Left.gif (10785 bytes)
Midlle.gif (12243 bytes)
Right.gif (10788 bytes)
VÝVOJOVÉ ZMĚNY CITLIVOSTI MOZKU NA EXCITAČNÍ AMINOKYSELINY DEVELOPMENTAL CHANGES IN THE SENSITIVITY TO EXCITATORY AMINO ACIDS PAVEL MAREŠ Fyziologický ústav Akademie věd České republiky, Praha
SOUHRN Vyšší citlivost nezralého mozku byla původně prokázána pro neurotoxické účinky excitačních aminokyselin (kyseliny glutamové, asparagové a jejich agonistů). Jako další ukazatel je možno použít vývoj epileptogenních účinků těchto aminokyselin. Silnější křečové působení v nezralém mozku než v mozku dospělém bylo opakovaně prokázáno pro kyselinu kainovou. Rozdíl v citlivosti mezi nezralým a zralým mozkem je daleko výraznější při podání N-metyl-D-asparagové kyseliny (NMDA). Padesátiprocentní křečová dávka NMDA je u 7denních mláďat o dva řády nižší než u dospělých potkanů. Podobné změny citlivosti lze prokázat i při studiu antikonvulzivních účinků antagonistů excitačních aminokyselin, speciálně těch, které působí na NMDA typ receptorů, jak jsme prokázali na modelu generalizovaných tonicko-klonických záchvatů vyvolaných pentylentetrazolem. Vývoj účinku antagonistů na jiný model – epileptické následné výboje vyvolané elektrickým drážděním mozkové kůry – není tak jednoznačný. To může být dáno pozdějším vyzráváním talamokortikálního systému, který tento typ záchvatu generuje. Klíčová slova: excitační aminokyseliny, ontogeneze, epileptický záchvat, antikonvulzivní působení, NMDA receptory SUMMARY Immature brain exhibits a high sensitivity to excitatory amino acids (glutamic acid, aspartic acid and their agonists) as was shown using neurotoxic effects as a measure. Epileptogenic action may be also used to quantify the efficacy of these amino acids. Stronger convulsant effects in the developing brain (in comparison with mature brain) were repeatedly demonstrated for kainic acid and especially for N-methylD-aspartate (NMDA). A 50%-convulsant dose of NMDA in 7-day-old rat pups was shown to be two orders lower than in adult animals. An anticonvulsant action of excitatory amino acid antagonists namely those acting on NMDA type of receptors exhibit similar changes in sensitivity using generalized tonicclonic seizures induced by pentylenetetrazol as a model. An action of the antagonists against epileptic afterdischarges elicited by stimulation of the cerebral cortex is not so equivocal; this difference might be due to a relatively late development of thalamocortical system generating this type of epileptic seizures. Key words: excitatory amino acids, ontogenesis, epileptic seizures, anticonvulsant action, NMDA receptors
Neurotoxické účinky glutamátu jsou známé již dlouhou dobu (Olney, EHEH1971; Choi, 1988). Téměř stejně dlouho je známa také jeho mediátorová funkce a společně s aspartátem je považován za hlavní excitační mediátor v savčím mozku. Působí na 3 typy ionotropních receptorů (N-metyl-D-aspartátové = NMDA, AMPA a kainátové) a na 3 typy receptorů metabotropních. Na základě znalostí účinků těchto mediátorů byla formulována excitotoxická hypotéza: “accumulation of the excitatory amino acid transmitters, glutamate and aspartate, in the extracellular space, as the result of increased synaptic release and reduced cellular uptake, produces excitotoxic injury through excessive activation of excitatory amino acid receptors” (McDonald a spol., 1992). Tento excitotoxický mechanizmus se uplatňuje v patologických stavech jako je hypoxie-ischemie (Beneviste a spol., 1984) a dlouhotrvající epileptické záchvaty (Sloviter, 1983). To bylo prokázáno nejenom v dospělém, ale i ve vyvíjejícím se mozku (Ikonomidou a spol., 1989a). Agonisté všech tří typů ionotropních receptorů (NMDA, AMPA a kainát) vyvolávají poškození centrálního nervového systému. Nejdříve to bylo prokázáno pro kainát (Shinozaki a spol., 1970; Olney a spol., 1974; Nadler a spol., 1978), později pro NMDA (Stewart a spol., 1986) a AMPA (Morgan, 1987). Vývoj citlivosti mozku na neurotoxický účinek těchto tří látek je různý. Zatímco kainát nevyvolá akutní neuronální poškození v prvních třech postnatálních týdnech života laboratorních potkanů, jak bylo prokázáno pro striatum (Capochiaro a Coyle, 1978) a hipokampus (Ben-Ari a spol., 1981; Sperber a spol. 1992), excitotoxický účinek NMDA, AMPA a quisqualátu (agonisty AMPA receptorů a současně agonisty I. typu metabotropních glutamátových receptorů) je zřetelný již v prvním týdnu po narození a citlivost mláďat je vyšší než citlivost dospělých zvířat (Guiramand a spol. 1989; Ikonomidou a spol., 1989b; Hattori a spol., 1990; McDonald a Johnston, 1990; Young a spol., 1990; Johnston, 1995). Největší citlivost se projevuje kolem 10. dne po narození, s nevelkým rozdílem mezi NMDA a AMPA (McDonald a spol., 1988,1992). Je zřejmé, že efekt excitačních aminokyselin představuje patogenetický mechanizmus poškození nezralého centrálního nervového systému různými noxami (hypoxií-ischemií - Puka-Sundwall a spol., 1996; epileptickým statem – Wasterlain a Sankar, 1993; aminooxyoctovou kyselinou – McDonald a Schoepp, 1993; malonátem – Greene a Greenamyre, 1995). Rozvoj poškození je velmi rychlý, nukleární magnetickou rezonancí byl prokázán již za 15 min po injekci NMDA do mozkových komor (Verheul a spol., 1993). Agonisté všech typů ionotropních receptorů pro excitační aminokyseliny mají silné epileptogenní účinky. Kainát vyvolává epileptické záchvaty již u 7denních potkanních mláďat (Cherubini a spol., 1983; Albala a spol. 1984; Ben-Ari a spol., 1984; Velíšková a spol., 1988), přičemž citlivost pomalu klesá s věkem (Velíšková a spol., 1988). N-metyl-D-aspartát je vysoce účinný na raných stadiích postnatálního vývoje (10denní – Schoepp a spol., 1990, nebo 7denní mláďata – Mareš a Velíšek, 1992) a jeho epileptogenní efekt prudce klesá s věkem – 50 % křečová dávka pro dospělé potkany je o dva řády vyšší než pro 7denní mláďata (Mareš a Velíšek, 1992). D,L-Homocysteová kyselina, jejímž hlavním, ale ne jediným mechanizmem účinku je agonistické působení na NMDA receptory (Turski, 1989), vyvolává epileptické záchvaty po systémovém podání také již u 7denních mláďat a její účinnost klesá s věkem, i když ne tak dramaticky jako v případě NMDA (Mareš a spol., 1997). Homocystein je také schopen vyvolat záchvaty již u 7denních potkanů, ale nejvyšší účinnost jsme pozorovali ve 3. týdnu života (Kubová a spol., 1995). To je pravděpodobně dáno vývojovým posunem účinnosti od NMDA k nonNMDA receptorům (Folbergrová, 1997). To potvrzují i naše dosud nepublikovaná data s ovlivněním korových následných výbojů homocysteinem a NMDA, kde efekt obou látek je shodný u 12denních, ale ne u 25denních mláďat potkanů. Vyšší citlivost nezralého mozku lze prokázat i při sledování antikonvulzivního účinku antagonistů excitačních aminokyselin. Na modelu záchvatů generalizovaných tonicko-klonických křečí vyvolaných podkožním podáním pentylentetrazolu jsme prokázali vyšší účinnost NMDA antagonistů u mladších věkových skupin ve srovnání s dospělými potkany (kompetitivní antagonisté, 2-amino7-fosfonoheptanová kyselina (Velíšek a spol. 1990) a CGP 40116 (Haugvicová a Mareš, 1998), nekompetitivní antagonista dizocilpin (MK-801, Velíšek a spol., 1991)). Proto jsme již v rámci výzkumného programu Centra neuropsychiatrických studií studovali účinek tří uvedených antagonistů v jiném modelu epileptických záchvatů – epileptických následných výbojů, vyvolaných elektrickým drážděním mozkové kůry u volně pohyblivých mláďat laboratorního potkana s implantovanými elektrodami. I zde jsme nalezli vyšší citlivost mladších věkových skupin, výsledky ale nebyly tak jednoznačné jako u modelu pentylentetrazolového (připravováno do tisku). Tento rozdíl by mohl být
způsoben pozdějším vyzráváním talamokortikálního systému, který je generátorem tohoto typu experimentálního epileptického záchvatu. Antagonisté NMDA receptoru nevykazují vyšší účinnost jenom ve svém pozitivním působení, ale i při nežádoucích účincích, jak jsme prokázali při sledování efektů dizocilpinu a CGP 40116 na motoriku mláďat (Mikulecká a Mareš – nabídnuto do tisku). Všechny uvedené výsledky jednoznačně svědčí pro vyšší citlivost nezralého centrálního nervového systému na agonisty i antagonisty receptorů pro excitační aminokyseliny, zejména NMDA typu. Otevřenou otázkou zůstávají dlouhodobé důsledky těchto látek na vyvíjející se mozek. Program, který budeme realizovat v rámci Centra neuropsychiatrických studií, je zaměřen na vývoj citlivosti mozkové kůry na antagonisty excitačních aminokyselin. V současnosti studujeme vliv NMDA antagonisty dizocilpinu na korové interhemisferické evokované potenciály a jejich potenciaci párovými podněty a potenciaci frekvenční. Tento rukopis vznikl za podpory Centra neuropsychiatrických studií, project LN00B122. LITERATURA Albala BJ, Moshé SL, Okada R. Kainic acid-induced seizures: A developmental study. Dev Brain Res 1984;13:139–148. Ben-Ari Y, Tremblay E, Riche D, Ghilini G, Naquet R. Electrographic, clinical and pathological alterations following systemic administration of kainic acid, bicuculline or pentylenetetrazole: Metabolic mapping using the deoxyglucose method with special reference to pathophysiology of epilepsy. Neuroscience 1981;6:1361–1391. Ben-Ari Y, Tremblay E, Berger M, Nitecka L. Kainic acid seizure syndrome and binding sites in developing rats. Dev Brain Res 1984;14:284–288. Beneviste H, Drejer J, Schousboe A, Diemer NH. Elevation of the extracellular concentrations of glutamate and aspartate in rat hippocampus during transient cerebral ischemia monitored by cerebral microdialysis. J Neurochem 1984;43:1369–1374. Capochiaro P, Coyle JT. Ontogenetic development of kainate neurotoxicity: correlates with glutamatergic innervation. Proc Natl Acad Sci USA 1978;75:2025–2029. Cherubini E, De Feo MR, Mecarelli O, Ricci GF. Behavioral and electrographic patterns induced by systemic administration of kainic acid in developing rats. Dev Brain Res 1983;9:69–77. Choi DW. Glutamate neurotoxicity and diseases of the nervous system. Neuron 1988;1:623–634. Folbergrová J. Anticonvulsant action of both NMDA and non-NMDA receptor antagonists against seizures induced by homocysteine in immature rats. Exp Neurol 1997;145:442–450. Greene JG, Greenamyre JT. Characterization of the excitotoxic potential of the reversible succinate dehydrogenase inhibitor malonate. J Neurochem 1995;64:430–436. Guiramand J, Sassetti I, Recasens M. Developmental changes in the chemosensitivity of rat brain synaptosomes to excitatory amino acids, estimated by inositol phosphate formation. Int J Dev Neurosci 1989;7:257–266. Hattori H, Wasterlain CG. Excitatory amino acids in the developing brain: ontogeny, plasticity, and excitotoxicity. Pediat Neurol 1990;6:219–228. Haugvicová R, Mareš P. Anticonvulsant action of a NMDA receptor antagonist CGP 40116 varies only quantitatively during ontogeny in rats. Fundam clin Pharmacol 1998;12:521–525. Ikonomidou C, Price MT, Mosinger JL, Frierdich G, Labruyere J, Shahid Salles K, Olney JW. Hypobaric-ischemic conditions produce glutamate-like cytopathology in infant rat brain. J Neurosci 1989a;9:1693–1700. Ikonomidou C, Mosinger JL, Salles KS, Labruyere J, Olney JW. Sensitivity of the developing rat brain to
hypobaric/ischemic damage parallels sensitivity to N-methyl-D-aspartate neurotoxicity. J Neurosci 1989b;9:2809–2818. Johnston MV. Neurotransmitters 1995;17:301–306.
and
vulnerability
of
the
developing
brain. Brain
Dev
Kubová H, Folbergrová J, Mareš P. Seizures induced by homocysteine in rats during ontogenesis. Epilepsia 1995;36:750–756. Mareš P, Velíšek L. N-Methyl-D-aspartate (NMDA)-induced seizures in developing rats. Dev Brain Res 1992;65:185–189. Mareš P, Folbergrová J, Langmeier J, Haugvicová R, Kubová H. Convulsant action of D,L-homocysteic acid and its stereoisomers in immature rats. Epilepsia 1997;38:767–776. McDonald JF, Silverstein FS, Johnston MV, Neurotoxicity of N-methyl-D-aspartate is markedly enhanced in developing rat central nervous system. Brain Res 1988;459:200–203. McDonald JF, Johnston MV. Physiological and pathophysiological roles of excitatory amino acids during central nervous system development. Brain Res Rev 1990;15:41–70. McDonald JF, Trescher WH, Johnston MV. Susceptibility of brain to AMPA induced excitotoxicity transiently peaks during early postnatal development. Brain Res 1992;583:54–70. McDonald JF, Schoepp DD. Aminooxyacetic acid produces excitotoxic brain injury in neonatal rats. Brain Res 1993;624:239–244. Morgan IG. AMPA is a powerful neurotoxin in the chicken retina. Neurosci Lett 1987;79:267–271. Nadler JV, Perry BW, Cotman CW. Intraventriculr kainic acid preferentially destroys hippocampal pyramidal cells. Nature 1978;271:676–677. Olney JW. Glutamate-induced neuronal necrosis in the infant mouse hypothalamus: An electron microscopic study. J Neuropathol Exp Neurol 1971;30:75–90. Olney JW, Rhee V, Ho OL. Kainic acid: A powerful neurotoxic analogue of glutamate. Brain Res 1974; 77:507–512. Puka-Sundvall M, Gilland E, Bona E, Lehmann A, Sandberg M, Hagberg H. Development of brain damage after neonatal hypoxia-ischemia: excitatory amino acids and cysteine. Metab Brain Dis 1996;11:109–123. Schoepp DD, Gamble AY, Salhoff CR, Johnson BG, Ornstein PL. Excitatory amino acid-induced convulsions in neonatal rats mediated by distinct receptor subtypes. Eur J Pharmacol 1990;182:421–427. Shinozaki H, Konishi S. Action of several anthelmintics and insecticides on rat cortical neurons. Brain Res 1970;24: 368–371. Sloviter RS. “Epileptic” brain damage in rats induced by sustained electrical stimulation of perforant path. I. Acute electrophysiological and light microscopic studies. Brain Res Bull 1983;10:675–697. Sperber EF, Stanton PK, Haas K, Ackermann RF, Moshé SL. Developmental differences in the neurobiology of epileptic brain damage. Epilepsy Res 1992;Suppl.9:67–81. Stewart GR, Price MT, Olney JW, Hartman BK, Cozzari C. N-methylaspartate: An effective tool for lesioning basal forebrain cholinergic neurons of the rat. Brain Res 1986;369:377–382. Turski WA. Homocysteic acid: Convulsant actions of stereoisomers in mice. Brain Res 1989;479:371–373.
Velíšek L, Kusá R, Kulovaná M, Mareš P. Excitatory amino acid antagonists and pentylenetetrazolinduced seizures during ontogenesis: I. The effects of 2-amino-7-phosphonoheptanoate. Life Sci 1990;46:1349–1357. Velíšek L, Verešová S, Pobišová H, Mareš P. Excitatory amino-acid antagonists and pentylenetetrazolinduced seizures during ontogenesis: II. The effects of MK-801. Psychopharmacology 1991;104:510–514. Velíšková J, Velíšek L, Mareš P. Epileptic phenomena produced by kainic acid in laboratory rats during ontogenesis. Physiol Bohemoslov 1988;37:395–405. Verheul HB, Palazs R, Berkelbach van der Srenkel JW, Tulleken CAF, Nicolay K, van Lookeren Campagne M. Temporal evolution of NMDA-induced excitotoxicity in the neonate rat brain measured with 1H nuclear magnetic resonance imaging. Brain Res 1993;618:203–212. Wasterlain CG, Sankar R, Excitotoxicity and the developing brain. In: Avanzini G, Fariello R, Heinemann U, Mutani R, eds. Epileptogenic and Excitotoxic Mechanisms. London: John Libbey Co, 1993;135–151. Young RSK, Petroff OAC, Novotny EJ, Jr, Wong M. Neonatal excitotoxic brain injury. Dev Neurosci 1990;12:210–220.
prof. MUDr. Pavel Mareš, DrSc. Fyziologický ústav AV ČR Vídeňská 1083 142 20 Praha 4 E-mail:
[email protected]
Left.gif (10785 bytes)
Midlle.gif (12243 bytes)
Right.gif (10788 bytes)
