O papel do sistema adenosinérgico em modelos animais de estresse crónico e depressão

Abstract

A adenosina é um nucleosídeo capaz de modular a neurotransmissão, principalmente a transmissão glutamatérgica, com impacto no processamento da memória. A cafeína, um antagonista não seletivo de recetores de adenosina, melhora a performance mnemónica em doenças neurodegenerativas e, em particular, os antagonistas dos recetores de adenosina A2A (A2AR) mostraram benefícios em modelos animais, modulando a plasticidade sináptica (LTP), resgatando marcadores sinápticos e melhorando o comportamento. Recentemente, tem havido um crescente interesse em compreender o papel da adenosina em distúrbios de humor. A depressão tornar-se-á a maior causa de incapacidade e representa um custo financeiro elevado para muitas economias. Apesar de existir uma gama de antidepressivos disponíveis, a sua eficácia é limitada e os seus efeitos secundários restritivos. Estudos epidemiológicos mostram que o consumo de café (mas não o de bebidas descafeinadas) está inversamente relacionado com a incidência de depressão e suicídio, o que motiva mais estudos que explorem se existe causalidade e que mecanismos subjazem os efeitos benéficos da cafeína. Em estudos pré-clínicos, o antagonismo crónico dos A2AR produz efeitos benéficos mais consistentementes que antagonistas dos outros recetores de adenosina. Neste trabalho, testámos a cafeína e a depleção genética dos A2AR (murganhos knock out (KO)) em modelos animais genéticos e comportamentais (estresse) de distúrbios de humor. Os murganhos H/Rouen (‘helpless mice’) foram gerados seletivamente para alta imobilidade (comportamento de desamparo) no teste do nado forçado, um teste que avalia efeitos antidepressivos. Estes animais apresentaram comportamento tipo depressivo no teste do nado forçado (FST) e no teste da suspensão pela cauda (TST), e prejuízo de memória teste de reconhecimento de objetos (OR). A administração crónica de cafeína (0,3 g/L na bebida, 4 semanas) não reverteu as diferenças comportamentais nos testes FST e TST, mas recuperou a função mnemónica no OR. Coerentemente, os murganhos H/Rouen apresentaram menor densidade de marcadores sinápticos no hipocampo, facto que foi revertido pela toma de cafeína. O estresse crónico imprevisível (CUS), diário, por 3 semanas, em murganhos C57/Bl6, causou prejuízo de memória no teste modificado do labirinto em Y (YM), um aumento do comportamento tipo ansioso (teste do labirinto em cruz elevado, EPM) e do tipo depressivo (FST). Neste modelo comportamental de depressão, os níveis dos recetores A2AR em membranas sinápticas do hipocampo encontrava-se mais elevado do que nos controlos, enquanto os dos recetores A1 se encontravam inalterados, sugerindo um papel relevante dos A2AR na depressão. A supressão genética global dos A2AR (animais KO) preveniu tanto as alterações comportamentais relacionadas com a memória como as relacionadas com o desamparo. É importante notar também que a supressão seletiva de A2AR em neurónios do encéfalo frontal (que inclui o córtex, o hipocampo, e a amígdala) (fb-A2AR-KO) conferiu os mesmos efeitos neuroprotectores e comportamentais, ou seja, bloquear apenas os A2AR neuronais no encéfalo frontal é suficiente para repetir os efeitos do bloqueio global. Uma das hipóteses mais fortes para explicar a disfunção hipocampal é a excitotoxicidade causada pela sobre-activação de recetores de glutamato em neurónios excitatórios. Como os A2AR facilitam a transmissão glutamatérgica, injetámos cainato em murganhos fb-A2AR-KO, causando um estado epilético e morte celular através de excitotoxicidade mediada pelo glutamato. Os murganhos KO apresentaram menor ocorrência de morte celular e menor reatividade glial no hipocampo, o que sugere que a ausência de A2AR em neurónios pode prevenir os défices de memória em estados depressivos através da proteção contra a excitotoxicidade mediada pelo glutamato. Finalmente, foram estudados os efeitos do bloqueio dos A2AR em neurónios dos núcleos basolaterais da amígdala (BLA). A amígdala é fundamental no processamento de respostas emocionais a estímulos externos e encontra-se sobre ativada em indivíduos deprimidos e apresenta arborização dendrítica aumentada em modelos animais de estresse crónico. Nós escolhemos 3 modelos de estresse (estresse físico, derrota social e imobilização; ratos Wistar machos) e testámos memória (YM), comportamento tipo ansioso (EPM) e tipo depressivo (FST). O estresse de imobilização causou alterações comportamentais de forma mais consistente e foi selecionado para a fase seguinte. Nessa fase, injetámos, no BLA de animais posteriormente estressados ou controlos, um vetor lentiviral que codifica RNA de interferência “short hairpin” que diminui a densidade de A2AR em neurónios (shA2AR), ou vírus controlo (shCTR). Animais estressados mostraram défices de memória no YM, comportamento tipo ansioso no EPM, e tipo depressivo no FST. Os animais estressados injetados com shA2AR apresentaram comportamento tipo ansioso e depressivo ao nível dos controlos (i.e., não deprimidos) mas o défice de memória não foi resgatado pela remoção dos A2AR neuronais da amígdala. Os resultados obtidos neste trabalho mostram que os recetores A2A desempenham um importante papel na progressão de duas características da depressão: défice de memória, relacionado com a função do hipocampo, e humor ansioso e deprimido, em grande parte relacionado com a função da amídala. Bloquear os recetores A2A, especialmente em neurónios, mostrou ter efeitos benéficos em ambas as estruturas cerebrais e nos seus efeitos comportamentais, provavelmente de forma independente. A relevância dos recetores de adenosina em outras estruturas cerebrais envolvidas na progressão da depressão deverá também ser estudada de forma a clarificar como o sistema adenosinérgico pode modular as redes neuronais envolvidas em distúrbios de humor.

Adenosine is a nucleoside able to modulate neurotransmission, in particular glutamatergic transmission, and it has been shown to be important in the processing of memory. Caffeine, a non-selective antagonist of adenosine receptors, alleviates memory impairment in neurodegenerative diseases and selective antagonists of adenosine A2A receptors (A2AR), in particular, have proved to be beneficial in animal models, modulating LTP, rescuing synaptic markers and improving memory-related behavior. This ability of caffeine and A2AR antagonists to normalize memory paved a growing interest in other brain dysfunctions associated with synaptic impairment, such as mood disorders. Depression will become the leading cause of disability and it substantially impairs the life of patients and of their families. Moreover, it represents a high socio-economical burden worldwide. Although an array of antidepressants is available, their efficacy is limited, and they have side effects. Epidemiologic studies show that chronic coffee consumption (and not decaffeinated beverages) is inversely related to the incidence of depression and suicide, which prompts further exploring if there is a causal effect and what mechanisms underlie the beneficial effects of caffeine. In pre-clinical studies, the chronic antagonism selectively of A2AR yields beneficial effects more consistently than the antagonism of other adenosine receptors. In this work, we tested the impact of caffeine and genetic depletion of A2AR (knock out (KO) mice) in genetic and behavioral (stress) animal models of mood disorders. The H/Rouen mice (‘helpless mice’) were selectively bred to present higher immobility (despair behavior) in the forced swimming test, a test that assesses antidepressant effects. These animals presented depressive-like behavior in the forced swimming test (FST) and tail suspension test (TST), and memory impairment in the object recognition test (OR). The chronic intake of caffeine (0.3 g/L in drinking water during 4 weeks) did not revert behavior differences in the FST and TST, but did recover memory function in the OR. Accordingly, caffeine intake also reversed the lower density of synaptic markers observed in the hippocampus of ‘helpless’ mice. Chronic unpredictable stress (CUS), applied daily, for 3 weeks, to C57/Bl6 mice, caused both memory impairment in the two-trial Y-maze (YM), increased anxiety- (elevated plus maze, EPM) and depressive-like behavior (FST). In this behavioral model of depression, A2AR levels in synaptic membranes of the hippocampus were higher than controls, while A1 receptor density was unchanged, which suggests a prominent role of A2AR. The genetic KO of A2AR prevented both memory-related and despair-related behavioral changes, as well as the decrease of synaptic markers in the hippocampus. Notably, knocking down A2AR selectively in neurons of the forebrain (which includes the cortex, thehippocampus and the amygdala) (fb-A2AR-KO mice) also afforded the same beneficial effects, showing that the blockade of neuronal A2AR in the forebrain is sufficient to mimic the effects of the global A2AR blockade. One of the strongest hypotheses for the hippocampal dysfunction in depressed individuals and animal models is excitotoxicity caused by over-activation of glutamate receptors in excitatory neurons. Since A2AR facilitate glutamate transmission, we injected kainate (s.c.) in fb-A2AR-KO mice. Kainate triggered convulsions and a subsequent cell death through glutamate-mediated excitotoxicity. Notably, fb-A2AR-KO mice presented a similar intensity of convulsions but a lower occurrence of cell death and lower glial reactivity in the hippocampus; this suggests that the absence of neuronal A2AR prevents memory deficits in depressive states through protection against glutamatemediated excitotoxicity. Finally, the effects of blocking A2AR selectively in neurons of the basolateral nuclei of the amygdala (BLA) were assessed. The amygdala is pivotal in processing emotional responses to external stimuli and is reported to be overactive in depressed individuals and to have increased dendritic arborization in animal chronic stress models. We selected 3 stress models widely used (physical stress, social defeat and immobilization; male Wistar rats) and ran behavioral tests for memory (YM), anxiety-like (EPM) and depressive-like (FST) behavior. Immobilization stress showed the most consistent behavioral changes and was thus selected for the next step. In that step, we injected, into the BLA of stressed and control animals, a lentiviral vector enconding for a short hairpin interference RNA that decreases A2AR availability in neurons (shA2AR), or a control virus (shCTR). Stressed animals displayed memory deficits in the YM, increased anxiety-like behavior in the EPM and increased depressive-like behavior in the FST. The stressed animals treated with shA2AR presented anxiety and depressive-like behavior similar to controls (i.e., non-stressed), but memory impairment was not rescued by the ablation of A2AR in amygdalar neurons. Overall, the data collected in this work show that A2AR play an important role in the progression of two features of depression: impaired memory, related to hippocampal function, and “anxious” and “depressed” mood, more closely related to amygdalar function. Blocking A2AR, especially in neurons, showed beneficial effects in both brain structures and their behavioral outcomes, probably in independent ways. The relevance of adenosine receptors in other brain structures involved in the progression of depression should be studied in order to clarify how the adenosinergic system can modulate the neural networks involved in mood disorders.