościom wywołanym ketaminą – może zapobiegać lub odwracać deficyty poznawcze, degenerację neuronów i zmiany behawioralne w modelach gryzoni. Wykazano również, że olanzapina poprawia upośledzenie pamięci rozpoznawania nowych obiektów u szczurów traktowanych ketaminą. Co istotne, olanzapina może wpływać na poziom ekspresji BDNF. Na poziomie molekularnym, olanzapina może wpływać na sygnalizację neurotroficzną; niektóre badania sugerują, że leczenie olanzapiną może zwiększać ekspresję BDNF w pewnych kontekstach.
Różnice płciowe stanowią ważny czynnik w schizofrenii. Badania epidemiologiczne i kliniczne pokazują, że przebieg schizofrenii i odpowiedź na leczenie mogą różnić się w zależności od płci. Mężczyźni często wykazują bardziej nasilone objawy negatywne i zaburzenia poznawcze wraz z większymi nieprawidłowościami strukturalnymi mózgu, podczas gdy kobiety mają tendencję do późniejszego początku choroby i więcej objawów związanych z nastrojem. Jak wiadomo, kobiety są bardziej podatne na rozwój zaburzeń nastroju w porównaniu do mężczyzn. Wykazano również, że istnieją różnice płciowe w ekspresji genów związanych z nastrojem w mózgach pacjentów z depresją. Wcześniejsze badania wykazały różnice płciowe w odpowiedzi na leki przeciwpsychotyczne u pacjentów ze schizofrenią. Wykazano również, że mężczyźni wykazują więcej objawów negatywnych i zaburzeń poznawczych z bardziej znaczącymi nieprawidłowościami strukturalnymi mózgu i neurofizjologicznymi, podczas gdy kobiety wykazują więcej objawów afektywnych, halucynacji słuchowych i urojeń prześladowczych.
Kluczowe różnice między płciami w modelu schizofrenii:
- Samice wykazywały silniejszą reakcję hiperaktywną na ketaminę niż samce
- Tylko u samic ketamina wywołała hiperalgezję (obniżony próg bólu)
- Efekt przeciwdepresyjny ketaminy był widoczny tylko u samic
- Olanzapina skuteczniej przywracała zachowania eksploracyjne u samic niż u samców
- Zaburzenia pamięci i lokomocji występowały u obu płci
Jak zaprojektowano eksperyment z ketaminą i olanzapiną?
W obecnym badaniu naukowcy zbadali wpływ ketaminy, olanzapiny i ich kombinacji na funkcje behawioralne oraz poziomy BDNF u samców i samic szczurów. Wykorzystali model podchronicznego podawania ketaminy do wywołania zachowań przypominających schizofrenię i przeprowadzili szereg testów behawioralnych obejmujących aktywność lokomotoryczną, zachowania podobne do lękowych, zachowania kompulsywne, nocycepcję (wrażliwość na ból), zachowania podobne do depresyjnych oraz pamięć rozpoznawczą. Zmierzyli również poziomy mRNA BDNF w korze przedczołowej, aby zbadać potencjalny molekularny korelat efektów leczenia.
W badaniu wykorzystano 136 szczurów Wistar (68 samców i 68 samic) w wieku 9-10 tygodni, ważących 200-220 g na początku eksperymentów. Zwierzęta były trzymane w grupach po 5 w klatkach z pleksiglasu (25 × 50 × 25 cm) w standardowych warunkach laboratoryjnych (12:12 h cykl światło/ciemność, światła włączone o 07:00; temperatura 22 ± 1°C; jedzenie i woda dostępne ad libitum). Badacze losowo przydzielili 7 samców i 7 samic szczurów do każdej grupy eksperymentalnej. Oddzielne kohorty zostały użyte do różnych ocen: konkretnie, 7 szczurów/płeć/grupę użyto do głównych testów behawioralnych (otwarte pole, zakopywanie kulek, gorąca płyta, wymuszony pływanie), dodatkowe 7 szczurów/płeć/grupę użyto do testu rozpoznawania nowych obiektów (aby uniknąć zakłóceń ze stresu z innych testów), a 3 szczury/płeć/grupę przeznaczono do analizy poziomu BDNF.
Aby wywołać fenotyp podobny do schizofrenii, badacze zastosowali schemat podchronicznego podawania ketaminy. Ketamina (30 mg/kg) była podawana dootrzewnowo przez 5 kolejnych dni. Ta dawka i harmonogram są znane z wywoływania silnej hiperaktywności i deficytów poznawczych zgodnych z modelem schizofrenii. Olanzapina (6 mg/kg) była podawana dootrzewnowo bezpośrednio po ostatnim wstrzyknięciu ketaminy w 5 dniu. Testy behawioralne przeprowadzono w ostatnim dniu schematu leczenia ketaminą, po ostatnim wstrzyknięciu.
Wyniki badania wykazały, że leczenie ketaminą znacząco wpłynęło na aktywność lokomotoryczną zarówno u samców, jak i samic szczurów. Ketamina (30 mg/kg) spowodowała dramatyczny wzrost aktywności lokomotorycznej w porównaniu do kontroli salinowej u obu płci. Leczenie olanzapiną skutecznie zmniejszyło aktywność lokomotoryczną u szczurów traktowanych ketaminą, przywracając ją do poziomów kontrolnych u obu płci. Co ważne, sama olanzapina (bez ketaminy) nie różniła się znacząco od saliny pod względem liczby przebytych kwadratów dla obu płci, co wskazuje, że sama olanzapina nie tłumiła normalnej lokomocji.
Uwzględniając płeć jako czynnik, zaobserwowano znaczącą interakcję i główny efekt płci na aktywność lokomotoryczną. “Samice szczurów wykazywały wyższą aktywność lokomotoryczną niż samce po leczeniu ketaminą, choć obie były podwyższone w stosunku do kontroli” – zauważają badacze. Nie zaobserwowano różnic płciowych w grupach salinowych lub tylko olanzapinowych. Wyniki te wskazują, że ketamina wywołała hiperaktywność u obu płci, przy czym samice wykazywały większą odpowiedź hiperaktywną, a olanzapina odwracała hiperaktywność wywołaną ketaminą niezależnie od płci.
Ketamina znacząco wpłynęła również na zachowanie wspinaczkowe (rearing) w teście otwartego pola. Ketamina wyraźnie zmniejszyła liczbę wspięć w porównaniu do saliny zarówno u samców, jak i samic, sugerując zwiększone zachowanie podobne do lękowego lub zmniejszoną eksplorację. Olanzapina plus ketamina częściowo łagodziła ten efekt, ale w sposób zależny od płci. U samic szczurów, ketamina + olanzapina wykazywały znacznie większą aktywność wspinaczkową niż sama ketamina, co wskazuje, że olanzapina przywracała zachowanie eksploracyjne u samic prawie do poziomów kontrolnych. U samców szczurów, jednak, olanzapina nie zwiększała znacząco wspinania w porównaniu do samej ketaminy, co wskazuje na brak zauważalnej poprawy wspinania u samców.
Wpływ ketaminy na wrażliwość na ból był znaczący, ale tylko u samic. Samice szczurów traktowane ketaminą wykazywały wyraźne zmniejszenie latencji w teście gorącej płyty w porównaniu do kontroli salinowych, co wskazuje na hiperalgezję (niższy próg bólu). W przeciwieństwie do tego, samce szczurów nie wykazywały znaczącej zmiany latencji po ketaminie (ich latencja była podobna do kontroli salinowych). Olanzapina całkowicie odwracała hiperalgezję wywołaną ketaminą u samic: samice traktowane ketaminą + olanzapiną miały znacznie wyższe latencje niż samice traktowane tylko ketaminą i były statystycznie nieodróżnialne od samic traktowanych saliną, co wskazuje na przywrócenie normalnego progu bólu.
Ketamina nie wpłynęła znacząco na zachowanie zakopywania kulek u żadnej z płci. Liczba zakopanych kulek nie wykazywała znaczących różnic między żadną z grup dla samców lub samic. Niezależnie od leczenia, szczury zakopywały porównywalną liczbę kulek (średnio 2-4 kulki z 10) niezależnie od ketaminy lub olanzapiny. Nie zaobserwowano zauważalnych różnic płciowych ani wpływu ketaminy lub olanzapiny na tę miarę zachowania podobnego do kompulsywnego kopania.
Wpływ ketaminy na zachowanie podobne do depresyjnego był specyficzny dla płci. U samic szczurów, ketamina powodowała wyraźne zmniejszenie czasu bezruchu w teście wymuszonego pływania w porównaniu do saliny, co można interpretować jako efekt przeciwdepresyjny lub zwiększone aktywne radzenie sobie (zgodne ze znanym szybkim działaniem przeciwdepresyjnym ketaminy). Samice szczurów traktowane ketaminą spędzały więcej czasu na walce (wspinanie się/pływanie) i mniej czasu w bezruchu niż samice kontrolne. U samców szczurów, ketamina nie zmieniała znacząco czasu bezruchu. Olanzapina w połączeniu z ketaminą u samic zwiększała czas bezruchu z powrotem do poziomów zbliżonych do kontrolnych: samice traktowane ketaminą + olanzapiną miały znacznie wyższy bezruch niż samice traktowane tylko ketaminą, co wskazuje, że olanzapina odwracała przeciwdepresyjny efekt ketaminy u samic.
Ketamina zwiększała zachowanie wspinaczkowe (aktywne próby ucieczki) w teście wymuszonego pływania u obu płci. Szczury traktowane ketaminą spędzały więcej czasu na aktywnym wspinaniu się w porównaniu do kontroli salinowych zarówno u samców, jak i samic. Jest to zgodne ze zmniejszonym bezruchem (szczególnie u samic), ponieważ wspinanie jest alternatywnym zachowaniem w teście wymuszonego pływania. Olanzapina w połączeniu z ketaminą zapobiegała wywołanemu przez ketaminę wzrostowi wspinania: u obu płci, grupy ketamina + olanzapina miały znacznie niższe czasy wspinania niż grupy tylko ketamina.
Ketamina miała głęboki wpływ na pamięć rozpoznawczą, co wskazuje indeks dyskryminacji (DI) w teście rozpoznawania nowych obiektów. Szczury traktowane saliną obu płci wykazywały silną preferencję dla nowego obiektu (pozytywny DI, wskazujący na normalną pamięć rozpoznawczą). W przeciwieństwie do tego, szczury traktowane ketaminą miały znacznie niższy DI niż kontrole, co wskazuje na upośledzoną pamięć rozpoznawczą. W rzeczywistości, szczury traktowane ketaminą spędzały mniej więcej tyle samo czasu na nowych i znajomych obiektach, co skutkowało DI bliskim zeru lub lekko ujemnym (niektóre szczury traktowane ketaminą badały znajomy obiekt tak samo lub bardziej niż nowy, co sugeruje deficyt pamięci lub neofobię). Może to sugerować zachowanie neofobiczne lub tendencje perseweracyjne, jakby znajdowały znajomy obiekt bezpieczniejszym lub bardziej atrakcyjnym niż nowy. Ta “odwrócona preferencja” może wynikać z lęku wywołanego ketaminą – nowy obiekt może wywołać lęk u już zaburzonego zwierzęcia, prowadząc do unikania. Takie zachowanie zostało zauważone w niektórych modelach upośledzenia poznawczego, gdzie lęk jest wysoki.
Najważniejsze wnioski dotyczące działania olanzapiny:
- Skutecznie odwraca większość deficytów behawioralnych wywołanych ketaminą
- Działanie terapeutyczne nie zależy od poziomu BDNF w korze przedczołowej
- Efekty lecznicze prawdopodobnie związane są z antagonizmem receptorów D2 i serotoninowych
- Nie powoduje sedacji w dawkach terapeutycznych
- Wykazuje skuteczność u obu płci, mimo różnic w nasileniu objawów
Jakie kliniczne wnioski płyną z badań nad olanzapiną?
Głównym odkryciem badania jest to, że efekty terapeutyczne olanzapiny (zmniejszenie hiperaktywności, normalizacja wspinania, bezruchu, progu bólu i poprawa pamięci) zostały osiągnięte bez mierzalnego wzrostu ekspresji BDNF w korze przedczołowej. Ketamina znacząco obniżała mRNA BDNF w korze przedczołowej (redukcja o około 30-40%), zgodnie z innymi doniesieniami. Przewlekły stres i modele antagonistów NMDA często wykazują zmniejszone poziomy neurotrofin, odzwierciedlając upośledzenia neuroplastyczności. Olanzapina, pomimo swojej skuteczności behawioralnej, nie zmieniała znacząco mRNA BDNF w ostrej fazie odstawienia po 24 godzinach. Niektóre literatury donoszą o zwiększonych poziomach białka BDNF lub mRNA po przewlekłym leczeniu olanzapiną (np. 3-6 tygodni), zwłaszcza w hipokampie. Wyniki te są zgodne z badaniami, w których krótkoterminowa olanzapina nie miała wpływu na BDNF lub gdzie olanzapina nie zapobiegała redukcji BDNF w pewnych modelach.
Odkrycia te sugerują, że efekty terapeutyczne olanzapiny w tym podchronicznym modelu ketaminowym nie są zapośredniczone przez przywrócenie poziomów BDNF w korze przedczołowej. Zamiast tego, olanzapina prawdopodobnie działa poprzez antagonizm receptorów dopaminowych D2, serotoninowych 5-HT2A/2C i innych receptorów, aby modulować neurotransmisję i zachowanie w sposób ostry. Może wpływać na sygnalizację BDNF w dół lub w innych regionach mózgu (np. hipokampie), których nie mierzono, lub zmiany mogą wystąpić na poziomie białka później. Jednak w zakresie pomiaru, BDNF nie wydaje się być kluczowym graczem w ostrym mechanizmie olanzapiny w tym modelu. Jest to ważne wyjaśnienie, ponieważ niektórzy wysunęli hipotezę, że atypowe leki przeciwpsychotyczne poprawiają wyniki poprzez normalizację BDNF. Dane wskazują, że normalizacja BDNF nie jest wymagana, przynajmniej w krótkim okresie.
Pod względem różnic płciowych w BDNF, nie znaleziono żadnej różnicy między samcami a samicami w zakresie redukcji BDNF przez ketaminę lub podstawowych poziomów BDNF (dane każdej płci były normalizowane do własnej kontroli). Sugeruje to, że chociaż samice były behawioralnie bardziej dotknięte przez ketaminę, obie płcie doświadczyły podobnej regulacji w dół BDNF w korze przedczołowej. Możliwe, że różnice behawioralne płci są spowodowane czynnikami innymi niż różnicowa ekspresja BDNF, takimi jak rozbieżna wrażliwość receptorów neuroprzekaźnikowych lub modulacja hormonalna obwodów.
Wyniki badania mają kilka implikacji klinicznych. Po pierwsze, nasilenie niektórych efektów ketaminy u samic może odzwierciedlać aspekty schizofrenii, gdzie kobiety, pomimo późniejszego początku, mogą mieć ciężkie objawy afektywne. Rodzi to pytanie, czy kobiety z psychozą mogą doświadczać pewnych objawów (takich jak zmiany w percepcji bólu lub wahania nastroju) bardziej intensywnie – chociaż klinicznie mężczyźni często mają gorsze objawy negatywne, więc translacja nie jest bezpośrednia. Po drugie, skuteczność olanzapiny w odwracaniu efektów ketaminy u obu płci wzmacnia jej szeroką skuteczność w objawach podobnych do pozytywnych i deficytach poznawczych w tym modelu. Fakt, że olanzapina nie wywoływała sedacji u szczurów jest interesujący; klinicznie olanzapina może powodować sedację, ale czas (3 godziny po dawce) może być równoległy do sytuacji u pacjentów, którzy aklimatyzują się do efektów sedatywnych w czasie. Po trzecie, brak zaangażowania BDNF sugeruje, że inne szlaki (możliwie sygnalizacja w dół, jak GSK-3β lub AKT, na które wpływa olanzapina) są odpowiedzialne za poprawę funkcjonalną.
Badanie to dostarcza nowego wglądu w specyficzne dla płci efekty w modelu schizofrenii opartym na ketaminie oraz mechanizm działania olanzapiny. Po raz pierwszy wykazano, że podchroniczna ketamina wywołuje szersze spektrum nieprawidłowości behawioralnych u samic szczurów niż u samców, znacząco wpływając na wrażliwość na ból i zachowanie podobne do depresyjnego tylko u samic, jednocześnie zaburzając lokomocję i pamięć u obu płci. Wykazano również, że olanzapina może skutecznie odwracać deficyty behawioralne wywołane ketaminą zarówno u samców, jak i samic szczurów, co potwierdza jej skuteczność w leczeniu objawów podobnych do schizofrenii w tym modelu. Jednak efekty terapeutyczne olanzapiny nie wydają się zależeć od podniesienia poziomu BDNF w korze, co sugeruje, że jej korzyści są zapośredniczone przez inne szlaki neurochemiczne.
Odkrycia te podkreślają znaczenie uwzględniania różnic płciowych w przedklinicznych modelach schizofrenii i sugerują, że leczenie takie jak olanzapina może przywrócić funkcje poprzez mechanizmy niezależne od BDNF. Dalsze badania nad innymi celami molekularnymi pomogą wyjaśnić, w jaki sposób leki przeciwpsychotyczne łagodzą zachowania związane ze schizofrenią i czy dodatkowe interwencje (takie jak mimetyki BDNF lub wzmacniacze neuroplastyczności) mogłyby zapewnić synergistyczne korzyści, szczególnie u pacjentek. Ogólnie rzecz biorąc, badanie to wzmacnia translacyjne znaczenie modelu ketaminowego dla schizofrenii i podkreśla, że płeć jest kluczową zmienną biologiczną wpływającą zarówno na patofizjologię, jak i odpowiedź na leczenie.
Podsumowanie
Badanie koncentruje się na analizie różnic płciowych w modelu schizofrenii wywołanej ketaminą u szczurów oraz skuteczności leczenia olanzapiną. Wykazano, że ketamina wywołuje silniejsze zaburzenia behawioralne u samic, szczególnie w zakresie wrażliwości na ból i zachowań depresyjnych, podczas gdy u obu płci obserwowano zmiany w aktywności lokomotorycznej i funkcjach poznawczych. Olanzapina skutecznie odwracała większość deficytów behawioralnych u obu płci, jednak jej działanie terapeutyczne okazało się być niezależne od poziomów BDNF w korze przedczołowej. Odkrycia te podkreślają znaczenie uwzględniania różnic płciowych w badaniach przedklinicznych nad schizofrenią i sugerują, że skuteczność olanzapiny może być związana z innymi mechanizmami neurochemicznymi niż regulacja BDNF.
