Glutamate related metabolism in animal models of schizophrenia

Abstract

Schizophrenia is a clinical syndrome of variable psychopathology, which involves thought, perception, emotion, movement and behavior. The cumulative effect of the illness is always severe and usually long lasting. Epidemiologic studies indicate that the lifetime expectancy is 0.5-1% worldwide.

The etiology and pathophysiology of schizophrenia are unknown. The two predominant pathophysiological hypotheses of schizophrenia are the dopamine hypothesis and the glutamate hypothesis. The former hypothesis states that dopamine neurotransmission is hyperactive in schizophrenia, the latter – that there is a hypofunction of glutamatergic neurotransmission in some areas of the brain. Recent studies also suggest that schizophrenia is associated with cytoskeletal alterations in neuronal architecture, e.g. differences in micro tubule associated proteins (MAP). The symptoms of schizophrenia are mostly unique to human behavior. Consequently, the exact reproduction of schizophrenia in an animal is not possible. However, animal models are important tools for exploring the underlying mechanisms of schizophrenia and for designing new therapies.

The present thesis is based on four publications on animal models of schizophrenia. We used the NMDA receptor antagonist MK-801 to induce a state of hypoglutamatergia in rats in the three of them. Three different designs were used: injection of a single high dose, repeated high dose injections over several days and repeated injections of a lower dose. The fourth study was designed to investigate glutamate related metabolism in a state of microtubule instability. Knock out mice were used as a model, in which the gene coding for the microtubule associated protein STOP (Stable Tubule Only Peptide) was deleted.

Glutamate related metabolism was investigated in these models by analyzing brain extracts from multiple brain areas, using HPLC (High Performance Liquid Chromatography) and 13C and1H nuclear magnetic resonance spectroscopy. By injecting animals with 1-13C labeled glucose and 1,2-13C labeled acetate, the preferential substrates of neurons and astrocytes, respectively, it was possible to follow metabolic interactions between astrocytes and neurons.

A single dose of 0.5 mg/kg MK-801 produced predominantly changes in the temporal lobe with increased total amounts of glutamate and glutamine, and increased labeling from [1-13C]glucose. Similar changes were observed when MK-801 was administered repeatedly at 0.1 mg/kg for 6 consecutive days and all the metabolic alterations were confined to the temporal lobe. However, while 0.5 mg/kg MK-801 was used repeatedly instead of 0.1 mg/kg MK-801, changes were found in the cingulate, retrosplenial and frontal cortices. The total amount of glutamate increased in those areas together with a decrease in labeling from both [1-13C]glucose and [1,2-13C]acetate in several metabolites. In Paper 4 decreased levels of both total glutamine and labeled [4,5-13C]glutamine were reported in the cerebrum of STOP knock out mice.

Compared to data from studies of schizophrenic patients, our results indicate that repeated injections of MK-801 in high doses may be a good model for first episode schizophrenia and the STOP KO mouse model show similarities to and may be a good model chronic schizophrenia. Results show that both the NMDA receptor hypofunction and the loss of microtubule stability seem to disrupt the glutamate-glutamine cycle, and it can be stated that astrocytic-neuronal interactions probably are underestimated in schizophrenia research.

Glutamat-relatert metabolisme i dyremodeller for schizofreni

Schizofreni er en alvorlig psykisk lidelse som preges av psykotiske symptomer som vrangforestillinger, hallusinasjoner og andre symptomer som sosial tilbaketrekning og svekket sosial fungering. Epidemiologiske studier har vist at livstidsrisikoen er 0,5-1% i det meste av verdens befolkning.

Etiologien og patofysiologien til schizofreni er ikke kjent. De to viktigste patofysiologiske teoriene for schizofreni har vart den såkalte dopaminteorien og glutamatteorien. Disse predikerer henholdsvis økt aktivitet i dopaminerge systemer og redusert aktivitet i visse glutamaterge systemer. Resultater fra studier i den senere tid tyder også på at det finnes forandringer i cytoskjellettet ved schizofreni, for eksempel i mikrotubuliassosierte proteiner. De fleste schizofrenisymptomer er unike for menneskelig atferd. Å kunne reprodusere schizofreni i en dyremodell er derfor vanskelig. Dyremodeller er likevel et viktig verktøy for a identifisere patofysiologiske mekanismener bak schizofreni, og for a komme fram til nye medisiner.

Denne avhandlingen inneholder fire publikasjoner hvor vi studerte dyremodeller for schizofreni. I tre av dem ble NMDA-reseptorantagonisten MK-801 brukt til a redusere glutamaterg nevrotransmisjon i rotter. Tre forskjellige forsøksoppsett ble brukt: En enkelt injeksjon av en høy dose MK-801, daglige injeksjoner med høy konsentrasjon i til sammen seks dager, og daglige injeksjoner med en lavere dose MK-801 i seks dager. Den fjerde studien beskriver glutamatrelatert metabolisme ved ustabile mikrotubili. Dette gjorde vi ved å undersøke ”knock out” mus hvor genet for det mikrotubiliassosierte proteinet STOP (Stable Tubule Only Peptide) var satt ut av funksjon.

Vi undersøkte glutamatrelatert metabolisme i alle disse modellene. Hjerneekstrakter fra flere hjerneomrader ble analysert med HPLC (High Performance Liquid Chromatography), 13C- og1H-magnetisk resonansspektroskopi. Ved a injisere 1-13 C merket glukose og 1,2- 13 C merket acetat kunne vi se forskjell pa nevron- og astrocyttmetabolisme. En enkelt dose med 0,5 mg/kg kroppsvekt MK-801 skapte flest metabolske forskjeller i temporal lappen. Her var det okte totale mengder av glutamat og glutamin, og dessuten okt innmerkning fra [1-13C]glukose. Vi så liknende forskjeller da vi injiserte 0,1 mg/kg MK-801 i flere påfølgende dager. Da rottene derimot ble injisert med 0,5 mg/ MK-801, fant vi metabolske forskjeller i cingulate-, retrosplenial- og frontalcortex. Her var det ogsa en økt totalmengde av glutamat, men innmerkning fra bade [1-13C]glukose og [1,2-13C]acetat var redusert i flere metabolitter sammenlignet med kontrolldyrene. Reultater i artikkel 4 viser reduserte mengder av bade totalglutamin og glutamin merket fra [1,2-13C]acetat i cerebrum til STOP ”knock out” mus.

Når vi sammenligner resultatene våre med data fra studier av pasienter med schizofreni, ser det ut til at repeterte injeksjoner av en høy dose MK-801, kan vare en god dyremodell for schizofreni i et tidlig stadium. STOP ”knock out” modellen viser lignende metabolske forskjeller som hos pasienter med kronisk schizofreni, og derfor kanskje en god dyremodell for mer langtkommen schizofreni. Resultatene fra studiene i denne oppgaven viser at både blokkering av NMDA-reseptoren og ustabile mikrotubili, forstyrrer glutamatglutamin syklus, og det er fristende a påstå at interaksjonen mellom astrocytter og nevroner er undervurdert i schizofreniforskning.