Cellular Mechanisms of Sleep Homeostasis : Studies on Brain Energy Metabolism and Aging

Sleep is governed by a homeostatic process in which the duration and quality of previous wake regulate the subsequent sleep. Active wakefulness is characterized with high frequency cortical oscillations and depends on stimulating influence of the arousal systems, such as the cholinergic basal forebrain (BF), while cessation of the activity in the arousal systems is required for slow wave sleep (SWS) to occur. The site-specific accumulation of adenosine (a by-product of ATP breakdown) in the BF during prolonged waking /sleep deprivation (SD) is known to induce sleep, thus coupling energy demand to sleep promotion. The adenosine release in the BF is accompanied with increases in extracellular lactate and nitric oxide (NO) levels. This thesis was aimed at further understanding the cellular processes by which the BF is involved in sleep-wake regulation and how these processes are affected by aging. The BF function was studied simultaneously at three levels of organization: 1) locally at a cellular level by measuring energy metabolites 2) globally at a cortical level (the out-put area of the BF) by measuring EEG oscillations and 3) at a behavioral level by studying changes in vigilance states. Study I showed that wake-promoting BF activation, particularly with glutamate receptor agonist N-methyl-D-aspatate (NMDA), increased extracellular adenosine and lactate levels and led to a homeostatic increase in the subsequent sleep. Blocking NMDA activation during SD reduced the high frequency (HF) EEG theta (7-9 Hz) power and attenuated the subsequent sleep. In aging, activation of the BF during SD or experimentally with NMDA (studies III, IV), did not induce lactate or adenosine release and the increases in the HF EEG theta power during SD and SWS during the subsequent sleep were attenuated as compared to the young. These findings implicate that increased or continuous BF activity is important for active wake maintenance during SD as well as for the generation of homeostatic sleep pressure, and that in aging these mechanisms are impaired. Study II found that induction of the inducible NO synthase (iNOS) during SD is accompanied with activation of the AMP-activated protein kinase (AMPK) in the BF. Because decreased cellular energy charge is the most common cause for AMPK activation, this finding implicates that the BF is selectively sensitive to the metabolic demands of SD as increases were not found in the cortex. In aging (study III), iNOS expression and extracellular levels of NO and adenosine were not significantly increased during SD in the BF. Furthermore, infusion of NO donor into the BF did not lead to sleep promotion as it did in the young. These findings indicated that the NO (and adenosine) mediated sleep induction is impaired in aging and that it could at least partly be due to the reduced sensitivity of the BF to sleep-inducing factors. Taken together, these findings show that reduced sleep promotion by the BF contributes to the attenuated homeostatic sleep response in aging.

Hypertension, kardiotoxicitet och njursvikt i samband med tyrosinkinashämmaren sunitinib

Nybildning av blodkärl från tidigare existerande kärl, angiogenes, är ett väsentligt skede vid tumörtillväxt. Denna process regleras av bland annat tillväxtfaktorer, var av den vaskulära endoteliala tillväxtfaktorn har en central roll. Hämning av angiogenes kan ske antingen extracellulärt med hjälp av humaniserade monoklonala antikroppar eller intracellulärt med hjälp av småmolekylära hämmaren. Sunitinib är en småmolekylär multikinashämmare och inhiberar flera tyrosinkinasreceptorer som påverkar tumörtillväxten och metastasutvecklingen vid cancer. Sunitinibs främsta indikationer är gastrointestinala stromacellstumörer, metastaserad njurcellscancer och neuroendokrina tumörer i bukspottskörteln. Behandling med tyrosinkinashämmare orsakar biverkningar som hypertension, kardiotoxicitet och njursvikt, vilka antas bero på de hämmande effekterna på mål som inte är väsentliga för anti-cancer-aktiviteten (”off-target” biverkningar). Bland annat AMP-aktiverat proteinkinas (AMPK), ett kinas som upprätthåller metabolisk homeostas i hjärtat, inhiberas av sunitinib och antas framkalla kardiovaskulära biverkningar. För att reducera ”off-target” biverkningar strävar man till att hitta alternativ som minskar de skadliga effekterna utan att den terapeutiska aktiviteten försvagas. Bland annat ett begränsat kaloriintag har uppvisat skyddande effekt på hjärtat via mekanismer sammankopplade till ökad resistens mot oxidativ stress, inflammation och mitokondriell dysfunktion, samt avtagande apoptos och autofagi. Detta sker delvis genom aktivering av enzymet Sirt1. Syftet med den här studien var att undersöka ifall kaloribegränsning skyddar mot kardiovaskulära och renala biverkningar inducerade av sunitinib hos råttor. Dessutom studerades vilka signalkedjor i cellen som medverkar. I studien användes 40 spontant hypertensiva råttor samt 10 normotensiva Wistar-Kyoto råttor. Försöksdjuren delades in i fem grupper beroende på behandling; I WKY kontroll, II SHR kontroll, III SHR + kaloribegränsning 70 %, IV SHR + sunitinib 3 mg/kg och V SHR + sunitinib 3 mg/kg + kaloribegränsning 70 %. Behandlingsperioden var åtta veckor. Blodtrycket mättes varje vecka med svansmanchett, urinutsöndringen undersöktes vecka 4 och vecka 8 med metabolismburar, ultraljudsundersökning av hjärtat utfördes sista veckan och blodkärlens respons till acetylkolin och natriumnitroprussid studerades i samband med avlivning. Proteinerna Sirt1 och AMPK analyserades i hjärtat med Western blotting samt förekomsten av makrofagmarkören ED1 i njurarna med immunhistokemi. Studien visade att sunitinibdosen 3 mg/kg är mycket väl tolererbar hos råttor eftersom sunitinib inte orsakade högre blodtryck, kraftigare hypertrofi eller mer omfattande njurskada jämfört med obehandlade SHR- grupper. Utgående från resultaten kan man också konstatera att kaloribegränsningen har positiva kardiovaskulära effekter.