Het belang van serotonine in door inspanning geïnduceerde neurogenese bij volwassenen: New Evidence from Tph2-/- Mice

De neurotransmitter serotonine (5-HT) is een bekende modulator van de neurogenese bij volwassenen. In de afgelopen tien jaar hebben verschillende onderzoekslijnen met farmacologische verhoging van 5-HT niveaus, depletie van serotonerge neuronen en directe activatie van 5-HT receptoren consistent aangetoond dat 5-HT de productie van nieuwe neuronen kan verhogen in prominente neurogene niches in de hersenen, waaronder de dentate gyrus (DG) van de hippocampus (Doze en Perez, 2012). Dit effect van 5-HT wordt ook geacht een belangrijke functionele betekenis te hebben. De meeste antidepressiva richten zich op de monoaminerge systemen, waardoor de neurogenese in de hippocampus toeneemt, en verminderde neurogenese komt vaak voor bij patiënten die lijden aan depressieve stoornissen (MDD) (Dranovsky en Hen, 2006).

Lichamelijke oefening is een andere belangrijke neurogene stimulans, waarvan is aangetoond dat het positieve effecten heeft op stemming, leren en geheugen bij mensen, zowel jong als oud, en bij knaagdieren. Er is momenteel grote belangstelling voor deze effecten en hun mogelijke implicaties voor de preventie en behandeling van de ziekte van Alzheimer en vergelijkbare pathologieën (van Praag, 2009; Hötting en Röder, 2013). De literatuur over lichaamsbeweging bij muizen is omvangrijk en omvat talrijke verschillende protocollen, waarvan het vrijwillig lopen op een wiel een van de meest gebruikte is. Deze taak is in verband gebracht met verhoogde neurogenese in de DG, evenals verbeterde prestaties in ruimtelijk leren en contextuele geheugenconsolidatie paradigma’s (van Praag, 2009).

Naast neurogenese, kunnen ook andere veranderingen in het CZS worden waargenomen als reactie op lichamelijke inspanning. Synaptogenese en angiogenese worden geïnduceerd, waarschijnlijk als gevolg van een verhoogde productie en afgifte van brain-derived neurotrophic factor (BDNF) en insuline-achtige groeifactor-1 (IGF-1). Het meest opmerkelijk is echter dat de beschikbaarheid van neurotransmitters ook door inspanning wordt gemoduleerd. De basale niveaus van monoamines zoals 5-HT en noradrenaline nemen toe in de hersenen van knaagdieren die aan wielrennen doen (Lista en Sorrentino, 2010). In het licht van de vele verbanden die in de recente literatuur zijn beschreven, wordt 5-HT beschouwd als een van de kandidaat-moleculen om lichaamsbeweging rechtstreeks in verband te brengen met neurogenese. Tot voor kort bleef echter de vraag of het neurogene effect van hardlopen afhankelijk is van 5-HT productie onbesproken. In een artikel gepubliceerd in The Journal of Neuroscience, trachtten Klempin et al. (2013) deze vraag te beantwoorden met behulp van muizen die tryptofaanhydroxylase type 2 (Tph2-/-) missen, het snelheidsbeperkende enzym in de 5-HT productie in het CZS.

Tph2-/- muizen werden voor het eerst ontwikkeld in 2008, bijna gelijktijdig door drie onafhankelijke groepen, en zij vertonen een volledig verlies van 5-HT in de hersenen (Gutknecht et al., 2008; Savelieva et al., 2008; Alenina et al., 2009). Ondanks het tekort aan de neurotransmitter, bleken de serotonerge vezels morfologisch onveranderd te zijn in deze dieren (Gutknecht et al., 2008). Het is ook opmerkelijk dat Tph2-/- muizen visueel niet te onderscheiden zijn van controle nestgenoten, maar wel veranderingen vertonen in de postnatale ontwikkeling, waaronder tragere groei, tragere gewichtstoename en gedragsveranderingen, zoals verhoogde agressiviteit. De hersenmorfologie is echter normaal, en Tph2-/- dieren zijn vruchtbaar (Alenina et al., 2009).

Met behulp van de S-fase mitosemarker broomodeoxyuridine (5-broom-2′-deoxyuridine, BrdU) toonden Klempin et al. aanvankelijk aan dat Tph2-/- muizen geen significante veranderingen vertoonden in het totale aantal prolifererende cellen in de DG van de hippocampus, vergeleken met wild-type dieren. Deze bevinding is onverwacht, omdat verschillende auteurs hebben aangetoond dat partiële laesies aan de raphe kernen, en de daaruit voortvloeiende vermindering van serotonerge neuronen, resulteren in verminderde hippocampale neurogenese (Doze en Perez, 2012). Klempin et al. (2013) concluderen dat het waarschijnlijk gaat om compenserende veranderingen tijdens de ontwikkeling van deze knock-out dieren, die de effecten van het gebrek aan 5-HT op de normale neurogenese compenseren. Niettemin, toen Tph2-/- muizen en hun wild-type nestgenoten zich mochten bezighouden met vrijwillig wiellopen, kwam er een interessant verschil aan het licht. Zoals verwacht, vertoonden de wild-type muizen na een periode van 6 dagen met onbeperkte toegang tot een loopwiel een robuuste toename in neurogenese vergeleken met sedentaire controles. Tph2-/- muizen daarentegen vertoonden geen significante toename in neurogenese door inspanning. Zoals beargumenteerd door de auteurs, suggereert deze observatie een cruciale rol van 5-HT in oefening-geïnduceerde neurogenese, omdat geen andere mechanismen compenseerden voor de afwezigheid ervan tijdens de hardloopperiode.

Naast het duidelijke serotonerge tekort, toonden Gutknecht et al. (2012) toonden recent aan dat Tph2-/- muizen aanzienlijke reducties hebben in noradrenaline niveaus in verschillende regio’s van de hersenen, zoals de rostrale raphe (28,3% reductie), de hippocampus (38,6% reductie), en de locus coeruleus (33,8% reductie). Deze observatie zou relevant kunnen zijn voor het gebrek aan inspanningsgeïnduceerde neurogenese gerapporteerd door Klempin et al. (2013). Parallellen tussen het serotonerge en noradrenerge systeem zijn goed vastgesteld in de literatuur, vooral in pathologieën zoals MDD, waar 5-HT/noradrenaline heropname remmers (SSRI’s) veelvuldig worden gebruikt. Het belangrijkste is dat DG neurogenese positief gemoduleerd kan worden door noradrenaline in een vergelijkbare mate als door 5-HT. Noradrenerge terminals zijn overvloedig aanwezig in de DG, en uitputting ervan door lesie van de locus coeruleus resulteert in een significante vermindering van neurogenese bij knaagdieren, vergelijkbaar met wat wordt gezien na verlies van serotonerge terminals (Dranovsky en Hen, 2006).

Dopamine niveaus zijn ook significant verlaagd in de hippocampus van Tph2-/- muizen (71,9% vermindering) (Gutknecht et al., 2012). Relatief weinig studies hebben de deelname van dopamine aan neurogenese bij volwassenen onderzocht, en de studies die dat wel hebben gedaan, hebben tegenstrijdige resultaten opgeleverd. Recent werd echter opgemerkt dat deze neurotransmitter betrokken kan zijn bij de controle van de proliferatie van progenitorcellen in de DG (Doze en Perez, 2012) en bijgevolg zouden schommelingen in de dopamine niveaus in de hippocampus een rol kunnen spelen in de resultaten gerapporteerd door Klempin et al.

De proliferatie en het daaropvolgende lot van progenitorcellen in de DG van wild-type en Tph2-/- muizen met of zonder toegang tot een loopwiel werd ook onderzocht door Klempin et al. Met behulp van GFAP, DCX, en SOX2 labeling, vonden de auteurs dat er een vergelijkbaar aantal rustende, GFAP+ progenitorcellen (bekend als type 1 cellen), in de DG van alle geteste groepen waren. Echter, prolifererende, SOX2+ en DCX+ progenitors (bekend als type 2a en type 2b/3 cellen, respectievelijk) waren significant toegenomen bij wild-type muizen na het hardlopen, maar niet bij Tph2-/- nestgenoten. Een toename in basale niveaus van type 2a cellen werd ook waargenomen bij Tph2-/- dieren in vergelijking met wild-type controles. Verdere labeling van de cellen voor caspase-3, een marker van apoptose, toonde aan dat het aantal caspase3+/SOX2+ cellen verhoogd was bij knock-out dieren. Samen leidden deze gegevens tot de conclusie dat blijvende veranderingen in de snelheid van proliferatie en apoptose van DG progenitors plaats vinden in afwezigheid van 5-HT. Verhoogde proliferatie van SOX2+ progenitors leek de basale neurogenese van knock-out dieren op normale niveaus te houden, en dit ging gepaard met een toename van het aantal apoptotische cellen. Wanneer ze echter werden onderworpen aan de effecten van lichaamsbeweging, kon de progenitorcelpool blijkbaar niet verder toenemen zonder 5-HT, en de neurogeneseniveaus in Tph2-/- dieren stegen niet.

Ten slotte meldden Klempin en collega’s een grote toename van het aantal geactiveerde microglia in zowel wild-type als knock-out dieren na lichaamsbeweging. Dit effect bleek significant groter te zijn bij Tph2-/- muizen. Omdat een dergelijke toename van microgliose een bekend gevolg is van lichamelijke activiteit, schrijven de auteurs dit verschil tussen genotypes volledig toe aan de toegenomen apoptose van progenitorcellen die bij knock-outs wordt gezien. Het is echter belangrijk op te merken dat 5-HT een belangrijk anti-inflammatoir effect kan hebben op microglia. Recent werk met SSRI’s heeft aangetoond dat deze geneesmiddelen in staat zijn om de microgliale reacties op bepaalde ontstekingsstimuli te onderdrukken, mogelijk via een proteïne kinase A (PKA)-afhankelijk mechanisme (Tynan et al., 2012). De grotere toename van microglia gezien in Tph2-/- muizen zou dus tot op zekere hoogte gerelateerd kunnen zijn aan een gebrek aan 5-HT-gemedieerde microgliale onderdrukking. Daarnaast kunnen veranderingen in microgliale proliferatie en activeringstoestand ook nauw samenhangen met de activiteit van DG progenitors in reactie op inspanning, zoals recent gerapporteerd door Vukovic en collega’s (2012). Klempin et al. (2013) maakt interessante en veelbelovende punten voor de toekomst, en het Tph2-/- muismodel blijft een waardevol instrument voor de studie van 5-HT in de hersenen. Als een mediator van oefening-geïnduceerde volwassen neurogenese, kan 5-HT een oud doelwit zijn voor nieuwe benaderingen van heersende CNS-pathologieën, zoals MDD.

↵

↵

1. Gutknecht L,
2. Waider J,
3. Kraft S,
4. Kriegebaum C,
5. Holtmann B,
6. Reif A,
7. Schmitt A,
8. Lesch KP

(2008) Deficiëntie van de synthese van 5-HT in de hersenen maar vorming van serotonerge neuronen in Tph2 knock-out muizen. J Neural Transm 115:1127-1132, doi:10.1007/s00702-008-0096-6, pmid:18665319.

↵

1. Gutknecht L,
2. Araragi N,
3. Merker S,
4. Waider J,
5. Sommerlandt FMJ,
6. Mlinar B,
7. Baccini G,
8. Mayer U,
9. Proft F,
10. Hamon M,
11. Schmitt AG,
12. Corradetti R,
13. Lanfumey L,
14. Lesch KP

(2012) Impacts of brain serotonin deficiency following Tph2 inactivation on development and raphe neuron serotonergic specification. PLoS One 7:e43157, doi:10.1371/journal.pone.0043157, pmid:22912815.

↵

↵

1. Klempin F,
2. Beis D,
3. Mosienko V,
4. Kempermann G,
5. Bader M,
6. Alenina N

(2013) Serotonine is vereist voor oefening-geïnduceerde volwassen hippocampale neurogenese. J Neurosci 33:8270-8275, doi:10.1523/JNEUROSCI.5855-12.2013, pmid:23658167.

↵

1. Lista I,
2. Sorrentino G

(2010) Biological mechanisms of physical activity in preventing cognitive decline. Cell Mol Neurobiol 30:493-503, doi:10.1007/s10571-009-9488-x, pmid:20041290.

↵

1. Savelieva KV,
2. Zhao S,
3. Pogorelov VM,
4. Rajan I,
5. Yang Q,
6. Cullinan E,
7. Lanthorn TH

(2008) Genetische verstoring van beide tryptofaan hydroxylase genen vermindert drastisch serotonine en beïnvloedt gedrag in modellen die gevoelig zijn voor antidepressiva. PLoS One 3:e3301, doi:10.1371/journal.pone.0003301, pmid:18923670.

↵

1. Tynan RJ,
2. Weidenhofer J,
3. Hinwood M,
4. Cairns MJ,
5. Day Ta,
6. Walker FR

(2012) A comparative examination of the anti-inflammatory effects of SSRI and SNRI antidepressants on LPS stimulated microglia. Brain Behav Immun 26:469-479, doi:10.1016/j.bbi.2011.12.011, pmid:22251606.

↵

1. van Praag H

(2009) Exercise and the brain: something to chew on. Trends Neurosci 32:283-290, doi:10.1016/j.tins.2008.12.007, pmid:19349082.

↵

1. Vukovic J,
2. Colditz MJ,
3. Blackmore DG,
4. Ruitenberg MJ,
5. Bartlett PF

(2012) Microglia modulate hippocampal neural precursor activity in response to exercise and aging. J Neurosci 32:6435-6443, doi:10.1523/JNEUROSCI.5925-11.2012, pmid:22573666.