Nikotiinireseptoreiden kautta vaikuttavat lääkeaineet nikotiiniriippuvuuden ja neurologisten sairauksien hoidossa

Neuronaaliset nikotiinireseptorit liittyvät tupakkariippuvuuden lisäksi moniin neurologisiin sairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin, skitsofreniaan, masennukseen ja tarkkaavaisuus- ja ylivilkkaushäiriöön. Nikotiinireseptorien stimulaation on tutkimuksissa havaittu parantavan kognitiota. Useat lääkeyritykset tutkivat nikotiinireseptoriagonisteja ja -antagonisteja eri neurologisten sairauksien hoidossa. Ongelmana nikotiinireseptori-agonisteja käytettäessä on reseptorissa tapahtuva desensitisaatio. Tällöin reseptori sulkeutuu, eikä aktivoidu vaikka agonistia olisi tarjolla tai sitoutuneena reseptoriin. Varsinkin alfa7-reseptori desensitoituu hyvin nopeasti agonistialtistuksen seurauksena. Reseptorien desensitoituminen voi kliinisessä käytössä aiheuttaa lääkeaineen tehon menetyksen. Perinteisen agonistin sitoutumiskohdan lisäksi nikotiinireseptorissa sijaitsee myös muita sitoutumiskohtia, joita kutsutaan allosteerisiksi sitoutumispaikoiksi. Tutkimuksissa on havaittu, että eräät allosteerisesti sitoutuvat aineet, kuten PNU-120596, voivat vahvistaa agonistin aikaansaamaa vastetta ja/tai estää reseptorin desensitoitumista. Näitä aineita kutsutaan positiivisiksi allosteerisiksi modulaattoreiksi ja niiden ajatellaan olevan vaihtoehto desensitoitumisen aiheuttamaan tehon menetyksen ongelmaan. Nikotiinireseptorien positiivisten allosteeristen modulaattorien tarkkaa vaikutusta ja sitoutumiskohtaa reseptoriin ei vielä tarkkaan tiedetä. Tutkimuksen aiheena oli karakterisoida positiivisten allosteeristen modulaattoreiden vaikutuksia alfa7-nikotiinireseptoriin. Tutkimuksessa tarkoituksena oli käyttää hyväksi laboratoriossa aiemmin tehtyä havaintoa, jonka mukaan alfa7-nikotiinireseptorin transmembraaniosan aminohappoon tehdyn mutaation L247T seurauksena positiiviset allosteeriset modulaattorit muuttuvat agonisteiksi. Haluttiin selvittää, kuinka agonistin sitoutumiskohtaan kohdennettua mutageneesiä käyttäen tehty mutaatio W149M tai W149F vaikuttavat PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T reseptoriin. Asetyylikoliini toimi konventionaalisen agonistin mallina tutkimuksessa. Tutkimuksen toinen tavoite oli tehdä mutaatio M253Lalfa7-reseptorin transmembraaniosaan. Mutaation on todettu estävän allosteeristen potentiaattoreiden kykyä voimistaa agonistin aikaansaamaa vastetta. Tarkoitus oli tutkia millaisia vaikutuksia M253L-mutaatiolla on allosteerisen potentiaattorin kykyyn toimia agonistina L247T-mutaation sisältävään reseptoriin. Mutatoidun reseptorin mRNA mikroinjektoitiin oosyyttiin ja elektrofysiologian avulla tutkittiin ilmennettyjen reseptorien toimintaa käyttäen kahden elektrodin jännitelukitus -menetelmää. Kaikki suunnitellut mutaatiot saatiin tehtyä onnistuneesti alfa7- ja alfa7L247T-reseptoreihin. Ortosteerisen sitoutumiskohdan mutaatio villin tyypin Į7-reseptorissa vaikutti hyvin voimakkaasti joko asetyylikoliinin sitoutumiseen reseptoriin tai reseptorin toimintaan, sillä asetyylikoliinilla ei reseptorista saatu mitattua vasteita. Myöskään PNU-120596 yksinään ei saanut aikaan vasteita alfa7W149M-reseptorissa. Kaksoismutatoidussa alfa7W149M/L247T-reseptorissa puolestaan havaittiin, että asetyylikoliinin annos-vaste -kuvaaja siirtyi huomattavasti enemmän oikealle kuin PNU-120596:n, kun verrattiin annos-vaste –kuvaajia alfa7L247T ja alfa7W149M/L247T–reseptoreiden välillä. Transmembraaniosan mutaatio M253L ei vaikuttanut PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T-reseptoriin, eikä sillä ollut vaikutusta asetyylikoliinin annosvaste-kuvaajiin. Tutkimus tukee aiempia havaintoja siitä, että positiivisten allosteeristen modulaattoreiden sitoutumiskohta nikotiinireseptorissa sijaitsisi transmembraaniosassa. M253L-mutaation osalta tulokset ovat hieman ristiriidassa aiempien tulosten kanssa. L247T-mutaatio vaikuttaa hyvin voimakkaasti nikotiinireseptorin toimintaan sekä sijaitsee aminohapon M253 läheisyydessä. On mahdollista, että se peittää M253L-mutaation vaikutuksen. Toisaalta voi olla, että M253 on aminohappo, joka vaikuttaa vain reseptorivasteiden voimistumiseen eikä allosteeristen potentiaattoreiden sitoutumiseen.

Tonically Active Kainate Receptors (tKARs) : A Novel Mechanism Regulating Neuronal Function in the Brain

Fast excitatory transmission between neurons in the central nervous system is mainly mediated by L-glutamate acting on ligand gated (ionotropic) receptors. These are further categorized according to their pharmacological properties to AMPA (2-amino-3-(5-methyl-3-oxo-1,2- oxazol-4-yl)propanoic acid), NMDA (N-Methyl-D-aspartic acid) and kainate (KAR) subclasses. In the rat and the mouse hippocampus, development of glutamatergic transmission is most dynamic during the first postnatal weeks. This coincides with the declining developmental expression of the GluK1 subunit-containing KARs. However, the function of KARs during early development of the brain is poorly understood. The present study reveals novel types of tonically active KARs (hereafter referred to as tKARs) which play a central role in functional development of the hippocampal CA3-CA1 network. The study shows for the first time how concomitant pre- and postsynaptic KAR function contributes to development of CA3-CA1 circuitry by regulating transmitter release and interneuron excitability. Moreover, the tKAR-dependent regulation of transmitter release provides a novel mechanism for silencing and unsilencing early synapses and thus shaping the early synaptic connectivity. The role of GluK1-containing KARs was studied in area CA3 of the neonatal hippocampus. The data demonstrate that presynaptic KARs in excitatory synapses to both pyramidal cells and interneurons are tonically activated by ambient glutamate and that they regulate glutamate release differentially, depending on target cell type. At synapses to pyramidal cells these tKARs inhibit glutamate release in a G-protein dependent manner but in contrast, at synapses to interneurons, tKARs facilitate glutamate release. On the network level these mechanisms act together upregulating activity of GABAergic microcircuits and promoting endogenous hippocampal network oscillations. By virtue of this, tKARs are likely to have an instrumental role in the functional development of the hippocampal circuitry. The next step was to investigate the role of GluK1 -containing receptors in the regulation of interneuron excitability. The spontaneous firing of interneurons in the CA3 stratum lucidum is markedly decreased during development. The shift involves tKARs that inhibit medium-duration afterhyperpolarization (mAHP) in these neurons during the first postnatal week. This promotes burst spiking of interneurons and thereby increases GABAergic activity in the network synergistically with the tKAR-mediated facilitation of their excitatory drive. During development the amplitude of evoked medium afterhyperpolarizing current (ImAHP) is dramatically increased due to decoupling tKAR activation and ImAHP modulation. These changes take place at the same time when the endogeneous network oscillations disappear. These tKAR-driven mechanisms in the CA3 area regulate both GABAergic and glutamatergic transmission and thus gate the feedforward excitatory drive to the area CA1. Here presynaptic tKARs to CA1 pyramidal cells suppress glutamate release and enable strong facilitation in response to high-frequency input. Therefore, CA1 synapses are finely tuned to high-frequency transmission; an activity pattern that is common in neonatal CA3-CA1 circuitry both in vivo and in vitro. The tKAR-regulated release probability acts as a novel presynaptic silencing mechanism that can be unsilenced in response to Hebbian activity. The present results shed new light on the mechanisms modulating the early network activity that paves the way for oscillations lying behind cognitive tasks such as learning and memory. Kainate receptor antagonists are already being developed for therapeutic use for instance against pain and migraine. Because of these modulatory actions, tKARs also represent an attractive candidate for therapeutic treatment of developmentally related complications such as learning disabilities.

Sydämen hypertrofian ja kroonisen vajaatoiminnan farmakologinen hoito

Sydämen krooninen vajaatoiminta on merkittävä maailmanlaajuinen ongelma. Se on erilaisten sydän- ja verisuonisairauksien aiheuttama monimuotoinen oireyhtymä. Sydämen vasemman kammion hypertrofia eli sydämen seinämien paksuuntuminen on yksi keskeinen tekijä, joka voi olla sydämen vajaatoiminnan taustalla. Kohonnut verenpaine on yleisin syy, joka johtaa sydänlihaksen paksuuntumiseen. Tämä johtaa sydämen pumppaustoiminnan häiriintymiseen, erilaisten neurohormonaalisten mekanismien aktivaatioon ja edelleen sydämen vajaatoimintaan. Sydämen vajaatoiminnan neurohormonaalisista mekanismeista tärkeimmät ovat reniini-angiotensiini-aldosteroni-järjestelmän ja sympaattisen hermoston aktivaatio, sydämen rakenteiden uudelleenmuovautuminen, sydänlihassolujen apoptoosi ja systeeminen tulehdustila. Sydämen hypertrofiaa ja sen syntymistä pyritään estämään kohonneen verenpaineen lääkehoidolla. Reniini-angiotensiini-aldosteronijärjestelmällä on keskeinen merkitys sydämen vajaatoiminnassa. Sydämen vajaatoiminnan ennusteeseen vaikuttavista lääkeaineista angiotensiinikonvertasin estäjät (ACEestäjät) ovat säilyttäneet johtoasemansa jo vuosikymmenten ajan. Angiotensiinireseptoreiden salpaajien (AT1-salpaajien) odotettiin syrjäyttävän ACE-estäjät sydämen vajaatoiminnan hoidossa, mutta toistaiseksi niitä pidetään vain vaihtoehtoisina lääkkeinä. Sympaattisen hermoston aktivaatiota vähentävät β-salpaajat ovat vakiinnuttaneet asemansa toiseksi tärkeimpänä lääkeryhmänä. Diureetit ovat paljon käytetty lääkeaineryhmä sydämen vajaatoiminnan hoidossa, mutta niistä ainoastaan aldosteroniantagonisteilla on tutkitusti ennustetta parantavaa vaikutusta. Kroonisen vajaatoiminnan hoidossa käytetään edelleen myös digoksiinia. Tulevaisuudessa sydämen vajaatoiminnan ennusteeseen vaikuttavia lääkeaineita voivat olla reniinin estäjät, neutraaliendopeptidaasin estäjät, vasopressiinin antagonistit tai inflammatroisiin sytokiineihin vaikuttavat molekyylit. Erikoistyön kokeellisessa osiossa tarkoituksena oli tutkia sydämen hypertrofian kehittymistä vatsa-aortta kuristetuilla rotilla ja kalsiumherkistäjä levosimendaanin sekä AT1-salpaaja valsartaanin vaikutuksia hypertrofian kehittymiseen. Kokeellisessa osiossa arvioitiin myös sydämen hypertrofian ja vajaatoiminnan jyrsijämallina käytetyn vatsa-aortan kuristuksen (koarktaation) toimivuutta ja vaikutuksia ultraäänen avulla määritettyihin kardiovaskulaarisiin parametreihin. Vatsa-aortta kuristettiin munuaisvaltimoiden yläpuolelta. Kuristus saa aikaan verenpaineen kohoamisen ja sydämen työtaakan lisääntymisen. Pitkittyessään tila johtaa sydänlihaksen hypertrofiaan ja vajaatoimintaan. 64 eläintä jaettiin ryhmiin, siten että jokaiseen ryhmään tuli kahdeksan eläintä. Ryhmistä kolmelle annettiin lääkeaineena levosimendaania kolmella eri päiväannoksella (0,01 mg/kg; 0,10 mg/kg; 1,00 mg/kg) ja kolmelle valsartaania kolmella eri päiväannoksella (0,10 mg/kg; 1,00 mg/kg; 10,00 mg/kg) juomaveden mukana. Lääkitys aloitettiin leikkauksen jälkeen ja jatkettiin kahdeksan viikon ajan. Kardiovaskulaariset parametrit, kuten isovolumetrinen relaksaatioaika (IVRT), vasemman kammion läpimitta systolessa ja diastolessa sekä seinämäpaksuudet, ejektiofraktio (EF), supistuvuusosuus (FS), minuuttitilavuus (CO) ja iskutilavuus (SV) määritettiin kahdeksan viikon kuluttua leikkauksesta ultraäänitutkimuksen avulla. Lisäksi määritettiin eläinten sydämen paino suhteessa ruumiin painoon. Tuloksia verrattiin ilman lääkehoitoa olleeseen koarktaatioryhmään. Eläinmallin toimivuutta arvioitiin vertaamalla koarktaatioryhmän tuloksia sham-operoidun ryhmän tuloksiin. Levosimendaanilla havaittiin työssä sydämen systolista toimintaa parantava vaikutus. Tämä näkyi tendenssinä parantaa ejektiofraktioita ja vasemman kammion supistuvuusosuuksia. Sydämen diastoliseen toimintaan ei kummallakaan lääkeaineella ollut merkittävää vaikutusta. Diastolista toimintaa arvioitiin isovolumetrisen relaksaatioajan muutoksilla. Sydämen hypertrofian kehittymiseen ei kummallakaan lääkeaineella ollut merkittävää vaikutusta. Eläinmallin todettiin mallintavan hyvin sydämen hypetrofiaa ihmisellä, mutta ei niinkään sydämen vajaatoimintaa.

Role of GDNF and its Cross-Talk with Other Growth Factors in the Dopaminergic System

Parkinson´s Disease (PD) is a neurodegenerative movement disorder resulting from loss of dopaminergic (DA) neurons in substantia nigra (SN). Possible causative treatment strategies for PD include neurotrophic factors, which protect and in some cases restore the function of dopaminergic neurons. Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) family of neurotrophic factors have been to date the most promising candidates for treatment of PD, demonstrating both neuroprotective and neurorestorative properties. We have investigated the role of GDNF in the rodent dopaminergic system and its possible crosstalk with other growth factors. We characterized the GDNF-induced gene expression changes by DNA microarray analysis in different neuronal systems, including in vitro cultured Neuro2A cells treated with GDNF, as well as midbrains from GDNF heterozygous (Hz) knockout mice. These microarray experiments, resulted in the identification of GDNF-induced genes, which were also confirmed by other methods. Further analysis of the dopaminergic system of GDNF Hz mice demonstrated about 40% reduction in GDNF levels, revealed increased intracellular dopamine concentrations and FosB/DeltaFosB expression in striatal areas. These animals did not show any significant changes in behavioural analysis of acute and repeated cocaine administration on locomotor activity, nor did they exhibit any changes in dopamine output following treatment with acute cocaine. We further analysed the significance of GDNF receptor RET signalling in dopaminergic system of MEN2B knock-in animals with constitutively active Ret. The MEN2B animals showed a robust increase in extracellular dopamine and its metabolite levels in striatum, increased tyrosine hydroxylase (TH) and dopamine transporter (DAT) protein levels by immunohistochemical staining and Western blotting, as well as increased Th mRNA levels in SN. MEN2B mice had increased number of DA neurons in SN by about 25% and they also exhibited increased sensitivity to the stimulatory effects of cocaine. We also developed a semi-throughput in vitro micro-island assay for the quantification of neuronal survival and TH levels by computer-assisted methodology from limited amounts of tissue. This assay can be applied for the initial screening for dopaminotrophic molecules, as well as chemical drug library screening. It is applicable to any neuronal system for the screening of neurotrophic molecules. Since our microarray experiments revealed possible GDNF-VEGF-C crosstalk we further concentrated on studying the neurotrophic effects of VEGF-C. We showed that VEGF-C acts as a neurotrophic molecule for the DA neurons both in vitro and in vivo, however without additive effect when used together with GDNF. The neuroprotective effect for VEGF-C in vivo in rat 6-OHDA model of PD was demonstrated. The possible signalling mechanisms of VEGF-C in the nervous system were investigated - infusion of VEGF-C to rat brain induced ERK activation, however no direct activation of RET signalling in vitro was found. VEGF-C treatment of rat striatum lead to up-regulation of VEGFR-1-3, indicating that VEGF-C can regulate the expression level of its own receptor. VEGF-C dopaminotrophic activity in vivo was further supported by increased vascular tissue in the neuroprotection experiments.

FGF signaling in neurogenesis and patterning of the developing midbrain and anterior hindbrain

Embryonic midbrain and hindbrain are structures which will give rise to brain stem and cerebellum in the adult vertebrates. Brain stem contains several nuclei which are essential for the regulation of movements and behavior. They include serotonin-producing neurons, which develop in the hindbrain, and dopamine-producing neurons in the ventral midbrain. Degeneration and malfunction of these neurons leads to various neurological disorders, including schizophrenia, depression, Alzheimer s, and Parkinson s disease. Thus, understanding their development is of high interest. During embryogenesis, a local signaling center called isthmic organizer regulates the development of midbrain and anterior hindbrain. It secretes peptides belonging to fibroblast growth factor (FGF) and Wingless/Int (Wnt) families. These factors bind to their receptors in the surrounding tissues, and activate various downstream signaling pathways which lead to alterations in gene expression. This in turn affects the various developmental processes in this region, such as proliferation, survival, patterning, and neuronal differentiation. In this study we have analyzed the role of FGFs in the development of midbrain and anterior hindbrain, by using mouse as a model organism. We show that FGF receptors cooperate to receive isthmic signals, and cell-autonomously promote cell survival, proliferation, and maintenance of neuronal progenitors. FGF signaling is required for the maintenance of Sox3 and Hes1 expression in progenitors, and Hes1 in turn suppresses the activity of proneural genes. Loss of Hes1 is correlated with increased cell cycle exit and premature neuronal differentiation. We further demonstrate that FGF8 protein forms an antero-posterior gradient in the basal lamina, and might enter the neuronal progenitors via their basal processes. We also analyze the impact of FGF signaling on the various neuronal nuclei in midbrain and hindbrain. Rostral serotonergic neurons appear to require high levels of FGF signaling in order to develop. In the absence of FGF signaling, these neurons are absent. We also show that embryonic meso-diencephalic dopaminergic domain consists of two populations in the anterior-posterior direction, and that these populations display different molecular profiles. The anterior diencephalic domain appears less dependent on isthmic FGFs, and lack several genes typical of midbrain dopaminergic neurons, such as Pitx3 and DAT. In Fgfr compound mutants, midbrain dopaminergic neurons begin to develop but soon adopt characteristics which highly resemble those of diencephalic dopaminergic precursors. Our results indicate that FGF signaling regulates patterning of these two domains cell-autonomously.