Impact of methamphetamine on the neuron-astrocyte glutamatergic cross-talk

Abstract

Methamphetamine (METH) use could lead to addiction, paranoid schizophrenia-like symptoms, attention and memory deficits, learning problems and compromised decision making. We and others showed that methamphetamine induces an aberrant striatal dopaminergic transmission. Additionally, our group demonstrated that the glutamatergic system is altered following METH exposure. The brain glutamatergic regulation is intimately related to the glutamate-glutamine cycle between neurons and astrocytes. The effect of METH on this neuron-astrocyte cross-talk is not understood. The aim of this work was to assess the impact of a single-high dose of METH on astrocyte-related glutamatergic function in rodents by evaluating the following markers: i) the glutamine/glutamate ratio; ii) glutamine synthetase (GS), an astrocytic enzyme which recycles synaptic glutamate; iii) glial fibrillary acidic protein (GFAP), a structural astrocytic protein. Adult C57BL/6 mice (3-4 month-old) were sacrificed 4, 24 and 72h following a single-dose regimen of METH (30 mg.kg-1 intraperitoneal). Caudate-putamen, frontal cortex and hippocampus were dissected for the analysis of glutamate (GLU), glutamine (GLN) and glutamine/glutamate ratio, GS and GFAP. Aminoacids were evaluated by HPLC-ED, whereas protein expression levels were assessed by Western blot. METH treatment evoked an increase in striatal glutamine/glutamate ratio at 72 h, and also a two-fold increase of GFAP and GS expression at this time-point. Frontal cortex exhibited an increase in glutamine/glutamate ratio at 24 h when compared to 4 h and a 3-fold increase in GS expression at 72 h comparing to control. Frontal cortex and hippocampus showed an early 50-60% increase in GFAP expression at 24 h that remained overexpressed at 72 h in frontal cortex. Although hippocampal glutamine/glutamate ratio at 4 h was different from control and 24 h, GS expression remained unchanged throughout the 3 studied time-points. Our results suggest that this METH regimen produced astrogliosis in all tested regions and that astrocytes play a role on glutamatergic neurotransmission disorder.

O consumo de metanfetamina (METH) pode induzir dependência, comportamentos paranóicos/esquizofrénicos, deficits de atenção e memória, problemas de aprendizagem e compromisso da tomada de decisões. Diversos grupos, incluindo o nosso, demonstraram que a metanfetamina provoca alterações significativas na transmissão dopaminérgica no estriado, bem como modificações no sistema glutamatérgico após exposição a esta droga. A regulação cerebral glutamatérgica está intimamente relacionada com o ciclo glutamato-glutamina entre neurónios e astrócitos. O efeito da metanfetamina neste “diálogo” não é conhecido. O objectivo deste trabalho foi estudar o impacto da administração de uma dose única de metanfetamina na transmissão glutamatérgica em roedores, com avaliação dos seguintes parâmetros: i) razão glutamina/glutamato; ii) glutamina sintetase (GS), uma enzima astrocitária envolvida na reciclagem do glutamato libertado na fenda sináptica e iii) glial fibrillary acidic protein (GFAP), uma proteína astrocitária estrutural. Murganhos adultos C57BL/6 (3-4 meses de idade) foram sacrificados às 4, 24 e 72h após dose única de METH (30 mgkg-1 intraperitoneal). O caudato-putamen, córtex frontal e hipocampo foram removidos para análise dos níveis de glutamato e glutamina, da razão glutamina/glutamato e também para estudar a expressão das proteínas GS e GFAP. Os aminoácidos foram avaliados pela técnica de cromatografia HPLC-ED, enquanto os níveis de expressão proteica foram obtidos pela técnica de Western blot. A administração de METH induziu um acréscimo da razão glutamina/glutamato striatal às 72 h, bem como uma duplicação da expressão das proteínas GFAP e GS neste mesmo período. No córtex frontal verificou-se um aumento da razão glutamina/glutamato às 24h, comparativamente às 4 h, e um aumento triplo da expressão da GS às 72h, quando comparado com o controlo. Ainda nesta área e no hipocampo verificámos um aumento precoce de 50-60% na expressão do GFAP às 24 h e mantido às 72h no córtex frontal. Embora a razão glutamina/glutamato no hipocampo às 4 h tenha sido estatisticamente diferente do controlo e das 24 h, a expressão da GS permaneceu inalterada nos 3 períodos estudados. Os nossos resultados sugeriram que este regime de administração de metanfetamina produziu astrogliose em todas as áreas estudadas e que os astrócitos desempenham um papel importante na disfunção da transmissão glutamatérgica.