Identifikation Stress inhibierender Mechanismen im Gehirn von Ratten

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1 Identifikation Stress inhibierender Mechanismen im Gehirn von Ratten Pharmakologie und Toxikologie, Leopold-Franzens-Universität Innsbruck Karl EBNER Am PULS - Wien, 09/12/2009

2 Definition: Was ist Stress? Ist eine Vielfalt von adaptiven Veränderungen des Körpers als Antwort auf eine tatsächliche oder vermutete Bedrohung. Leistungsbereitschaft des Organismus erhöhen STRESSOR STRESS- REAKTION Stressor Jeglicher Stimulus in deren Folge es zu einer Auslösung einer Stressreaktion kommt.

3 Spektrum der Wissenschaft 3/1991 Stress im Gehirn: Wahrnehmung u. Verarbeitung emotionaler Stimuli Thalamus Visueller Cortex AMY HYP LC STRESSOR STRESS REAKTION

4 Stressreaktion Anstieg von... Herzfrequenz & Blutdruck Respirationsrate Blutfluss in die Muskulatur Blutglukosespiegel und O 2 Aufnahme Wachsamkeit, fokusierte Aufmerksamkeit Spezifische Stress-Reaktion ( Fight or Flight )

5 Kann man Stress messen? Adrenalin (ng/l) Herzfrequenz (bpm) Cortisol (µg/dl) Nach Schedlowski,1994

6 Ist Stress gut oder schlecht? 24-Stunden Tage! Finanzielle Engpässe ZEITDRUCK!

7 Ist Stress gut oder schlecht? Stress ist nicht notwendigerweise was schlechtes! STRESS ist lebensnotwendig!

8 Ist Stress gut oder schlecht? Abhängig von Intensität, Dauer und Kontrollierbarkeit von Stressoren! Herausfordernde aversive, aber kontrollierbare Stimuli Eustress Homeostase Stark aversive langanhaltende, und unkontrollierbare Stimuli Distress Adaptive Reaktion Pathologische Reaktion

9 Ist Stress gut oder schlecht? Normale Stressreaktion Anhaltende Stressreaktion Aktivierung Erholung Keine Erholung Zeit Zeit Nach McEwen, 2007 Traumatische Erlebnisse od. lang andauernder Stress (Dauerstress) als wichtiger Risikofaktor für die Entstehung verschiedener Erkrankungen Herz u. Kreislauferkrankungen, Immunerkrankungen, psychiatrische Erkrankungen (z.b. Depression & Angsterkrankungen)

10 Stress-bedingte psychiatrische Erkrankungen ein zunehmendes Problem! Mehr als 300 Millionen Menschen weltweit WHO: bis zum Jahr 2020 Depression in den industrialisierten Ländern die weltweit führende Krankheitsursache neben den Herz-Gefäß-Erkrankungen Enorme Kosten für unser Gesundheitssystem Europa 2004: 147 Mrd. (315 /Ew) (Eur. J. Neurobiol. 2005, Vol 12, Suppl. 1)

11 Depression: Dysregulation der Stresshormon- Sekretion ACTH Cortisol Circadiane Rhythmik Depressiv ACTH Cortisol Stress-induzierte Freisetzung Depressiv Kontrolle STRESSOR Kontrolle 08:00 08:00 Zeit Zeit - bei 50% aller Depressiven ist Cortisol erhöht - der Tagesrhythmus der Cortisol-Sekretion ist gestört - erhöhte stress-induzierte Cortisol-Freisetzung

12 Das Gehirn: Zentrale Schaltstelle für Stressreaktionen STRESSOR VERHALTENS REAKTION Hypothalamus Hypophyse PVN CRH + + LC-NA ACTH Nebennieren Glucocorticoide Cortisol (Mensch) Corticosterone (Nager) Katecholamine PHYSIOLOGISCHE REAKTION

13 Stressmechanismen bei Mensch und Tier ähnlich!

14 Gesteigerter Cortisol-Spiegel in Folge von chronischem Stress bei Tupaia (Tupaia belangeri) Chronischer psychosozialer Stress verändert Physiologie: Chronischer psychosozialer Stress verändert Verhalten: - reduzierte lokomotorische Aktivität - reduziertes Markierverhalten - verringerte Körperpflege von Holst, 1999 Antidepressiva können manche dieser stressinduzierten Veränderungen in Physiologie u. Verhalten wieder normalisieren! Fuchs & Flügge,2002

15 Mögliche Ansatzpunkte um Stressreaktionen zu vermindern Hemmung Stress-aktivierender Mechanismen STRESSHORMONE

16 Mögliche Ansatzpunkte um Stressreaktionen zu vermindern Verstärkte Aktivierung Stress-inhibierender Mechanismen STRESSHORMONE

17 Wie kann man Hirnareale identifizieren, die in Stressmechanismen involviert sind? - In vivo Gehirn-Imaging (z.b. CT, fmri) - Künstliche Stimulation bestimmter Hirnregionen - Ableitung neuronaler Aktivität - Experimentelle Inaktivierung bestimmter Hirnareale (Läsions-Studien)

18 Spezielle Fragestellungen: 1) Identifikation bestimmter Hirnareale, die zu einer verringerten Freisetzung von Stresshormonen führen? 2) Wie können diese neuronalen Inhibitionsmechanismen pharmakologisch aktiviert werden?

19 Septum wichtiges Hirngebiet bei STRESS? Anatomische Organisation des LS Höhere Hirn-Funktionen: - Kognition - Motivation - Emotionen Ratte Mensch Corpus Callosum LS LS Lateralventrikel Caudate Putamen MS Anterior Commissure

20 Experimenteller Ablauf Bilaterale LS-Läsion: 3 Ebenen: Hypothalamus (PVN): Neuronale Aktivität Fos-pos.Nz X X PVN CRF/AVP Stresshormone HPA- Achse Hypophyse: ACTH NNR: CORT ACTH CORT

21 Neurochemische Läsion des Septums Injektion IAc LS LS LS-Läsion - Zell-Verlust - Neuronale Degeneration - Erhöhte Gliose Kontrolle Ausdehnung der Läsion Bregma: +1,20 mm +0,70 mm rostral caudal

22 ACTH (pg/ml) CORT (ng/ml) Auswirkungen von LS-Läsionen auf die Freisetzung von Stresshormonen 600 ACTH Kontrolle LS-Läsion 900 CORT 400 ## 600 # # STRESS STRESS Zeit (Min) Zeit (Min) Läsionen des LS führen zu exzessiver Freisetzung von Stress- Hormonen LS hemmt ACTH/CORT-Freisetzung

23 Auswirkungen von LS-Läsionen auf die neuronale Aktivität im PVN C-Fos positive cells (0.01 mm 2 ) Fos - Marker für neuronale Aktivität Kontrolle LS-Läsion Kontrolle ** Bregma -1,88mm 2 LS-Läsion 0 PVN Zentrale Schaltstelle für HPA-Achse

24 Auswirkungen von LS-Läsionen auf die neuronale Aktivität im PVN mppvn Schaltstelle für HPA-Achse dpzpvn Kontrolle 3V mpzpvn (CRF, AVP) mzpvn (AVP, OXT) Bregma -1,88mm To post. pituitary LS-Läsion To medulla & spinal cord To median eminence LS-läsionierte Tiere zeigen eine erhöhte neuronale Aktivität (=Fos-Expression) im mppvn im Vergleich zu Kontroll-Tiere

25 Spezielle Fragestellungen: 1) Identifikation bestimmter Hirnareale, die zu einer verringerten Freisetzung von Stresshormonen führen? 2) Wie können diese neuronalen Inhibitionsmechanismen pharmakologisch aktiviert werden?

26 Wie kann dieser Stress-Inhibitionsmechanismus aktiviert werden? Die Rolle von Serotonin Serotonerge Projektionen aus den Raphe Kernen zum LS Hohe Dichte an 5-HT-Rezeptoren im LS v.a. 5-HT 1A Rezeptoren Quantitative Rezeptorautoradiographie Immunhistochemie Septale 5-HT 1A Rezeptoren modulieren Stressverhalten

27 ACTH (pg/ml) ACTH (pg/ml) Rolle von 5-HT 1A Rezeptoren auf die neuroendokrine Stressreaktion 5-HT 1A -Agonist (8-OH-DPAT; 10µg) Kontrolle 8-OH-DPAT ## HT 1A -Antagonist (WAY ; 10µM) STRESS Zeit (Min) Kontrolle WAY # ## 200 ## 0 STRESS Zeit (Min) Intraseptales 5-HT hemmt neuroendokrine Stressreaktion!

28 Rolle des LS bei der Regulation von Stress Reaktionen STRESSOR Inhibitorische Mechanismen Sensory CTX AMY HIP mpfc + PVN LS + Actives Coping Passives Coping Exzitatorische Mechanismen NTS Negativer Feedback Mechanismus CRF AVP ACTH A1/A2/C1 Medulla CORT

29 Zusammenfassung Stress-bedingte Erkrankungen als Gesundheitsproblem in der modernen Gesellschaft wichtig Verständnis neurobiologischer Grundlagen, die bei der Regulation von solchen Stressreaktionen involviert sind LS in einen endogenen Inhibitionsmechanismus involviert, der hemmend auf die HPA-Achse wirkt u. den Körper bei psychischem Stress vor exzessiver Hormonausschüttung schützt LS-läsionierte Tiere zeigen ähnlich wie Depressions-Patienten eine erhöhte Stresshormonfreisetzung ev. Depression auch Mangel an endogener Inhibition? Bestimmte Pharmaka könnten einer schädigenden Hyperfunktion der HPA- Achse entgegenwirken, indem sie die körpereigenen stresshemmenden Mechanismen unterstützen bzw. maximieren Bsp. Erhöhte 5-HT-Wirkung im LS

30 Eine Möglichkeit um STRESS zu vermeiden!!

31 Danksagung Universität Innsbruck Abteilung Pharmakologie u. Toxikologie - Georg Singewald - Nicolas Singewald - Alesja Rjabokon - Patrik Muigg

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