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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-292371
Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
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Open Access Art: | Primärpublikation |
Datum: | 16 Januar 2015 |
Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Inga Neumann und Prof. Dr. Stefan Reber und Prof. Dr. Armin Kurtz |
Tag der Prüfung: | 16 Dezember 2013 |
Institutionen: | Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Zoologie > Tierphysiologie/Neurobiologie (Prof. Dr. Inga Neumann) |
Stichwörter / Keywords: | chronic stress, HPA axis, pituitary, glucocorticoid receptor, negative feedback, stress vulnerability |
Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
Status: | Veröffentlicht |
Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
Dokumenten-ID: | 29237 |
Zusammenfassung (Englisch)
Chronic stress, in humans especially mediated by psychosocial stressors, constitutes a risk factor for the development of affective and somatic disorders. Interestingly, the effects of chronic stress also vary between individuals, with some being highly susceptible, while others being resilient to its negative consequences. These differences in stress vulnerability are supposed to depend on the ...
Zusammenfassung (Englisch)
Chronic stress, in humans especially mediated by psychosocial stressors, constitutes a risk factor for the development of affective and somatic disorders. Interestingly, the effects of chronic stress also vary between individuals, with some being highly susceptible, while others being resilient to its negative consequences. These differences in stress vulnerability are supposed to depend on the interplay between genetic predispositions and environmental factors like e.g. adverse events during early life. One approach to study the mechanisms underlying the development of stress-induced disorders in general and the individual vulnerability in particular, is the use of appropriate animal models. Therefore, in the present study the chronic subordinate colony housing (CSC) model, an established and preclinically validated model for chronic psychosocial stress in male mice was used. Four experimental C57BL/6 mice are housed together with a larger and more aggressive male mouse (resident) for 19 days. The resident is supposed to occupy the dominant while the experimental mice obtain the subordinate position. In a number of publications it could be demonstrated that CSC causes affective as well as somatic disorders. CSC mice show an increased anxiety on the elevated plus-maze compared with single housed control (SHC) mice. CSC also results in immunological alterations, like decreased thymus weight and development of a spontaneous colitis. The underlying mechanisms are still poorly investigated, however CSC mice showed alterations in the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis functionality, f.e. at the level of the adrenal glands.
The first part of the thesis, therefore, focused on alterations of different parameters of the HPA axis, mainly at the level of the pituitary and the paraventricular nucleus (PVN) following CSC exposure. Adrenocorticotropic hormone (ACTH) concentrations under basal conditions in the morning as well as following exposure to an acute heterotypic stressor (6 min forced swim) were increased in CSC compared with SHC mice. The increased pituitary activity and reactivity in CSC mice, thereby, seems to be mediated by an increased pituitary weight and an increased number of corticotroph, i.e. ACTH producing cells, in the pituitary. The protein expression of the corticotropin-releasing hormone (CRH) receptor 1 (CRH-R1) was decreased in CSC mice while the protein expression of the arginine vasopressin (AVP) receptor 1b (AVPR-1b) was unchanged. In addition, the number of parvo- and magnocellular AVP positive neurons in the PVN was similar in SHC and CSC mice. Taken together, in the first part of the thesis I could demonstrate that CSC results in an increased pituitary activity and reactivity. An increased number of corticotroph cells together with an unchanged AVPR-1b and a decreased CRH-R1 expression indicated that the newly built corticotroph cells are more sensitive to AVP than CRH, mediating the increased ACTH release following CSC exposure.
The second part of the thesis focused on the negative feedback inhibition of the HPA axis, mainly mediated by the glucocorticoid receptor (GR) and mineralocorticoid receptor (MR) in the pituitary, hippocampus, in the prefrontal cortex and the PVN.
In the hippocampus, the protein expression of the GR was decreased, while the MR expression was unchanged following CSC exposure. However, analysis of the functionality of the GR in isolated hippocampal cells in vitro revealed an even increased functionality. The corticosterone (CORT)-induced hnRNA expression of the period 1 gene in isolated hippocampal cells as well as the hippocampal cell viability following 24 h CORT-stimulation in vitro was higher in CSC compared with SHC mice. In the prefrontal cortex, protein expression of the GR and MR was increased following CSC exposure while in the PVN no differences alterations of both receptors were found. In the pituitary, a decreased GR protein expression indicated a reduced negative feedback inhibition. However, a dexamethasone suppression test revealed an unchanged or if at all an even increased feedback inhibition at the level of the pituitary in CSC compared with SHC mice. Taken together, the expression of MR and GR was found to be differentially regulated in the pituitary and in the different brain regions. Moreover, I demonstrated that in the pituitary as well as in the hippocampus the reduced GR expression did not result in a decreased receptor functionality.
The vulnerability to the negative consequences of chronic stress varies between individuals, whereby negative life events together with genetic factors are supposed to play an important role. The third part of the thesis, therefore, focused on the influence of the genetic predisposition, in this case the innate anxiety, on the consequences of chronic psychosocial stress. CD1 mice, selectively bred for high (mHAB) and low anxiety-related behaviour (mLAB) and normal non-selected CD1 (mNAB) mice were used for this study. Given the fact that chronic stressor exposure is supposed to increase anxiety-related behaviour, the hypothesis was that the low anxiety of the mLAB mice might be stress-protective while mHAB mice are more vulnerable to the consequences of CSC compared with mNAB mice. In accordance with the known consequences of CSC in C57BL/6 mice, mHAB as well as mNAB CSC mice showed an increased adrenal weight, a decreased sensitivity of the adrenal glands to ACTH in vitro, a lower plasma CORT:ACTH ratio and an increased release of IFN-µ in isolated mesenteric lymph node cells in response to anti-CD3 stimulation compared with respective SHC mice. The most interesting result was that mLAB mice were resistant to the consequences of CSC, given the fact that all parameters analysed were unchanged following CSC exposure. Moreover, I demonstrated that mHAB mice were not more vulnerable compared with mNAB mice to the CSC-induced effects which might be due to the stressor intensity. To sum it up, the innate anxiety influenced the vulnerability to the consequences of chronic psychosocial stress, with a low anxiety phenotype protecting against the affective and somatic consequences of CSC. The combination of mice with low innate anxiety and the CSC paradigm constitutes an important tool in order to analyse the molecular mechanisms underlying the gene and environment interactions in general as well as the mechanisms of stress resilience in particular.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Chronischer Stress, beim Menschen vor allem ausgelöst durch psychosoziale Stressoren, stellt einen Risikofaktor für die Entwicklung von affektiven als auch körperlichen Erkrankungen dar. Interessanterweise zeigen jedoch nicht alle Individuen die gleiche Vulnerabilität gegenüber den durch chronischen Stress verursachten Konsequenzen. Während die einen stark anfällig sind, sind die anderen deutlich ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Chronischer Stress, beim Menschen vor allem ausgelöst durch psychosoziale Stressoren, stellt einen Risikofaktor für die Entwicklung von affektiven als auch körperlichen Erkrankungen dar. Interessanterweise zeigen jedoch nicht alle Individuen die gleiche Vulnerabilität gegenüber den durch chronischen Stress verursachten Konsequenzen. Während die einen stark anfällig sind, sind die anderen deutlich belastbarer oder auch resistent gegenüber chronischem Stress. Eine wichtige Rolle spielen dabei sowohl die genetische Prädisposition als auch Umweltfaktoren (z.B. Ereignisse in der Kindheit und frühen Jugend). Ein geeigneter Ansatz, um die Mechanismen von stressbedingten Krankheiten im Allgemeinen und die Vulnerabilität im Speziellen zu untersuchen, ist die Verwendung geeigneter Tiermodelle. In der vorliegenden Arbeit wurde hierfür das Modell der chronisch-subordinierten Koloniehaltung (chronic subordinate colony housing (CSC)), ein etabliertes und präklinisch-validiertes Modell um chronisch psychosozialen Stress in männlichen Mäusen hervorzurufen, verwendet. Hierbei werden die Versuchsmäuse, vier männliche, gleichaltrige C57BL/6 Mäuse, zusammen mit einer älteren, schwereren und aggressiveren männlichen Maus, dem sogenannten Resident, für 19 aufeinanderfolgende Tage in einer Kolonie gehalten. In dieser CSC-Kolonie übernimmt der Resident die dominante, während die Versuchsmäuse die subordinierte Position einnehmen. In zahlreichen Publikationen konnte bereits gezeigt werden, dass CSC-Exposition sowohl affektive als auch körperliche Erkrankungen der Mäuse zur Folge hat. CSC Mäuse zeigten dabei eine erhöhte Ängstlichkeit auf der elevated plus-maze im Vergleich zu den ungestressten Kontrolltieren (single-housed control (SHC)). Auch kam es zu immunologischen Veränderungen, die sich in einer Verkleinerung des Thymus, sowie einer spontanen Entzündung des Colons äußerten. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind dabei noch nicht eindeutig verstanden, jedoch zeigten die Versuchstiere Veränderungen der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden (Hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA))-Achsen, die sich zum Beispiel auf Ebene der Nebenniere zeigten.
Der Fokus des ersten Teils der Arbeit lag daher auf der Untersuchung unterschiedlicher Parameter der HPA-Achse nach CSC Exposition. Der Fokus lag hierbei auf Ebene der Hypophyse und des Nucleus Paraventricularis (PVN). Die Plasma Adrenocorticotropin (ACTH) Konzentrationen waren sowohl unter basalen Bedingungen am Morgen als auch nach einer akuten heterotypischen Stressorexposition (6 min forced swim) in CSC gegenüber SHC Tieren erhöht. Als wahrscheinlichste Ursache für diese Hypophysenhyperaktivität und –reaktivität in den CSC Tieren kommt das erhöhte Hypophysengewicht und die erhöhte Anzahl an corticotrophen, dass heißt ACTH-produzierenden, Zellen in der Hypophyse, in Frage. Die Proteinexpression des Corticotropin-releasing Hormon (CRH) Rezeptor 1 (CRH-R1) war in den CSC Tieren erniedrigt während die Proteinexpression des Arginin-Vasopressin (AVP) Rezeptor 1b (AVPR-1b) unverändert war. Außerdem konnten keine Unterschiede in der Anzahl der parvo- und magnozellulären AVP positiven Neurone im PVN zwischen SHC und CSC Tieren gefunden werden. Alles in allem konnte im ersten Teil der Arbeit nachgewiesen werden, dass CSC Exposition eine Hypophysenhyperaktivität und –reaktivität hervorruft. Dabei deutete eine erhöhte Anzahl an corticotrophen Zellen, zusammen mit unveränderter AVPR-1b und erniedrigter CRH-R1 Proteinexpression darauf hin, dass dies durch die neu gebildeten corticotrophen Zellen, die vermutlich sensitiver gegenüber AVP als CRH sind, vermittelt wird.
Der zweite Teil der Arbeit fokussierte sich auf die negative Feedbackinhibierung der HPA-Achse, hauptsächlich vermittelt durch Glucocorticoidrezeptoren (GR) und Mineralocorticoidrezeptoren (MR), in der Hypophyse, im Hippocampus, im präfrontalen Cortex und im PVN. Im Hippocampus war die Proteinexpression des GR reduziert, während die des MR nach CSC Exposition unverändert war. Jedoch konnte in vitro in isolierten hippocampalen Zellen gezeigt werden, dass die Funktionalität des GR nicht eingeschränkt, sondern gar erhöht war. Sowohl die Corticosterone (CORT)-induzierte hnRNA Expression des Period 1 Gens in isolierten hippocampalen Zellen als auch die hippocampale Zellviabilität in vitro nach 24 Stunden CORT-Stimulation war in CSC Tieren höher als in SHC Tieren. Im präfrontalen Cortex war die Proteinexpression von GR und MR nach CSC Exposition erhöht, während diese Rezeptoren im PVN unverändert waren. Auf Ebene der Hypophyse deutete eine reduzierte GR Proteinexpression auf eine verringerte negative Feedbackinhibierung hin. Jedoch zeigte das Ergebnis des Dexamethason Unterdrückungstest eindeutig, dass das Feedback der Hypophyse in CSC Tieren unverändert, wenn nicht sogar erhöht war. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass MR und GR Expression in der Hypophyse und den verschiedenen Gehirnregionen unterschiedlich reguliert werden. Darüber hinaus konnte, sowohl in der Hypophyse als auch im Hippocampus gezeigt werden, dass eine reduzierte Anzahl an GR nicht unbedingt eine erniedrigte Funktionalität zur Folge hat.
Die Vulnerabilität gegenüber den negativen Konsequenzen von Stress variiert zwischen den Individuen, wobei negative Lebensereignisse zusammen mit genetischen Faktoren eine wichtige Rolle spielen. Der dritte Teil der Thesis hatte daher zum Ziel, den Einfluss der genetischen Prädisposition, in diesem Fall die angeborene Ängstlichkeit, auf die Auswirkungen von chronisch psychosozialem Stress zu untersuchen. Dafür wurden CD1 Mäuse verwendet, die selektiv auf niedrige („low anxiety-related behaviour“ = mLAB) beziehungsweise hohe („high anxiety-related behaviour“ = mHAB) Ängstlichkeit gezüchtet wurden und nicht-selektierte normale CD1 Mäuse („normal anxiety-related behaviour“ = mNAB). Da aus zahlreichen Studien bekannt ist, dass chronische Stressexposition zu einer erhöhten Ängstlichkeit führt, war die Hypothese, dass die geringere Ängstlichkeit der mLAB Mäuse einen protektiven Effekt gegenüber den Konsequenzen von chronischen Stress hat, während mHAB stärker von den CSC-induzierten Effekten betroffen sind im Vergleich zu mNAB Mäusen. In Übereinstimmung mit den bekannten Effekten von CSC in C57BL/6 Mäusen zeigten sowohl mHAB als auch mNAB CSC Mäuse ein erhöhtes Nebennierengewicht, eine erniedrigte Sensitivität der Nebennieren gegenüber ACTH in vitro, eine niedrigeres Plasma CORT:ACTH Verhältnis und eine erhöhte IFN-γ Freisetzung von isolierten mesenterialen Lymphknotenzellen als Antwort auf eine anti-CD3 Stimulation im Vergleich zu SHC Tieren der gleichen Linie. Das interessanteste Ergebnis dieser Studie war die Tatsache, dass mLAB Mäuse resistent gegenüber chronischem Stress waren, da alle analysierten Parameter nach CSC unverändert waren. Auch konnte gezeigt werden, dass mHAB Mäuse nicht anfälliger gegenüber den CSC-induzierten Effekten als mNAB Mäuse waren, was eventuell an der Intensität des Stressors liegen könnte, die eine Unterscheidung zwischen beiden Gruppen nicht möglich machte. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die angeborene Ängstlichkeit die Vulnerabilität gegenüber chronisch psychosozialem Stress beeinflusst, wobei ein wenig ängstlicher Phänotyp Stressresistenz sowohl gegenüber affektiven als auch somatischen Folgen von CSC vermittelt. Die Kombination aus Mäusen mit angeborener extrem niedriger Ängstlichkeit und dem CSC Paradigma stellt daher ein wichtiges Werkzeug dar, um sowohl die molekularen Mechanismen die der Gen- und Umweltinteraktion zugrunde liegen als auch die Stressresistenz im Speziellen zu untersuchen.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 15:32