Efekti anestezije indukovane propofolom na sinaptičku plastičnost, aktivnost dopaminskog sistema i ponašanje juvenilnih pacova

Abstract

Propofol je često korišćeni anestetik u modernoj medicini. Adiktivni potencijal propofola je uočen, kao i uticaj na memorijski proces. Međutim, oba fenomena su još uvek nedovoljno istražena. Imajući u vidu da je adolescencija period izuzetne osetljivosti na dejstvo adiktivnih supstanci i intenzivne maturacije mnemoničkog potencijala, cilj ovog rada je bio da se ispita uticaj jednokratnog izlaganja propofolskoj anesteziji, što je tipičan način kliničke primene anestetika, na dopaminsku signalizaciju, sinaptičku i neuronsku aktivnost u različitim regionima mozga i ponašanje juvenilnih/peripubertetskih pacova, kao model sistema humanog periadolescentnog razvoja. Efekti su analizirani 4, 24 i 48 sati nakon tretamana, kod mužjaka Wistar pacova starih 35 dana. Dobijeni rezultati su po prvi put ukazali da izlaganje propofolskoj anesteziji izaziva promene u ekspresiji/fosforilaciji signalnih molekula koji su već prepoznati kao značajni za dejstvo adiktivnih supstanci. Od svih analiziranih dopaminoceptivnih moždanih regiona (medijalni prefrontalni korteks, strijatum i talamus) jedino su u talamusu uočene značajne promene u ekspresiji fosforilisane/aktivirane forme DARPP-32 proteina, pokazatelja postsinaptičke dopaminske signalizacije, 4 i 24 sata nakon tretmana, i bile su praćene povećanom ekspresijom FosB/ΔFosB proteina, biohemijskog pokazatelja neuronske aktivnosti. Promene su lokalizovane u paraventrikularnom talamičkom jedru i mediodorzalnom talamusu. U strijatumu i medijalnom prefrontalnom korteksu je uočen porast u ekspresiji fosforilisane forme CaMKIIα, biohemijskog senzora sinaptičke aktivnosti koji ima važnu ulogu u pamćenju prethodnog izlaganja adiktivnim supstancama. Smanjenje u intenzitetu anksioznosti (procenjeno na osnovu rezultata dobijenih u testu svetlo/tamne kutije i uzdignutog krstastog lavirinta) je zabeleženo 24 sata nakon tretmana, kada je uočen i pad u ekspresiji FosB proteina u strijatumu, što se može tumačiti kao traženje senzacija usled smanjene aktivnosti moždanog regiona značajnog za osećaj zadovoljstva i motivisanost. Pojačan motorički odgovor na d-amfetamin i fenciklidin je uočen 24 sata nakon tretmana (ukrštena senzitizacija), kao potvrda da bez obzira na različite primarne mehanizme dejstva propofol i dve korišćene droge koriste iste neuronske puteve za ostvarivanje psihomotoričkih efekata. Rezultati studije su takođe ukazali da kod peripubertetskih pacova nakon izlaganja propofolskoj anesteziji postoje izvesne poteškoće u pozivanju memorije i memorisanju novih informacija u neaverzivnim memorijskim testovima (prostorna habituacija, prepoznavanje novog objekta), 24 sata nakon tretmana. Ove posledice su bile praćene promenama u ekspresiji molekula koji učestvuju u pozivanju i rekonsolidaciji epizodične memorije (BDNF/TrkB, Egr-1, ERK1/2, CaMKIIα, FosB/ΔFosB), u dorzalnom hipokampusu. Uočene poteškoće u prepoznavanju novine su u skladu sa malobrojnim kliničkim studijama, koje naglašavaju značaj kontrole osnovnih kognitivnih funkcija kod starije dece nakon izlaganja propofolskoj anesteziji. Takođe, u svim ispitivanim moždanim regionima osim u talamusu je zabeležen porast u ekspresiji fosforilisane forme Aducinβ proteina, što je indikacija za destabilizaciju citoskeleta i sinaptičku reorganizaciju. Gledano u celini, rezultati ove studije su ukazali da bolje razumevanje bioloških posledica primene propofola u juvenilnom/pubertetskom uzrastu može doprineti sagledavanju starosno zavisnih zdravstvenih rizika tretmana, koji su do sada intenzivno istraživani samo u ekstremima životne dobi, tj. u ranoj postnatalnoj i kasnoj životnoj fazi.

Propofol is a commonly used anesthetic in modern medicine. Addictive potential of propofol is observed, as well as the impact on the memory process. However, both phenomena are still insufficiently explored. Bearing in mind that adolescence is a period of extreme sensitivity to addictive substances and intense maturation of the mnemonic potential, the aim of this study was to examine the effect of a single exposure to propofol anesthesia, which is a typical method of its clinical application, on dopaminergic signaling, synaptic and neuronal activity in different brain regions and behavior of juvenile/peripubertal rats, as a model system of human periadolescencent development. The effects were analyzed 4, 24 and 48 hours after the treatment, in male Wistar rats aged 35 days. The obtained findings for the first time showed that exposure to propofol anesthesia caused changes in the expression/phosphorylation of signal molecules that are already recognized as significant for the action of the addictive substances. Of all the analyzed dopaminoceptive brain regions (medial prefrontal cortex, striatum and thalamus), significant changes in the expression of the phosphorylated/activated form of DARPP-32 protein, indicator of postsynaptic dopaminergic signalling, were observed only in the thalamus, 4 and 24 hours after the treatment, and were accompanied by increased expression of FosB/ΔFosB protein, a biochemical indicator of neuronal activity. The alterations were localized in the paraventricular thalamic nucleus and the mid-dorsal thalamus. An increase in the expression of the phosphorylated form of CaMKIIα, a biochemical sensor of synaptic activity that has an important role in memory on addictive substances exposure, was detected in striatum and medial prefrontal cortex. Reduction in the intensity of anxiety (estimated in accordence to the data obtained in the light/dark box and elevated plus maze tests) was observed 24 hours after the treatment, along with the decrease in the expression of FosB protein in striatum, which can be interpreted as a sensation seeking due to decreased activity of brain region important for a pleasure/motivation. An enhanced motor response to d-amphetamine and phencyclidine was observed 24 hours after the treatment (cross sensitization), as confirmation that despite the different primary mechanisms of action, propofol and these two drugs use the same neuronal pathways to achieve psychomotor effects. The results of the study also indicated that in peripubertal rats exposed to propofol anesthesia, there were some difficulties in memory retrieval and acquisition of new learning in non-aversive memory tests (spatial habituation, novel object recognition), 24 hours after the treatment. These effects were accompanied by changes in the expression of molecules involved in retrieval and reconsolidation of episodic memory (BDNF/TrkB, Egr-1, ERK1/2, CaMKIIα, FosB/ΔFosB) in the dorsal hippocampus. Detected difficulties in recognizing the novelty are consistent with a few clinical studies that emphasize the importance of controlling basic cognitive functions in older children after exposure to propofol anesthesia. Also, in all investigated brain regions, except the thalamus, an increase in the expression of the phosphorylated form of Adducinβ protein was observed, which is an indication of the cytoskelet destabilization and synaptic reorganization. Overall, the results of this study accentuated that a better understanding of the biological consequences of the use of propofol in juvenile/puberty period could contribute to the undestanding of age-dependent health risks of the treatment, which have been extensively investigated so far only at the extremes of age, i.e. during early postnatal period and in aging.