Изменения уровня BDNF в структурах головного мозга мышей С57BL/6 и BALB/с при стрессовых воздействиях Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

ПСИХОНЕЙРОФАРМАКОЛОГИЯ

974 -

© Е.А. ВАЛЬДМАН, Д.С. МЕЛКУМЯН, Т.С. СЕРЕДЕНИНА, М.А. ЯРКОВА, С.Б. СЕРЕДЕНИН; 2005

НИИ фармакологии им. В.В. Закусова РАМН, Москва

ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ BDNF В СТРУКТУРАХ ГОЛОВНОГО МОЗГА МЫШЕЙ С57BL/6 И BALB/с ПРИ СТРЕССОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Резюме

В настоящем исследовании изучено содержание BDNF в структурах головного мозга мышей С57BL/6, характеризующихся активной формой ответа на эмоциональный стресс, и BALB/c, характеризующихся пассивной формой ответа. Установленный факт длительного снижения уровня BDNF в структурах мозга мышей BALB/c в противоположность быстрому восстановлению уровня нейротрофина у C57BL/ 6 дополняет данные о недостаточности адаптивных механизмов, лежащих в основе формирования «пассивного» эмоционально-стрессового ответа. При экспериментальном изучении изменений уровня BDNF необходимо учитывать фенотип эмоционально-стрессовой реакции используемых животных.

Ключевые слова

стресс; BDNF; инбредные мыши; C57BL/6, BALB/c

ВВЕДЕНИЕ

Нейротрофины — семейство структурно родственных пептидов, участвующих в процессах дифференцировки и физиологической регуляции нейронов центральной и периферической нервной системы.

Интенсивно изучается их значение при патологических состояниях [4]. Для специфического нейротрофического фактора мозга — brain derived neurotrophic factor (BDNF) — доказана вовлеченность в механизмы обучения и памяти [13], в развитие депрессий и в ответы на стрессовые воздействия [6]. Так, иммобилизация крыс вызывает снижение экспрессии мРНК и белка BDNF в гиппокампе с восстановлением через 2 часа после ее прекращения [19, 21]. Наоборот, в гипоталамусе после аналогичного эксперимента наблюдается увеличение содержания BDNF [14]. Электроболевая стимуляция связана со снижением BDNF в гиппокампе [15], а эмоционально-стрессовое влияние новой обстановки — с увеличением мРНК BDNF в той же структуре [9]. Повышение уровня BDNF в коре отмечено при световом воздействии и сенсорной стимуляции [5, 17].

Таким образом, даже далеко не полный перечень литературных данных позволяет сделать заключение об участии BDNF в механизмах развития стрессовой реакции.

Однако неоднозначность и часто противоречивость результатов, полученных разными авторами, определяет необходимость дальнейших исследований с максимальной стандартизацией используемых методов и экспериментальных моделей. Последние имеют особую значимость для изучения эмоционально-стрессовых реакций, поскольку хорошо известно, что млекопитающие по данному признаку имеют наследственные различия, определяющие характер их поведения в новой обстановке [10].

С использованием инбредных моделей показано, что неодинаковые поведенческие реакции сопровождаются различными нейрохимическими и нейрогуморальными сдвигами [18]. Поэтому целью настоящей работы явилось изучение содержания BDNF в структурах головного мозга мышей C57BL/6 и BALB/c, характеризующихся активной и пассивной формой ответа на эмоциональный стресс [2].

МЕТОДИКА

Эксперименты проведены на мышах-самцах ин-бредных линий С57ВЬ/б и ВЛЬВ/е массой 18—20г., полученных из питомника «Столбовая» РАМН. Животных содержали на стандартной диете в условиях вивария не менее двух недель до начала эксперимента по 10 особей в клетке при нормальном 12 часовом световом режиме.

траций ВЭЫР в изучаемых структурах сохраняется и соответствует литературным данным (табл. 1) [20]. Поэтому, для удобства оценки вызываемых стрессо- 975 выми воздействиями изменений, данные представлены в процентах от 100 % контрольного уровня содержания нейротрофина, определенного при моментальном забое животных группы 1.

У мышей ВЛЬВ/е группы 2 через 1 час наблюдали достоверное снижение ВЭЫР в гипоталаму-

Таблица 1

Зависимость уровня ВЭКР у мышей ВЛЬВ/е и С57ВЬ/б от времени проведения опыта

Линия мышей Месяц Гипоталамус Гиппокамп Стриатум Кора

BALB/c (п = 6) Декабрь 0,28 ± 0,02 ***,ллл 0,23 ± 0,03 0,07 ± 0,01 о,лл 0,07 ± 0,01 о,ллл

Февраль 0,52 ± 0,11 ** 0,31 ± 0,1 о* 0,14 ± 0,04 оо 0,15 ± 0,03 ооо

Май 1,85 ± 0,13 *,### 1,05 ± 0,15 ### 0,27 ± 0,02 *,### 0,55 ± 0,07 ###

C57BL/6 (п = 6) Декабрь 0,22 ± 0,02 ллл 0,21 ± 0,01 ллл 0,05 ± 0,01 0,06 ± 0,004

Февраль 0,30 ± 0,04 0,10 ± 0,05 0,05 ± 0,02 0,06 ± 0,004

Май 1,65 ± 0,14 ### 1,07 ± 0,26 ### 0,34 ± 0,05 ### 0,51 ± 0,01 ###

Примечание: данные представлены в виде М ± Б^ где М — среднее отклонение, Sd — стандартное отклонение, п — число животных; * — р < 0,05; ** — р < 0,01; *** — р < 0,001 по сравнению с С57В1_/6; лл — р < 0,01; ллл — р < 0,001 по сравнению с февралем одноименной линии мышей; ### — р< 0,001 в мае по сравнению с декабрем и февралем одноименной линии мышей.

Контрольных животных, включенных в группу 1, декапитировали моментально после взятия из клетки. В качестве стрессирующего воздействия для мышей группы 2 применяли handling, включающий внутрибрюшинную инъекцию физ. раствора. Забой животных и анализ уровня BDNF проводили через 1 и 24 часа после инъекции. Мышей группы 3 дополнительно к handling и инъекции физ. раствора через 1 час помещали в тест «открытое поле» (ОП). Забой проводили через 1 и 24 часа после эксперимента в ОП. Из головного мозга выделяли гипоталамус, гиппокамп, стриатум и кору, которые хранили при температуре —70 °С. Ткань гомогенизировали при температуре +4 °С политроном (Tissue Tearor Biospec products, Inc) в экстракционном буфере. Концентрацию BDNF определяли методом иммуно-ферментного анализа в модификации ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent Assay), по протоколу фирмы «Promega» (США). Статистическую обработку результатов проводили с использованием программ Jandel Scientific SigmaPlot и Statistica 6.0 для Windows и t-критерия Стьюдента.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В контрольных опытах установлено, что регистрируемые уровни BDNF зависят от сезона проведения исследования, однако соотношение концен-

се, в гиппокампе и в коре, а в стриатуме его содержание повышалось (рис. 1). Еще более выраженное снижение BDNF во всех исследованных структурах мозга отмечено у мышей C57BL/6 (рис. 1).

У мышей BALB/c группы 3 после эксперимента в ОП показатели уровня BDNF оказались сходными с определенными в группе 2 во всех структурах, за исключением коры, где отмечено восстановление BDNF до контрольных значений (см. рис. 1). У мышей C57BL/6 группы 3 уровень BDNF несколько повысился, но остался достоверно ниже, чем в группе 1, а в коре и в стриатуме не отличался от контрольного.

Через 24 часа в группах 2 и 3 содержание BDNF было понижено во всех исследованных структурах мозга мышей BALB/c (рис. 2). У мышей C57BL/6 группы 2 уровень BDNF не отличался от контроля, а в группе 3 — увеличивался (рис. 2).

Полученные данные показывают, что в часовой период после handling с инъекцией происходит снижение уровня BDNF у мышей обеих линий, что соответствует работе [19]. Отличия в изменениях BDNF в стриатуме согласуются с ранее описанными особенностями регуляции нейротрофина в этой структуре [16].

Более быстрое восстановление уровня BDNF у мышей C57BL/6 и незначительность вклада эксперимента в ОП, в динамике его изменений, сопоставимо с заключениями о большей стресс-устойчивости к примененному виду стресса мышей C57BL/6 по сравнению с BALB/c [1].

A

balb/c

c57bl/6

i , " ЙП- *** ***

U_ 80 __***

z ■ ■■■

г M__Al

2 3

1 2 3

8120 n

• 80

□ m

balb/c

, 40.

** **

c57bl/6

И l I I

2 3

1 2 3

R 160-

120

В

balb/c

c57bl/6

80

m 40

1 2

1 2 3

Puc. /

o1 20

3 • 80

40.

^ 0

balb/c

1 2

c57bl/6

1 2 3

Уровень BDNF в процентах от контроля (100 %) в гипоталамусе (а), гиппокампе (б), стриатуме (в) и коре (г) мышей двух линий через 1 час после стрессового воздействия: 1 — контроль; 2 — инъекция физиологического раствора; 3 — инъекция физиологического раствора + через 1 час помещение в ОП: *** — р< 0,001 по сравнению с контролем; ** — р < 0, 01 по сравнению с контролем

160п

120-

80

□ ш

40

balb/c

c57bl/6

2 3

5 6 7

250

Q m

150

50

balb/c

c57bl/6

1 2 3

1 2 3

° 250

150

Q m

£ 50

balb/c

■ ■

2 3

c57bl/6 I

1200 ¡180 * 160 ° 140

sO

120 100

balb/c

** I ll

1 2 3

1 2 3 12 3

Puc. 2

Уровень BDNF в процентах от контроля (100 %) в гипоталамусе (а), гиппокампе (б), стриатуме (в) и коре (г) мышей через 24 час, р<0,05: * — по сравнению с контролем: 1 — контроль; 2 — инъекция физиологического раствора; 3 — инъекция физиологического раствора + через 1 час помещение в ОП

Б

0

Г

0

3

3

***

***

0

4

0

В

Г

**

0

Установленные межлинейные различия в содержании ВЭЫР при стрессовых воздействиях находятся в соответствии с ранее полученными результатами по анализу нейромедиаторных изменений у животных тех же линий в сходных экспериментах. Так, у мышей ВЛЬВ/е после эксперимента в ОП увеличивается содержание ГАМК в гипоталамусе, а у С57ВЬ/б — дофамина и глу-тамата [18]. Вместе с тем известно, что при активации глутамат-, ацетилхолин-и серотонинэрги-ческой передачи синтез ВЭЫР возрастает, тогда как при активации ГАМК-эргических процессов — снижается [20].

Литературные данные свидетельствуют, что экспрессия гена ВЭЫР происходит в качестве быстрого ответа на стимуляцию нейрорецепторов.

В свою очередь, ВЭЫР оказывает регулирующее воздействие на нейромедиаторные системы. Физиологическое значение данной обратной связи можно рассматривать в качестве адаптивного процесса, при котором снижение уровня ВЭЫР сразу после стресса ослабляет синаптическую передачу, предотвращая повторную нейрональную стимуляцию, ведущую к десенситизации рецепторов и повреждению аксонов [11, 12]. Вместе с тем, существует точка зрения, что увеличение содержания ВЭЫР в гиппокампе способствует запоминанию события, вызвавшего установленный сдвиг [20].

Несмотря на различия, интерпретации изменений ВЭЫр наступающих в короткий период после стресса, длительное снижение ВЭЫР рассматривается как нежелательный процесс, который может стать причиной повреждения нейронов и явиться одним из этиопатогенетических факторов развития нейродегенеративных заболеваний, депрессий, нарушений памяти [7, 8].

С этой точки зрения, установленный факт длительного снижения уровня ВЭЫР в структурах мозга мышей ВЛЬВ/е в противоположность быстрому восстановлению уровня нейротрофина у С57ВЬ/б дополняет данные о недостаточности адаптивных механизмов, лежащих в основе формирования «пассивного» эмоционально-стрессового ответа [3].

С другой стороны, результаты настоящего исследования показывают, что при экспериментальном изучении изменений уровня ВЭЫР необходимо учитывать фенотип эмоционально-стрессовой реакции используемых животных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бородин П.М., Шюллер Л., Беляев Д.К. 977 Проблемы генетики стресса. Сообщение 1. Генетический анализ поведения мышей в стрессовой ситуации // Генетика. — 1976. —

№ 12. — С. 62-71.

2. Середенин С.Б., Ведерников А.А. Влияние психотропных препаратов на поведение инбредных мышей в условиях эмоционального стресса // Бюлл. экспер. биол. и мед. —1979. — №7. — С. 38-40.

3. Середенин С.Б., Воронина Т.А. Незна-мов Г.Г. и др. Фармакогенетическая концепция анксиоселективного эффекта // Вест. РАМН. —

1998. — № 11. — С. 3-9.

4. Barker P.A., Murphy R.A. // Mol. Cell. Biochem. — 1992. — Vol. 110. — P. 1-15.

5. Castren E., Zafra F.,Thoenen H., Lindholm D. Light regulates expression of brain-derived neurotrophic factor mRNA in rat visual cortex // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1992. — Vol. 89. — P. 9444-9448.

6. Castren E. Neurotrophins as mediators of drug effects on mood, addiction, and neuroprotection // Molecular Neurobiol. — 2004. — Vol. 29. — P. 289-300.

7. Duman R.S., Heninger G.R., Nestler E.J. A molecular and cellular theory of depression // Biol. Psychiatry. — 1997. — Vol. 54. — P. 597-606.

8. Duman R.S., Malberg J., Nakagawa S., D'Sa C. Neuronal plasticity and survival in mood disorders // Biol. Psychiatry. — 2000. — Vol. 48. — P. 713-714.

9. Falkenberg T., Mohammed A.K., Henriks-son B., Persson H., Winblad B., Lindefors N. Increased expression of brain-derived neurotrophic factor mRNA in rat hippocampus is associated with improved spatial memory and enriched environment // Neurosci. Lett. — 1992. — Vol. 138. — P. 153-156.

10. Hall C.S. The genetic behaviour. In: Stevens S.S. (Ed.) Handbook of experimental psychology. — J. Wiley Inc., 1951. — P. 304-329.

11. Marmigere F., Rage F., Tapia-Arancibia L. Regulation of brainderived neurotrophic factor transcripts by neuronal activation in rat hypothalamic neurons // J. Neurosci. Res. — 2001. — Vol. 66. — P. 377-389.

12. Margimere F., Rage F., Givalois L., Arancibia S., Tapia-Arancibia L. Rapid induction of BDNF expression in the hippocampus during immobilization stress challenge in adult rats // Hippocampus. —2003. — N 13 (5). — P. 646-655.

13. McAllister A., Katz L. & Lo D. Neurotrophins and synaptic plasticity // Annu. Rev. Neurosci. —

1999. — Vol. 22. — P. 295-318.

14. Rage F., Givalois L., Marmigere F., Tapia-

Arancibia L., Arancibia S. Immobilization stress rapidly modulates BDNF mRNA expression in the hypothalamus of adult male rats // Neurosci. — 2002. — Vol. 112 (2). — P. 309-318.

15. Rasmusson A.M., Shi L., Duman R. Downregulation of BDNF mRNA in the hippocampal dentate gyrus after re-exposure to cues previously associated with foot-shock // Neuropsychopharmacology. — 2002. — Vol. 27 (2). — P. 133-142.

16. Rite I., Machado A., Cano J., Venero J.L. Divergent regulatory mechanisms governing BDNF mRNA expression in cerebral cortex and substantia nigra in response to striatal target ablation // Exp. Neurol. — 2005. — Vol. 192 (1). — P. 142-155.

17. Rocamora N., Welker E., Pascual M., Soriano E. Upregulalion of BDNF mRNA expression in the barrel cortex of adult mice after

sensory stimulation // J. Neurosci. — 1996. — Vol. 16. — P. 4411-4419.

18. Seredenin S.B. Genetic differences in response to emotional stress and tranquilizers // Psychopharmacol. Biol. Narcol. — 2003. — Vol. 3, N 1-2. — P. 494-509.

19. Smith M.A., Makino S., Kvetnansky R., Post R.M. Stress and glucocorticoids affect the expression of brain-derived neurotrophic factor and neurotrophin-3 mRNAs in the hippocampus // Neurosci. — 1995. — Vol. 15. — P. 1768-1777.

20. Tapia-Arancibia L., Rage F., Givalois L., Arancibia S. Physiology of BDNF: focus on hypothalamic function // Neuroendocrino-logy. — 2004.— Vol.25. — P. 77-107.

21. Ueyama T., Kawai Y., Nemoto K., Seki-moto M., Tone S., Senba E. Immobilization stress reduced the expression of neurotrophins and their receptors in the rat brain // Neuroscience research. — 1997. — Vol. 28. — P. 103-110.