Wilms, Karina : Eine elektrophysiologische Studie zum Einfluss von Serotonin, den 5-HT-Rezeptoragonisten 8-OH-DPAT und DOI sowie dem Neuropeptid CCK-8S auf die Entladungsrate neostriataler Neurone narkotisierter Ratten

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Kapitel 1. Einleitung

1.1 Das Striatum

1.1.1 Das Striatum als Bestandteil der Basalganglien - morphologische und funktionelle Betrachtungen

In der Tiefe der beiden Hemisphären des Telenzephalon bilden innerhalb der weißen Substanz große graue Kernmassen das sogenannte Striatum. Die zu dem ausgedehnten Komplex der Basalganglien gehörende Struktur wird in das Neostriatum (dem Telenzephalon zugehörig) und das phylogenetisch ältere Paläostriatum (als Teil des Dienzephalon), bestehend aus dem internen Segment des Globus pallidus, unterteilt. Beim Primaten werden zum neostriatalen Corpus striatum (Streifenkörper) der Nucleus caudatus sowie das Putamen und zum Nucleus lentiformis (Linsenkern), als weiteren Bestandteil des Neostriatum, ebenfalls das Putamen und das externe Segment des Globus pallidus gezählt (Duus, 1995).

Dem Begriff des „Streifenkörpers“ liegen die sich innerhalb der Capsula interna erstreckenden streifenförmigen Zellbrücken zwischen dem Putamen und dem Nucleus caudatum, welcher aus einem Caput, einem Corpus und einer Cauda besteht, zugrunde.

Im Rattenhirn fasst man die beiden Bestandteile des Corpus striatum zum sogenannten Caudato-Putamen zusammen, weil solche trennenden Strukturen wie beim Menschen bzw. bei anderen Säugern nicht vorliegen (Heimer et al., 1995). Des Weiteren entspricht dem internen Segment des Globus pallidus des Menschen der Nucleus entopeduncularis der Ratte.

Hinsichtlich der Einteilung der Basalganglien existieren unterschiedliche Meinungen. Es wird zum einen eine Gliederung in ventrale und dorsale Basalganglien und zum anderen eine Unterteilung der Basalganglien in zwei funktionelle Einheiten, den striatalen und den pallidalen Komplex, vorgenommen (Greenstein und Greenstein, 2000), wobei auf eine detaillierte Schilderung der jeweiligen dazugehörenden Strukturen verzichtet werden soll. Zudem wurde die Zugehörigkeit des dienzephalen Nucleus subthalamicus und der mesenzephalen Substantia nigra zu den Basalganglien beschrieben, da die beiden Strukturen, zusammen mit dem Striatum, als wichtiges übergeordnetes Glied, zum extrapyramidal-motorischen System beitragen (Duus, 1995; Heimer et al., 1995). Störungen innerhalb des motorischen Funktionskreises, z.B. nach Verletzungen, Hirninfarkten, raumfordernden Prozessen etc., äußern sich auf verschiedene Art und Weise. Je nach Läsionsgebiet können klinisch das hyperkinetisch-hypotone Syndrom vom


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hypokinetisch-hypertonen Syndrom unterschieden werden (Duus, 1995). Letzteres entsteht bei Einschränkung der nigrostriatalen Transmission und findet sich klassischerweise im Krankheitsbild der Paralysis agitans, der Parkinson-Erkrankung, wieder. Liegen die Läsionen allerdings im Striatum oder Nucleus subthalamicus, so können Dyskinesien von athetoidem u./o. choreiformem Muster sowie ballistische Bewegungsstörungen auftreten. Am bekanntesten ist wohl die mit einem starken Substanzverlust des Striatum einhergehende autosomal dominant vererbbare Chorea Huntington, aber auch die Chorea minor Sydenham, der Torticollis spasmodicus, die Torsionsdystonie, der Hemiballismus sowie die iatrogen induzierte (z.B. bei Neuroleptika-Therapie) tardive Dyskinesie zählen zum hyperkinetisch-hypotonen Syndrom. Es wird beobachtet, dass bei den genannten Erkrankungen die motorischen Störungen oft auch begleitet sind von affektiven Psychosen u./o. dem Verlust kognitiver Fähigkeiten bis hin zur Demenz (Duus, 1995; Greenstein und Greenstein, 2000), was verdeutlicht, dass die Basalganglien bzw. das Striatum auch an emotionalen und kognitiven Prozessen beteiligt zu sein scheinen. Dies kann letztlich auch aufgrund der zahlreichen Verbindungen der Basalganglien mit Strukturen des limbischen Systems angenommen werden. Auch die verschiedenen vorliegenden Publikationen dahingehend (Baxter et al., 1992; Calabresi et al., 1997; Insel, 1992) unterstützen diese Vermutung.

1.1.2 Übersicht über die Afferenzen und Efferenzen des Striatum

Das Striatum, als größte vermittelnde Komponente der Basalganglien, erhält zahlreiche afferente Projektionen, verfügt dahingegen selbst nur über wenig direkte efferente Zielgebiete. Der Globus pallidus (= externes Pallidum beim Primaten), der Nucleus entopeduncularis (= internes Pallidum beim Primaten) als intrinsische Efferentationen, genauso wie die eng mit der mesenzephalen ventralen tegmentalen Area assoziierte Substantia nigra gehören dazu. Heimer et al. (1995) beschrieben die drei efferenten Hauptprojektionsgebiete auch als Relaisstation für die In- und Outputs des Striatum.

Die topographisch angeordneten kortikostriatalen Projektionen bilden den größten Anteil an den Afferentationen in das Striatum, wobei sie zwar bilateral ausgebildet sind, die ipsilateralen Projektionen jedoch überwiegen (Heimer et al., 1995). McGeorge und Faull (1989) führten ausgedehnte Untersuchungen zur Organisation der genannten Hauptafferenzen im Gehirn der Ratte durch und stellten dabei fest, dass die Fasern aus dem Neokortex das dorsolaterale Striatum (= Caudato-Putamen [CP]), die Fasern aus dem Mesokortex hauptsächlich das ventromediale


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CP, aber auch das ventrale Striatum (= Nucleus accumbens, Tuberculus olfactorius und ventrales CP) und die allokortikalen Fasern hauptsächlich das ventrale Striatum, jedoch auch das ventromediale CP bevorzugen. Die longitudinal ausgedehnten Projektionsfelder weisen eine teilweise Überlappung auf. Anhand der in drei Ebenen dargestellten Frontalschnitte durch das Rattenhirn (aus Paxinos und Watson, 1986) in der Abbildung 1 kann man sich noch einmal einen Überblick über die kortikostriatalen Afferenzen verschaffen. Alexander et al. (1986) beschrieben fünf parallel angeordnete und funktionell unterteilte kortiko-striato-pallido-thalamo-kortikale Schleifen. Sie bezeichneten sie als motorische, okulomotorische, dorsolateral-präfrontale, lateral-orbitofrontale und anterior-zinguläre Funktionsschleifen („loops“). Allerdings gibt es auch Hinweise für eine eher konvergente Anordnung dieser „loops“ (Percheron et al., 1984). Groenewegen et al. (1990) wiesen zwar auch nach, dass zahlreiche parallele Kreise existieren, jedoch betonten sie auch, dass man diese nicht getrennt voneinander, sondern als Komponenten verschiedener integrativer Funktionen betrachten sollte. Des Weiteren wurden innerhalb des motorischen „loops“ sowohl ein direkter als auch ein indirekter striato-thalamo-kortikaler Weg unterschieden (Alexander und Crutcher, 1990). Der erstgenannte Weg führt vom zerebralen Kortex über das Striatum in den Nucleus entopeduncularis bzw. in die retikuläre Substantia nigra und geht von dort aus in den Thalamus und wieder zurück in den Kortex, wobei dabei in summa ein stimulierender Einfluss auf den Thalamus ausgeübt wird. Über den indirekten Weg, mit dem Globus pallidus und dem Nucleus subthalamicus als vorgeschaltete Komponenten erfolgt letztendlich eine tonische Inhibition des Thalamus. Die beiden antagonistisch wirkenden Schleifen sind wichtig für die Kontrolle willkürmotorischer Prozesse. Wie schon angedeutet, ist der zerebrale Kortex natürlich nicht die einzige Quelle, welche ihre Projektionsfasern, mehr oder minder topographisch angeordnet, in das Striatum sendet. Verschiedene Kerne des Thalamus, als wichtige Relaisstationen zwischen Striatum und Kortex (Groenewegen et al., 1990), gehören genauso dazu, wie der Nucleus subthalamicus sowie diverse Kerngebiete innerhalb der mesenzephalen und pontinen Formatio reticularis, v.a. die Substantia nigra (besonders die pars compacta), die retrorubrale und ventrale tegmentale Area, das mesopontine Tegmentum, einschließlich des pedunculopontinen Nucleus, und als weitere wichtige Region der serotoninerge Nucleus Raphe dorsalis (Heimer et al., 1995; Parent, 1990).


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Abbildung 1: Schematische Darstellung der Hauptafferenzen aus den verschiedenen kortikalen Arealen (siehe Legende) in die rostralen, mittleren und kaudalen Regionen des Striatum (modifiziert nach McGeorge und Faull, 1989)

1.1.3 Mikroanatomische und funktionelle Charakteristika des Striatum

Rein makroskopisch erscheint das Striatum als kompakte homogene Struktur. Führt man jedoch mikroskopische Untersuchungen durch, so erkennt man verschiedene Zelltypen innerhalb des


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Caudato-Putamen (Heimer et al., 1995). Grundsätzlich werden, wie in allen Regionen des ZNS, Projektions- und Interneurone unterschieden. Mit einem Anteil von ca. 90-95 % bilden die sogenannten medium-spiny-Neurone die häufigste Zellgruppe innerhalb des Neostriatum. Mit einem Perikaryen-Durchmesser zwischen 12 und 18 µm verfügen diese Neurone über vier bis acht Dendriten (100 bis 250 µm lang), die im Anfangsteil relativ glattwandig sind, im weiteren Verlauf jedoch stark mit kurzen dornenartigen Ausläufern („spines“) besetzt sind. Die Axone bilden zum einen zahlreiche Kollateralen innerhalb des Striatum aus und zum anderen verlassen sie das Striatum, um direkt in das Pallidum und die Substantia nigra zu projizieren. Smith und Bolam (1990) führten detaillierte elektronenmikroskopische Untersuchungen an striatonigralen medium-spiny-Neuronen durch und stellten dabei fest, dass die afferenten Fasern aus den außerhalb des Striatum liegenden Gebieten (z.B. dopaminerge Axonendigungen aus der Substantia nigra) an den striatalen Dendriten mehr distal (v.a. an den „spines“) in Form von Boutons mündeten, die intrinsischen Fasern von Interneuronen jedoch an den proximaleren dendritischen Schäften oder am Nervenzellsoma endeten.

Des Weiteren enthält das Neostriatum große (Ø 15-25 µm) und mittelgroße „aspiny“ (dornenlose) Neurone bzw. Neurone mit nur geringem Dornenbesatz, wobei den meisten die Funktion als Interneuron zugesprochen wird (Heimer et al., 1995).

Anhand histochemischer und immunhistochemischer Charakteristika, auf die nicht weiter eingegangen werden soll, lassen sich innerhalb der medium-spiny-Neurone und der Interneurone zusätzlich noch bestimmte Subpopulationen unterscheiden (Heimer et al., 1995).

Hinsichtlich der Ruheentladungsraten neostriataler Neurone beobachteten Kawaguchi et al. (1995), dass die großen cholinergen Interneurone mit einer Frequenz von 2 bis 10 Imp./s ein tonisch irreguläres Entladungsmuster aufwiesen. Die phasisch und zum Teil rhythmisch entladenden medium-spiny-Neurone dahingegen zeigten weitaus geringere Spontanaktivitäten in Höhe von 0,1 bis 3 Imp./s oder waren sogar spontan inaktiv (Wilson, 1993). Diese Studie legt folglich nahe, dass man anhand des neuronalen Spontanentladungsmusters Rückschlüsse auf den jeweils beteiligten Neuronentyp erhalten kann. Weiterhin wurde von Wilson (1993) erwähnt, dass im Gegensatz zu den großen dornenfreien („aspiny“) Nervenzellen, die medium-spiny Neurone nur schwache kortikale bzw. thalamische Inputs benötigten, um zu depolarisieren, die Höhe der EPSP`s allerdings abhängig war von der Stärke der erregenden Afferenzen. Die großen Neurone reagierten nach dem „Alles-oder-Nichts“-Gesetz, d.h. es musste ein bestimmtes afferentes Stimulationsmuster vorliegen, bevor bei diesen Zellen der Schwellenwert überschritten wurde (Wilson, 1993).


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Eine Besonderheit im Striatum ist die Einteilung in Matrix und Striosomen. Bei letzteren handelt es sich um unregelmäßig geformte Kompartimente innerhalb der Matrix, welche nach bestimmten histo-oder immunhistochemischen Färbetechniken (z.B. mit Acetylcholinesterase, [3H]Naloxon oder Calbindin als Markersubstanzen) von dieser abgegrenzt werden können. Die mikroskopische Anordnung dieser Striosomen (auch „patches“ genannt) offenbart verzweigte dreidimensional angeordnete Zell-Labyrinthe (Heimer et al., 1995). Über die eigentliche Funktion von Matrix und Striosomen ist noch relativ wenig bekannt, allerdings gibt es Hinweise darauf, dass Rezeptorsubtypen bestimmter Neurotransmitter bzw. afferente als auch efferente Fasern eine der beiden Strukturen bevorzugen (Graybiel, 1990; Parent, 1990; Waeber und Palacios, 1994; Ward und Dorsa, 1996).

1.1.4 Die verschiedenen Neurotransmitter des Striatum

Innerhalb des Striatum konnte die Existenz verschiedener Neurotransmitter nachgewiesen werden. Dabei handelt es sich zum einen um direkt in dieser Region gebildete Substanzen und zum anderen um Transmitter aus afferenten Projektionsfasern.

Die inhibitorisch wirksame Aminosäure GABA wird in den Projektions- und den Interneuronen synthetisiert und stellt den Haupttransmitter des Striatum dar (Graybiel, 1990; Heimer et al., 1995). Calabresi et al. (1997) erwähnten das Vorhandensein von drei verschiedenen Gruppen GABAerger Interneurone, welche 1. mit Parvalbumin, 2. mit Calretinin und 3. mit Somatostatin, NADPH-Diaphorase und NO-Synthetase kolokalisiert sein sollen. Außerdem erhält das Neostriatum auch GABAerge Fasern aus dem Globus pallidus und der Substantia nigra, pars reticulata. In den striatonigralen und striatoentopeduncularen Fasern des direkten Weges ist das Tachykinin Substanz P und das Opioidpeptid Dynorphin mit GABA kolokalisiert. Hinsichtlich des indirekten striatopallidalen Weges konnte das gemeinsame Vorkommen von GABA mit dem Opioidpeptid Enkephalin beobachtet werden (Alexander und Crutcher, 1990; Graybiel, 1990). Eine weitere Gruppe innerhalb des Neostriatum (ca. 2 % der Totalpopulation) bilden die großen, cholinergen, dornenarmen bzw. -freien Interneurone (Heimer et al., 1995), mit unterschiedlicher neuromodulatorischer Wirksamkeit (Calabresi et al., 1997). Die Peptide Neurotensin, Neurokinin A und B, das Neuropeptid Y (meist kolokalisiert mit Somatostatin), LANT-6 sowie Galanin, mit jeweils unterschiedlicher Präferenz der Striosomen bzw. der Matrix, wurden beschrieben (Graybiel, 1990).


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Kortikostriatale Afferenzen enthalten größtenteils die exzitatorisch wirksame Aminosäure Glutamat, dessen Wirkungen im Striatum hauptsächlich über ionotrope AMPA-Rezeptoren vermittelt werden (Calabresi et al., 1997). Denselben Transmitter erhält das Striatum auch vom Thalamus und dem Nucleus subthalamicus. Eine weitere wichtige Transmitterquelle für das Striatum sind die dopaminergen Fasern aus der Substantia nigra, pars compacta. Störungen dieses Weges rufen die in Abschnitt 1.1.1. erwähnten Störungen hervor. Verschiedene prä- und postsynaptische Dopamin- und Adenosin-Rezeptorsubtypen und Interaktionen zwischen beiden Transmittern innerhalb des Striatum wurden beschrieben (Greenstein und Greenstein, 2000). Über den Ursprung des Nukleotids Adenosin wurde jedoch nichts geäußert. Die dorsalen Raphe-Kerne senden ca. ein Drittel ihrer serotoninergen Fasern in das Striatum (Descarries et al., 1990), und das im Striatum anzutreffende Neuropeptid Cholecystokinin hat seinen Hauptursprung höchstwahrscheinlich im zerebralen Kortex, aber auch im Thalamus, in der Substantia nigra, in der hippokampalen Formation und der ventralen tegmentalen Area (Graybiel, 1990; Heimer et al., 1995).

1.1.5 Serotonin

1.1.5.1 Vorkommen und Funktionen im gesamten Organismus

Das Monoamin Serotonin (syn.: 5-HT = 5-Hydroxytryptamin) ist eine Mediatorsubstanz, die ein ubiquitäres Vorkommen aufweist. Im tierischen Organismus findet man Serotonin sowohl in der Peripherie als auch im Zentralnervensystem.

Die essentielle Aminosäure Tryptophan ist Ausgangspunkt der 5-HT-Synthese. Aus ihr entsteht durch Hydroxylierung zunächst 5-Hydroxytryptophan und nach anschließender Decarboxylierung das Serotonin.

Durch die Wirkung der mitochondrialen Monoaminooxidase (MAO) wird der erste Abbauschritt für Serotonin eingeleitet. Das dabei entstehende 5-Hydroxy-indolylacetaldehyd wird nun entweder mit Hilfe der Aldehydoxidase zu 5-Hydroxy-indolyl-essigsäure umgewandelt und dann renal eliminiert (Hauptweg) oder es entsteht mittels der Alkoholdehydrogenase das 5-Hydroxy-tryptophol (untergeordnete Rolle im 5-HT-Metabolismus).

Der größte Anteil von Serotonin im Organismus wurde im Bereich des Gastrointestinaltraktes, besonders in den enterochromaffinen APUD-Zellen (amine and/or amine precursor uptake and decarboxylation), vorgefunden. In einigen Neuronen der mesenterialen Nervengeflechte, in


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Thrombozyten sowie in Mastzellen (nur bei Mäusen, Ratten und Kaninchen (Estler, 1992; Frimmer, 1986)) ist dieses biogene Amin ebenfalls nachweisbar. Aufgrund seiner Vielzahl verschiedener Rezeptorsubtypen (siehe nächsten Abschnitt) zeigt Serotonin unterschiedlichste, z.T. gegensätzliche Wirkungen im Organismus. So führt Serotonin in den Blutgefäßen zum einen

zu einer Vasodilatation (vermittelt über 5-HT1-Rezeptoren) und zum anderen zu einer Vasokonstriktion (5-HT2(1)-vermittelt). Die Regulation der Herztätigkeit und des Blutdrucks unterliegt genauso dem Serotonineinfluss (über die Rezeptortypen 1 bis 3) wie auch die Kontrolle der Magen-Darm-Motilität. Über 5-HT2-Rezeptoren verursacht Serotonin eine Aggregation der Thrombozyten, und bei Asthmatikern konnte eine Serotonin-induzierte Bronchokonstriktion beobachtet werden (Estler, 1992; Forth et al., 1992; Gyermek, 1996; Mutschler, 1991).

Im Zentralnervensystem wird das Serotonin hauptsächlich in den Raphe-Kernen und im Tegmentum des mesenzephalen, pontinen und medullären Hirnstamms gebildet (Forth et al., 1992; Törk, 1990). Die unterschiedlichen serotoninergen Zellgruppen in dieser Region wurden von Dahlström und Fuxe (1964) mit B1 bis B9 bezeichnet, entsprechend ihrer Lage im Hirnstamm und ihrer Projektionsgebiete (B1 am kaudalsten). Die mehr rostral gelegenen Zellgruppen B4 bis B9 senden ihre Fasern in höher liegende Zentren (Zerebraler Kortex, Thalamus, Caudato-Putamen, Zerebellum, Hypothalamus, limbisches System), wohingegen die kaudalen B1- bis B3-Gruppen in die Medulla oblongata und das Rückenmark, hier v.a. in die Vorderhornzellen, projizieren (Greenstein und Greenstein, 2000; Törk, 1990). Serotonin wurde auch im Bereich der Pinealdrüse nachgewiesen, wo es die Vorläufersubstanz für Melatonin darstellt (Gyermek, 1996).

Der Neurotransmitter Serotonin ist an vielen verschiedenen Funktionen des Organismus beteiligt, u.a. an der Regulation des Verhaltens und einer Fülle neurobiologischer Prozesse. Dazu gehört die Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus, der Nahrungaufnahme, der Schmerzwahrnehmung, der Körpertemperatur sowie die der Stimmung, der Kognition und die Kontrolle des Angstverhaltens und der körpereigenen Impulse (Forth et al., 1992; Greenstein und


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Greenstein, 2000; Gyermek, 1996; Maswood und Uphouse, 1997). Serotonin scheint des Weiteren an der Induktion motorischer Aktivitäten beteiligt zu sein (Darmani und Zhao, 1998; Gyermek, 1996; Takahashi et al., 2000), und aufgrund der Tatsache, dass serotoninerge Projektionsfasern in Regionen des pyramidalen und extrapyramidalen motorischen Systems vorzufinden sind, erscheint dies auch nachvollziehbar. Störungen des serotoninergen Gleichgewichts sowohl in der Peripherie als auch im Zentralnervensystem äußern sich in einer Reihe von Erkrankungen. Das Karzinoid-Syndrom, hervorgerufen durch einen Tumor der APUD-Zellen, verdeutlicht sehr eindrucksvoll einen Teil der peripheren Serotoninwirkungen. Als ursächlich für die Entstehung verschiedener neuropsychiatrischer Erkrankungen, wie affektive Störungen, Schizophrenie, Zwangsstörungen, Autismus, Panik- und Angststörungen, Bulimie, Anorexia nervosa sowie Alkoholismus werden Störungen des zentralnervösen Serotoninhaushaltes angesehen (Brewerton et al., 1990; Carli und Samanin, 2000; Charney et al., 1990; Coccaro et al., 1990; Csernansky et al., 1990; Glennon, 1990; Insel, 1992; Kaye, 1997; Maurel et al., 1999; McBride et al., 1990; Roy et al., 1990; Zohar et al., 1990).

Natürlich wird versucht, die genannten Erkrankungen u.a. medikamentös zu behandeln. Dabei greift man in den Serotonin-Metabolismus ein und/oder macht sich die Serotonin-agonistischen und -antagonistischen Eigenschaften zunutze. Bestimmte 5-HT1A-Rezeptoragonisten (z.B. Buspiron) weisen anxiolytische und antiaggressive Wirkungen auf, und Urapidil vermittelt seine antihypertensiven Effekte ebenfalls über den 5-HT1A-Rezeptoren (Frimmer, 1986; Gyermek, 1996). Bei der Migränetherapie kommen 5-HT1-Rezeptoragonisten (Sumatriptan), aber auch 5-HT2-Rezeptorantagonisten (Methysergid) zur Anwendung. Die Antiemetika, die antagonistisch an den 5-HT3-Rezeptoren der Area postrema, des Nucleus tractus solitarius und der vagalen Afferenzen des Gastrointestinaltraktes angreifen (Ondan-, Grani-, Tropisetron), sind sehr potente Therapeutika der zytostatikainduzierten Übelkeit. Der bei Motilitätsstörungen des Magen-Darm-Traktes angewandte Wirkstoff Cisaprid, ein Antagonist der 5-HT4-Rezeptoren, besitzt prokinetische Eigenschaften. Zur Behandlung von Erkrankungen, bei denen pathogenetisch u.a. ein Serotoninmangel angenommen wird (z.B. Depression, Ess-Störungen, Alkoholismus), stehen Medikamente zur Verfügung, die auf unterschiedliche Art und Weise die Serotoninkonzentration im ZNS erhöhen. So verabreicht man z.B. ZNS-gängige Vorstufen des Serotonins (Oxitriptan), blockiert die Wiederaufnahme des Serotonins aus dem synaptischen Spalt (SSRI = selective serotonin reuptake inhibitors) oder blockiert serotoninabbauende Enzyme (MAO-Hemmer).


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1.1.5.2 Transmissionsmechanismen und Vorkommen der Rezeptorsubtypen

Von Nervenfasern freigesetztes Serotonin kann zum einen direkt an Synapsen wirken, zum anderen an extrasynaptischen Rezeptoren angreifen. Besonders im Striatum ist die Mehrzahl der Kontakte afferenter Serotoninfasern mit Neuronen nichtsynaptischer Natur. Nur in weniger als 20% der neostriatalen Neurone waren Synapsen, hier nur an den dendritischen „spines“ und Schäften, zu beobachten (Descarries et al., 1990). In den terminalen Endigungen der Neurone wird Serotonin hauptsächlich in kleinen pleomorphen, z.T. aber auch großen granulierten Vesikeln gespeichert. Die Anzahl der 5-HT-Varikositäten ist im ventromedialen und kaudalen Teil des Neostriatum höher als im dorsolateralen und rostralen (Descarries et al., 1990).

Wie bei vielen anderen Substanzen des Organismus auch, hat eine Erhöhung der intrazytoplasmatischen Ca2+-Ionen eine Serotoninfreigabe aus den Vesikeln in den intermembranären Spalt zur Folge (Blakely et al., 1997). Die Wiederaufnahme des Serotonins erfolgt über einen spezifischen Serotonin-Transporter (SERT), der im Austausch gegen ein K+-Ion Serotonin zusammen mit je einem Na+- und Cl--Ion in das Zytoplasma zurückbefördert. Von dort aus wird Serotonin im Tausch gegen ein H+-Ion über einen anderen Transporter in die Vesikel eingeschleust und steht nun wieder für weitere Übertragungen zur Verfügung (Povlock und Amara, 1997). Wie im vorigen Abschnitt schon angedeutet, vermittelt Serotonin seine Effekte über eine Vielzahl von Rezeptorsubtypen. Es sind zur Zeit 7 verschiedene Serotonin-Rezeptortypen bekannt, die ihrerseits wiederum in insgesamt 14 Subtypen eingeteilt werden können (Hoyer und Martin, 1997). Mit Ausnahme des 5-HT3-Rezeptoren, der direkt an der Öffnung von Ionenkanälen beteiligt ist, handelt es sich um metabotrope Rezeptoren. Zumeist ist die Signalübertragung second-messenger-gekoppelt. Die Bindung von Serotonin an 5-HT1-Rezeptoren hat hauptsächlich die Öffnung von K+-Kanälen und damit eine Hyperpolarisation zur Folge. Dies wird auf die Stimulation von Gi/0-Proteinen zurückgeführt, wobei dabei teilweise der second messenger cAMP involviert ist (Aghajanian et al., 1990). Allerdings wurde bei einigen 5-HT1-Rezeptorsubtypen (siehe Tabelle 1) auch eine Hydrolyse von Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphonat (PIP2) und damit eine Spaltung in Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) und Diacylglycerol (DAG) beobachtet (Hartig, 1997; Julius, 1991). Über die beiden second messenger IP3 und DAG kommt es zu einer Öffnung von Ca2+-Kanälen bzw. zur Stimulation der Proteinkinase C und damit u.a. zur Depolarisation der Zelle.

Die IP3-Kaskade hat die größte Bedeutung bei der Signaltransduktion über 5-HT2-Rezeptoren (Aghajanian et al., 1990; Blank et al., 1996; Hartig, 1997). Einen Anstieg von cAMP über Gs-Proteine mit einer anschließenden Zelldepolarisation kann man bei der Bindung von Serotonin


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an 5-HT4/6/7-Rezeptoren beobachten. Ob dieser Mechanismus auch eine Rolle bei den 5-HT5-Rezeptoren spielt, ist noch weitestgehend unbekannt. Die einzelnen Rezeptorsubtypen sind größtenteils postsynaptisch lokalisiert. Jedoch besitzt Serotonin über präsynaptisch angeordnete Autorezeptoren, besonders 5-HT1-Rezeptoren, die Fähigkeit, seine eigene Ausschüttung zu modulieren (Forth et al., 1992; Hartig, 1997). Auch wurde über präsynaptische Heterorezeptoren, d.h. Rezeptoren, die von anderen Transmittern aktiviert werden, berichtet (Göthert und Schlicker, 1997).

Die Verteilung der Rezeptorsubtypen im Zentralnervensystem wurde in der Vergangenheit intensiv untersucht.

Tabelle 1: Vorkommen und Signaltransduktionsmechanismen der verschiedenen Serotoninrezeptorsubtypen

Rezeptor- subtyp

Signal-Transduktionsmechanismus

Gehäuftes Vorkommen der Rezeptoren

5-HT1A

Gi/o-Protein-vermittelte Reduktion von cAMP (oder second messenger-unabhängig) mit Kalium-Kanal-Öffnung (Inhibition);

Bei den 5-HT1A/1B/1F-Rezeptoren auch schwache Stimulation der Phospholipase C (IP3-Kaskade mit Exzitation)

Neokortex, Raphe-Kerne, Hippokampus, Septum, Amygdala, Hypothalamus, Substantia gelatinosa

5-HT1B

Striatum, Zerebellum, Hippokampus, Pallidum, Substantia nigra, Neokortex, Amygdala, Hypothalamus

5-HT1D

Striatum, Pallidum, Substantia nigra, Neokortex, Amygdala, Hypothalamus

5-HT1E

Striatum, Neokortex

5-HT1F

Zerebraler Kortex, Striatum, Hippokampus

5-HT2A

Stimulation der Phospholipase C über Gq/11-Proteine mit Hydrolyse von PIP2 in IP3 und DAG, IP3-vermitteltes Schließen von Kalium-Kanälen (Exzitation)

Zerebraler Kortex, Nucleus endopiriformis, Bulbus olfactorius, einige Hirnstammkerne, Striatum

5-HT2B

bisher nur im Rückenmark und Zerebellum nachgewiesen

5-HT2C

Plexus choroideus, Hippokampus, Amygdala, Zerebraler Kortex, Striatum

5-HT3

Ligand/Rezeptor-Interaktion (ionotroper Rezeptor) mit direkter Öffnung von Ionenkanälen (schnelle Exzitationen)

Unterer Hirnstamm, Hinterhorn des Rückenmarks, Zerebraler Kortex, Hippokampus, Substantia gelatinosa,

5-HT4

Gs-Protein-vermittelter cAMP-Anstieg mit depolarisierender Wirkung auf die Zelle (langandauernde Exzitation)

Striatum, Thalamus, Bulbus olfactorius, Hippokampus, Hirnstamm

5-HT5A

Unbekannter Wirkmechanismus (Gs ?)

Astrozyten, Hippokampus, Zerebraler Kortex, Hypothalamus

5-HT5B

Hippokampus, Habenulakerne

5-HT6

Gs-Protein-vermittelter cAMP-Anstieg mit depolarisierender Wirkung auf die Zelle (Exzitation)

Striatum, Hippokampus, Tuberculus olfactorius

5-HT7

Gs-Protein-vermittelter cAMP-Anstieg mit depolarisierender Wirkung auf die Zelle (Exzitation)

Nucleus thalamicus medialis und dazugehörige limbische und kortikale Regionen


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Die z.T. unterschiedlich angewandten Methodiken, z.B. autoradiographische Markierungen der Rezeptorbindungsstellen oder der m-RNA-Nachweis mittels in situ Hybridisation, lieferten dabei grundlegende Informationen.

In der Tabelle 1 erfolgt eine Auflistung der Gehirnareale, in denen die entsprechenden Rezeptorsubtypen in großer Anzahl nachgewiesen werden konnten (Hamon, 1997; Hartig, 1997; Mengod et al., 1997; Palacios et al., 1990; Pazos und Palacios, 1985; Waeber und Palacios, 1994; Ward und Dorsa, 1996).

Außerdem verschafft sie einen Überblick über die verschiedenen Signaltransduktionsmechanismen (Aghajanian und Andrade, 1997; Aghajanian et al., 1990; Blank et al., 1996; Hartig, 1997; Hoyer und Martin, 1997).

1.1.5.3 Interaktionen innerhalb des ZNS

Serotonin scheint an der Modulation der Freisetzung und Wirkung verschiedener Hormone und Transmitter im ZNS beteiligt zu sein. So wurde beschrieben, dass ein 5-HT1A- und ein 5-HT2A-Rezeptoragonist die Noradrenalinausschüttung im Hippokampus bzw. im frontalen Kortex förderte (Gobert und Millan, 1999; Hajos-Korcsok et al., 1999). Im ventrobasalen Thalamus verstärkte Serotonin den Effekt der exzitatorischen Aminosäuren Kainat, Quisqualat und NMDA (Eaton und Salt, 1989), und Filakovszky et al. (1999) vermuteten eine Triggerung epileptischer Aktivitäten durch glutamaterge und serotoninerge Interaktionsmechanismen. An einer Steigerung der Konzentrationen von Prolaktin, Kortisol, Somatotropin und ACTH im humanen Plasma und dem von Nagern, d.h. ein stimulierender Effekt auf der hypothalamisch-hypophysär-adrenokortikalen Achse, scheinen die beiden obengenannten Rezeptoren und zusätzlich der 5-HT2C-Rezeptorsubtyp beteiligt zu sein (Gyermek, 1996; Murphy et al., 1990).

Da das Striatum sowohl mit der Substantia nigra als auch mit den dorsalen Raphe-Kernen in Verbindung steht, ist auch eine Interaktion zwischen Serotonin und Dopamin zu vermuten. Tatsächlich liegen einige Untersuchungen hierüber vor. Ng et al. (1999) beschrieben eine vermutlich über verschiedene 5-HT-Rezeptorsubtypen vermittelte Regulation der Dopaminfreisetzung im Striatum. Dabei bewirkten die 5-HT1A- und die 5-HT1B-Rezeptoren eine Förderung, die 5-HT2-Rezeptoren dahingegen eine Hemmung der Dopaminfreisetzung. In einer anderen Studie jedoch hatte ein 5-HT1B-Rezeptoragonist eine Hemmung der Dopaminausschüttung aus striatalen Synaptosomen, wahrscheinlich über präsynaptische Heterorezeptoren, zur Folge (Sarhan et al., 1999). Der 5-HT1A-Rezeptoragonist 8-OH-DPAT


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verursachte im Striatum sowohl eine Hemmung der basalen als auch der durch bestimmte Antipsychotika (die 5-HT2A/Dopamin-D2-Rezeptorantagonisten Clozapin, Risperidon und Amperozid) hervorgerufenen Dopaminfreisetzung (Ichikawa und Meltzer, 2000). Inwiefern die 5-HT/Dopamin-Interaktionen optimal therapeutisch genutzt werden können, bleibt weiterhin zu erforschen.

1.1.6 Cholecystokinin im ZNS

Die Entdeckung des Transmitters Cholecystokinin (CCK) erfolgte zunächst in den Zellen des Dünndarms. Der erst später entstandene Name dieses Transmitters impliziert dabei gleichzeitig einen Teil seiner Funktion - die Stimulation der Ausschüttung von Gallensäuren während des Verdauungsprozesses.

Inzwischen liegen zahlreiche Arbeiten hinsichtlich dieses Transmitters vor, die das Bild von CCK immer komplexer erscheinen lassen. Ähnlich wie Serotonin auch, ist das Neuropeptid Cholecystokinin an zahlreichen sowohl peripheren als auch zentralen Prozessen beteiligt, auf die nicht näher eingegangen werden soll. Derzeit sind zwei CCK-Rezeptortypen bekannt, der „periphere“ CCKA- und der „zentrale“ CCKB-Rezeptor, wobei weitere Nachforschungen ergaben, dass beide Typen sowohl im Gastrointestinaltrakt als auch im ZNS vorkommen (Altar und Boyar, 1989; Boden und Woodruff, 1994; Branchereau et al., 1992; Matozaki et al., 1990; Mercer und Beart, 1997). Über die eigentlichen Signalübertragungsmechanismen bestehen immer noch Unklarheiten. Branchereau et al. (1993) führten Ableitungen an Neuronen des Nucleus tractus solitarius der Ratte durch und beschrieben zum einen eine über CCKA-Rezeptoren vermittelte kalium-induzierte Hyperpolarisation und zum anderen eine Verminderung der Kaliumdurchlässigkeit über den CCKB-Rezeptoren mit einer Depolarisation der Neurone. Als verantwortlich für die Auslösung eines exzitatorischen CCKB-Effektes wurde ein G-Protein-gekoppelter Effektormechanismus vermutet, wobei IP3 als second messenger nicht unbeteiligt zu sein scheint (Boden und Woodruff, 1994; Lallement et al., 1994; Matozaki, 1990). Einen CCK-8-induzierten Anstieg des intrazellulären Kalziums, allerdings ohne Einfluss auf die Phospholipase C, d.h. einen IP3- oder DAG-unabhängigen Mechanismus, beobachteten Kaufmann et al. (1992), und auch hier sollen CCKB-Rezeptoren beteiligt sein. Shinohara und Kawasaki (1997) wiesen eine Suppression der Kaliumauswärtsströme und der durch Kalzium aktivierten Kaliumströme über CCKB-Rezeptoren in Neuronen des Hippokampus nach. In einer anderen Studie induzierten CCKA-Rezeptoren eine Blockierung barium-sensitiver Kaliumströme


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mit der Folge einer Exzitation von Neuronen des dorsalen Raphe-Kerns (Boden und Woodruff, 1994). Auch führte eine durch CCK hervorgerufene Aktivierung der Phospholipase C und ein Anstieg des zytosolischen Kalziums in Hauptzellen des Magens zu der Annahme, dass bei der Transmission über CCKA-Rezeptoren IP3 eine Rolle als second messenger zu spielen scheint (Qian et al., 1993).

Cholecystokinin ist ein Transmitter, der eine weite Verbreitung innerhalb des ZNS aufweist. Die vorherrschende Form von Cholecystokinin ist das sulfatierte Oktapeptid (CCK-8S). Verschiedene Techniken zum Nachweis von CCK-mRNA oder von CCK-Bindungsstellen zeigten ein hohes Vorkommen besonders im zerebralen Kortex, aber auch in Teilen des Thalamus, im Hypothalamus, im Hippokampus, in der Amygdala, dem Zerebellum, in der Substantia nigra und auch im Striatum (Durieux et al., 1988; Graybiel, 1990; Hansson et al., 1998; Hughes et al., 1989; Kritzer et al., 1990; Mercer und Beart, 1997; Schiffmann und Vanderhaeghen, 1991). Es wurde beschrieben, dass der größte Teil des striatalen Cholecystokinins aus dem Kortex stammt. Insbesondere Fasern aus dem medialen prefrontalen Kortex projizieren bilateral ins Striatum, wobei die ipsilateralen Afferenzen dominieren (Morino et al., 1994; You et al., 1994).

Zahlreiche Unterschungen in verschiedenen Teilen des ZNS ergaben, dass das Neuropeptid CCK einen vorwiegend exzitatorischen Einfluss auf die Neurone hat (Davidowa et al., 1995 und 1998; Heidel und Davidowa, 1998; Jarvis et al., 1992; Lamour et al., 1983; Shinohara und Kawasaki, 1997; Wu und Wang, 1996, Zippel et al., 1999). Dies scheint sicherlich in der Tatsache begründet zu sein, dass die größtenteils depolarisierenden CCKB-Rezeptoren im Vergleich zu den CCKA-Rezeptoren im ZNS dominieren. CCK besitzt, ähnlich wie Serotonin auch, vielfältige modulatorische Fähigkeiten. So nimmt es zum Beispiel Einfluss auf die Freisetzung exzitatorischer Aminosäuren (Glutamat und Aspartat) im Hippokampus (Breukel et al., 1997). Andere Forschergruppen entdeckten eine vermutlich über CCKB-Rezeptoren vermittelte Suppression der Dopamin-Ausschüttung im Neostriatum (Altar und Boyar, 1989) und eine Abhängigkeit der modulatorischen CCK-Wirkungen von den jeweils beteiligten Peptidfragmenten (Agnati et al., 1983) in dieser Gehirnregion. Weiterhin sind Interaktionen zwischen Cholecystokinin und Serotonin beschrieben, besonders im Zusammenhang mit der Regulation der Nahrungsaufnahme (Leibowitz et al., 1990; Orosco et al., 1990), aber auch im Zusammenhang mit der Steuerung emotionalen Verhaltens (Becker et al., 1999; To und Bagdy, 1999).


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Mon Nov 18 16:00:16 2002