Titelaufnahme

Titel
Induction of synaptic long-term potentiation after opioid withdrawal / submitted by Matthias Gassner
Verfasser / VerfasserinGassner, Matthias
Begutachter / BegutachterinSandkühler, Jürgen
Erschienen2010
Umfang93 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2010
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Opioide / LTP / Entzug / Rückenmark / Schmerz / Kalzium
Schlagwörter (EN)opioids / LTP / withdrawal / spinal cord / pain / calcium
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-3199 Persistent Identifier (URN)
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Induction of synaptic long-term potentiation after opioid withdrawal [7.27 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

- Opioidrezeptor Agonisten repräsentieren den Goldstandard zur Behandlung moderater bis starker Schmerzen auf Grund ihrer stark analgetischen Potenz. Paradoxerweise können Opioide auch zu einem gesteigerten Schmerzempfinden führen, der Opioid-induzierten Hyperalgesie (OIH). Die Ursachen, die eine OIH auslösen, sind nur teilweise entschlüsselt. Die synaptische Langzeitpotenzierung (LTP) zwischen primären Afferenzen und Neuronen zweiter Ordnung im oberflächlichen Hinterhorn des Rückenmarks stellt ein Modell für manche Formen der Hyperalgesie dar. Opioide verringern nicht nur die nozizeptive Transmission im Rückenmark, möglicherweise induzieren sie auch synaptische Plastizität und modulieren so die Übertragungsstärke der nozizeptiven Information. Wir vermuten, dass das Absetzen eines Opioids eine LTP auf Rückenmarksebene auslöst und so einen möglichen Mechanismus der Opioid- induzierten Hyperalgesie darstellt. Um diese Hypothese zu prüfen, wurden im Schnittpräparat des Rückenmarks der Ratte oberflächliche Neurone im Hinterhorn mittels elektrophysiologischer Methoden und Ca2+-Gradientenmessungen untersucht.

Nach dem Auswaschen des - Opioidrezeptor Agonisten DAMGO (0.5 M) kam es zu einer Potenzierung der monosynaptisch evozierten C-Faser Antworten auf 165 17 %. Die Applikation des intrazellulären G-Protein Blockers GDPbetas verhinderte die Entstehung einer Potenzierung. Blockade des Ca2+-Anstiegs im postsynaptischen Neuron durch den Ca2+-Blocker BAPTA, sowie selektive Hemmung der postsynaptischen NMDA Rezeptoren verhinderte ebenfalls eine Opioid-induzierte LTP. Ein Kalziumeinstrom in die Zelle nach Auswaschen des Opioids ist notwendig für die Induktion einer LTP, da eine Hemmung des Ca2+-Anstiegs zum Zeitpunkt des Auswaschens diese verhinderte.

In vivo Ca2+-Gradientenmessungen war bisher nur im Cortex des Gehirns möglich. Auf Grund der starken Bewegungsartefakte, verursacht durch Atmung und Herzschlag, sowie der starken Myelinisierung, waren Messungen von Ca2+-Gradienten oberflächlicher Hinterhornneurone im Rückenmark nicht möglich. Um die nötige mechanische Stabilität zu gewährleisten, wurde eine Herz-Lungenmaschine für Ratten entwickelt, welche die störenden Artefakte ausschließt. Die Kombination der 2-Photonen-Laserscanning-Mikroskopie mit einer Herz-Lungenmaschine ermöglicht das Messen von intrazellulären Kalziumsignalen in oberflächlichen Hinterhornneuronen des Rückenmarks. 31 Neurone wurden untersucht, wobei 15 der Neurone mit einem Anstieg der intrazellulären Konzentration freier Kalziumionen nach Gabe des Opioids reagierten (6 während der Gabe, 9 nach Absetzen des Opioids) Wir konnten erstmalig zeigen, dass Opioide nozizeptive Signale an der ersten Umschaltstelle in der Schmerzbahn, dem Hinterhorn des Rückenmarks, nicht nur akut hemmen, sondern auch anhaltend verstärken können. Während die analgetische Wirkung von Opioiden vorwiegend präsynaptisch mediiert wird, ist der schmerzverstärkende Mechanismus postsynaptisch lokalisiert. Wir konnten daher den unerwünschten Effekt selektiv blockieren, ohne die analgetische Potenz der Opioide zu beeinträchtigen.

Zusammenfassung (Englisch)

Clinically used -opioid receptor (MOR) agonists represent the gold standard for the treatment of moderate to severe pain due to their potent depression of nociceptive information in pain pathways.

Paradoxically, opioids may also lead to enhanced pain sensitivity (opioid-induced hyperalgesia, OIH) through mechanisms that are not fully understood. It has been suggested that opioid-induced and injury-induced hyperalgesia share underlying mechanisms. Long-term potentiation (LTP) at synapses between nociceptive C-fibers and neurons in superficial spinal dorsal horn is a synaptic model of injury-induced hyperalgesia.

Opioids may acutely depress synaptic transmission and may modulate plasticity of synaptic strength in nociceptive pathways but an induction of LTP by opioids has not been reported until now. We propose that opioid withdrawal LTP at synapses of nociceptive C-fibers is a mechanism of OIH.

To test this hypothesis electrophysiological recordings and Ca2+ imaging were obtained from lamina I neurons in a rat spinal cord slice preparation with long dorsal roots attached. The MOR agonist DAMGO (0.5 M) was applied via the bath solution. Upon withdrawal from the opioid the amplitude of monosynaptic C-fiber evoked excitatory postsynaptic currents (EPSCs) was potentiated to 165 17 % in vitro. This novel opioid withdrawal LTP requires postsynaptic G-protein coupling as inhibition with GDPbetas blocked the potentiation of C-fiber evoked EPSCs. Furthermore opioid withdrawal LTP was prevented inhibiting intracellular Ca2+ with the Ca2+ chelator BAPTA and blocking postsynaptic NMDA receptors including MK-801 in the pipette solution.

This indicates that opioid withdrawal LTP involves a rise in postsynaptic Ca2+ concentration via activation of NMDA receptors. Using uncaging methods we showed that the selective block of the intracellular Ca2+ rise during opioid withdrawal is sufficient to abolish the induction of opioid withdrawal LTP.

In vivo Ca2+ transients upon opioid application and withdrawal were measured from superficial lamina I neurons of deeply anaesthetized rats.

The clinically used MOR agonist remifentanil was administered as an i.v.

(450 g/kg/h) infusion. In vivo Ca2+ imaging has only been achieved so far for brain regions. High density of myelin and the close proximity of the animals hearts and lungs to the spinal column results in artifacts that have impeded the application of Ca2+ imaging in spinal dorsal horn neurons. Therefore we established a heart-lungmachine that provides sufficient mechanical stability. Combining two-photon laser-scanning microscopy (TPLSM) with the model of cardiopulmonary bypass we were able to monitor stable intracellular Ca2+ signals in spinal dorsal horn neurons. 31 lamina I neurons were examined. 15 responded with an elevation of Ca2+ concentration to the application of the opioid (6 during application; 9 upon withdrawal from the opioid).

Withdrawal from opioids may induce LTP in pain pathways. Opioid withdrawal LTP shares pharmacology and signal transduction pathways with OIH and with injury-induced hyperalgesia. These findings may provide a previously unrecognized target to selectively combat OIH without effecting opioid analgesia.