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1  EINLEITUNG

1.1 Entwicklung und Rolle des serotonergen Systems im Gehirn

1.1.1 Aufbau und Transmissionsmechanismus des serotonergen Systems im Gehirn

Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) wurde zuerst in der Peripherie als vasokonstriktorischer Faktor gefunden, woher sich der Name ableitet. 5-HT ist ein Monoamin-Neurotransmitter, der im Zentralnervensystem (ZNS), in peripheren Nervensystemen und enterochromaffinen Zellen des Magendarmtakts und in Thrombocyten gefunden wird. Im ZNS dient 5-HT nicht nur als ein bedeutsamer Neurotransmitter, sondern auch als ein Neuromodulator.

Tryptophan ist der Ausgangsstoff für die Synthese von 5-HT und wird durch die cytoplasmatische Tryptophanhydroxylase (TPH) zu 5-Hydroxytryptophan hydroxyliert und anschließend durch L-aromatische Aminosäuredecarboxylase zu 5-HT decarboxyliert (Abb.1). Der vesikuläre Monoamin-Transporter-2 transportiert 5-HT in die präsynaptischen Vesikel. Das vesikulär gespeicherte 5-HT wird durch Aktionspotentiale exocytotisch freigesetzt und dann größtenteils aus dem synaptischen Spalt durch einen spezifischen Serotonintransporter wieder in die serotonergen Nervendigungen aufgenommen. Das wiederaufgenommene 5-HT unterliegt entweder der Wiederaufnahme (Re-uptake) in die Speichervesikel oder einer oxidativen Desaminierung durch die mitochondriale Monoaminoxidase (MAO) A. Das entstehende Aldehyd wird überwiegend durch Aldehyddehydrogenase zu 5-Hydroxyindolessigsäure
(5-HIAA) umgewandelt. 5-HIAA ist der Hauptmetabolit von 5-HT. Nach Wiederaufnahme in die Vesikel steht 5-HT wieder als Neurotransmitter zur Verfügung. Sobald 5-HT über Exozytose in den synaptischen Spalt freigesetzt wird, bindet es an die postsynaptischen Rezeptoren, dadurch wird das Signal von einer Zelle auf die nächste Zelle übertragen. 5-HT bindet auch an präsynaptische 5-HT1B/D Autorezeptoren, welche die Freisetzung von 5-HT regulieren. Somatodendritische präsynaptische 5-HT1A Rezeptoren in der Raphe sind an der Regulierung der Aktivität serotonerger Neurone beteiligt. In der embryonalen Entwicklung des ZNS kann 5-HT als ein neurotropher Faktor für serotonerge Neurone wirken, aber auch die Entwicklung nicht­serotonerger Neurone in den serotonergen Zielgebieten vorantreiben. (Veenstra-Vander Weele et al., 2000; Povlock und Amara, 1997).


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Abb. 1 Synthese von 5-HT

1.1.2 Verteilung des serotonergen Systems im Gehirn

Das serotonerge System ist eines der am umfangreichsten ausbreiteten Nervensysteme im ZNS. Die meisten Zellkörper der serotonergen Neurone befinden sich in verschiedenen Kernen der Raphe (Abb. 2). Zellkörper sind aber auch in der medianen und paramedianen Formatio reticularis des Mesencephalons, dem Tegmentum mesencephalon, dem Pons cerebri sowie der Medulla oblongata vorhanden. Die verschiedenen serotonergen Zellgruppen der Rapheregion wurden von Dahlström und Fuxe (1964) entsprechend ihrer Lage im Hirnstamm und Ihrer Projektionsgebiete mit B1 bis B9 bezeichnet (Abb. 2). Die rostralen Neurone kommen aus dem Nucleus raphe pontis (B5), Nucleus raphe dorsalis (B6/B7), Nucleus centralis superior (B8), und Nucleus tegmenti reticularis pontis (B9). Die caudalen Neurone bestehen aus dem Nucleus raphe pallidus (B1 und B4), obscurrus (B2) und magnus (B3) (Rubenstein, 1998; Jacobs und Azmitia,1992; Goridis und Rohrer, 2002) .

Die serotonergen Neurone der rostralen Raphekerne projizieren ihre Fasern aufsteigend ins gesamte Vorderhirn wie z.B. in den Cortex, das Striatum, die Amygdala, den Thalamus, den Hypothalamus, den Hippocampus, die Substantia nigra, den suprachiasmatischen Nucleus und das Kleinhirn. Die aufsteigenden serotonergen Innervierungen des Vorderhirns kommen hauptsächlich aus zwei Regionen des Mesencephalons: den Nuclei raphe dorsalis und medianus. Der Nucleus raphe dorsalis innerviert dasStriatum, den Frontalcortex, und das lateraleSeptum, während der Nucleus raphe medianus den dorsalenund ventralen Hippocampus, Hypothalamus, und das mediane Septum innerviert. Die am caudalsten liegenden serotonergen Gruppen (B1-B4) sind Ursprung der absteigenden serotonergen Projektion in den Hirnstamm, ins Rückenmark und in die Medulla oblongata (Knobelman et al., 2001a; Roberts et al., 2001).


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Abb. 2 Serotonerge Neurone im Hirnstamm der adulten Ratte (nach Role und Kelly, 1991).
B1 und B4: Nucleus raphe pallidus; B2: Nucleus raphe obscurrus, B3: Nucleus raphe magnus; B5: Nucleus raphe pontis; B6 und B7: Nucleus raphe dorsalis; B8: Nucleus centralis superior; B9: Nucleus tegmenti reticularis pontis.

1.1.3 Wachstum und Entwicklung des serotonergen Systems im Gehirn

Das serotonerge System entwickelt sich relativ früh im Gehirn der Säugetiere und ist eines der phylogenetischen ältesten Neurotransmittersysteme (Lauder et al., 1982). Bei der Maus können serotonerge Neurone im Gehirn von Embryonen erstmalig am Embryonaltag (E) 11,5 (Abb. 3) immunhistochemisch mit dem 5-HT Antikörper detektiert werden (Briscoe et al., 1999). Mehr ist über die Entwicklung des serotonergen Systems in der Ratte bekannt. Die rostralen serotonergen Neuronengruppen werden am frühesten bei E12 Embryonen identifiziert und bei E13 Embryonen haben die Raphe Neurone die letzte Zellteilung abgeschlossen und beginnen mit der Synthese von 5-HT. In den caudalen Neuronengruppen kann die Immunreaktivität von 5-HT erst bei E14 Embryonen nachgewiesen werden, obwohl diese Neurone etwa zum gleichen Zeitpunkt (E11-12) wie die rostralen Neurone entstanden sind, aber möglicherweise noch nicht zur 5-HT­Synthese befähigt sind (Rubenstein, 1998). Zum Zeitpunkt E19 ist die Verteilung aller Neuronengruppen in der Raphe ähnlich wie bei den adulten Ratten und die Entwicklung serotonerger Neurone nahezu beendet (Lauder et al., 1974). Von E21 bis frühpostnatale Periode entwickeln sich die serotonergen Neuronengruppen und die einzelnen serotonergen Neurone durch die Veränderung der zellulären Dichte und der dendritischen Architektur weiter (Whitaker-Azmitia, 2001; Lidov und Molliver, 1982a; Lauder et al., 1982).


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Abb. 3 Embryonale Verteilung serotonerger, dopaminerger und noradrenerger Neurone (nach Goridis und Rohrer, 2002). Die sagittale Ansicht des Neuralrohrs der Maus am Embryonaltag 11,5 wird gezeigt. Die serotonergen Neurone sind in der Raphe, die dopaminergen Neurone im Tegmentum des Mesencephalons und die noradrenergen Neurone im Locus coeruleus lokalisiert. Der Pfeil zeigt die Grenze vom Mesencephalon und Metencephalon.

Die Entwicklung serotonerger Neurone im Gehirn der Ratten wird in drei Perioden eingeteilt: (1) anfängliche Verlängerung der Axone (E13-E15); (2) die Entwicklung der selektiven Bahnen (E16-E19); (3) die Entwicklung der serotonergen Innervierung in den Terminalregionen (E19-P21). Von E19 bis postnataler Tag (P) 21 nimmt 5-HT im Gesamthirn am schnellsten zu (Lidov et al., 1982). Der Nucleus raphe rostralis projiziert seine Axone aufsteigend ins Mesencephalon und Vorderhirn, und der Nucleus raphe caudalis absteigend ins Rückenmark (Molliver et al., 1987; Rubenstein, 1998). Gleich nach dem Erscheinen der Immunreaktivität von 5-HT im Hirnstamm ist die rostrale Projektion ganz deutlich erkennbar. Zum Zeitpunkt E14 der Ratte projizieren die Axone von den rostralen serotonergen Neuronengruppen aufsteigend ins caudale Mesencephalon und die aufsteigenden Axone treffen bei E15 Embryonen im Diencephalon und bei E17 Embryonen im Telencephalon ein. Zum Zeitpunkt E19 kommen die aufsteigenden serotonergen Axone durch die medialen Vorderhirn­Bündel im Pallium, dann im anteromedialen, frontalen und lateralen Cortex an. Zu diesem Zeitpunkt erscheinen serotonerge Innervierungen im Hippocampus. Die serotonerge [Seite 11↓]Innervierung des Striatums erfolgt erst in späteren Entwicklungsstadien. Zum Zeitpunkt P1 - P3 sind noch kaum serotonerge Fasern erkennbar. Erst zum Zeitpunkt P14 zeigt das gesamten Striatum. Die absteigenden 5-HT Innervierungen erreichen bei E14 Embryonen das Rückenmark und innervieren die präganglionären sympathischen Neurone und somatischen Motorneurone, und zum Zeitpunkt E17 beginnen sie mit der Bildung von Synapsen (Lidov und Molliver, 1982b; Rubenstein, 1998).

1.1.4 Rolle von 5-HT während der Entwicklung des serotonergen Systems und dessen Projektionsgebiete

Es gibt Hinweise dafür, dass 5-HT nicht nur die Entwicklung des serotonergen Systems, sondern auch die Entwicklung der Neurone in den Projektionsgebieten beeinflusst. Bei Hemmung der
5-HT-Synthese mit p-Chlorophenylalanin (pCPA), einem irreversiblen Hemmstoff der TPH, in den früheren Entwicklungsstadien der embryonalen Ratte kommt es zu einer dauerhaften Reduzierung der Neurone im Hippocampus und Cortex des adulten Gehirns. In der späteren Entwicklungsphase spielt 5-HT eine Rolle in der dendritischen Entwicklung, einschließlich der dendritschen Länge, und der Verzweigung im Hippocampus und Cortex. Bei der adulten Ratte führt die Hemmung der 5-HT-Synthese zum Verlust von Dendriten (Whitaker-Azmitia et al., 1995; 2001).

Während der Entwicklung des Gehirns spielt 5-HT mindestens zwei Rollen: (1) 5-HT beeinflußt über eine Autoregulation die Entwicklung serotonerger Neurone selbst (Whitaker­Azmitia und Azmitia, 1986; Shemer et al., 1991) und ist als ein Entwicklungssignal für die Ontogenese des serotonergen Systems angesehen (Lauder, 1990) und die Veränderung des
5-HT Spiegels kann die Morphologie des serotonergen Systems ändern. Eine vorrangige Wirkung ist die Hemmung des Auswuchses der serotonergen Terminale. (Whitaker-Azmitia et al., 1990). (2) 5-HT ist an der Regulation der Entwicklung und Reifung der Neurone in den serotonergen innervierten Terminalgebieten beteiligt. Zum gleichen Zeitpunkt der Einwanderung serotonerger Fasern in die Zielregionen erfolgt die Proliferation und Differenzierung der neuronalen und glialen Vorstufen, Neurogenese, Zellwanderung, Verfeinerung der Dendriten, Myelinisierung der Axone und Synaptogenese. Einige dieser Prozesse sind von der Freisetzung von Wachstumsfaktoren wie S100β aus den Astrozyten in den Terminalgebieten abhängig (Daval et al., 1987; Lauder et al.,1982; 1983; Azmitia et al.,1990; Azmitia,1996; Whitaker­[Seite 12↓]Azmitia, 2001).5-HT beeinflusst auch das Überleben und die Reifung der postsynaptischen Neurone in den Zielgebieten (Lauder und Krebs, 1978; Hery et al., 1999).

So konnte gezeigt werden, dass eine Depletion von 5-HT in den sich entwickelnden serotonergen Neuronen durch Behandlung der trächtigen Ratte mit pCPA zu einer Verzögerung sowohl des Beginns der Differenzierung (Zeit der letzten Zellteilung) der serotonergen Neurone des Nucleus raphe dorsalis als auch der mesencephalen dopaminergen Neurone, die sich entlang der serotonergen Bahn entwickeln, führt. Im Gegensatz dazu, ruft der tägliche Stress durch die maternale Vehikel-Injektion bei den Kontrolltieren einen früheren Beginn der neuronalen Differenzierung in den gleichen Regionen hervor. Dies deutet darauf hin, dass 5-HT als ein Differenzierungssignal für die entsprechenden embryonalen Zielzellen dient(Lauder et al. 1982).

1.1.5 Funktionen des serotonergen Systems im Gehirn

Die Zellkörper der serotonergen Neurone der Rapheregion projizieren praktisch in alle Regionen des Gehirns und ins Rückenmark. So erklärt sich die Beteiligung von 5-HT an zahlreichen zentralnervösen Funktionen. 5-HT ist an vielen verschiedenen Funktionen des Gehirns beteiligt, einschließlich der Regulation der Entwicklung des Gehirns (s. 1.1.4; Azmitia, 2001).

5-HT beeinflusst unterschiedliche physiologische Funktionen, wie die Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus, der Nahrungsaufnahme, der Schmerzwahrnehmung, der Körper­temperatur, der Gedächtnisbildung sowie der Stimmung, der Kognition und der Kontrolle des Angstverhaltens (Rubenstein, 1998). Das serotonerge System im Gehirn wird als ein bedeutsamer Modulator von Stimmungsvorgängen angesehen. Die Störungen des serotonergen Systems im ZNS sind an der Entstehung verschiedener neuropsychiatrischer und neurodegenerativer Erkrankungen beteiligt, wie Angstverhalten, Depression, affektive Störungen und Schizophrenie, Zwangsstörungen sowie Parkinson’sche und Alzheimer’sche Erkrankung und neurovaskuläre Phänomene im Rahmen der Migräne. (Heisler et al., 1998 ; Whitaker­-Azmitia, 2001).

1.1.6 Einfluss von S-100β auf das serotonerge System

Wie oben genannt ist das serotonerge System für die Entwicklung des Gehirns von großer Bedeutung. Deswegen ist es auch sehr wichtig, Faktoren zu kennen, welche das serotonerge System beeinflussen können. Neben der Autoregulation durch 5-HT können eine Reihe von [Seite 13↓]anderen Faktoren die Entwicklung und Differenzierung des serotonergen Systems beeinflussen. 5-HT stimuliert die in den Astrogliazellen lokalisierten 5-HT1A Rezeptoren und führt zur Proliferation der Glia, Produzierung und Freisetzung von Astrogliafaktoren wie
S-100β Protein und Fibroblastenwachstumsfaktor-5, die einen neurotrophischen Effekt auf serotonerge Neurone haben (Azmitia et al., 1990; Whitaker-Azmitia und Azmitia, 1986; Whitaker-Azmitia et al., 1990; 1996; Ueda et al., 1994; Nishi et al., 2000).

S-100 Protein wurde erstmalig 1965 von Moore vorgestellt (Moore, 1965; Whitaker­Azmitia, 1990). S-100 Protein ist ein saueres, lösliches, Calcium-bindendes Protein und wird von den Astrogliazellen synthetisiert und freigesetzt (Kligman und Hilt, 1988; Marshak, 1990). Es ist ein Dimer aus zwei Untereinheiten, von denen jede ein Molekulargewicht von 10000 kDa hat (Isobe und Okuyama, 1981). Die im ZNS funktionsfähige Struktur von S-100 ist vor allem das Homodimer ββ (S-100β). S-100β hat Effekte auf die Entwicklung und Plastizität des Gehirns und spielt eine wichtige Rolle im Überleben von Neuronen, in der Synaptogenese und Verlängerung der Neuriten von corticalen Neuronen (Kligman und Marshak, 1985; Winningham-Major et al.,1989), serotonergen Neuronen des Hirnstamms (Azmitia et al., 1990), Motorneuronen des Rückenmarks (Bhattacharyya et al., 1992), und Neuronen der Hinterwurzel (Van Eldik et al., 1991).

S-100β hat signifikante und selektive Effekte auf das Terminalwachstum der serotonergen Neurone. Die Entwicklung der 5-HT Terminale ist von dem Gleichgewicht der positiven und negativen Einflüsse abhängig. Der Auswuchs der 5-HT Terminale ist von einer Reihe von Wachstumsfaktoren wie dem aus den Astrogliazellen stammenden S-100β Protein in den Zielgebieten abhängig. Auf diese Weise beeinflusst 5-HT indirekt das Wachstum der serotonergen Neurone. Andererseits hat 5-HT auch einen hemmenden Einfluss auf das Wachstum serotonerger Neurone über eine direkte Wirkung - serotonerge Rezeptoren an den serotonergen Nervendigungen. Daraus wird ersichtlich, dass 5-HT nicht nur die Entwicklung der Zielgebiete, sondern auch die Entwicklung der eigenen Neurone reguliert (Whitaker-­Azmitia, 2001). Kurz gesagt, ist 5-HT ein Regulierungs- und Entwicklungssignal für das serotonerge System (Lauder, 1990). S-100β scheint selektiv für den serotonergen Phänotyp der monoaminergen Neurone zu sein, weil S-100β das Wachstum der serotonergen Neurone, nicht aber der dopaminergen Neurone fördert (Whitaker-Azmitia et al., 1996).


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1.2  5-HT Rezeptoren

Die Effekte des serotonergen Systems im ZNS werden über mindestens 14 verschiedene serotonerge Rezeptorsubtypen vermittelt ( Borella et al., 1997; Riad et al., 1994; Sikich et al., 1990; Whitaker-Azmitia et al., 1990; 1994). Zur Zeit werden die 5-HT Rezeptoren entsprechend der pharmakologischen Profile, cDNA- abgeleiteten primären Sequenzen und Mechanismen der Signaltransduktion in sieben Familien eingeteilt und in der letzten Dekade wurden mehr als 14 Subtypen durch pharmakologische Methoden differenziert und molekulare biologische Techniken geklont, der Reihe nach geordnet und weitgehend im ZNS der Säugetiere identifiziert (Saudou und Hen, 1994; Barnes und Sharp, 1999; Hoyer und Martin, 1997). Unter diesen vielfältigen Rezeptoren erhalten die 5-HT1A Rezeptoren die größte Aufmerksamkeit, weil die
5-HT1A Rezeptoren möglicherweise auch der Angriffspunkt von wirkungsvollen Medikamenten gegen affektive Erkrankungen wie Angstverhalten und Depression sein könnten (Briner und Dodel, 1998; Parks et al.,1998;Apter und Allen, 1999).

1.2.1 Eigenschaften des 5-HT1A Rezeptors

Das 5-HT1A Rezeptor-Protein besteht sowohl bei Säugetieren als auch beim Homo sapiens aus 422 Aminosäuren und hat ein Molekulargewicht von ≈ 46 000 und eine sieben transmembranöse Domänen-Struktur. Mit Ausnahme der 5-HT3 Rezeptoren, die direkt an der Öffnung von Ionenkanälen beteiligt sind, gehören die 5-HT1A Rezeptoren wie die anderen
5-HT Rezeptoren zu der Unterfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren und hemmen so die Adenylatcyclase. Die Bindung von 5-HT an 5-HT1A Rezeptoren führt zur Öffnung von K+­Kanälen und Hyperpolarisation und hemmt damit die Aktivität der serotonergen Neurone. (Aghajanian et al., 1990; Jacobs und Azmitia, 1992; Hamon, 1997; Barnes und Sharp, 1999; Raymond et al., 1999).

Die Entwicklungsstudie von Hillion et al. (1994) hat gezeigt, dass die 5-HT1A Rezeptoren sehr früh in dem embryonalen Gehirn der Ratte vorkommen. Die 5-HT1A Rezeptor mRNA wurde erstmalig in primären neuronalen Zellkulturen des Hirnstamms, die zum Zeitpunkt E12 kultiviert wurden, entdeckt, während das Rezeptor Protein erst in Kulturen, die zwei Tagen später zum Zeitpunkt E14 gewonnen wurden, erschien.


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1.2.2  Verteilung des 5-HT1A Rezeptors im Gehirn

Die Verteilung der 5-HT1A Rezeptoren im ZNS wurde in der Vergangenheit intensiv untersucht und durch verschiedene autoradiographische Studien mit unterschiedlichen Radioliganden wie 8-Hydroxy-2-[N-Dipropylamino] Tetralin ([3H]8-OH-DPAT, Pazos und Palacios, 1985) und [3H] N-[2-[4-(2-Methoxyphenyl)-1- Piperazinylethyl]-N-(2-Pyridinyl) Cyclohexan Carboxamid ([3H] WAY 100635; Gozlan et al., 1995) dargestellt. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass sich 5-HT1A Rezeptoren besonders reichlich im Hippocampus, lateralen Septum, Frontal- und Entorhinalcortex und Nucleus raphe rostralis befinden. Außerdem sind noch 5-HT1A Rezeptoren in dem dorsalen Horn des Rückenmarks, der Amygdala, einigen Nuclei des Thalamus und Hypothalamus, und dem lateralen Striatum lokalisiert. In dem Globus pallidum, der Substantia nigra und dem Cerebellum sind die 5-HT1A Rezeptoren kaum oder undetektierbar (Pazos und Palacios, 1985; Verge et al., 1986; Radja et al., 1991; Hamon,1997; Barnes und Sharp, 1999).

Die Verteilung der Radioliganden Bindungsstellen der 5-HT1A Rezeptoren stimmt mit der von der 5-HT1A Rezeptor mRNA, die durch in situ Hybridisierung von spezifischen Oligonucleotiden oder cRNA Proben sichtbar gemacht wurde, überein (Miquel et al., 1991; Pompeiano et al., 1992; Hamon,1997). Eine sehr ähnliche Verteilung der 5-HT1A Rezeptor­Proteine wurde auch immunhistochemisch nachgewiesen (Kia et al., 1996a). Eine selektive Läsion serotonerger Neurone mittels des Neurotoxins 5,7-Dihydroxytryptamin (5,7-DHT) führt nur in den Rapheregionen zur Reduzierung der Bindungsstellen für Radioliganden (Verge et al., 1985) und der mRNA des 5-HT1A Rezeptors (Miquel et al., 1992).Es wird darauf hingewiesen, dass 5-HT1A Autorezeptoren hauptsächlich somatodendritisch in den Nuclei raphe, und nur wenig an den Terminalen der serotonergen Projektionsregionen lokalisiert sind (Roberts et al., 2001). Eine Studie zur ultrastrukturellen Verteilung des 5-HT1A Rezeptors hat gezeigt, dass dieser Rezeptor sowohl an synaptischen Membranen als auch extrasynaptisch liegt (Kia et al.,1996b). 5-HT1A Rezeptoren befinden sich auch an Gliazellen des Gehirns (Azmitia et al., 1996).

1.2.3 Funktionen des 5-HT1A Rezeptors im Gehirn

Im Gehirn der Säugetiere unterscheidet man zwei Gruppen von 5-HT1A Rezeptoren und jede Gruppe spielt eine unterschiedliche Rolle im ZNS. Eine Gruppe existiert als präsynaptischer, inhibitorischer Autorezeptor an Dendriten und Zellsomata serotonerger Neurone in den [Seite 16↓]Rapheregionen und ist an der Regulation des serotonergen Systems beteiligt (Verge et al., 1986; Sotelo et al., 1990; Kia et al., 1996a; Hamon, 1997). Die Aktivierung des 5-HT1A Autorezeptors hemmt die Aktivität der serotonergen Neurone und reduziert die Synthese, den Umsatz und die Freisetzung von 5-HTinden Projektionsbereichen der serotonergen Neurone wie im Frontalcortex, Hippocampus und Striatum (Blier und de Montigny, 1987; Sprouse und Aghajanian, 1987; Kennett, et al., 1987; Sharp und Hjorth, 1990; Hjorth und Sharp, 1991; Kreiss und Lucki, 1994; Knobelman et al., 2000; 2001a; He et al., 2001).Die andere Gruppe von
5-HT1A Rezeptoren ist postsynaptisch an vielen nicht-serotonergen Neuronen in den serotonergen innervierten Zielgebieten des Vorderhins wie z.B. im Hippocampus, Septum und Cortex lokalisiert. Wie bei den präsynaptischen Rezeptoren kann die Aktivierung des postsynaptischen 5-HT1A Rezeptors zur Hemmung der Aktivität der postsynaptischen nicht­ serotonergen Neurone im Vorderhirn führen (Sprouse und Aghajanian, 1988;Gross et al., 2000).

Der 5-HT1A Rezeptor ist auch möglicherweise an der Differenzierung von serotonergen Neuronen während der embryonalen Entwicklung beteiligt. Zumindest konnte in primären Raphe-Zellkulturen der E14 Ratte gezeigt werden, dass die Zahl der TPH-immunreaktiven Zellen durch eine Behandlung mit 5-HT für 4 Tage dosis-abhängig zugenommen hat. Diese Entwicklung des serotonergen Phänotyps in den primären Zellkuturen wurde über Aktivierung des 5-HT1A Rezeptors vermittelt (Galter und Unsicker, 2000). Der 5-HT1A Rezeptor ist auch an der Freisetzung des Wachstumsfaktors S100β aus Astrozyten beteiligt, wie in primären Astrozytenkulturen gezeigt werden konnte (Riad et al., 1994). Dies ist ein Hinweis dafür, dass der 5-HT1A Rezeptor möglicherweise eine neurotrophische Rolle in der Entwicklung des Gehirns und auch im adulten Gehirn hat (Riad et al., 1994; Azmitia et al., 1996).

1.3 5-HT1A Rezeptor Knockout (KO) Maus

Um die Funktionen des serotonergen Systems genauer zu definieren, haben Wissenschaftler ein spezifisches Angebot der molekularen Biologie verwendet(Lucas und Hen, 1995).Die Anwendung der transgenen Technik an der Maus hat die Herstellung von inaktiven Mutationen verschiedener 5-HT Rezeptoren, 5-HT Transporter und von der MAO A ermöglicht. Durch transgene Veränderungen am serotonergen System konnten neue Einblicke in die Rolle der verschiedenen Komponenten des serotonergen Systems gewonnen werden. Diese neuen Erkenntnisse könnten auch für das Verständnis von psychiatrischen Erkrankungen von [Seite 17↓]Bedeutung sein (Murphy et al.,1999; Phillips et al., 1999; Sibille und Hen, 2001; Gingrich und Hen, 2000; 2001; Toth, 2003).

Im Jahr 1998 wurden die 5-HT1A Rezeptor Knockout-Mäuse (KO Mäuse) unabhängig von drei verschiedenen Arbeitsgruppen erzeugt. Obwohl die KO Mäuse mit verschiedenen genetischen Hintergründen gezüchtet wurden, berichteten alle drei Gruppen, dass die KO Mäuse erhöhtes Angstverhalten aufweisen (Heisler et al., 1998; Parks et al., 1998; Ramboz et al., 1998). Die KO Mäuse zeigen bei verschiedenen Verhaltenstests eine erhöhte Ängstlichkeit, versuchen eine neue und furchterzeugende Umgebung zu vermeiden und stressvollen Situationen auszuweichen (Parks et al., 1998; Zhuang et al., 1999; Richer et al., 2002). Wegen des Verlusts der 5-HT1A Rezeptoren in den Nuclei raphe mangelt es bei KO Mäusen an der negativen Rückkoppelung. Es wird darauf hingewiesen, dass das Angstverhalten bei KO Mäusen durch das Fehlen der wichtigen präsynaptischen Regulation der Freisetzung von 5-HT und die daraus resultierende Zunahme der 5-HT Neurotransmission in den Projektionsterminalregionen der Raphe Neuronen hervorgerufen wird (Parks et al., 1998; He et al., 2001). Auch die inaktiven postsynaptischen 5-HT1A Rezeptoren sind am veränderten Verhalten wie Angst beteiligt (Parks et al., 1998). Im Gegensatz dazu behaupteten Richer und Mitarbeiter (2002) aufgrund einer unveränderten Freisetzung von 5-HT bei KO Mäusen, dass das Angstverhalten bei KO Mäusen vorwiegend auf die fehlenden postsynaptischen 5-HT1A Rezeptoren zurückzuführen ist.

Bei KO Mäusen sind sowohl die präsynaptischen 5-HT1A Rezeptoren als auch die postsynaptischen 5-HT1A Rezeptoren inaktiv. Bis vor kurzem war es noch schwer zu beurteilen, ob der Ausfall der präsynaptischen 5-HT1A Rezeptoren oder der postsynaptischen Rezeptoren für die Zunahme des Angstverhaltens bei KO Mäusen verantwortlich ist (Gross et al., 2002; He et al., 2001). Um die Rolle von prä- und postsynaptischen 5-HT1A Rezeptoren in der Erhöhung des Angstverhaltens zu differenzieren, haben Gross und Mitarbeiter bei KO Mäusen eine gewebsspezifische und konditionelle Rettung des 5-HT1A Rezeptors während der frühen postnatalen Periode (P5-P21) im Cortex und Hippocampus durchgeführt. Durch die postnatale Expression der 5-HT1A Rezeptoren im Vorderhirn konnte die Zunahme des Angstverhaltens verhindert werden. Diese Befunde sprechen dafür, dass die postsynaptischen 5-HT1A Rezeptoren eine kritische Rolle in der Modulierung des Angstverhaltens spielen und die Expression der
5-HT1A Rezeptoren während der frühpostnatalen Perioden sehr wichtig für die Etablierung des normalen Angstverhaltens in der adulten Maus ist (Gross et al., 2002).


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1.4  Pharmakologische Aktivierung des 5-HT1A Rezeptors

Viele in vivo Mikrodialyse-Studien haben gezeigt, dass bei der Ratte die systemische Behandlung mit selektiven 5-HT1A Rezeptor Agonisten wie 8-OH-DPAT zur Reduktion von extrazellulärem 5-HT in dem Frontalcortex, Striatum, Hippocampus, Septum und den anderen Terminalregionen führen kann (Hjorth und Sharp, 1991; Kreiss und Lucki, 1994). Solche Effekte werden durch die Aktivierung der präsynaptischen 5-HT1A Rezeptoren hervorgerufen, weil ähnliche Effekte auch durch die lokale Infusion von 8-OH-DPAT in die Kerne der Raphe ausgelöst werden. Die Behandlung mit selektiven 5-HT1A Rezeptor Antagonisten wie
WAY 100635 und p-MPPI [4-(2'-Methoxyphenyl)-1-[2'-[N-(2"-pyridinyl)-p-iodo-benzamido] ethyl] piperazin] kann die Effekte von 8-OH-DPAT verhindern (Assie und Koek, 1996; Allen et al., 1997; Knobelman et al., 2000).

Die Aktivierung des 5-HT1A Rezeptors durch Agonisten vermittelt einen anxiolytischen Effekt (Lucki, et al., 1994; De Vry, 1995). Korrelationen zwischen der Zeit- und Dosisabhängigkeit der anxiolytischen Wirkung, der Hemmung der Aktivität der serotonergen Neurone im Nucleus raphe dorsalis und der Hemmung der Freisetzung von 5-HT in verschiedenen Projektionsregionen wurden nach der systemischen Gabe von Agonisten gefunden (Jolas et al., 1995; Sommermeyer et al., 1993).

1.5 Überexpression des 5-HT1A Rezeptors in der Maus

Aufgrund der pharmakologischen Hinweise und des erhöhten Angstverhaltens bei KO Mäusen ist zur weiteren Abklärung der Rolle des 5-HT1A Rezeptors bei der Regulierung von Verhaltensvorgängen eine transgene Methodik verwendet worden, die zu einer Überexpression des 5-HT1A Rezeptors in der Maus führte (Kusserow et al., 2003).

Ein 4,5 kb Promoter-Fragment des 5-HT1A Rezeptors wurde für die Expression in den Hirnregionen, wo 5-HT1A Rezeptoren lokalisiert sind, verwendet. Mit diesem Promoter ­Fragment wurde eine transgene Maus-Linie, deren 5-HT1A Rezeptoren überexprimiert werden, erzeugt. Die neuronale Spezifität des Promoter-Fragments und die spezifische Expression im ZNS wurden durch in vitro und in vivo Untersuchungen mit dem gleichen 4,5 kb Promoter­Fragment, das an das lacZ Gen gebunden ist, nachgewiesen.

Die homozygoten 5-HT1A Rezeptor überexprimierenden Mäuse (ÜE Mäuse) unterscheiden sich von Wild-Typ (WT) Mäusen in verschiedenen Verhaltenstests und physiologischen [Seite 19↓]Parametern wie Körpertemperatur. Bei den homozygoten ÜE Mäusen konnte mittels einer Rezeptorautoradiographie in der frühpostnatalen Periode eine transiente Erhöhung der 5-HT1A Rezeptor-Dichte nachgewiesen werden. Die adulten homozygoten ÜE Mäuse zeigen ein weniger ausgeprägtes Angstverhalten als WT Mäuse. Ein weiterer Phänotyp, der auf eine Überexpression des 5-HT1A Rezeptors spricht, ist die deutlich niedrigere Körpertemperatur als bei WT Mäusen. Heterozygote Mäuse sind im Phänotypus von WT Mäusen nicht unterscheidbar (Kusserow et al., 2003).

1.6 Catecholaminerge Systeme im Gehirn

Da sowohl in der embryonalen Entwicklung des Gehirns als auch im adulten Gehirn eine enge Interaktion zwischen dem serotonergen System und den catecholaminergen Systemen besteht, konzentrierte sich unsere Studie auch auf diese Systeme.

1.6.1 Aufbau und Funktion der catecholaminergen Systeme

Die catecholaminergen Neurone produzieren ihre Neurotransmitter Dopamin (DA), Noradrenalin (NA), oder Adrenalin aus der Aminosäure Tyrosin über eine Reihe von enzymatischen Reaktionen (Abb.4). Bis zum DA ist die Synthese dieser drei Catecholamine identisch. Welches 4Catecholamin gebildet wird hängt von der Enzym-Ausstattung in der jeweiligen Zelle ab. In dopaminergen Neuronen hört die Synthese bei DA auf, während in noradrenergen Neuronen DA zu NA und in adrenergen Neuronen und Nebennierenmarkszellen zu Adrenalin weiter umgewandelt wird.

Der vesikuläre Monoamintransporter transportiert Monoamine im Austausch gegen Protonen in die Vesikel und ist bei den Vesikeln der dopaminergen, noradrenergen, adrenergen und serotonergen Neurone identisch. Für den Abbau der Catecholamine sind die Enzyme MAO A oder B und die Catechol-O-Methyltranferase im wesentlichen verantwortlich. Die Abbau­produkte von DA sind 3,4-Dihydroxyphenylessigsäure (DOPAC) und Homovanillinsäure, von NA 4-Hydroxy-3-Methoxyphenylethylenglycol und Normetanephrin.


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Abb. 4 Synthese von Catecholaminen

1.6.2 Verteilung der catecholaminergen Systeme

DA ist nicht nur Vorstufe von NA und Adrenalin, sondern auch ein bedeutsamer Neurotransmitter im Gehirn. Die dopaminergen Neurone der adulten Säugetiere werden in neun verschiedene Gruppen eingeteilt und die wichtigste Gruppe befindet sich vor allem im ventralen Mesencephalon, wo die dopaminergen Neurone im Nucleus retrorubralis (A8), in der Substantia nigra (A9) und im ventralen Tegmentum (A10; Abb.2 und Abb.5A), und auch im Diencephalon (A11-A15, Abb.5B) lokalisiert sind. Das Telencephalon enthält zwei kleinere dopaminerge Neuronengruppen, die sich im Bulbus olfactorius (A16) und in der Retina (A17) befinden (Dahlström und Fuxe, 1964; Hynes und Rosenthal,1999. Abb.5B). Folgende dopaminerge Systeme sind von besonderer Bedeutung: (1) mesostriatales System: von der Substantia nigra und dem ventralen Tegmentum projizieren dopaminerge Neurone in das Striatum, den Globus pallidus, den Nucleus subthalamicus, den Neocortex, den Nucleus accumbens, den Bulbus olfactorius, und den Nucleus stria terminalis (Abb.5A). Degeneration des nigrostriatalen Systems führt zur Parkinson’schen Erkrankung. (2) mesolimbisches und mesocorticales System: vom ventralen Tegmentum projizieren das mesolimbische und mesocorticale System in die limbischen und corticalen Systeme einschließlich Cingulärcortex, Habenula, limbischen [Seite 21↓]Hirnstamm-Regionen, Septum, Amygdala, Pyriform- und Entorhinalcortex, Locus coeruleus (Abb.5B)

Abb. 5 Dopaminerge Neurone im ZNS der adulten Ratte (nach Cooper et al., 1991). A: Die mesostriatalen und mesolimbocorticalen Systeme sind in A8 (Nucleus retrorubralis), A9 (Substantia nigra), und A10 (ventrales Tegmentum) lokalisiert. B: Weitere dopaminerge Neurone befinden sich in dem Diencephalon (A11-A15), dem Bulbus olfactorius (A16) und der Retina (A17).

Im ZNS der Säugetiere ist NA ebenfalls ein wichtiger Neurotransmitter und das noradrenerge System gehört zu den am weitesten ausbreiteten Systemen. Wie die Klassifizierung der dopaminergen Neurone werden die noradrenergen Neurone in die Gruppen A1-A7 eingeteilt (Hynes und Rosenthal, 1999). Die noradrenergen Neurone bilden unterschiedliche mesencephale Nuclei im LC (A4 und A6) und eine Reihe von locker organisierten Zellgruppen, die im gesamten Hinterhirn verteilt sind (A1-A3, A5 und A7).


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Die noradrenergen Neurone im LC projizieren in nahezu alle Hirnregionen und aufsteigend in das Diencephalon, Cerebellum, basale Vorderhirn und den Neocortex, absteigend in das Rückmark und auch den Hirnstamm. Der LC erhält nur zwei große afferente Innervierungen von zwei Nuclei im Hirnstamm wie dem Nucleus paragigantocellularis und Nucleus hypoglossi prepositus (Role und Kelly, 1991; Abb.6).

Abb. 6 Noradrenerge Neurone und Projektionen vom LC im Gehirn der adulten Ratte ( nach Moore und Bloom, 1979). BS: Hirnstamm; C: Cingulum; CC: Corpus callosum; CTT: Tractus tegmentalis centralis; CTX: Cortex cerebri; DPS: dorsales periventriculares System; DTB: Tractus tegmentalis dorsalis;
EC:
Capsula externa; F: Fornix; FR: Fasciculus retroflexus; Hyp: Hypothalamus; Hip: Hippocampus; LC: Locus coeruleus; MT: Fasciculus mammilothalamicus; ML: Lemniscus medialis; OB: Bulbus olfactorius; PC: Commissura posterior; RF: Formatio reticularis; Spt: Septum; SM: Stria medullaris;
ST: Stria terminalis; T: Tectum; Th: Thalamus.

1.6.3 Entwicklung der catecholaminergen Systeme

Die catecholaminergen Systeme erscheinen sehr früh in der Entwicklung des ZNS der Säugetiere. Mittels immunhistochemischer Technik werden die dopaminergen Neurone bei der Ratte erstmalig zum Zeitpunkt E13 im ventralen Prosencephalon detektiert. Zum Zeitpunkt E14 entwickeln sich zwei dopaminerge Neuronengruppen im ventralen Mesencephalon und Fasern sind in der Eminentia mediana nachweisbar. Bei E17 Embryonen projizieren die dopaminergen Neurone ins Striatum. Zum Zeitpunkt E21 erscheinen die ursprünglichen dopaminergen Neuronengruppen in der Substantia nigra compacta (Voorn et al., 1988). Bei der Maus wurden Tyrosinhydroxylase (TH) positive Zellen erstmalig zum Zeitpunkt E 8,5-9 mittels TH­[Seite 23↓]Antikörpern identifiziert. Zum Zeitpunkt E 9,5-10 nimmt die Zahl der dopaminergen Neurone schnell zu. Nach dem Zeitpunkt E13 kann man die zwei dopaminergen Neuronengruppen (A9 und A10) unterscheiden (Di Porzio et al., 1990). Die noradrenergen Neurone im LC kommen erstmalig bei den E 9 Mäusen vor (Steindler und Trosko, 1989; Goridis und Rohrer, 2002).

1.7 Interaktionen zwischen den monoaminergen Systemen

Es ist weitgehend bekannt, dass ausgeprägte Interaktionen zwischen dem serotonergen System und den catecholaminergen Systemen sowohl auf neuroanatomischem als auch funktionellem Niveau vorhanden sind (Hajós-Korcsok und Sharp, 1999a).

In Bezug auf das dopaminerge System wurde in in vivo Mikrodialyse-Studien nachgewiesen, dass die Freisetzung von DA im Präfrontalcortex (Iyer und Bradberry, 1996) und Striatum (Benloucif und Galloway, 1991; Yi et al., 1991; Benloucif et al., 1993; De Deurwaerdere et al., 1997) durch die Behandlung mit 5-HT oder dessen Agonisten gefördert wird, und extrazelluläres DA im Frontalcortex durch verschiedene 5-HT Rückaufnahme­hemmer wie Fluoxetin, Clomipramin, Imipramin erhöht wird. Die systemische Behandlung bei der Ratte mit dem selektiven 5-HT1A Rezeptor Agonist wie 8-OH-DPAT kann die Aktivität der dopaminergen Neurone erhöhen (Prisco et al., 1994).

Darüber hinaus konnten Hinweise mittels Autoradiographie (Leger und Descarries, 1978) und immunhistochemischer Methode (Pickel et al., 1977) gewonnen werden, dass die noradrenergen Neurone im LC dichte serotonerge Projektionen aufweisen und die Synthese von NA im LC durch 5-HT reguliert wird. Elektrophysiologische und biochemische Studien zeigten, dass 5-HT die NA Neurotransmission tonisch reguliert und eine Rolle in der Hemmung der Funktion noradrenerger Neuronen im LC spielt ( Haddjeri et al., 1997; MacRac-Deguerce et al., 1982), weil die Beschädigung der serotonergen Neurone in der Raphe mit dem selektiven 5-HT Neurotoxin 5,7-DHT zur Erhöhung der spontanen Aktivität noradrenerger Neurone (Haddjeri et al., 1997) und der TH im LC führt (MacRac-Deguerce et al., 1982). Ebenso werden serotonerge Neurone der dorsalen Raphe intensiv durch noradrenerge Projektionen vom LC innerviert (Anderson et al.,1977; Baraban und Aghajanian, 1981). Die Aktivität der serotonergen Neurone wird durch die Aktivierung des α1-adrenergen Rezeptors erhöht (Baraban und Aghajanian, 1980; Szabo et al., 1999), während die Aktivierung des α2-adrenergen Rezeptors oder die Behandlung mit den α1-adrenergen Rezeptor-Antagonisten die Aktivität reduziert (Mongeau et al., 1997).


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1.8  Einfluss serotonerger Neurone auf die embryonale Entwicklung anderer Neuro­transmittersysteme

Die Tatsache, dass serotonerge Fasern die Zielregionen sehr früh erreichen, hat zur Hypothese geführt, dass 5-HT die Entwicklung und Reifung der Zielneurone mitbeeinflusst. So konnte z.B. in organotypischen Schnittkulturen des embryonalen cerebralen Cortex gezeigt werden, dass
5-HT die Differenzierung der Glutamatneurone fördert (Lavdas et al., 1997). Lauder et al. (1982) haben beobachtet, dass die Hemmung der 5-HT-Synthese durch pCPA im embryonalen Gehirn zu einer verzögerten neuronalen Genese in serotonergen Projektionsgebieten führt. Diese Verzögerung war auch in der Region der sich entwickelnden Substantia nigra, durch die serotonerge Axone passieren, nachweisbar. Auf diesem Wege könnte 5-HT die Genese dopaminerger Neurone beeinflussen. Da noradrenerge Neurone im LC dichte serotonerge Projektionen aufweisen, könnte eine ähnliche Wirkung auch bei der Genese noradrenerger Neurone auftreten.


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03.02.2004