LAB&LAJF

Adam Płaźnik

/

Nowe fakty dotyczące ketaminy

Najbardziej jednak mocnych argumentów na rzecz roli układu glutaminianergicznego w depresji dostarczają wyniki badań nad mechanizmem działania ketaminy. Pisałem na ten temat już dwukrotnie, omawiając bardzo ciekawe, ale jednak drobiazgowe i jednostronnie ukierunkowane badania przedkliniczne. Tym razem postaram się o bardziej całościowe spojrzenie, włącznie z przedstawieniem aktualnych koncepcji jej działania terapeutycznego.

Powstało wiele prac na ten temat. Jednym z najbardziej interesujących opracowań, moim zdaniem, jest praca Sattar Y. i wsp., A Review of the Mechanism of Antagonism of N-methyl- D-aspartate Receptor by Ketamine in Treatment-resistant Depression. Cureus 10(5): e2652. DOI 10.7759/cureus.2652). (Reszta piśmiennictwa u autora).

Zarejestrowana w 1970 r. przez FDA jako środek do anestezji ogólnej, ketamina blokuje rec. NMDA. Jest aktywna przeciwdepresyjnie podana doustnie, i.v. i do-nosowo. Efekt przeciwdepresyjny jest złożony i dotyczy czynności kory przedczołowej, hipokampa i systemu limbicznego. Ketamina powoduje wzrost poziomu glutaminianu w mózgu (niskie dawki ketaminy – sub-anestetyczne) spowodowały znaczny wzrost glutaminianu w środkowej korze przedczołowej szczurów, a także w przedniej części kory zakrętu u ludzi), obniża poziom IL-1 i 6, hamuje kinazę syntazy glikogenu, pobudza synaptogenezę przez szlak rapamycyna-kinaza mTOR, zwiększa stężenie czynnika troficznego BDNF oraz eIF2 – eukariotycznego czynnik inicjacji translacji 2 (ang. eukaryoticinitiationfactor 2) – białko, które bierze udział w inicjacji translacji (biosyntezy białek w komórkach). Ketamina jest niekompetytywnym antagonistą NMDA o częściowym powinowactwie, blokuje kanał jonowy (CA2+) i hamuje częstotliwość jego otwarcia.

Tak więc, chociaż dawki znieczulające ketaminy blokują transmisję glutaminergiczną, dawki subanestetyczne mają działanie stymulujące. Ketamina działa na wiele celów farmakologicznych, do których należą receptory (np. NMDA, AMPA i opioidowe) i kanały jonowe (np. kanał wapniowy zależny od napięcia typu L, kanał sodowy zależny od napięcia i cAMP, aktywowany hyperpolaryzacją). Precyzyjniej mówiąc, ketamina jest niekonkurencyjnym i zależnym od napięcia antagonistą, który w równym stopniu blokuje receptory NMDA zawierające podjednostki GluN2A i GluN2B. Odpowiedź komórkowa wywołana przez to działanie blokujące wskazuje, że receptor NMDA jest ciągle tonicznie aktywny. W odniesieniu do receptora AMPA dane eksperymentalne potwierdzają, że jego aktywacja podtrzymuje wzmocnienie synaptyczne, jak i wiąże się z szybkim i trwałym działaniem przeciwdepresyjnym ketaminy lub jej metabolitów. Wykazano także, że antagonizm receptora AMPA znosi działanie przeciwdepresyjne ketaminy i jej metabolitów, natomiast agonizm tego receptora może nasilać jej efekt przeciwdepresyjny (badania przedkliniczne).

Antagonizm rec. NMDA, w którym pośredniczy ketamina, i jego wpływ na synapsy pobudzające w obszarach kortyko-limbicznych można wytłumaczyć 2 hipotezami. Pierwsza hipoteza zakłada, że ketamina selektywnie antagonizuje receptory NMDA w hamujących inter-neuronach korowych, co powoduje pośrednie wzbudzenie neuronów piramidalnych, a następnie wzrost aktywności synaps glutaminergicznych w tych neuronach (dysinhibicja). Druga hipoteza sugeruje bezpośredni antagonizm receptorów NMDA w neuronach piramidowych, które są następnie tonicznie aktywowane przez zewnątrzkomórkowy glutaminian (uwalniany w reakcji na blokadę rec. NMDA), tym samym wzmacniając synapsy pobudzające.

Dlaczego działanie pobudzające netto układu glutaminianergicznego jest tak ważne z punktu widzenia efektu klinicznego? Można przypuszczać, że wiąże się to z istotną rolą fizjologiczną kwasu glutaminowego w aktywacji czynności mózgu, w tym kory przedczołowej (w depresji dochodzi do jej hypofunkcji) i tworzenia nowych połączeń synaptycznych oraz utrwalania śladów pamięciowych zaburzanych w depresji (podwyższony poziom kortyzolu w depresji ma silne działanie neurotoksyczne i hamujące uczenie/pamięć). Na przykład, memantyna z racji tego, że jest słabym antagonistą allosterycznym rec. NMDA, pozwala na utrzymanie tonicznej aktywacji układu glutaminianergicznego (np. podtrzymanie zjawiska LTP – long-term potentiation, elektrofizjologiczny odpowiednik śladu pamięciowego) oraz zapobiega efektom jego nadmiernego pobudzenia i skutkom wysokich poziomów glutaminianu (ryzyko neurotoksyczności). Dlatego jest skuteczna w chorobie Alzheimera.

Według kolejnej koncepcji, zaburzenia afektywne wynikają ze spadku połączeń synaptycznych między korą przedczołową a hipokampami oraz osłabienia LTP. Wiadomo, że stres i depresja powodują atrofię neuronów piramidowych w korze przedczołowej, spadek ilości kolców dendrytycznych w synapsach i spadek EPSPs (excitatory postsynaptic potentials) w hipokampach. Natomiast ketamina osłabia objawy depresji oraz długotrwale nasila uwalnianie BDNF, LTP i drogę sygnałową mTOR (kinaza białkowa związana z regulacją wzrostu komórki, procesami transkrypcji i translacji białek).

Wiele danych wskazuje na obniżone poziomy BDNF w korze przedczołowej i hipokampach w depresji. Badania kliniczne pokazały, że u większości pacjentów z depresją, którzy otrzymali jednorazowo ketaminę, wystąpił wyraźny wzrost poziomu BDNF w osoczu 240 min po infuzji. Wzrost BDNF korelował ze spadkiem punktacji w skali depresji Montgomery-Asberg. Pojedyncze badanie wskazało także, że podanie obwodowe BDNF osłabiało symptomy depresji. Wzrost BDNF w hipokampach wiąże się z dwoma mechanizmami: pierwsza droga do zwiększonej translacji BDNF wynika z defosforylacji eukariotycznego czynnika wydłużenia translacji (eEF2). Ketamina hamuje spontaniczne miniaturowe prądy pobudzające za pośrednictwem receptora NMDA (NMDA-mEPSC), powodując spadek aktywności kinazy eEF2, później spadek fosforylacji eEF2 i wzrost defosforylacji. W rezultacie następuje szybki wzrost ekspresji BDNF. Drugim szlakiem, który zwiększa poziomy BDNF, jest fosforylacja kinazy białkowej aktywowanej cAMP, prowadząca do nasilenia translacji BDNF. Zwiększone uwalnianie BDNF z neuronów postsynaptycznych i dendrytów poprawia funkcję presynaptyczną, nasilając plastyczność mózgu.

W tym miejscu chciałbym przypomnieć, co wcześniej pisałem w Psychiatrze na ten temat (R.N. Moda-Sawa i wsp., Sustainedrescue of prefrontal circuit dysfunction by antidepressant-induced spine formation, Science 364,147, 12 April 2019). Na przykładzie opisanego poniżej doświadczenia można lepiej zrozumieć mechanizmy działania ketaminy. Chronicznie podawany kortykosteron w wodzie do picia lub sesje unieruchomienia, powodowały zmiany w zachowaniu myszy świadczące o ich reakcjach depresyjno-podobnych, w teście uniesionego labiryntu krzyżowego, zawieszenia za ogon czy preferencji roztworu cukru. Jednocześnie obserwowano zmniejszenie gęstości kolców dendrytycznych w korze przedczołowej. Jednorazowe podanie ketaminy wyraźnie osłabiało objawy depresyjno-podobne oraz w ciągu 24 godzin zwiększało powstawanie nowych kolców dendrytycznych (o około 17%), w porównaniu z grupą kontrolną po podaniu rozpuszczalnika. Istotną obserwacją było to, że ketamina przywracała około 30% synaps w tych samych miejscach dendrytów, z których synapsy znikały w wyniku działania stresu. Chronicznie podawany kortykosteron wyraźnie hamował skorelowaną aktywność neuronów, a ketamina wciągu 24 godzin przywracała tą aktywność do poziomu kontrolnego. Aby potwierdzić związek między zmianami w ekspresji kolców dendrytycznych oraz aktywności prądów wapniowych z efektami przeciwdepresyjnymi ketaminy, przeprowadzono taki sam eksperyment podczas wykonywania testu zawieszenia myszy (tail suspension test – TST, odmiana testu Porsolta). Aktywność neuronów PFC była nasilona podczas wykonywania testu. Okresy wzmożonej aktywności korelowały ze zwiększonym przepływem jonów wapnia. Chronicznie stosowany kortykosteron hamował aktywność PFC podczas testu, a ketamina przywracała jej czynność do wartości bliskich kontrolnym. Testy przeprowadzone 2 dni po podaniu ketaminy wykazały, że eliminacja kolców dendrytycznych (manipulacja genetyczna) blokowała wpływ ketaminy na prądy wapniowe w PFC oraz przeciwdepresyjny wpływ na zachowanie myszy w modelu TST. W innym, z kolei, badaniu CMS (chronic mildstress procedure) znacząco redukował zarówno podstawowe jak i depolaryzacyjne wydzielanie kwasu glutaminowego. Ketamina podawana (10 mg/kg) 24 godziny przed zakończeniem CMS, przywracała uwalnianie kwasu glutaminowego. Ketamina jednocześnie przywróciła zachowanie hedoniczne (picie słodkich roztworów), blokowała zanik dendrytów i nasilała ruch BDNF mRNA w dendrytach – zjawisko występujące także po lekach przeciwdepresyjnych i wysiłku fizycznym. Odkrycia te są zgodne z poglądem, że szybkie uwalnianie BDNF jest wymagane do wystąpienia działania przeciwdepresyjnego ketaminy.

Rola drogi sygnałowej TOR

Szlak transdukcji sygnału kinazy mTORw neuronach jest kluczowy dla wzrostu i proliferacji komórek, i dla neuronalnej aktywności synaptycznej. Pacjenci z depresją mają niską aktywność mTOR i osłabioną stymulację neuronów, co, zdaniem niektórych, związane jest z nasileniem objawów depresyjnych. Jednym z proponowanych mechanizmów szybkiego działania przeciwdepresyjnego ketaminy jest wpływ na szlak kinazy mTOR w korze przedczołowej, prowadzący do zwiększenia wewnątrzkomórkowej syntezy białek, w tym związanych z synaptogenezą. Ketamina po związaniu z rec. NMDA, szybko aktywuje szlak mTOR i powoduje wzrost poziomu sygnałowych białek synaptycznych. Zwiększa także ilość nowych synaps na kolcach dendrytycznych (poprzez syntezę białek związanych z synapsą) oraz poprawia ich funkcję i łączność w korze przedczołowej, odwracając w ten sposób deficyty spowodowane depresją lub stresem. Niektóre badania na gryzoniach wykazały, że działanie przeciwdepresyjne i synaptogeneza indukowana przez ketaminę, jest hamowane po podaniu rapamycyny (inhibitor mTOR). Ketamina tą drogą powoduje także wzrost translacji BDNF i większą syntezę białek w synapsach neuronalnych, zarówno w hipokampach, jak i korze przedczołowej. Ten wzrost BDNF i innych białek pomaga w tworzeniu nowych synaps oraz ich dojrzewaniu i funkcjonowaniu.

W podsumowaniu tej części należy podkreślić, że jednym z uderzających efektów działania ketaminy w badaniach przedklinicznych jest jej zdolność do szybkiego (w ciągu 24 godzin od podania) odtworzenia arboryzacji dendrytycznej i gęstości kolców synaptycznych zmniejszonych przez chroniczny stres. Jest to efekt obserwowany również po tradycyjnych antydepresantach, ale po kilku tygodniach leczenia. Efekt ten zbiega się w czasie ze szczytem działania antydepresyjnego ketaminy (24 godziny) i jest uważany za istotny dla jej działania terapeutycznego.

Rola prostowniczego kanału prądu potasowego Kir 4.1

W ostatnich latach pojawił się kolejny interesujący aspekt działania ketaminy w o.u.n. Dotyczy on roli tzw. prostowniczych kanałów potasowych w astrocytach, szczególnie zlokalizowanych w jądrach bocznych uzdeczki (LHb) (Yan Yang i wsp.: Ketamineblocksbursting in the Lateran habenula to rapidly relieve depression (Nature, 2018, tom 554, str. 317; doi:10.1038/nature25509). Obecnie przeważa pogląd, że LHb odgrywają kluczową rolę w kodowaniu sygnałów wzmocnienia negatywnego oraz promowaniu zachowań awersyjnych. Badania elektrofizjologiczne na makakach pokazały, że neurony LHb aktywizują się w sytuacji wystąpienia błędu w przewidywaniu nagrody (omyłka), indukowanego brakiem oczekiwanej nagrody lub kiedy małpy są stymulowane awersyjnie. Co więcej, LHb jest aktywowany przez różne czynniki stresogenne i negatywne bodźce emocjonalne, sugerując, że ta struktura może pośredniczyć w behawioralnych reakcjach leżących u podstaw stresu i depresji. Zaczyna stopniowo przeważać pogląd, że nieprawidłowe funkcjonowanie LHb może prowadzić do szkodliwych konsekwencji, w tym objawów depresji. Tak jak pisałem uprzednio w Psychiatrze, przeprowadzona analiza proteomiczna w neuronach LHb wykazała zmiany w ekspresji białka Kir4.1, będącego istotnym komponentem kanałów potasowych – ekspresja tego białka kanałowego bardzo silnie wzrastała u szczurów hodowanych wsobnie dla silniejszej ekspresji zachowania depresyjno-podobnego. Zaskakującym faktem jest to, że kanał Kir4.1 występuje także w astrocytach. Nadmierna ekspresja białka Kir4.1 w astrocytach LHb była związana ze zwiększonym ryzykiem wystąpienia salw aktywności elektrofizjologicznej oraz objawów zachowań depresyjno-podobnych. Natomiast, przeciwnie, hamowanie ekspresji tego białka kanałowego redukowało ryzyko wystąpienia salw aktywności bioelektrycznej i hamowało zachowania depresyjne. W warunkach fizjologicznych neurony i astrocyty pompują jony potasu na zewnątrz komórki, powodując hyperpolaryzację komórek i sprzyjając ryzyku wyładowań elektrycznych. Wykazano, że kanały potasowe w astrocytach usuwając nadmiar jonów potasu z przestrzeni pozakomórkowej, ułatwiają przechodzenie neuronów LHb w stan hyperpolaryzacji (a więc zwiększają częstość salw wyładowań), poprzez ułatwiony transport tych jonów z neuronów na zewnątrz komórek. Ketamina poprzez hamowanie ekspresji tego białka kanałowego redukowała ryzyko wystąpienia salw aktywności bioelektrycznej i hamowała zachowania depresyjno-podobne. Co więcej, selektywny bloker kanałów potasowych (T-VSCCs) podany miejscowo do okolicy LHb działał przeciwdepresyjnie w modelach reakcji depresyjnych w sposób podobny do ketaminy, otwierając nowe perspektywy rozwoju farmakoterapii depresji.

Kolejny aspekt tego zjawiska wynika z faktu, że transportery astrocytarne dla kwasu glutaminowego są znacznie bardziej skuteczne przy ujemnych potencjałach spoczynkowych i także zależą od kanałów zidentyfikowanych jako prostownicze kanały potasowe 4.1 (Kir4.1). W tych kanałach przepływ prądu wzrasta, gdy błona astrocytarna wykazuje bardziej ujemny potencjał. Ponadto kanały Kir4.1 są odpowiedzialne za silnie ujemny potencjał spoczynkowy, który jest niezbędny do wychwytu kwasu glutaminowego. Zmniejszenie aktywności kanału Kir4.1 wywołuje depolaryzację astrocytów, co osłabia siłę napędową transportera glutaminianu. W konsekwencji zarówno wzrost stężenia, jak i trwałość glutaminianu w szczelinie synaptycznej mogą zwiększać i wzmacniać pobudzające działanie tego neuroprzekaźnika np. w PFC.

Postuluje się jeszcze jedną rolę dla tych kanałów jonowych. Ponieważ zarówno BDNF, jak i kanały Kir4.1 występują w astrocytach i wiele leków przeciwdepresyjnych hamuje kanały Kir4.1, uważa się, że indukcja BDNF przez leki przeciwdepresyjne może wynikać z blokowania kanałów Kir4.1 w astrocytach. Leki przeciwdepresyjne w stężeniach, które hamowały aktywność kanału Kir4.1, znacznie ułatwiały ekspresję mRNA i białka BDNF w astrocytach. Ponadto siła działania leków przeciwdepresyjnych (sertralina>fluoksetyna> imipramina >fluwoksamina>mianseryna) do indukcji BDNF była zgodna z siłą hamowania kanału Kir4.1, ale nie ze stopniem hamowania wychwytu zwrotnego serotoniny (imipramina>fluoksetyna = fluwoksamina>sertralina>mianseryna). Hamowanie ekspresji Kir4.1 przez transfekcję siRNA Kir4.1 (mały interferujący RNA wyciszający ekspresję genów o homologicznej sekwencji (RNAi)), wyraźnie podniosło poziomy mRNA i białka BDNF. Wyniki te sugerują, że hamowanie kanałów Kir4.1 ułatwia astrocytarną ekspresję BDNF poprzez aktywację szlaku Ras/ERK (kinazy białkowe odpowiedzialne za odpowiedź komórkową na czynniki wzrostu). Poprzednie badania wykazały również, że szlak Ras/ERK reguluje transkrypcję BDNF i innych genów przeżywalności/plastyczności poprzez interakcję z białkiem wiążącym się z cAMP (CREB, białko związane z transkrypcją genów). Wykazano także, że zwiększenie ekspresji BDNF występowało zarówno w neuronach, jak i astrocytach również podczas epileptogenezy.

Zdaję sobie sprawę, że nakreślony obraz efektów molekularnych ketaminy wydaje się bardzo skomplikowany. Można jednak wyróżnić przewijający się wątek związany z wpływem na BDNF i poprawą neuroplastyczności mózgu (uczenie, pamięć, kojarzenie), zaburzanej przez stres i depresję.

/

Pierwsza część artykułu ukazała się w Psychiatrze 26 (3/2019 Jesień)