EFFECT OF EXPERIMENTAL HEPATIC ENCEPHALOPATHY ON STRIATAL AND CORTICAL GLUTAMATERGIC MODULATION OF DOPAMINERGIC NEUROTRANSMISSION

Abstract

Maksan toiminnan äkillinen tai krooninen toiminnanvajaus aiheuttaa hepaattisen enkefalopatian. Siihen liittyy veriplasman ja aivojen ammoniakkipitoisuuden lisääntyminen ja neurologisia oireita, kuten jäykkyyttä ja vapinaa. Vaikka sairauden aiheuttamat biokemialliset muutokset ja neurologiset oireet tunnetaankin melko hyvin, niin tilan syntymekanismi on edelleen epäselvä. Hepaattisen enkefalopatian pääoireiden, motoristen häiriöiden arvellaan aiheutuvan dopamiinivälitteisen hermojärjestelmän heikentyneestä toiminnasta. Terveissä aivoissa dopamiinin vapautumista aivojuoviosta säätelevät kiihottavat glutamatergiset hermosäikeet. On arveltu, että motoriset häiriöt hepaattisessa enkefalopatiassa johtuisivat siitä, että tämä glutamaterginen säätely ei toimi normaalisti.

Tutkimuksessa rotille aiheutettiin kokeellinen hepaattinen enkefalopatia antamalla maksamyrkkyä, tioasetamidia. Rottien aivot tutkittiin prekoomavaiheessa. Radioaktiivisesti merkityn dopamiinin vapautuminen aivoleikkeistä mitattiin superfuusiolaitteistossa. Endogeenisen dopamiinin ja sen aineenvaihduntatuotteiden vapautuminen määritettiin aivojen mikrodialyysin avulla ja aineet erotettiin toisistaan korkeapaineisella nestekromatografialla. Glutamaattireseptorien ilmaantuminen kudoksissa tutkittiin spesifisten DNA-koettimien avulla. Kaikkien ionivirtoja säätelevien glutamaattireseptorien toimintaa luonnehdittiin kokeissa, joissa mitattiin spesifisten radioaktiivisten ligandien sitoutumista reseptoreihin.

Hepaattinen enkefalopatia inhiboi N-metyyli-D-aspartaatin ja kainaatin stimuloimaa dopamiinin vapautumista aivojuoviosta tehdyissä leikkeissä ja lisäsi kalium-ionien indusoimaan vapautumista sekä aivojuoviossa että isoaivokuoressa. Nämä muutokset aiheutuivat osittain vastaavien glutamaattireseptorien toiminnassa tapahtuneista muutoksista.

Kokeet, joissa tutkittiin kalsiumista-riippuvaa dopamiinin vapautumista, osoittivat, että hepaattinen enkefalopatia vaikuttaa eri tavoin sytoplasmasta ja synapsirakkuloista tapahtuvaan dopamiinin vapautumiseen. Sairaudessa synapsirakkuloista tapahtuva vapautuminen häiriytyy, vaikkakaan näin ei ole asian laita in vitro tehdyissä kokeissa.

Saavutetut tulokset osoittavat, että hepaattisessa enkefalopatiassa tapahtuvat muutokset dopamiinin vapautumisessa synapseissa todella liittyvät havaittuihin oireisiin, lihasjäykkyyteen ja vapinaan, ja ne taas aiheutuvat muutoksista. joita tapahtuu glutamatergisessä dopamiinihermojärjestelmän säätelyssä. Löydöksillä on merkitystä tulevissa sairauden hoitoyrityksissä, joissa pyritään vaikuttamaan lääkkeiden avulla glutamaattireseptorien toimintaan.

Acute or chronic hepatic failure leads to a syndrome called hepatic encephalopathy. It is related to the increased blood and brain ammonia and is characterized by extrapyramidal symptoms including rigidity and tremor. Although a lot is known about the neurological and biochemical changes in this disorder, the pathogenesis of hepatic encephalopathy is still unclear. However, the major symptoms of hepatic encephalopathy, motor abnormalities, are thought to reflect depression of the striatal dopaminergic system. In the healthy brain the striatal release of dopamine is modulated by the excitatory glutamatergic input. It suggests a hypothesis that the extrapyramidal symptoms of hepatic encephalopathy may be associated with an impaired glutamatergic modulation of striatal dopamine release.

In this study the experimental acute hepatic encephalopathy model was provoked in rats by administration of a hepatotoxin, thioacetamide. The brains of the rats were subjected to analyses at the precomatose stage. The release of exogenous preloaded radioactive dopamine from brain slices was assayed in a superfusion system in vitro. The release of endogenous dopamine and dopamine metabolites was studied in vivo by brain microdialysis, followed by a high-pressure liquid chromatography of the effluent fractions. The expression of different subtypes of glutamate receptors was investigated using specific cDNA probes in in situ hybridization experiments. The functional properties of all known classes of ionotropic glutamate receptors are studied in experiments in which the binding of the specific radioligands to the receptors was determined under different experimental conditions in vitro. In this study experimental hepatic encephalopathy inhibited the N-methyl-D-aspartate- and kainate-induced dopamine release from striatal slices and enhanced the high-K+-evoked dopamine release from striatal and frontal cortical slices. These effects may partly stem from the alternations in the binding of ligands to ionotropic glutamate receptors.

The experiments on Ca2+-dependent dopamine release showed that hepatic encephalopathy differently affects dopamine release from the vesicular and cytoplasmic pools. This indicates that the disease interferes with the exocytotic release mechanisms. Otherwise, the N-methyl-D-aspartate- and high-K+-stimulated dopamine release was not significantly decreased in hepatic encephalopathy in tissue slices. It suggests that the release mechanisms are not disturbed in in vitro conditions.

In general, the present results demonstrate that experimental hepatic encephalopathy-evoked changes in the stimulated release of dopamine and its metabolites, thought to be involved in the extrapyramidal symptoms (rigidity and tremor) of this disease, are associated with changes in the glutamatergic regulation of dopaminergic neurotransmission. This opens a field for future attempts to treat encephalopatic symptoms with pharmacological manipulations of the glutamate receptors.