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

Aus dem Johannes-Müller-Institut für Physiologie
der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin


Dissertation
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

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor medicinae (Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Karina Wilms,
aus Zagan

Dekan: Prof. Dr. med. Joachim W. Dudenhausen

Gutachter:
1. Frau Prof. Dr. H. Davidowa
2. Frau Prof. Dr. H. Fink
3. Herr Prof. Dr. U. Misgeld

eingereicht im Dezember 2001

Datum der Promotion: 04.07.2002


i

Zusammenfassung

An mit Urethan narkotisierten männlichen „Wistar“-Ratten erfolgte die extrazelluläre Einzelableitung der Aktionspotenziale von insgesamt 159 striatalen Neuronen. Mit Hilfe einer Mehrkanalelektrode wurden in die Nähe der Zellen mikroiontophoretisch verschiedene Substanzen appliziert. Die separate Gabe von Serotonin (5-HT), dem 5-HT1A-Rezeptoragonisten 8-OH-DPAT und dem sulfatierten Oktapeptid Cholezystokinin (CCK-8S) führte überwiegend zur Erhöhung der neuronalen Entladungsraten (Wilcoxon-Test signifikant mit p < 0,05), wohingegen der 5-HT2A/2C-Rezeptoragonist DOI nur an wenigen Neuronen einen Effekt induzierte, der hauptsächlich aus einer Reduktion der Entladungsraten bestand. Nach Koapplikation von Serotonin und CCK-8S überwogen ebenfalls aktivierende Effekte (Wt p < 0,05), jedoch wurde die neuronale Responsivität im Vergleich zur Einzelapplikation der beiden Substanzen signifikant reduziert (Chi2 p< 0,01). Da die Serotonin- bzw. 8-OH-DPAT-induzierten Effekte durch die spezifischen 5-HT1A-Rezeptorantagonisten WAY 100635 und S-UH 301 geblockt wurden und eine positive Korrelation der Serotonin- bzw. 8-OH-DPAT-Effekte (p < 0,05) nachgewiesen werden konnte, kann, trotz der entgegengesetzten Ergebnisse früherer Studien, das Vorhandensein von 5-HT1A-Rezeptoren im Neostriatum angenommen werden. Die Grundaktivität der durch Serotonin aktivierten Population war signifikant geringer (p > 0,05) als die der durch Serotonin gehemmten Neurone. Trotzdem zeigte sich keine Abhängigkeit der Responsivität der hier betrachteten Populationen auf die applizierten Serotoninagonisten von der Höhe der neuronalen Ruheentladungsrate. Die meisten der Serotonin-, 8-OH-DPAT-, DOI- bzw. CCK-8S-responsiven Neurone verteilten sich diffus über das gesamte Neostriatum. Nur die durch Serotonin aktivierte Population zeigte eine Präferenz der ventromedialen Bereiche des Neostriatum.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass aufgrund der Ergebnisse der vorliegenden Studie die Existenz von 5-HT1A-Rezeptoren innerhalb des Neostriatum der Ratte in hohem Maße angenommen werden kann. Des Weiteren lässt sich vermuten, dass das Zusammenwirken von Serotonin und CCK-8S einen modulatorischen Einfluss auf die normale neuronale Funktion hat. Ob und in welchem Maße dieses letztgenannte Ergebnis eine therapeutische Relevanz zur Behandlung bestimmter Erkrankungen hat, bei denen Störungen im Neostriatum mit ursächlich sind, bleibt zu erforschen.

Schlagwörter:
Serotonin, 8-OH-DPAT, DOI, Neostriatum, WAY 100635, S-UH 301, Cholezystokinin


iii

Abstract

In rats anaesthetized with urethane single unit activity of 159 neostriatal neurones was extracellularly recorded and several drugs were microiontophoretically ejected. Separate administration of serotonin (5-HT), 8-OH-DPAT (a 5-HT1A/7-receptor-agonist) and the sulfated octapeptide cholecystokinin (CCK-8S) predominantly induced increases in the neuronal discharge rates (Wilcoxon test significant with p < 0,05), whereas the 5-HT2A/2C-receptor agonist DOI affected only a few neurones and mainly reduced firing. After coadministration of CCK-8S and serotonin activating effects also predominated (Wt p < 0,05), but the neuronal responsiveness was significantly reduced (Chi2 p<0,05). The block of serotonin- or 8-OH-DPAT-effects through specific 5-HT1A/7-receptor-antagonists (WAY 100635 and S-UH 301) and the positive correlation (p<0,05) of the serotonin- and 8-OH-DPAT-induced neuronal effects, implies the involvement of this receptor subtype within the rat neostriatum. This latter fact mainly has been denied in previous studies. The basic firing activity of the population activated through serotonin was significantly lower than that of the neurones inhibited by serotonin. Nevertheless, the intensity of the basic firing activity had no influence on the responsiveness to the applied serotonin-receptor-agonists in all relevant populations of the present study. Most of the neurones, that were responsive to serotonin, 8-OH-DPAT, DOI and CCK-8S showed a diffuse distribution within the neostriatum. Only the neurones, which were activated through serotonin prefered the ventromedial regions of the rat neostriatum.

In conclusion, because of the results of the present study the existence of the 5-HT1A-receptor-subtype within the neostriatum of rats can be presumed to a great degree. Furthermore, concomitant action of serotonin and CCK-8S induces a mean level of neuronal activation that might modulate normal neuronal function. How far the latter fact has a therapeutical relevance in view of different psychiatric disorders, which are partially caused by disturbances of the neostriatum, remaines to be investigated.

Keywords:
Serotonin, 8-OH-DPAT, DOI, neostriatum, WAY 100635, S-UH 301, cholecystokinin


Seiten: [i] [iii] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [v] [vi] [vii] [viii]

Inhaltsverzeichnis

TitelseiteEine 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
1 Einleitung
1.1Das Striatum
1.1.1Das Striatum als Bestandteil der Basalganglien - morphologische und funktionelle Betrachtungen
1.1.2Übersicht über die Afferenzen und Efferenzen des Striatum
1.1.3Mikroanatomische und funktionelle Charakteristika des Striatum
1.1.4Die verschiedenen Neurotransmitter des Striatum
1.1.5Serotonin
1.1.5.1Vorkommen und Funktionen im gesamten Organismus
1.1.5.2Transmissionsmechanismen und Vorkommen der Rezeptorsubtypen
1.1.5.3Interaktionen innerhalb des ZNS
1.1.6Cholecystokinin im ZNS
2 Ziel- und Fragestellungen
3 Material und Methodik
3.1Versuchstiere und Haltung
3.2Angewandte Substanzen
3.3Versuchsvorbereitung
3.3.1Vorbereitung des Versuchstieres
3.3.2Herstellung und Füllung der Elektroden
3.4Versuchsdurchführung
3.5Histologische Auswertung
3.6Computergestützte statistische Datenverarbeitung
3.7Kritische Betrachtung der Methodik
4 Ergebnisse
4.1Die der Studie zugrunde liegende Datenpopulation
4.2Der Einfluss von Serotonin auf die untersuchten striatalen Neurone
4.2.1Zusammenhang zwischen der Höhe der Grundaktivität und der Responsivität der Zellen auf Serotonin
4.3Bestimmung der an den serotoninergen Wirkungen beteiligten striatalen Rezeptorsubtypen
4.3.1Wirkung des 5-HT1A/7-Rezeptoragonisten 8-OH-DPAT auf die neuronale Entladungsrate
4.3.1.1Zusammenhang zwischen der Höhe der Grundaktivität und der Responsivität der Zellen auf 8-OH-DPAT
4.3.2Wirkung der 5-HT1A-Rezeptorantagonisten WAY 100635 und S-UH 301 auf die 8-OH-DPAT-induzierten Effekte
4.3.3Wirkung des 5-HT2A/2C-Rezeptoragonisten DOI auf die neuronale Entladungsrate
4.3.3.1Die Höhe der Grundaktivität und die jeweilige Responsivität der Zellen auf DOI
4.3.4Wirkung des 5-HT2A/2C-Rezeptorantagonisten Ketanserin auf die DOI-vermittelten Effekte
4.3.5Serotonin, 8-OH-DPAT und DOI - eine gemeinsame Betrachtung
4.4Überblick über die Lokalisation der untersuchten striatalen Neurone
4.4.1Lokalisation der mit Serotonin untersuchten Neurone
4.4.2Lokalisation der mit 8-OH-DPAT getesteten Neurone
4.4.3Lokalisation der mit DOI getesteten Neurone
4.5Darlegung der gemeinsamen Wirkung von CCK-8S und Serotonin auf die Neurone des Striatum
4.5.1Lokalisation der mit CCK-8S und Serotonin geprüften Neurone
5 Diskussion
5.1Die Effekte von Serotonin und daran beteiligte Rezeptorsubtypen
5.2Lokalisation der untersuchten Neurone
5.3CCK-8S und Serotonin im Striatum
6 Zusammenfassung
Bibliographie Literaturverzeichnis
Anhang A Liste bisheriger Veröffentlichungen und Kongressbeiträge
Selbständigkeitserklärung
Danksagung
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vorkommen und Signaltransduktionsmechanismen der verschiedenen Serotoninrezeptorsubtypen
Tabelle 2: Abkürzungen, Konzentrationen, pH-Werte, Applikationsstromstärken und Eigenschaften der in dieser Studie angewandten Substanzen
Tabelle 3: Mittelwerte, Mediane und Standardabweichungen der mit Serotonin getesteten Population in den verschiedenen Zeitperioden
Tabelle 4: Vergleich der Responsivität auf Serotonin der langsam und schnell entladenden Neurone
Tabelle 5: Mittelwerte, Mediane und Standardabweichungen der mit 8-OH-DPAT getesteten Population in den verschiedenen Zeitperioden
Tabelle 6: Aufgliederung aller sowohl mit Serotonin als auch mit 8-OH-DPAT getesteten Neurone (n = 53) entsprechend ihrer jeweiligen Reaktivität (uArr = Aktivierung; dArr = Hemmung; Ø = keine Antwort)
Tabelle 7: Vergleich der Responsivität auf 8-OH-DPAT der langsam und schnell entladenden Neurone
Tabelle 8: Der Einfluss von WAY 100635 und S-UH 301 auf die durch 8-OH-DPAT erregten bzw. gehemmten Neurone
Tabelle 9: Der Einfluss von WAY 100635 und S-UH 301 auf die durch Serotonin erregten Neurone
Tabelle 10: Mittelwerte, Mediane und Standardabweichungen der mit DOI getesteten Population in den verschiedenen Zeitperioden
Tabelle 11: Aufgliederung aller sowohl mit Serotonin als auch mit DOI getesteten Neurone (n = 42) entsprechend ihrer jeweiligen Reaktivität (uArr = Aktivierung; dArr = Hemmung; Ø = keine Antwort
Tabelle 12: Richtung der Responsivität der sowohl mit Serotonin, 8-OH-DPAT als auch mit DOI untersuchten Neurone (n = 37)
Tabelle 13: Aufschlüsselung der 99 mit Serotonin untersuchten Neurone hinsichtlich ihrer jeweiligen Lage innerhalb des Striatum
Tabelle 14: Aufschlüsselung der 110 mit 8-OH-DPAT untersuchten Neurone hinsichtlich ihrer jeweiligen Lage innerhalb des Striatum
Tabelle 15: Aufschlüsselung der 66 mit DOI untersuchten Neurone hinsichtlich ihrer jeweiligen Lage innerhalb des Striatum
Tabelle 16: Der Einfluss der separaten bzw. kombinierten Applikation von CCK-8S und Serotonin auf 71 neostriatale Neurone
Tabelle 17: Irrtumswahrscheinlichkeiten (Wilcoxon-Test) der durch CCK-8S bzw. Serotonin aktivierten Neuronengruppen, sowohl bei alleiniger als auch bei Koapplikation in den verschiedenen Zeitperioden (blau hervorgehoben = signifikante Irrtumswahrscheinlichkeiten p; Die Pfeile entsprechen der vorherrschenden Antwortrichtung der Population: uarr = Zellaktivierung, darr = Zellhemmung.)
Tabelle 18: Irrtumswahrscheinlichkeiten (Wilcoxon-Test) der durch CCK-8S bzw. Serotonin inhibierten Neuronengruppen, sowohl bei alleiniger als auch bei Koapplikation in den verschiedenen Zeitperioden (blau hervorgehoben = signifikante Irrtumswahrscheinlichkeiten p; Die Pfeile entsprechen der vorherrschenden Antwortrichtung der Population: uarr = Zellaktivierung, darr = Zellhemmung.)
Tabelle 19: Vergleich des Einflusses der alleinigen CCK-8S- bzw. Serotoninapplikation mit dem Einfluss der kombinierten Gabe beider Substanzen auf 71 neostriatale Neurone mit Hilfe des Chi2-Tests
Tabelle 20: Detaillierte Auflistung der striatalen Verteilung der 71 mit Serotonin und CCK-8S untersuchten Neurone

Abbildungsverzeichnis

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)
Abbildung 2: Schematischer Versuchsaufbau
Abbildung 3: Darstellung der prozentualen Verteilung der 99 mit Serotonin untersuchten Zellen hinsichtlich ihrer jeweiligen Reaktivität auf diesen Transmitter
Abbildung 4: Darstellung des Frequenz-Zeit-Histogramms der Aktivität einer durch Serotonin erregten Nervenzelle (Die grauen und weißen Balken geben die Applikationsdauer (Zeitbezug = schwarzer 2 min-Balken) der aufgeführten Substanzen, die Zahlen neben den Substanzen die benutzte Austreibstromstärke (in nA) an.)
Abbildung 5: Darstellung des Frequenz-Zeit-Histogramms der Aktivität einer durch Serotonin gehemmten Zelle (Die grauen und weißen Balken spiegeln die Applikationsdauer (Zeitbezug = schwarzer 5 min-Balken) der aufgeführten Substanzen wider, die Zahlenwerte geben die jeweilige Austreibstromstärke in nA an.)
Abbildung 6: Darstellung der Reaktionsweisen der 99 mit Serotonin getesteten striatalen Neurone in Abhängigkeit von der Höhe der Grundaktivität vor der Applikation der Substanz; Die Zahlen über den einzelnen Balken geben die jeweilige Anzahl der Neurone für diese Gruppe wieder.
Abbildung 7: Gegenüberstellung der Effekte der frühen bzw. späten Perioden der gesamten 53 Neurone, denen sowohl Serotonin als auch 8-OH-DPAT appliziert wurde (Abszisse: Differenz der Impulsraten (pro s) der 53 Neurone unter Serotoningabe zu den jeweiligen Ruheentladungsraten; Ordinate: Differenz der Impulsraten (pro s) der 53 Neurone unter 8-OH-DPAT-Gabe zu den jeweiligen Ruheentladungsraten).
Abbildung 8: Frequenz-Zeit-Histogramme der Aktivität eines Neurons mit gleichartiger Responsivität gegenüber Serotonin und 8-OH-DPAT, nicht jedoch gegenüber Serotonin und DOI bzw. CCK-8S (Die unterschiedlich getönten Balken geben die Applikationsdauer (Zeitbezug = schwarze 5 min-Balken) der aufgeführten Substanzen, die Zahlen neben den Substanzen die benutzte Austreibstromstärke (in nA) an.)
Abbildung 9: Darstellung der Reaktionsweisen der 110 mit 8-OH-DPAT getesteten striatalen Neurone in Abhängigkeit von der Höhe der Grundaktivität vor Applikation der Substanz. Die Zahlen über den einzelnen Balken geben die jeweilige Anzahl der Neurone für diese Gruppe wieder.
Abbildung 10: Darstellung der jeweiligen mittleren Effekte (entsprechen den mittleren Differenzen der Entladungsraten der in der Legende angegebenen Zeitperioden in Imp./s = Zahlen über den Balken) der insgesamt 14 mit 8-OH-DPAT und WAY 100635 getesteten striatalen Neurone für die gesamte, die erregte sowie die gehemmte Population
Abbildung 11: Darstellung der jeweiligen mittleren Effekte (entsprechen den mittleren Differenzen der Entladungsraten der in der Legende angegebenen Zeitperioden in Imp./s = Zahlen über den Balken) der insgesamt 9 mit 8-OH-DPAT und S-UH 301 getesteten striatalen Neurone für die gesamte, die erregte sowie die gehemmte Population
Abbildung 12: Darstellung der Frequenz-Zeit-Histogramme der Aktivität zweier striataler Neurone, bei denen S-UH 301 bzw. WAY 100635 die jeweils 8-OH-DPAT-induzierte Aktivierung wirksam blockierten. (Die unterschiedlich getönten Balken geben die Applikationsdauer (Zeitbezug = schwarze 5 min-Balken) der aufgeführten Substanzen, die Zahlen neben den Substanzen die benutzte Austreibstromstärke (in nA) an).
Abbildung 13: Darstellung der 99 mit Serotonin getesteten Neurone entsprechend ihrer Lokalisation innerhalb des Striatum. Die Legende gibt den Antworttyp jedes einzelnen Neurons wieder. Die Ziffern über den Schnitten entsprechen der Entfernung (in mm) vor (+) bzw. hinter (-) dem Bregma. Der jeweils grün umrandete Teil entspricht dem ventromedialen Striatum.
Abbildung 14: Darstellung der 110 mit 8-OH-DPAT getesteten Neurone entsprechend ihrer Lokalisation innerhalb des Striatum. Die Legende gibt den Antworttyp jedes einzelnen Neurons wieder. Die Ziffern über den Schnitten entsprechen der Entfernung (in mm) vor (+) bzw. hinter (-) dem Bregma. Der jeweils grün umrandete Teil entspricht dem ventromedialen Striatum.
Abbildung 15: Darstellung der 71 mit CCK-8S und Serotonin getesteten Neurone entsprechend ihrer Lokalisation innerhalb des Striatum. Die Legende gibt den Antworttyp jedes einzelnen Neurons wieder. Die Ziffern über den Schnitten entsprechen der Entfernung (in mm) vor (+) bzw. hinter (-) dem Bregma. Das rostrale Striatum reicht bis + 0,2mm vor dem Bregma und das kaudale Striatum beginnt hier bei - 2,56 mm. Der jeweils grün umrandete Teil entspricht dem ventromedialen Striatum.

© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiML DTD Version 2.0
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Mon Nov 18 16:00:16 2002