Analysis of the NMDA in Focal Cerebral Ischemia in Rats

NMDAR (N-methyl-D-aspartate receptor) is one subtype of ionotrophic glutamate receptor which is extensively distributed in the central nervous system (CNS). In the mammalian CNS, NMDAR serves prominent roles in the pathophysiologic process of cerebral ischemia. This study aimed to investigate the pattern of expression of protein and gene of the excitatory neurotransmitter NMDAR in experimental focal cerebral ischemia and the hole of neuroprotection with hypothermia and ketoprofen. 120 rats were randomly divided into 6 groups (20 animals each): control - no surgery; sham - simulation of surgery; ischemic - focal ischemia for 1 hour, without reperfusion; ischemic + intraischemic hypothermia; ischemic + previous intravenous ketoprofen, and ischemic + hypothermia and ketoprofen. Ten animals from each experimental group were used to establish the volume of infarct. Transient focal cerebral ischemia was obtained in rats by occlusion of the middle cerebral artery with an intraluminal suture. The infarct volume was measured using morphometric analysis of infarct areas defined by triphenyl tetrazolium chloride and the patterns of expression of the protein and gene NMDA were evaluated by immunohistochemistry and quantitative real-time PCR, respectively. Increases in the protein and gene NMDA receptor in the ischemics areas were observed and these increases were reduced by hypothermia and ketoprofen. The increase in the NMDA receptor protein and gene expression observed in the ischemic animals was reduced by neuroprotection (hypothermia and ketoprofen). The NMDA receptor increases in the ischemic area suggests that the NMDA mediated neuroexcitotoxicity plays an important role in cell death and that the neuroprotective effect of both, hypothermia and ketoprofen is directly involved with the NMDA.

Synthese, 18 F-Markierung, 11 C-Markierung und Evaluierung Hydantoin-substituierter Indolcarbonsäuren zur Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Der N-methyl-D-aspartat-Rezeptor (NMDA), als Vertreter ionotroper Glutamat-Rezeptoren, ist essentiell für physiologische Lern- und Gedächtnisvorgänge und eine krankhafte Überaktivierung wird als potentielle Ursache für eine Reihe von akuten und chronischen neurodegenerativen Erkrankungen angesehen. Hierbei sind für die akuten Erkrankungen vor allem der Schlaganfall und für die chronischen Erkrankungen Morbus Parkinson sowie die Alzheimer´sche Demenz zu nennen. Durch seine einzigartige spannungsabhängige Mg2+-Blockade und der Notwendigkeit der gleichzeitigen Anwesenheit der endogenen Liganden Glutamat und Glycin zur Rezeptoraktivierung, stellt dieser Rezeptorkomplex daher ein sehr interessantes molekulares Target dar. NMDA-Rezeptor-Antagonisten der Glycin-Bindungsstelle und der verschiedenen allosterischen Bindungsstellen könnten als Neuroprotektiva bei den verschiedenen Krankheiten eine symptomatische Verbesserung bewirken und zur Therapie eingesetzt werden. Eine visuelle Darstellung des Rezeptors im Rahmen von Vorsorgeuntersuchungen ist jedoch derzeit nicht möglich. Zur Visualisierung dieser Prozesse mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wurden basierend auf einer Hydantoin-substituierten Indol-2-carbonsäure als Leitstruktur, im Rahmen dieser Arbeit Fluorethoxy- und Methoxy-substituierte Derivate dargestellt und in pharmazeutischen und radiopharmazeutischen Studien evaluiert. Dazu wurde die Affinität und Spezifität zum Rezeptor in einem [3H]MDL-105,519 Rezeptorbindungsassay und die Lipophilie als Parameter für die Hirngängigkeit ermittelt. Anhand dieser Resultate wurden geeignete Markierungsvorläufer synthetisiert, welche eine phenolische Hydroxylfunktion besitzen und eine radioaktive Markierung mit den sekundären Markierungsvorläufern 2-[18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [11C]Methyliodid ([11C]CH3I) ermöglichen. Unter Verwendung von 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure wurde in einer Einstufenreaktion mit [18F]FETos die Zielverbindung 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Ausbeuten von 6 % erhalten. Daher wurde eine alternative Markierung des Ethylester-geschützten Derivates 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in einer Zweistufensynthese mit [18F]FETos und [11C]CH3I untersucht. Unter Verwendung dieser Strategie wurden unter optimierten Bedingungen 4,6-Dichlor-3-((3-4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxy-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)-methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in radiochemischen Ausbeuten von 27 – 38 % erhalten. Die anschließende Entfernung der Schutzgruppe führte unter Bildung von Neben- und Zersetzungsreaktionen zu 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Gesamtausbeuten von 5 – 7 %. Die Überprüfung des biochemischen Konzepts in vivo durch µ-PET-Studien und durch autoradiographische Experimente an Rattenhirnschnitten, deuten auf eine niedrige in vivo-Aktivität hin, welche sich auf eine nicht ausreichende Passage der Blut-Hirn-Schranke zurückführen lässt.

Die funktionelle Rolle von LRP1 in der tPA-vermittelten Aktivierung von NMDA-Rezeptoren

Das Low Density Lipoprotein Receptor-related Protein 1 (LRP1) scheint neben seiner ursprünglichen Rolle als Lipoproteinrezeptor auch eine fundamentale Rolle bei der Einleitung von Signaltransduktionskaskaden im sich entwickelnden Gehirn zu spielen. Einer seiner Hauptliganden ist die Serinprotease Tissue-type Plasminogen Aktivator (tPA), welche NMDA-Rezeptor-abhängig MAP Kinasenaktivierung induzieren kann. In dieser Studie sollte daher untersucht werden, ob LRP1 und der NMDA Rezeptor in der tPA-vermittelten Signaltransduktion miteinander kooperieren. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl LRP1 als auch der NMDA Rezeptor an der tPA-induzierten Erk1/2 Phosphorylierung beteiligt sind, da dieser Effekt mit den spezifischen Inhibitoren RAP, MK-801 und DL-AP5 blockiert werden konnte. Eine weitere Bestätigung der LRP1-Spezifität zeigte sich durch shRNA knock-down Experimente. Calcium Imaging Experimente ergaben, dass die Applikation von tPA sowohl in primären, hippokampalen Neuronen als auch in der neuronalen Zelllinie HT22 zu einem robusten Einstrom von Calcium in die Zelle führte, welcher mit dem NMDA Rezeptor Inhibitor MK-801 und dem LRP1 Inhibitor RAP blockiert werden konnte. RNAi Experimente und Überexpressionsstudien bestätigten die Beteiligung von PSD-95 als intrazelluläres Adapterprotein, welches die beiden Rezeptoren miteinander verbindet. Als Bindungsstelle für PSD-95 konnte mit Hilfe von LRP1 knock-in Mausneuronen die distale NPxY(2) Domäne am LRP1 C-Terminus identifiziert werden. Diese Ergebnisse führten zu der Hypothese eines multimeren tPA-LRP1-NMDA Rezeptor Komplexes, der über die primäre Bindung von tPA an LRP1 aktiviert wird und anschließend das Signal an den NMDA Rezeptor weiterleitet. Somit weisen die Ergebnisse dieser Arbeit auf einen neuen, tPA-vermittelten Mechanismus zur Öffnung von Glutamatrezeptoren hin, der eine funktionelle Kooperation von dem Lipoproteinrezeptor LRP1 mit dem NMDA Rezeptor voraussetzt.

Synthese, Evaluierung und 18 F-Markierung von neuen Liganden zur Visualisierung der Strychnin-insensitiven Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors

Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn. Folglich spielen Glutamat-kontrollierte Rezeptorsysteme eine entscheidende Rolle in neurologischen Vorgängen, wie beispielsweise in Lern- und Gedächtnisprozessen. Gerade der NMDA-Rezeptor ist in eine Vielzahl solcher Vorgänge involviert und wird vor allem mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Chorea Huntington, Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und zerebraler Ischämie in Verbindung gebracht. Folglich stellt die Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus eine Möglichkeit dar, den Verlauf solcher Prozesse zu untersuchen.rnDie Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine leistungsstarke Anwendung in der molekularen Bildgebung und erlaubt die in vivo-Visualisierung sowie Quantifizierung biochemischer Prozesse. Durch die Verwendung geeigneter Tracer können bestimmte pathologische und neurologische Abläufe beurteilt werden. rnZurzeit sind keine geeigneten PET-Tracer zur Untersuchung des NMDA-Rezeptors verfügbar. Bisher dargestellte PET-Liganden zeichneten sich durch nicht zufriedenstellende Affinitäten und Selektivitäten aus und führten meist auf Grund der hohen Lipophilie zu einem hohen Maß an unspezifischer Bindung. rnDie Strychnin-insensitive Glycinbindungsstelle des NMDA-Rezeptors stellt ein vielversprechendes Target dar, spezifische Liganden für diese Bindungsstelle zu synthetisieren. Hier zeichnen sich einige Verbindungsklassen durch exzellente Affinitäten und Selektivitäten sowie durch vielversprechende in vivo-Eigenschaften aus. rnAuf Grundlage dieser biologischen Daten wurden zwei Substanzen der 2-Indolcarbonsäure, nämlich die 4,6-Dichlor-3-(2-oxo-3-phenylimidazolidin-1-ylmethyl)-1H-indol-2-carbonsäure (MDJ-114) und die (E)-4,6-Dichlor-3-(2-phenylcarbamoylvinyl)-1H-indol-2-carbonsäure (GV150526), als Leitstruktur gewählt. Ferner wurde das 7-Chlor-4-hydroxy-3-(3-phenoxyphenyl)-1H-chinolin-2-on (L-701,324) aus der Substanzklasse der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-one als dritte Leitstruktur gewählt.rnFür diese Substanzen wurden 19F-markierte Analogverbindungen synthetisiert, um als inaktive Referenzverbindungen auf ihre Eignung überprüft zu werden. Hierzu wurde eine Fluorethoxygruppierung im terminalen Phenylring der entsprechenden Leitstruktur eingeführt. Durch Variation der Fluorethoxysubstitution in ortho-, meta- und para-Stellung, konnten die besten Affinitäten in einem kompetitiven Rezeptorbindungsassay durch Verdrängung von [3H]MDL-105,519 bestimmt werden. Als Maß für die Lipophilie wurden die entsprechenden log D-Werte über die HPLC-Methode bestimmt. Basierend auf den Ergebnissen der Evaluierung wurden zwei Derivate identifiziert, welche zur 18F-Markierung genutzt werden sollten (GV150526-Derivat 34: log D = 0,23 ± 0,03, IC50 = 0,20 ± 0,25 µM, Ki = 0,13 ± 0,16 µM; L701,324-Derivat 55: log D = - 0,25 ± 0,01, IC50 = 78 ± 37 µM, Ki = 51 ± 24 µM). Die 18F-Markierung erfolgte durch die Reaktion des entsprechenden Markierungsvorläufers mit dem Markierungssynthon 2-[18F]Fluorethyltosylat, welches durch die Umsetzung von Ethylenditosylat mit [18F]Fluorid hergestellt wurde. Die Radiosynthesen der beiden 18F-markierten Verbindungen [18F]34 (4,6-Dichlor-3-{2-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenylcarbamoyl]-vinyl}-1H-indol-2-carbonsäure) und [18F]55 (7-Chlor-3-{3-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenoxy]-phenyl}-4-hydroxy-1H-chinolin-2-on) wurden optimiert sowie semipräparative Abtrennverfahren entwickelt. Beide Tracer wurden auf ihre in vivo-Eignung im µPET-Experiment untersucht. Die Zeitaktivitätskurven lassen erkennen, dass beide Tracer entgegen der Erwartung nicht die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Für das GV150526-Derivat ([18F]34) wurden zusätzlich Autoradiographiestudien durchgeführt. Die erhaltenen Aufnahmen zeigten ein heterogenes Verteilungsmuster der Aktivitätsanreicherung. Ebenso wurde ein hohes Maß an unspezifischer Bindung beobachtet. Möglicherweise sind Cross-Affinitäten zu anderen Rezeptorsystemen oder der recht hohe lipophile Rest des Moleküls hierfür verantwortlich. Ein Grund für die unzureichende Hirngängigkeit der Radioliganden kann sich in der Carboxylatfunktion des GV150526-Derivats bzw. in der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-on-Einheit des L-701,324-Derivats wiederspiegeln. rnAuf Grundlage dieser Resultate können Versuche unternommen werden, für die Verbindungsklasse der 2-Indolcarbonsäuren entsprechende Ester als Prodrugs mit einer verbesserten Bioverfügbarkeit darzustellen. Ebenso können neue Strukturen als Grundlage für neue PET-Tracer untersucht werden.rnrn

Synthese, biochemische und physikochemische Charakterisierung von Liganden der Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors

Die exzitatorische Neurotransmission erfolgt über ionotrope Glutamat-Rezeptoren von denen dem NMDA-(N-Methyl-D-aspartat)-Rezeptor durch seine hohe Leitfähigkeit für Ca2+-Ionen eine besondere Rolle zugesprochen wird. Bei seiner Überaktivierung kommt es zu exzitotoxischen Prozessen, die direkt mit neurodegenerativen Erkrankungen einhergehen und nach einem Schlaganfall, bei akuten Epilepsien, Morbus Parkinson, Alzheimer Demenz aber auch im Bereich der neuropathischen Schmerzentstehung eine wichtige Rolle spielen.rnDurch das Eingreifen in die glutamatvermittelten pathologischen Prozesse verspricht man sich daher die Möglichkeit einer Neuroprotektion bei der Therapie verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen, die primär auf völlig unterschiedliche Ursachen zurückzuführen sind.rnAusgehend von in früheren Arbeiten synthetisierten Hydantoin-substituierten Dichlor-indol-2-carbonsäure-Derivaten, die hochaffine Eigenschaften zur Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors aufweisen, sollten neue Derivate entwickelt und untersucht werden, die hinsichtlich ihrer Affinität zur Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors, ihrer Pharmakokinetik sowie physikochemischen Parameter in präparativ-organischen, radiopharmazeutischen und zell- bzw. tierexperimentellen Studien in vitro sowie in vivo charakterisiert werden sollten. Von besonderem Interesse war dabei die Evaluierung der synthetisierten Verbindungen in einem Verdrängungsassay mit dem Radioliganden [3H]MDL105,519 mit dem der Einfluss der strukturellen Modifikationen auf die Affinität zur Glycin-Bindungsstelle des Rezeptors untersucht wurde, sowie die Selektivität und die Potenz der Liganden abgeschätzt wurde.rnIm Rahmen der Struktur-Wirkungs-Untersuchungen mit Hilfe der Bindungsexperimente konnten bestimmte Strukturmerkmale als essentiell herausgestellt bzw. bekräftigt werden. Die Testverbindungen zeigten dabei IC50-Werte im Bereich von 0,0028 bis 51,8 μM. Die entsprechenden Ester dagegen IC50-Werte von 23,04 bis >3000 μM. Als vielversprechende Strukturen mit Affinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich stellten sich Derivate mit einer 4,6-Dichlor-oder Difluor-Substitution am Indolgrundgerüst (2,8 bis 4,6 nM) heraus. Auch die Substitution des Phenylhydantoin-Teils durch das bioisostere Thienylhydantoin führte zu einer gleichbleibenden ausgeprägten Affinität (3,1 nM). rnZur Abschätzung der Bioverfügbarkeit, insbesondere der Fähigkeit zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke, wurden die Lipophilien bei einer Auswahl der Testverbindungen durch Bestimmung ihrer log P-Werte ermittelt. Neben dem Verfahren der potentiometrischen Titration wurde eine HPLC-Methode an einer RP-Phase verwendet.rnUm das Zytotoxizitätsprofil der synthetisierten Strukturen frühzeitig abschätzen zu können, wurde ein schnell durchführbares, zellbasiertes in vitro-Testsystem, der kommerziell erhältliche „Cell Proliferation Kit II (XTT-Test)“, eingesetzt. rnIm Rahmen von Positronen-Emissions-Tomographie-Experimenten an Ratten wurde eine Aussage bezüglich der Aufnahme und Verteilung eines radioaktiv markierten, hochaffinen Liganden an der Glycinbindungsstelle des NMDA-Rezeptors im Gehirn getroffen. Dabei wurden sowohl ein Carbonsäure-Derivat sowie der korrespondierende Ethylester dieser Testung unterworfen.rn

Oxidativer Stress als Modulator der NMDA-Rezeptorexpression auf zerebrovaskulären Endothelzellen

Oxidativer Stress in Form reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und Exzitotoxizität durch supraphysiologische Konzentrationen des Neurotransmitters Glutamat sind nicht nur beteiligt an der Pathogenese vielzähliger neurodegenerativer Erkrankungen wie Schlaganfall, Hirntrauma, Alzheimer Demenz oder Multipler Sklerose, sondern spielen zudem eine Schlüsselrolle im dort beobachteten Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke. Glutamat führt durch Stimulation neuronaler und endothelialer NMDA-Rezeptoren zu einer Generierung von ROS. Nicht verfolgt worden war bisher, welche Auswirkungen ROS umgekehrt auch auf den NMDA-Rezeptor haben könnten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher untersucht, ob und in welcher Weise die Exposition gegenüber reaktiven Sauerstoffspezies einen Einfluss auf die Expression und Aktivierbarkeit von NMDA-Rezeptoren auf zerebrovaskulären Endothelzellen ausübt.rnEs konnte zunächst die Expression der funktionell obligaten NR-1 Untereinheit des NMDA-Rezeptors auf der verwendeten Zelllinie b.End3 mittels Immunfluoreszenz-Mikroskopie gesichert werden. Ein Nachweis von mRNA für die Untereinheiten NR1 und NR2B, C und D erfolgte mittels RT-PCR. In der Analyse der replizierten RNA zeigten sich Hinweise für eine heterogene Komposition der exprimierten endothelialen NMDA-Rezeptoren.rnEs konnte weiter mit Hilfe der In-Cell-Western-Technik gezeigt werden, dass die Expression des NMDA-Rezeptors durch transiente Stimulation mit reaktiven Sauerstoffspezies im Sinne einer Heraufregulation moduliert werden kann. Die Stimulation der Zellen mit den reaktiven Sauerstoffspezies O2-, ONOO- und H2O2 führte dabei im Experiment zu einer deutlichen Zunahme der NR1-Expression, die spätestens nach 72 Stunden höchst signifikant war.rnUm zu überprüfen, welche Bedeutung diese Überexpression für die Integrität der Blut-Hirn-Schranke unter den exzitotoxischen Bedingungen hoher Glutamatkonzentrationen haben könnte, wurde mit Hilfe des ECIS-Systems („Electrical Cell-Substrate Impedance Sensing“) die Impedanz ROS-präexponierter Endothelmonolayer gemessen. Auf Rezeptorstimulation mit dem spezifischen Agonisten NMDA reagierten die vorbehandelten Gruppen mit einem Abfall der Impedanz gegenüber der nicht vorbehandelten Kontrolle.rnrnDie vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass ROS in der Lage sind, funktionelle endotheliale NMDA-Rezeptoren zu induzieren und auf diesem Weg zu einem verstärkten Abfall der BHS-Integrität unter den Bedingungen exzitotoxischen und oxidativen Stresses führen. Dies stellt einen neuen Mechanismus zur Erklärung der Pathogenese des Blut-Hirn-Schrankenversagens dar.

Die Rolle von LRP1 in der Funktion des NMDA-Rezeptors

Ein funktionelles Zusammenspiel von LRP1, einem Mitglied der LDL-Rezeptorfamilie, mit dem NMDA-Rezeptor, einem Glutamat Rezeptor, wurde durch die Interaktion beider Proteine sowie eine tPa-vermittelte, LRP1-abhängige Signalübertragung durch den NMDA-Rezeptor belegt. Darüber hinaus zeigen Mäuse mit einem konditionellen neuronalen knock-out des Lrp1 Gens Verhaltensänderungen, die mit einer beeinträchtigten Signalübertragung durch NMDA-Rezeptoren assoziiert werden könnten. Die genaue Rolle von LRP1 in der NMDA-Rezeptor-Funktion bleibt allerdings noch unklar. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von LRP1 bei der Expression der NR2B-Untereinheit des NMDA-Rezeptors an der Zelloberfläche primärer kortikaler Neurone untersucht. Zu diesem Zweck wurde die knock-in Mauslinie LRP1ΔNPxY2, die sich durch eine Alanin Substitution im NPxY2 Motiv des LRP1 auszeichnet, eingesetzt. rnEs konnte gezeigt werden, dass diese knock-in Mutation in einer erhöhten Expression von LRP1 und der NMDA-Rezeptoruntereinheiten NR1 und NR2B an der Zelloberfläche primärer kortikaler Neurone resultiert. Der Effekt konnte durch eine reduzierte Endozytoserate von LRP1 und der NR1-und NR2B-Untereinheiten in primären LRP1ΔNPxY2 Neuronen erklärt werden. Darüber hinaus wurde ein verändertes Phosphorylierungsmuster der Internalisierungssignale der NR2B-Rezeptoruntereinheit Serin S1480 und Tyrosin Y1472 an der Zelloberfläche primärer LRP1ΔNPxY2 Neurone detektiert. Die verantwortlichen Kinasen Fyn und Kasein-Kinase II sind allerdings in LRP1ΔNPxY2 Neuronen im Vergleich zu den Wildtyp-Kontrollen nicht abweichend reguliert. In den Co-Immunopräzipitationsexperimenten wurde gezeigt, dass die Bindung von LRP1 mit NR2B durch die Phosphorylierung reguliert wird und dieser Regulationsmechanismus in LRP1ΔNPxY2 Neuronen beeinträchtigt ist. Dies resultiert in einer stärkeren Bindung von NR2B-Rezeptoruntereinheit an LRP1. Aufgrund reduzierter Internalisierungsraten von LRP1 in LRP1ΔNPxY2 Neuronen führt dieser Umstand zu einer Akkumulation beider Rezeptorproteine an der Zelloberfläche. Schließlich wurden die NMDA-Rezeptor-assoziierten Verhaltensänderungen wie die Hyperaktivität und die Defizite im direkten und umgekehrten räumlichen Lernvermögen in den LRP1ΔNPxY2 Tieren nachgewiesen. Zusammengefasst, demonstrieren diese Ergebnisse, dass LRP1 eine kritische Rolle in der Regulierung der NR2B-Expression an der Zelloberfläche spielt.

Beta 1-integrins are required for hippocampal AMPA receptor-dependent synaptic transmission, synaptic plasticity, and working memory.

Integrins comprise a large family of cell adhesion receptors that mediate diverse biological events through cell-cell and cell-extracellular matrix interactions. Recent studies have shown that several integrins are localized to synapses with suggested roles in synaptic plasticity and memory formation. We generated a postnatal forebrain and excitatory neuron-specific knock-out of beta1-integrin in the mouse. Electrophysiological studies demonstrated that these mutants have impaired synaptic transmission through AMPA receptors and diminished NMDA receptor-dependent long-term potentiation. Despite the impairment in hippocampal synaptic transmission, the mutants displayed normal hippocampal-dependent spatial and contextual memory but were impaired in a hippocampal-dependent, nonmatching-to-place working memory task. These phenotypes parallel those observed in animals carrying knock-outs of the GluR1 (glutamate receptor subunit 1) subunit of the AMPA receptor. These observations suggest a new function of beta1-integrins as regulators of synaptic glutamate receptor function and working memory.

Role of calcium, glutamate and NMDA in major depression and therapeutic application

Major depression is a common, recurrent mental illness that affects millions of people worldwide. Recently, a unique fast neuroprotective and antidepressant treatment effect has been observed by ketamine, which acts via the glutamatergic system. Hence, a steady accumulation of evidence supporting a role for the excitatory amino acid neurotransmitter (EAA) glutamate in the treatment of depression has been observed in the last years. Emerging evidence indicates that N-methyl-D-aspartate (NMDA), group 1 metabotropic glutamate receptor antagonists and α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) agonists have antidepressant properties. Indeed, treatment with NMDA receptor antagonists has shown the ability to sprout new synaptic connections and reverse stress-induced neuronal changes. Based on glutamatergic signaling, a number of therapeutic drugs might gain interest in the future. Several compounds such as ketamine, memantine, amantadine, tianeptine, pioglitazone, riluzole, lamotrigine, AZD6765, magnesium, zinc, guanosine, adenosine aniracetam, traxoprodil (CP-101,606), MK-0657, GLYX-13, NRX-1047, Ro25-6981, LY392098, LY341495, D-cycloserine, D-serine, dextromethorphan, sarcosine, scopolamine, pomaglumetad methionil, LY2140023, LY404039, MGS0039, MPEP, 1-aminocyclopropanecarboxylic acid, all of which target this system, have already been brought up, some of them recently. Drugs targeting the glutamatergic system might open up a promising new territory for the development of drugs to meet the needs of patients with major depression.

Calcium-dependent mechanisms and long-term potentiation: Role of NMDA receptors, voltage -dependent calcium channels and persistent protein kinase activity

Long-term potentiation (LTP) is a rapidly induced and long lasting increase in synaptic strength and is the leading cellular model for learning and memory in the mammalian brain. LTP was first identified in the hippocampus, a structure implicated in memory formation. LTP induction is dependent on postsynaptic Ca2+ increases mediated by N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors. Activation of other postsynaptic routes of Ca2+ entry, such as voltage-dependent Ca2+ channels (VDCCs) have subsequently been shown to induce a long-lasting increase in synaptic strength. However, it is unknown if VDCC-induced LTP utilized similar cellular mechanisms as the classical NMDA receptor-dependent LTP and if these two forms of LTP display similar properties. This dissertation determines the similarities and differences in VDCC and NMDA receptor-dependent LTP in area CA1 of hippocampal slices and demonstrates that VDCCs and NMDA receptors activate similar cellular mechanisms, such as protein kinases, to induce LTP. However, VDCC and NMDA receptor activated LTP induction mechanisms are compartmentalized in the postsynaptic neuron, such that they do not interact. Consistent with activation properties of NMDA receptors and VDCCs, NMDA receptor and VDCC-dependent LTP have different induction properties. In contrast to NMDA-dependent LTP, VDCC-induced potentiation does not require evoked presynaptic stimulation or display input specificity. These results indicate that there are two different routes of postsynaptic Ca2+ which can induce LTP and the compartmentation of VDCCs and NMDA receptors and/or their resulting Ca2+ increases may account for the distinction between these LTP induction mechanisms.^ One of the molecular targets for postsynaptic Ca2+ that is required for the induction of LTP is protein kinases. Evidence for the role of protein kinase activity in LTP expression is either correlational or controversial. We have utilized a broad range and potent inhibitors of protein kinases to systematically examine the temporal requirement for protein kinases in the induction and expression of LTP. Our results indicate that there is a critical period of persistent protein kinase activity required for LTP induction activated by tetanic stimulation and extending until 20 min after HFS. In addition, our results suggest that protein kinase activity during and immediately after HFS is not sufficient for LTP induction. These results provide evidence for persistent and/or Ca2+ independent protein kinase activity involvement in LTP induction. ^

Activity differentially regulates the surface expression of synaptic AMPA and NMDA glutamate receptors

Distinct subtypes of glutamate receptors often are colocalized at individual excitatory synapses in the mammalian brain yet appear to subserve distinct functions. To address whether neuronal activity may differentially regulate the surface expression at synapses of two specific subtypes of ionotropic glutamate receptors we epitope-tagged an AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionic acid) receptor subunit (GluR1) and an NMDA (N-methyl-d-aspartate) receptor subunit (NR1) on their extracellular termini and expressed these proteins in cultured hippocampal neurons using recombinant adenoviruses. Both receptor subtypes were appropriately targeted to the synaptic plasma membrane as defined by colocalization with the synaptic vesicle protein synaptophysin. Increasing activity in the network of cultured cells by prolonged blockade of inhibitory synapses with the γ-aminobutyric acid type A receptor antagonist picrotoxin caused an activity-dependent and NMDA receptor-dependent decrease in surface expression of GluR1, but not NR1, at synapses. Consistent with this observation identical treatment of noninfected cultures decreased the contribution of endogenous AMPA receptors to synaptic currents relative to endogenous NMDA receptors. These results indicate that neuronal activity can differentially regulate the surface expression of AMPA and NMDA receptors at individual synapses.

Response-reinforcement learning is dependent on N-methyl-d-aspartate receptor activation in the nucleus accumbens core

The nucleus accumbens, a site within the ventral striatum, is best known for its prominent role in mediating the reinforcing effects of drugs of abuse such as cocaine, alcohol, and nicotine. Indeed, it is generally believed that this structure subserves motivated behaviors, such as feeding, drinking, sexual behavior, and exploratory locomotion, which are elicited by natural rewards or incentive stimuli. A basic rule of positive reinforcement is that motor responses will increase in magnitude and vigor if followed by a rewarding event. It is likely, therefore, that the nucleus accumbens may serve as a substrate for reinforcement learning. However, there is surprisingly little information concerning the neural mechanisms by which appetitive responses are learned. In the present study, we report that treatment of the nucleus accumbens core with the selective competitive N-methyl-d-aspartate (NMDA) antagonist 2-amino-5-phosphonopentanoic acid (AP-5; 5 nmol/0.5 μl bilaterally) impairs response-reinforcement learning in the acquisition of a simple lever-press task to obtain food. Once the rats learned the task, AP-5 had no effect, demonstrating the requirement of NMDA receptor-dependent plasticity in the early stages of learning. Infusion of AP-5 into the accumbens shell produced a much smaller impairment of learning. Additional experiments showed that AP-5 core-treated rats had normal feeding and locomotor responses and were capable of acquiring stimulus-reward associations. We hypothesize that stimulation of NMDA receptors within the accumbens core is a key process through which motor responses become established in response to reinforcing stimuli. Further, this mechanism, may also play a critical role in the motivational and addictive properties of drugs of abuse.

Permeant ion regulation of N-methyl-d-aspartate receptor channel block by Mg2+

Block of the channel of N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptors by external Mg2+ (Mgo2+) has broad implications for the many physiological and pathological processes that depend on NMDA receptor activation. An essential property of channel block by Mgo2+ is its powerful voltage dependence. A widely cited explanation for the strength of the voltage dependence of block is that the Mgo2+-binding site is located deep in the channel of NMDA receptors; Mgo2+ then would sense most of the membrane potential field during block. However, recent electrophysiological and mutagenesis studies suggest that the blocking site cannot be deep enough to account for the voltage dependence of Mgo2+ block. Here we describe the basis for this discrepancy: the magnitude and voltage dependence of channel block by Mgo2+ are strongly regulated by external and internal permeant monovalent cations. Our data support a model in which access to the channel by Mgo2+ is prevented when permeant ion-binding sites at the external entrance to the channel are occupied. Mgo2+ can block the channel only when the permeant ion-binding sites are unoccupied and then can either unblock back to the external solution or permeate the channel. Unblock to the external solution is prevented if external permeant ions bind while Mg2+ blocks the channel, although permeation is still permitted. The model provides an explanation for the strength of the voltage dependence of Mgo2+ block and quantifies the interdependence of permanent and blocking ion binding to NMDA receptors.

Blockade of N-methyl-d-aspartate receptor activation suppresses learning-induced synaptic elimination

Auditory filial imprinting in the domestic chicken is accompanied by a dramatic loss of spine synapses in two higher associative forebrain areas, the mediorostral neostriatum/hyperstriatum ventrale (MNH) and the dorsocaudal neostriatum (Ndc). The cellular mechanisms that underlie this learning-induced synaptic reorganization are unclear. We found that local pharmacological blockade of N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptors in the MNH, a manipulation that has been shown previously to impair auditory imprinting, suppresses the learning-induced spine reduction in this region. Chicks treated with the NMDA receptor antagonist 2-amino-5-phosphonovaleric acid (APV) during the behavioral training for imprinting (postnatal day 0–2) displayed similar spine frequencies at postnatal day 7 as naive control animals, which, in both groups, were significantly higher than in imprinted animals. Because the average dendritic length did not differ between the experimental groups, the reduced spine frequency can be interpreted as a reduction of the total number of spine synapses per neuron. In the Ndc, which is reciprocally connected with the MNH and not directly influenced by the injected drug, learning-induced spine elimination was partly suppressed. Spine frequencies of the APV-treated, behaviorally trained but nonimprinted animals were higher than in the imprinted animals but lower than in the naive animals. These results provide evidence that NMDA receptor activation is required for the learning-induced selective reduction of spine synapses, which may serve as a mechanism of information storage specific for juvenile emotional learning events.

An N-methyl-d-aspartate receptor channel blocker with neuroprotective activity

Excitotoxicity, resulting from sustained activation of glutamate receptors of the N-methyl-d-aspartate (NMDA) subtype, is considered to play a causative role in the etiology of ischemic stroke and several neurodegenerative diseases. The NMDA receptor is therefore a target for the development of neuroprotective agents. Here, we identify an N-benzylated triamine (denoted as NBTA) as a highly selective and potent NMDA-receptor channel blocker selected by screening a reduced dipeptidomimetic synthetic combinatorial library. NBTA blocks recombinant NMDA receptors expressed in Xenopus laevis oocytes with a mean IC50 of 80 nM; in contrast, it does not block GluR1, a glutamate receptor of the non-NMDA subtype. The blocking activity of NBTA on NMDA receptors exhibits the characteristics of an open-channel blocker: (i) no competition with agonists, (ii) voltage dependence, and (iii) use dependence. Significantly, NBTA protects rodent hippocampal neurons from NMDA receptor, but not kainate receptor-mediated excitotoxic cell death, in agreement with its selective action on the corresponding recombinant receptors. Mutagenesis data indicate that the N site, a key asparagine on the M2 transmembrane segment of the NR1 subunit, is the main determinant of the blocker action. The results highlight the potential of this compound as a neuroprotectant.