Kako ohraniti možgane budne? kompleksna molekularna farmakogenetika spodbujanja budnosti | nevropsihoparmakologija

Kako ohraniti možgane budne? kompleksna molekularna farmakogenetika spodbujanja budnosti | nevropsihoparmakologija

Anonim

Izvleček

Zdravila, ki spodbujajo zbujanje, se pogosto uporabljajo za zdravljenje prekomerne dnevne zaspanosti. Nevronske poti, ki so vključene v promocijo budnosti, so številne in pogosto niso dobro opisane. Testirali smo d- amfetamin, modafinil in YKP10A, novo spojino, ki spodbuja budnost, v treh inbrednih sevih miši. Trajanje budnosti, ki ga povzročata YKP10A in d- amfetamin, je bilo podobno od genotipa, medtem ko so bile po modafinilu opažene nasprotne razlike v sevih. Analiza elektroencefalograma (EEG) med budnostjo, povzročeno z zdravili, je pokazala hitro prehodno nihanje teta ∼ 2 Hz in povečanje aktivnosti beta-2 (20–35 Hz) šele po YKP10A. Gama aktivnost (35–60 Hz) je povzročila vsa zdravila na način, odvisen od zdravil in genotipov. Analiza možganskega transkripta in grozdanja je pokazala, da imajo tri zdravila tako skupne kot specifične molekularne podpise. Povezava med specifičnim EEG in gensko ekspresijo kaže na to, da se nevronski poti, aktivirani za budnost, razlikujejo med zdravili in genetskim ozadjem.

UVOD

Prekomerna dnevna zaspanost je lahko resno in izčrpavajoče stanje, ki spremlja širok spekter motenj spanja, kot so narkolepsija, idiopatska hipersomnija, hipersomnija, povezana s psihiatričnimi ali nevrološkimi motnjami, in motnje spanja, povezane z dihanjem. Trenutno je modafinil najpogosteje uporabljeno zdravilo, ki spodbuja budnost, za lajšanje čezmerne zaspanosti podnevi, zlasti pri zdravljenju narkolepsije. Pri velikem številu bolnikov z narkolepsijo pa modafinil ni ali je le delno učinkovit (Bastuji in Jouvet, 1988; Dauvilliers et al, 2002). Ker alternativne spojine, ki spodbujajo zbujanje, še niso na voljo, pri bolnikih, ki so "odporni na modafinil", so amfetamini in amfetaminom podobni stimulansi predpisani kljub številnim znanim neželenim stranskim učinkom (Nishino in Mignot, 2005). Od odkritja stimulativnega delovanja amfetamina (Alles, 1933) se razvijajo druge možnosti, ki delujejo na nevrotransmisijo, ki pospešuje budnost, kot so histamin in kateholamini (Barbier et al, 2004; Bonaventure in sod., 2007; Boutrel in Koob, 2004; Parmentier et al., 2007).

V nasprotju s farmakologijo indukcije spanja s spojinami, ki modulirajo GABAergic ali GABA, način delovanja neamfetaminskih zdravil, ki pospešujejo budnost, ostaja slabo razumljen in ga je mogoče doseči z različnimi potmi in mehanizmi. YKP10A (aka R228060; [(R) - ( β -amino-benzenpropil) karbamata monohidroklorid]) je sol klorovodikove kisline optično čistega fenilalaninskega derivata (glejte podrobne informacije na: //www.wipo.int/pctdb/en/ wo.jsp? wo = 2006133393 & IA = WO2006133393 & DISPLA), ki je bil razvit zaradi njegove potencialne antidepresivne aktivnosti, opažene na živalskih modelih depresije (Gordon et al, 1998). YKP10A predstavlja šibke interakcije na prenašalcu dopamina, vendar v študijah vezave receptorjev ni pomembnih interakcij s ponovnim prevzemom serotonina ali norepinefrina (Gordon in sod., 1998). O njenem antidepresivu pri ljudeh se še vedno razpravlja (Amsterdam in sod., 2002). Med najpomembnejšimi učinki v študijah na ljudeh je bila nespečnost (Amsterdam in sod., 2002), na podlagi predhodnih podatkov pa se je izkazalo, da ima YKP10A tudi podgane, ki spodbujajo budnost (A Ahnaou in W Drinkenburg; neobjavljena opažanja). Način delovanja YKP10A je nejasen, vendar lahko vpliva na nevrotransmisijo dopamina, saj njegov klinični profil spominja na zaviralce ponovnega privzema dopamina in bupropion (Amsterdam in sod., 2002), čeprav se zdi, da YKP10A ne zmanjšuje vnosa dopamina (Gordon et al, 1998) . Prav tako naj bi modafinil deloval prek dopaminergičnega sistema, čeprav njegov natančen način delovanja ostaja nejasen (Ballon in Feifel, 2006; Minzenberg in Carter, 2008; Parmentier et al, 2007; Wisor in Eriksson, 2005). Znano je, da amfetamin poveča sproščanje kateholamina in zavira njihov ponovni zajem (Nishino in Mignot, 2005).

Razlike v genetskem ozadju bodo verjetno le del razlik v zgoraj omenjenem odzivu na modafinil. Številne študije zdravil pri miših in ljudeh so pokazale, da so razlike v učinkovitosti zdravila in njihovih stranskih učinkih več kot pravilo kot izjema. Genetsko ozadje je torej ključna spremenljivka pri ocenjevanju novih zdravil. Primeri specifičnega genskega polimorfizma ali transgenih modelov, povezanih s spremenjeno učinkovitostjo stimulansov, so za amfetamin transporter dopamina (Lott in sod., 2005; Wisor in sod., 2001), homer1a (Tappe in Kuner, 2006), kazein kinaza I-ɛ (Palmer et al, 2005) in nevrotrofični faktor (BDNF), ki izvira iz možganov (Flanagin et al, 2006); za modafinil, katehol- 0- metiltransferazo (Dauvilliers et al, 2002) in transporter dopamina (Wisor et al, 2001); za kofein pa receptor adenosina A2a (Alsene in sod., 2003; Retey in sod., 2007). Ugotovitev, da je kazein kinaza I-ɛ vključena v odgovor na amfetamin pri miših (Palmer in sod., 2005), je bila nedavno potrjena pri ljudeh (Veenstra-VanderWeele in sod., 2006), ki dokazuje, da je mišji model lahko neposredno pomemben za napovedovanje učinkov genskega ozadja pri ljudeh. Podobni farmakogenetski pristopi pri miših so bili uporabljeni za napovedovanje odziva na antidepresive pri ljudeh (Crowley in sod., 2006).

Tu ocenjujemo učinkovitost treh stimulansov v treh inbrednih sevih miši. Prej smo pokazali, da se kompenzacijski odziv na spanje in spremembe v izražanju možganskega gena po prisilni budnosti močno razlikujejo med temi tremi genetskimi ozadji (Franken in sod., 2001, 1999; Maret in sod., 2007). Da bi dobili vpogled v to, kako spojine, ki spodbujajo budnost, ohranjajo možgane budne, poudarjamo najprej spektralni sestavek elektroencefalograma (EEG) med budnostjo, ki ga povzroča droga, in drugič njihov vpliv na izražanje možganskih genov. Naši rezultati kažejo, da vsak stimulans pusti genotip, odvisen od EEG in izražanja genov. Še več, budnost, ki jo povzroči vsako zdravilo, se lahko kvalitativno razlikuje, saj nekatera povzročajo počasna nihanja theta, druga pa visokofrekvenčno EEG aktivnost, ki spominja na aktivnost EEG med zahtevnimi kognitivnimi nalogami.

REZULTATI

YKP10A zakasni začetek spanja brez stereotipije ali povečanega gibanja

Najprej smo ocenili, ali lahko YKP10A odloži spanje brez neželenih učinkov pri miših C57BL / 6J (B6). Med začetnimi poskusi odziva na odziv (slika 1a) so bili video in EEG posnetki skrbno pregledani zaradi nenormalnega vedenja in aktivnosti EEG. Tudi pri najvišjem odmerku (200 mg / kg) niso opazili znakov paroksizmalne ali kako drugače nenormalne EEG aktivnosti ali stereotipnega vedenja. Namesto tega so bile miške na začetku tihe, medtem ko so bile budne z odprtimi očmi, ki so se odzivale na dražljaje (mobilne) in pozorne brez izrazite lokomotorne aktivnosti; to je v nasprotju z d- amfetaminom, ki je pri 6 mg / kg sprožil hiperaktivnost s stereotipnimi gibi, kot so lizanje in ponavljajoči se poskusi, da se povzpnemo na strani kletke. Po tem začetnem učinku YKP10A, ki je trajal 30–40 min (pri 150 mg / kg), so se stopnje aktivnosti vrnile na ravni, ki so običajno povezane z budnostjo.

Nato smo primerjali učinke treh zdravil pri miših B6, da smo določili izjemen odmerek. YKP10A, d- amfetamin in modafinil so vsi povzročili od odmerka povečano trajanje budnosti, ki je bila določena z EEG, precej več od budnosti, ki jo povzročijo fiziološke kontrolne injekcije (slika 1a). Tako za YKP10A kot d- amfetamin je bil dosežen največji dosegljiv odziv v območju preizkušenih koncentracij, medtem ko pri modafinilu to ni veljalo. Za nadaljnje poskuse smo izbrali blizu največji odmerek 150 in 6 mg / kg za YKP10A oziroma d- amfetamin, kar pričakuje 4- do 5-urno obdobje trajne budnosti. Na podlagi razmerja med odmerkom in odzivom je bil izbran odmerek 150 mg / kg za modafinil, ki pričakuje primerljivo trajanje budnosti.

Učinkovitost teh treh zdravil, ki spodbujajo budnost, so primerjali med tremi inbrednimi sevi miši; to je B6, DBA / 2J (D2) in AKR / J (AK), v odmerkih, določenih zgoraj za B6. V novem sklopu mišk B6 smo lahko reproducirali učinke 150 mg / kg YKP10A na začetek spanja in ta učinek smo uspešno uskladili s 6 mg / kg odmerka d- amfetamina (slika 1b). Za modafinil se je 150 mg / kg izkazalo za previsok odmerek, kar je povzročilo 7-urni zastoj spanca namesto predvidenih 4–5 ur (primerjajte sliki 1a in b).

YKP10A in d- amfetamin z zapoznelim začetkom spanja na podoben način, od genotipa odvisno (enosmerna ANOVA, faktor 'genotip': F 2, 54 = 11, 8 za YKP10A, F 2, 19 = 28, 7 za d- amfetamin; P <0, 0001 za obe drogi). Ta razlika je bila posledica tega, ker so miši B6 po obeh zdravilih ostale budne dlje v primerjavi z mišmi D2 in AK (slika 1b). Vendar je bil podoben vzorec porazdelitve sevov v času spanja opažen po injekcijah fiziološke raztopine (slika 1b). Obvladovanje tega učinka je zmanjšalo razlike sevov v začetku spanja pri obeh zdravilih, miši B6 pa se niso več razlikovale od AK mišk (glejte "razlika med zdravili in fiziološko raztopino" na sliki 1b). Čeprav ni pomembno, je bil za čas spanja po dajanju modafinila očiten nasprotni vzorec porazdelitve sevov (enosmerna ANOVA; F 2, 20 = 2, 3, P = 0, 12; slika 1b). Za to zdravilo je nadzor nad razlikami v fiziološkem raztopini učinkovito povečal razlike v sevih, razlika med zdravili in fiziološko raztopino pa je pri miših AK v primerjavi z mišmi B6 postala bistveno večja (slika 1b).

Spremembe EEG, povzročene z drogami, med budnostjo

Za oceno in primerjavo učinkov zdravila na prebujajoči se EEG med tremi inbrednimi sevi smo izračunali EEG-spektre v širokem frekvenčnem območju (0, 75–90 Hz) od časa injiciranja do začetka spanja. Spektri so bili izraženi glede na EEG-spektre spontane budnosti, opažene med osvetlitvijo osnovne črte (dopolnilna slika S1). Od številnih pomembnih razlik med zdravili in sevi, ki smo jih opazili, bomo v nadaljevanju obravnavali le najpomembnejše razlike.

Vbrizgavanju fiziološke raztopine, d- amfetamina in modafinila je sledilo takojšnje povečanje theta aktivnosti, značilno za območje 7–11 Hz, v primerjavi z izhodiščem (slika 2). Za d- amfetamin in modafinil so opazili do trikratno povečanje in so bili večino časa mišji budni. V nasprotju s tem smo po uporabi YKP10A opazili globoko, dva- do trikratno zmanjšanje aktivnosti EEG v tem frekvenčnem območju, ki je trajalo med 1, 5 in 2, 5 h (slika 2). Poleg tega zmanjšanja, ki je vplivalo na gostoto moči EEG v območju 7–20 Hz, v prvih dveh intervalih (tj. ∼ 40 min) niso opazili drugih sprememb. Eno uro po injiciranju YKP10A se je na spodnjem koncu frekvenčnega območja theta (4–7 Hz) v vseh treh sevih pojavila povečana aktivnost (slika 2), nihanja theta pa so se znatno upočasnila za ∼ 2 Hz v primerjavi s fiziološko raztopino (slika 3a). Hkrati se je aktivnost EEG v frekvenčnih pasovih beta-2 (20–35 Hz) in gama (35–60 Hz) izrazito povečala in trajala ∼ 2 h (sliki 2 in 3b). Po d- amfetamina ali modafinila niso opazili upočasnjevanja nihanja theta in povečanja aktivnosti beta-2. Zanimivo je, da je bilo povečanje aktivnosti beta-2 po dajanju YKP10A močno odvisno od genetskega ozadja in ni bilo pri mišjih AK. V zadnjih 1–1, 5 h obdobja prebujanja, ki ga je povzročil YKP10A, so bili spektri EEG treh sevov podobni tistim, ki so jih opazili po injekcijah fiziološke raztopine, d- amfetamina in modafinila, s povišano theta aktivnostjo v območju 7–11 Hz in naraščajo v EEG aktivnosti v območju gama in še višjih frekvencah ('60–80 Hz '; sliki 2 in 3b).

Image

Časovni potek učinkov fiziološke raztopine, YKP10A, d- amfetamina in modafinila na spektralne profile EEG med budnostjo med časom injiciranja in začetkom spanja. Srednji spektri EEG v 12 (ali 24 za modafinil) intervale so bili izraženi kot odstotek povprečnega spektralnega profila za budni EEG v obdobju osvetlitve. Spremembe glede na osnovno črto so prikazane kot toplotna karta, temnejše barve, ki označujejo zmanjšano gostoto moči EEG v primerjavi z osnovno črto, svetlo modre vrednosti, podobne osnovni (100%), toplejše barve (zelena rdeča) naraščajo. (a) EEG-spektralne spremembe, ki jih povzroča YKP10A pri miših B6, AK in D2 ( n = 15 za vsake inbredne miši). (b) EEG spektralne spremembe, ki jih povzročajo fiziološka raztopina ( n = 29), d- amfetamin ( n = 6) in modafinil ( n = 8) pri miših B6. Črno-bele konturne črte omejujejo območja, znotraj katerih se je gostota moči EEG znatno zmanjšala in povečala ( P <0, 01; seznanjeni t- testi).

Slika v polni velikosti

Image

Časovni potek učinkov YKP10A, d- amfetamina in modafinila na največjo frekvenco in moč največjega EEG (a), moč EEG v izbranih pasovih EEG (b) in varianco EMG med budnostjo med časom injiciranja in začetkom spanja (c ; za podrobnosti glejte Materiali in metode in sliko 2). Simboli predstavljajo povprečne (± 1 SEM) vrednosti. (a) Največja frekvenca theta-vrha (zgornja krivulja) po injiciranju droge in po injiciranju fiziološke raztopine (prve tri pike, narisane v času = 0 h). Srednja moč EEG na vrhuncu theta je bila izražena kot odstotek največje moči theta, dobljene po stanju fiziološke raztopine (= 100%). Upoštevajte, da se frekvenčno območje, v katerem se izračuna moč theta, premika, ko se spreminja največja frekvenca theta. (b) Srednja moč EEG v pasovih theta (zgornja), beta-2 (druga), gama in „visokofrekvenčna“ (spodnja krivulja) je bila izražena kot odstotek izhodiščne vrednosti, kot je prikazano na sliki 2 (za a in b, fiziološka raztopina: n = 27, 29, 30; YKP10A: n = 15, 15, 15; d- amfetamin: n = 6, 6, 8; modafinil: n = 6, 8, 7; za D2, B6 in AK) . (c) Odstopanje EMG je bilo izraženo relativno (log razmerje) glede na izhodišče (= 0) (YKP10A: n = 11, 15, 9; d- amfetamin: n = 3, 2, 5; modafinil: n = 3, 5, 3 za D2, B6 in AK). Sive, bele in črne palice na dnu označujejo intervale, v katerih se je frekvenca največjega teta razlikovala od fiziološke raztopine, EMG pa se je od mišk D2, AK in B6 razlikoval od izhodiščne ( P <0, 01; seznanjeni t- testi). Temno sive palice označujejo intervale, v katerih se je učinek zdravila razlikoval glede na genotip ( P <0, 01; enosmerna ANOVA). Odprti simboli: AK, črni simboli: B6, sivi simboli miške D2.

Slika v polni velikosti

Zdi se, da se visokofrekvenčne spremembe EEG niso zmedle s spremembami mišičnega tonusa. V splošnem se je časovni potek sprememb EMG razlikoval od tistega v frekvenčnih pasovih beta-2, gama in '60–80 Hz'. To najbolje ponazorimo za eksperimente YKP10A, pri katerih smo opazili globoke spremembe vseh štirih spremenljivk (slika 3). Uporaba zdravila YKP10A je povzročila takojšnje in globoko zmanjšanje EMG med budnostjo, ki se je v prvih 2-3 urah po injiciranju postopoma vrnilo na bazalno raven (slika 3c). To zmanjšanje mišičnega tonusa je sovpadalo z zmanjšanjem lokomotorne aktivnosti, zaznanim z video opazovanji (glejte zgoraj). V nasprotju s tem smo po d- amfetamina opazili takojšnje povečanje EMG, medtem ko po modafinilu ni bilo opaziti sprememb ali zmanjšanja ravni EMG.

Okrevanje spanja po budnosti, ki jo povzroči droga

Za oceno spojine, ki spodbuja budnost, je ključnega pomena določiti njen vpliv na poznejši spanec. Zato smo analizirali učinke zdravil na obnovitev izgubljenega časa spanja, na delto moč EEG, na indeks potrebe po spanju in na REM spanja (dodatne slike S2). Dinamika obnovitve časa spanja, izgubljenega po uporabi treh zdravil, ki pospešujejo budnost, je bila analizirana z zbiranjem urnih razlik v času spanja med zdravilom in fiziološkim pogojem. Tako analizirani negativni nagibi kopičenja odražajo izgubo časa spanja, pozitivni nagibi pa povečanje glede na fiziološko stanje (Slika 4). Primerjavo vzorcev okrevanja med zdravili je zmedlo dejstvo, da so z uporabljenim odmerkom modafinila živali ostale budne dlje, kot je bilo pričakovano, kar je omogočilo neposredne primerjave med YKP10A in d- amfetaminom.

Image

Časovni potek nabranih razlik v času spanja med zdravilom (YKP10A, d- amfetamin in modafinil) in fiziološkim pogojem. Vrednosti NREMS (zgornja) in REMS (spodnje plošče; povprečne vrednosti ± 1 SEM; YKP10A: n = 15, 15, 15; d- amfetamin: n = 6, 6, 8; modafinil: n = 6, 8, 7; za D2, B6 in AK) so bili izraženi glede na slane pogoje (črna vodoravna črta). Bele (AK), črne (B6) in sive (D2) palice na dnu označujejo intervale, v katerih se je nakopičena razlika razlikovala od slane ( P <0, 05; seznanjeni t -testi). Temno sive palice označujejo intervale, v katerih se je učinek zdravila razlikoval glede na genotip ( P <0, 05; enosmerne ANOVA). Siva območja označujejo temno obdobje.

Slika v polni velikosti

Vzorci okrevanja so bili med stanji spanja in med zdravili in sevi. Na splošno je bil čas okrevanja REM spanja manjši od napora, okrevanje pa se je zdelo "boljše" urejeno v primerjavi s časom spanja NREM, če je bil primanjkljaj spanja REM manjši 24 ur po vbrizganju zdravila (slika 4). Tako je bilo po dajanju YKP10A spanje REM spanja popolno (tj. Doseglo je raven 0) do 21. ure pri vseh treh sevih, medtem ko je pri spanju NREM to veljalo samo za mišje D2; miši B6 in AK so še vedno pokazale primanjkljaj 1 h v uri 24 glede na fiziološko stanje (slika 4). Tudi po modafinilu je kljub večji izgubi spanja in krajšem obdobju okrevanja obnovitev spanca REM skoraj končana do 24. ure, medtem ko je pri spanju pri NREM ostal primanjkljaj od 1, 5 do 3, 5 ure. Razlike v deformacijah pri obnovitvi spanja pri NREM, opaženih po modafinilu, se lahko v veliki meri razloži z dejstvom, da se je obnovitveni spanec pri miših B6 začel ∼ 1 uro prej (slika 4, glej sliko 1). Zanimivo je, da je d- amfetaminu sledilo prekomerno nadomestilo časa spanja REM pri vseh treh sevih in prekomerno kompenzacijo spanja NREM pri miših D2 in AK, ne pa tudi na miših B6.

Pri vseh treh zdravilih se je kompenzacija spanca NREM zgodila večinoma v temnem obdobju. V obdobju svetlobe so se vzorci okrevanja med sevi razlikovali. Tako po YKP10A kot d- amfetamina pri miših B6 ni bilo opaziti izgube izgubljenega časa spanja NREM, medtem ko se je spanje REM v tem obdobju povečalo (slika 4). V obdobju 4–5 ur obnovitvenega obdobja, ki je ostalo po lahkem obdobju po dajanju modafinila, noben od sevov ni bistveno zmanjšal svojega spančnega primanjkljaja NREM ali REM; če sploh, pri miših D2 in AK se primanjkljaj spanja NREM v tem obdobju še poveča.

Moč Delta EEG med spanjem NREM

Moč delte EEG se pogosto uporablja kot kazalec potreb po spanju. Zato je zanimivo vedeti, ali budnost, ki jo povzročajo tri droge, vpliva na moč delta EEG v poznejših NREM-ih spanju v enakem obsegu. Ne glede na zdravljenje in genotip je raven delta moči EEG pokazala značilni trend upada v svetlobnih obdobjih, ko prevladuje spanje NREM in se poveča v temnem obdobju, ko se miši večinoma prebujajo (slika 5). Injekcije soli niso močno vplivale na moč delta EEG, čeprav so bile opažene subtilne spremembe, ki so pomembne za razlago učinkov zdravila (glejte spodaj); V prvem intervalu po injekciji fiziološke raztopine se je moč delta EEG znatno povečala glede na izhodišče pri miših B6 in zmanjšala pri miših AK (slika 5; statistika ni prikazana). Poleg tega so bile vrednosti v prvih dveh intervalih temnega obdobja nižje od izhodiščnih za miši B6 in D2.

Image

Učinki injekcij YKP10A, d- amfetamina, modafinila in fiziološke raztopine na časovni potek delta moči EEG med spanjem NREM. Leve plošče: delta moč EEG (srednja vrednost ± 1 SEM; fiziološka raztopina: n = 27, 29, 30; YKP10A: n = 15, 15, 15; d- amfetamin: n = 6, 6, 8; modafinil: n = 6, 8, 7; za D2, B6 in AK je bilo izraženo glede na zadnje 4 ure osvetlitve izhodiščne črte (= 100%). Temno sive palice na dnu vsake plošče označujejo intervale, v katerih so bile opažene pomembne razlike v napetosti ( P <0, 05; enosmerne ANOVA). Desne plošče: spremembe moči delta EEG po vbrizganju zdravila izražene kot odstotek fiziološkega stanja. V svetlobnih obdobjih so primerjali ustrezne intervale glede na začetek spanja; v temnem obdobju glede na temni napad. Pomembne razlike od fiziološke raztopine so označene z barvnimi črtami (isto barvno kodiranje kot na sliki 4; P <0, 05; seznanjeni t- testi). Temno sive palice označujejo intervale, v katerih se je razlika med zdravili in fiziološko različnostjo med sevi razlikovala ( P <0, 05; enosmerna ANOVA).

Slika v polni velikosti

Kot je bilo pričakovano, je budnosti zaradi drog sledilo povečanje delta moči EEG. YKP10A je sprožil večjo moč delta EEG v vseh treh sevih v prvih štirih intervalih po začetku spanja v primerjavi s prvimi štirimi intervali po začetku spanja v fiziološkem stanju (slika 5). Po d- amfetaminu so opazili tudi prvotno povečanje fiziološke raztopine, vendar je bilo to povečanje manj izrazito in omejeno na prvi interval in pomembno samo za miši AK in D2. Pomanjkanje povečanja miši B6 je lahko posledica dejstva, da je bila za injekcijo fiziološke raztopine samo za ta sev moč delte EEG že znatno povečana. Relativno povečanje moči delta EEG takoj po začetku spanja se ni bistveno razlikovalo med stanji YKP10A in d- amfetaminom, kasneje pa so bile v obdobju svetlosti relativne vrednosti po d- amfetamina nižje kot po YKP10A samo za AK (intervali 3, 6 –7 po zagonu spanja; minimalno F 1, 21 = 4, 4) in D2 (intervali 3–4; najmanj F 1, 19 = 5, 7, P <0, 05; t- testi). Ko se moč delte EEG med spanjem z NREM zmanjšuje, so lahko nižje relativne vrednosti, opažene po d- amfetaminu, posledica manjšega pomanjkanja časa spanja NREM med svetlobnim obdobjem, opaženega po d- amfetaminu, v primerjavi z YKP10A (glej sliko 4). Enak učinek bi lahko temeljil na zmanjšanju vrednosti delta EEG pod nivojem fiziološke raztopine, ki smo ga opazili v zadnjih dveh intervalih temnega obdobja (slika 5), ​​ker je bila večina izgubljenega časa spanja NREM kompenzirana v tem obdobju (slika 4). To znižanje pod koncentracijo soli smo opazili tudi pri modafinilu (slika 5).

Modafinil je povzročil znatno povečanje moči delta EEG nad koncentracijo soli v vseh treh sevih (slika 5). V skladu z daljšim obdobjem prebujanja, ki ga povzroča modafinil, so se ravni, dosežene v prvem intervalu po začetku spanja, zdele višje v primerjavi z drugimi, ki so jih opazili po drugih dveh zdravilih. Pomembne razlike pa smo opazili le za AK (modafinil proti YKP10A; F 1, 20 = 4, 2 in d- amfetamin; F 1, 13 = 12, 1) in za B6 (modafinil v primerjavi z d- amfetaminom; F 1, 12 = 12, 9, P <0, 05; t -testi).

Učinki zdravil na izražanje možganskega gena

Različni učinki treh zdravil, ki pospešujejo budnost, in treh genotipov na raven mRNA v možganih so bili ocenjeni z analizo mikroarray. Poudariti je treba, da so spremembe, izražene z geni, o katerih so poročali, v nasprotju z doseženimi nivoji pri miših, ki so jim injicirali fiziološko raztopino in jih nato z nežnim ravnanjem ohranjali budno za isto obdobje. Tako so upoštevane globoke spremembe v izražanju genov zaradi daljšega budnosti kot take (Maret in sod., 2007).

Ugotovljeno je bilo, da je le nekaj od testiranih naborov 000 45 000 pomembno vplivalo na stanje drog (dodatna slika S3). Število genov, ki so spremenili ekspresijo po modafinilu in YKP10A, je bilo za D2 večje v primerjavi z drugima dvema sevom. Zlasti pri miših B6 se je spremenilo zelo malo genov (dva in osem v primerjavi s 50 in 75 pri miših D2; dodatna slika S3). Nasprotno je veljalo za d- amfetamin, ki je pri miših D2 spremenil dva- do trikrat manj genov. Na splošno je bilo po YKP10A izraženo število genov dvakrat večje kot pri drugih dveh zdravilih (dodatna slika S3). Prav tako je treba opozoriti, da je na droge ali genotip podobno vplivalo le zelo malo (ali za nekatere pogoje) sonde (slika 3).

Pri miših B6 je d -amfetamin povzročil znatno povečanje izražanja Dio2, Crem , Homer1a in beljakovin toplotnega udara Hspa1a , -a1b in -b1 (dodatna tabela S1), kar potrjuje prejšnja poročila (Budziszewska et al. 1996; Fujiyama in sod., 2003; Sokolov in sod., 2003). Izraz istega nabora genov je bil povečan pri miših, ki so bile z nežnim ravnanjem samo budne (Maret in sod., 2007), kar kaže na to, da amfetamin nadalje potencira nekatere iste poti, ki so se že aktivirali s podaljšano budnostjo. Pri miših AK in D2, zdravljenih z amfetaminom, so se isti geni znova uvrstili med najpomembnejše, vendar razen Dio2 spremembe mRNA niso prenesle lažne stopnje odkritja (FDR), postavljene na 5% (dopolnilni tabeli S2 in S3). Od preostalih zdravil je le modafinil prinesel pomembne rezultate pri miših D2 (dodatna tabela S4 – S9).

Nizko število identificiranih genov kljub velikim spremembam krat, ki so jih opazili pri nekaterih, kaže na to, da naši analizi genske ekspresije ni dovolj moči. Kot komplementarni pristop smo zato uporabili pristop genskega podpisa, ki je uporabil gene z največjo varianco v devetih pogojih (tri zdravila × trije sevi) kot označevalce učinka določenega zdravila na določen sev. Za določitev števila genov, potrebnih za razlikovanje devetih pogojev, smo izvedli zaporedje hierarhičnega združevanja z uporabo najbolj spremenljivih nizov sonde 2000, 1000, 500 in 200 čez devet t -statističnih vrednosti (slika 6a). Za oceno moči grozda in veje smo izračunali tako verjetnosti zagona kot korigirane pristranosti. Opazili smo, da so se razmere najprej razvrstile v skladu z zdravljenjem z zdravili, kar pomeni, da je učinek zdravila na izražanje genov močnejši od učinka genetskega ozadja. Zdravljenje YKP10A je povzročilo odziv genske ekspresije, ki je podoben modafinilu več kot d- amfetamin. To je še posebej jasno za stanje "YKP10A-AK", ki se gruča bodisi z modafinil bodisi z drugima dvema YKP10A pogojem (tj. B6 in D2), odvisno od števila sond, zadrženih za združevanje. Za kasnejšo analizo smo se odločili za 500 najbolj spremenljivih naborov sonde, ker (i) z uporabo 2000 genov klasifikacija stanja "YKP10A-AK" ni dala velike verjetnosti grozda, (ii) z uporabo 1000 genov, "YKP10A- Stanje AK ​​je bilo še vedno razvrščeno z modafinil in (iii) z uporabo 200 genov se je skupna verjetnost grozda začela slabšati.

Image

Primerjalna transkriptna analiza kaže, da na YKP10A (YKP) vpliva več genskega ozadja kot amfetamin in modafinil ( n = 9 za vsako zdravilo in sev, n = 9 za vsako kontrolo in sev). (a) Hierarhično združevanje devetih primerjav zdravil in fizioloških raztopin z uporabo najbolj različnih spremenljivk sond 2000, 1000, 500 ali 200. Za analizo grozdov so bili uporabljeni zmerni t- statistični podatki, kot so opisani v materialih in metodah. Vrednost verjetnosti zagonske vrvice (zelena) in približno nepristranske vrednosti verjetnosti sta navedena za vsak grozd. (b) Dvosmerno hierarhično združevanje 500 najrazličnejših naborov sond in devet pogojev med zdravilom in soljo. Nabori sonde so razvrščeni v pet skupin (Cl.1–5). Rdeča: pozitiven t -statističen; zelena: negativna t -statistična. (c) Leva plošča: korelacijski koeficient ( r ) med moderiranimi t -statističnimi vrednostmi za 500 najbolj spremenljivih naborov sonde in močjo EEG v frekvenčnih pasovih beta-2, gama in theta, pri čemer se uporabijo pogoji devetih sevov × drog kot vzorcev. Rdeča: pozitivna korelacija; zelena: negativna korelacija. Geni so razvrščeni kot v grupiranju. Desna plošča: geni s pomembnimi korelacijami (Pearsonov korelacijski test, P <0, 01) z enim od treh fenotipov, označenih z belimi pasovi.

Slika v polni velikosti

Grozitev (tj. Nabor sonde) je združevala pet glavnih vzorcev sprememb izražanja genov (slika 6b; dodatna tabela S10). Na grozde 2 in 4 je prevladoval odziv modafinil (grozd 2: ugrevanje; grozd 4: upadanje regulacije). Grozd 2 je vključeval številne presnovne gene Sgk, Slc2a1, Ugt1a1, Sult1a1, Xdh, Pdk4 in druge, kot so Fos in Cdkn1a . Glicinski receptor Glra2 je bil prisoten v grozdu 4. Grozd 3 je vseboval gene, ki jih je reguliral d- amfetamin ( Arc , Crem , Dio2 , Homer1a, Hspa1a , Hspa1b, Hspb1 , Hsp110, Insl5, Npas4, Nr4a1 in Ppp1r3c ). Grozdi 1 in 5 so pokazali najbolj zanimive vzorce z nasprotnimi učinki YKP10A in d- amfetamina. Poleg tega je bilo v grozdu 1 opazen sevni učinek: na gensko ekspresijo pri miših AK, ki so bile zdravljene bodisi z amfetaminom bodisi z YKP10A, je bilo prizadeto manj ali v obratni smeri v primerjavi z B6 in D2. Med temi geni smo našli encima Adarb1 in Gad2 (sinteza GABA) (grozd 1), transkripcijski faktor Dbp (grozd 5), ki ga regulira pomanjkanje spanja (Franken in sod., 2007; Wisor in sod., 2002) in amfetamin (Sokolov et al, 2003), ionski kanali in receptorji Cacna2d1 , Gabrb2 (GABA-A) (grozd 1) in Oprm1 , Kcnn2, Ntrk2 (grozd 5) in signalne molekule Stxbp1, Adrbk1, Creb1 (skupina 1 ) in Crebbp, Pten in Vti1a (skupina 5).

Korelacije fenotipa in izražanja genov

V prizadevanju, da bi ekspresijo genov povezali s fiziologijo, smo uporabili devet sevov × pogojev drog in povezali t- statistične vrednosti gena, izražene z ekspresijo, z najpomembnejšimi spremembami odvisnosti od zdravila pri prebujanju EEG; to so relativne spremembe moči EEG v frekvenčnih pasovih theta, beta-2 in gama v času, ki so pokazale največjo razliko med zdravili (tj. prvo obdobje od 2 do 2, 5 ure po injiciranju zdravila). Opazili smo, da geni v grozdu 1 ponavadi negativno korelirajo, geni grozda 5 pa pozitivno korelirajo z aktivnostjo beta-2 (slika 6c). Med geni, ki so negativno korelirali, smo našli protein 1, ki veže sintaksin ( Stxbp1 ; r = –0, 80) in adenozin deaminazo, specifično za RNA, B1 ( Adarb1 ; r = –0, 82), za katero je znano, da sodeluje pri urejanju pod-enoto pre-mRNA glutamatnega receptorja B (Mittaz in sod., 1997). Med tistimi, ki so korelirali pozitivno, smo našli nevrocan ( ncan ; r = 0, 88) in NMDA receptorje 1-podobno ( Narg1l ; r = 0, 85) (dopolnilna tabela S10). Le osem naborov sonde je bilo pomembno povezano s spremembami aktivnosti EEG gama. Med njimi smo našli Slc7a10 (znan tudi kot Asc-1 ; r = 0, 81), ki sodeluje pri nadzoru hiperekscitabilnosti (Xie in sod., 2005). Skoraj vse pomembne množice sond so bile negativno povezane s theta aktivnostjo in spadajo v skupino 5, kot so Narg1l ( r = -0, 91), Dnajb14 (Hsp40) ( r = -0, 82) in Gsk3b ( r = -0, 81), proliferacijski gen, povezan z odzivom na zdravljenje z antidepresivi (Tsai et al, 2008). Treba je opozoriti, da sta bili meritve EEG za aktivnost theta in beta-2 negativno korelirani ( r = -0, 64), zato so nabor sond, ki so bili v korelaciji z enim, ponavadi pokazal nasprotno korelacijo z drugim.

Aktivnost c-FOS, ki jo povzroča droga

Preučili smo indukcijo c-FOS v možganih, da bi ocenili, ali so med tremi zdravili skupne nevronske poti vključene v promocijo budnosti. c-FOS imunoreaktivnost je bila določena na možganskih odsekih pri miših B6, ubitih 2 uri po dajanju zdravila. C-FOS, ki je povzročil amfetamin in modafinil, sta v podobnih možganskih regijah, vendar na različnih ravneh (dodatna slika S4). Cerebralna skorja se je aktivirala bolj z amfetaminom (zlasti jasno v piriformni, somatosenzorni, motorični in cingulatni skorji), medtem ko so bila enako prizadeta tudi druga območja, kot so dentatni girus, dorsomedialni hipotalamus in amigdale. Striatum se je očitno aktiviral bolj po uporabi modafinila. Poleg tega se zdi, da sta tudi hipokampalni regiji CA1 in CA3 bolj aktivirani. V ventromedialni hipotalamus, paraventrikularni talamus, periaqueductal siva, substantia nigra in lemniscus, je c-FOS povzročil amfetamin, zlasti medtem ko so navpični ud diagonalnega pasu, acumbens (lupina) in pallidum aktivirali šele po modafinilu. V nasprotju z dvema drugim stimulansom YKP10A ni sprožil c-FOS v striatumu, medtem ko so v hipokampusu (natančneje na območju CA1, opazili več aktiviranih nevronov; glejte dodatno sliko S4). YKP10A in modafinil sta si delila številna področja podobne aktivacije, kot so lateralno septalno jedro, septohippocampalno jedro, dorzalna tenia tecta, seminularno jedro, otok calleja, olfaktorni tubercle in ločno jedro. YKP10A, posebej, je aktiviral subiculum, ventral tenia tecta, jedro solitarnega trakta želatinozno, dorzalno endopiriformno in suprachiasmaticno jedro.

DISKUSIJA

Primerjali smo „podpise“ aktivnosti EEG in možganske genske ekspresije treh spojin, ki spodbujajo budnost, v inbrednih sevih miši, pri katerih sta se izražanje in regulacija spanja in budnosti močno razlikovala (Franken et al, 2001). Specifični podpisi EEG in izražanja možganskega gena so bili določeni predvsem z drogami in nato spremenjeni glede na genetsko ozadje. Rezultati imunoreaktivnosti c-FOS so potrdili, da se zdravila močno razlikujejo v strukturi, na katero ciljajo, kar je bilo še posebej jasno pri možganski skorji, hipokampusu in striatumu. Skupaj ta široka paleta ugotovitev podkrepi predstavo, da se lahko farmakološko aktivirajo različne poti, da se možgani ohranijo budni. Poleg tega te ugotovitve EEG in izražanja genov prav tako kažejo, da se budnost, ki jo povzročajo tri spojine, razlikuje v kakovosti, kar potrjujejo tudi vedenjska opažanja. In končno, ne glede na poti, ki so aktivirane za zamudo začetka spanja in vrsto vzbujene budnosti, so vse tri spojine povzročile povečan spanec, kar je za d- amfetamin povzročilo celo prekomerno kompenzacijo časa spanja.

Učinki zdravil na prebujajoči se EEG

Dokazali smo, da so bili budni EEG profili po dajanju amfetamina in modafinila podobno potrjujoča opažanja pri mački (Lin in sod., 2000, glej tudi Chapotot in sod., 2003). Najpomembnejše spremembe EEG so se nanašale na povečanje moči in frekvence nihanj theta in povečanje gama aktivnosti. Te spremembe EEG so se močno razlikovale od sprememb, ki jih je povzročil YKP10A, čemur je sledilo izrazito upočasnitev nihanj theta in zmanjšanje moči EEG v območju 7–20 Hz, sočasno s povečanjem gama aktivnosti. Gama aktivnost je pogosto povezana s prisotnostjo nihanj theta pri glodalcih (Sainsbury, 1998), vendar se zdi, da YKP10A te dve vrsti EEG aktivnosti ločuje. Po aplikaciji muskarinskega agonista okotremorina pri podganah so opazili podobno upočasnjevanje theta, ki je povzročilo gama, (Timofeeva in Gordon, 2001). Postopno in prehodno upočasnjevanje nihanja theta, ki je sledilo YKP10A, je torej lahko posledica kontinuiranega povečevanja aktivacije aditivnih pogonov iz možganskega debla in iz holinergičnih virov, kot sta predlagala Vertes in Kocsis (1997).

YKP10A je sprožil tudi specifično povečanje aktivnosti beta-2, ki ga pri drugih zdravilih niso opazili. Po izčrpanju dopamina pri podganah so opazili tudi izrazita povečanja beta nihanj (Sharott et al, 2005). To povečanje aktivnosti beta-2 v kombinaciji s kliničnim profilom YKP10A, ki je podobno tistemu od zdravil, za katere je znano, da vplivajo na prenašanje dopamina in predhodne rezultate in vitro (glej uvod), tako daje nadaljnjo podporo ideji, da ta spojina vpliva na dopaminsko signalizacijo. Zdi se, da je tudi aktivnost v frekvenčnem območju beta negativno povezana s prostovoljnimi gibi pri ljudeh (Kuhn in sod., 2004), kar je skladno z izrazitim zmanjšanjem lokomotorne aktivnosti, ki so ga opazili kmalu po injiciranju v tej študiji. Dajanje YKP10A ni moglo sprožiti aktivnosti beta-2 pri miših AK, medtem ko je bilo pri tem sevu opaženo upočasnitev theta.

Čeprav je v večini farmakoloških študij prebujajoč EEG količinsko opredeljen samo do 30 Hz, bi lahko tukaj dokazali, da vsa tri zdravila povzročajo gama in še večje aktivnosti EEG '60–80 Hz'. Pri prosto gibajočih se podganah so te visokofrekvenčne dejavnosti pokazale povezavo z budnostjo in REM spanjem (Franken in sod., 1994) in spontanim vedenjem (Maloney in sod., 1997). Aktivnost EEG '60 do 80 Hz 'je lahko povezana s serijo hitrih (60–115 Hz) hipokampalnih konic ali z' visoko 'gama (Pais in sod., 2003; Traub in sod., 2001). Poročalo se je, da so te visokofrekvenčne komponente povezane s predstavitvijo pomembnih dražljajev, s pozornimi procesi in prostovoljnimi gibi, predlagano pa je, da predstavljajo korelat kognicije in sinaptične plastičnosti (Canolty in sod., 2006; Crone in sod., 2006 Grey in Singer, 1989; Sanes in Donoghue, 1993; Tiitinen in sod., 1993; Traub in sod., 2005). Izboljšana gama aktivnost, opažena med budnostjo, povzročeno z zdravili, lahko tako odraža povečano kognitivno zmogljivost in vsaj pri modafinilu je pri miših dokazano povečanje delovnega spomina (Beracochea in sod., 2001, 2002, 2003; Pierard in sod., 2006) in podgane (Miller in sod., 2000; Ward in sod., 2004). Druga potrjujoča opažanja izvirajo iz povečane aktivnosti c-FOS v hipokampusu miši B6, kar je bilo največje za zdravilo, ki je povzročilo tudi največji porast gama aktivnosti; to je YKP10A. Domneva se, da gama aktivnost v hipokampusu koordinira omrežja CA3 in CA1 med opravljanjem pomnilniških nalog (Montgomery in Buzsaki, 2007), v katerih je bila izključno odkrita reaktivnost c-FOS.

Učinki na spanje po budnosti, ki jih povzroči droga

Pobujanju, ki so ga povzročila vsa tri zdravila, je sledil kompenzacijski odboj v trajanju in intenzivnosti (tj. Delta moč EEG), kar kaže, da so bili aktivirani homeostatični mehanizmi spanja ne glede na razlike, ki jih je zdravilo povzročilo v aktivnosti EEG ali izražanju gena. V idealnem primeru bi morala spojina, ki spodbuja budnost, spodbujati budnost brez ponovne hipersomnolence. V tem pogledu je delovanje amfetamina še posebej slabo, saj je bilo opaziti „prekomerno kompenzacijo“ časa spanja tako pri spanju kot pri REM in NREM. O podobni prekomerni kompenzaciji so poročali že pri spanju REM po dajanju dimetilamphetamina (Kitahama in Valatx, 1979). Prekomerno kompenzacijo spanja z NREM niso poročali prej, ker je okrevanje začelo takoj po začetku spanja, medtem ko se je po YKP10A in modafinilu okrevanje pozno začelo in začelo šele po temnem nastopu. Spet je bila opazna izrazita razlika v deformaciji; pri miših B6 je bila običajna zamuda pri obnovitvi spalnega časa NREM tudi v damfetaminskih pogojih. Pri podganah, pri katerih so primerjali učinke amfetamina in modafinila, so poročali o podobnih razlikah med zdravili v dinamiki okrevanja spanja (Edgar in Seidel, 1997; Wisor in sod., 2006). V nasprotju z našo raziskavo pa druge raziskave na podganah (Touret in sod., 1995) in mačkah (Lin in sod., 2000) niso našle dokazov za ponovno zaspano spanje po modafinilu, kar je povečalo zanimanje za to zdravilo kot prebujanje. - promocijski agent.

Podobno so pri večini stanj in sevov opazili povečanje moči delte EEG med spanjem pri NREM, indeks potrebe po spanju ter globino ali intenzivnost spanja NREM v primerjavi s stopnjami, doseženimi po fiziološki raztopini. Pri miših se ponovni upad moči EEG po dajanju modafinila ni razlikoval od povečanja, opaženega po ročnem odvzemu spanja v istem času (Kopp in sod., 2002), kar kaže, da so homeostatski mehanizmi spanja v obeh pogojih podobno aktivirani. To so potrdili tudi pri podganah (Edgar in Seidel, 1997), medtem ko v tej študiji metilamptetamin ni povzročil bistvenega odboja. Primerjava modafinil- d- amfetamina v tej študiji je bila zmedena zaradi daljšega trajanja budnosti, ki ga je povzročil modafinil. The YKP10A– d- amphetamine comparison indicated, however, that also in our study amphetamine induces a less robust and shorter lasting increase in EEG delta power and, similar to the rat study, no significant increase was observed in B6 mice. Finally, also in humans, slow-wave sleep duration, that is the fraction of NREM sleep with high levels of EEG delta power, was significantly increased after modafinil and sleep deprivation, but not after amphetamine (Buguet et al, 1995). This different response after d- amphetamine could indicate that because EEG delta power increased to a lesser extent, the increased sleep need was coped with by sleeping longer (overcompensation).

The drug-dependent effects of wakefulness on subsequent EEG delta power are of interest in the context of sleep function. One prominent hypothesis on sleep function poses that sleep plays a role in synaptic homeostasis by countering ('down-scaling') the synaptic strengthening imposed by wakefulness. More specifically, down-scaling could be functionally related to the expression of EEG delta oscillations (reviewed by Tononi and Cirelli, 2006). Accordingly, EEG delta power is increased more after longer and/or more intense waking periods, such as periods of exploratory behavior, as was reported in rats (Huber et al, 2007). Given this, the behavioral quiescence and marked suppression of theta activity after YKP10A administration should have been followed by only a modest EEG delta increase, whereas the hyperactivity and pronounced theta activation following d- amphetamine should have been followed by a higher rebound. However, in this study, the opposite is found suggesting either that beta or gamma activity might be more relevant in inducing synaptic strength (as they were induced more by YKP10A) or that d- amphetamine could interfere with the expression of EEG delta oscillations even after sleep onset.

Effect on Brain Gene Expression

Psychostimulants affect the expression of immediate early genes, such as Fos, Arc , and Homer1a , the most (Berke and Hyman, 2000; Yano and Steiner, 2007). We have shown earlier that the increase in the expression of the same genes ranks among the highest after extended wakefulness (Maret et al, 2007), raising the possibility that changes in gene expression reported for these compounds are mediated through the induced wakefulness and not specific to the drug. Although we quantified expression in whole-brain homogenates, the pronounced FOS reactivity in the striatum after modafinil administration seems consistent with a specific role of this structure in wake promotion and attention (Willuhn et al, 2003; Yano and Steiner, 2005a, 2005b). The induction of c-FOS was, however, not observed after the other two compounds.

Whole-brain gene-expression profiling suffers many limitations, the most important being the lack of power to detect subtle but functionally significant changes in small brain regions (see discussion in Maret et al, 2007). However, sampling specific brain regions without established evidence for their involvement might also present the risk of missing valuable information from unsuspected brain regions. Moreover, Cirelli et al (2004) have reported similarities in gene expression as a function of vigilance states between the cortex (site of the EEG correlates) and the cerebellum (with no major contribution to sleep), suggesting more global than local effects of sleep and wakefulness on brain gene expression.

Our cluster analysis revealed several interesting genes or gene pathways characterizing each stimulant. Cluster 2 contained transcripts that were mostly increased by modafinil. Several of those are implicated in metabolism (see Results), supporting the role of modafinil in activating brain metabolism (Pierard et al, 1995). Another pathway identified concerned genes implicated in apoptosis (ie, Ccnd3, Cdkn1a, Ddit4, Emilin2, Fos, Klf4, Lcn2, Mgp, Nfkbia, S100a8, S100a9, Sgk1, Slc2a1, Tgm2, Txnip, Xdh, and Zbtb16 ; in-silico pathway analysis; Ingenuity Systems Inc.: P =3.8 × 10 −8 ). One representative apoptotic gene is Cdkn1a (P21) , a regulator of cell-cycle progression and related to stress response (Rodriguez and Meuth, 2006). Cluster 5, characterized mostly by genes overexpressed by YKP10A, included six genes (ie, Crebbp, Gsk3b, Ncan, Ntrk2, Ptprd, and Vldlr ) that were positively correlated with beta-2 and/or gamma activity, and negatively correlated with theta. These genes are implicated in long-term potentiation (LTP; Ingenuity Systems Inc.: P =6.3 × 10 −4 ). Ntrk2 , the receptor that binds BDNF, is well known to be implicated in hippocampal LTP and synaptic plasticity (Gartner et al, 2006; Nagappan et al, 2008; Santi et al, 2006; Tanaka et al, 2008) and EEG delta power during recovery from sleep deprivation (Faraguna et al, 2008; Hairston et al, 2004). Together with the pronounced induction in EEG gamma activity and increase in hippocampal FOS, the changes in the expression of these genes indicate that YKP10A might modulate memory processes and cognitive performance. Stimulant-induced gene expression may also have detrimental impacts on behavior and/or EEG activity. The Na + -independent alanine-serine-cysteine transporter 1 Slc7a10 ( Asc-1 ) is downregulated in our study by amphetamine in all strains. Loss of function of this gene in mice induces tremors and seizures (Xie et al, 2005). It is well known that acute, high doses of several classical stimulants including amphetamines cause seizures in mice, rats, and humans (Golden et al, 2001; Hanson et al, 1999; Zagnoni and Albano, 2002). As a cautionary note we like to point out that the analyses presented here are based on microarray data, and the changes in expression for specific genes were not independently confirmed with, for example, qRT-PCR. Nevertheless, because our gene signature approach considered only those genes that changed the most and because we have shown that the most significant changes detected by microarray analysis are routinely confirmed by qRT-PCR (Maret et al, 2007), we feel confident about the gene pathway we identified. For the same reason, the gene expression–EEG phenotype correlations should be interpreted with caution. In addition, as is the case with any correlation, the analyses do not prove causality.

CONCLUSION

We conclude that different stimulants leave different behavioral, sleep, EEG, and brain gene-expression signatures, indicating that complex molecular and neuronal pathways differentially and/or in combination are required to keep the brain awake. YKP10A is an atypical wake-promoting drug that may prove to be a useful medication in humans. It's mode of action differs greatly from that of both d- amphetamine and modafinil. This study also underscores that taking genetic background and the gene-expression signature into account is paramount to estimate drug efficacy in a therapeutic discovery process, especially for sleep–wake phenotypes in which genetic factors play an important role.

Dodatne informacije

Slikovne datoteke

  1. 1.

    Dopolnilna slika S1

  2. 2

    Dopolnilna slika S2

  3. 3.

    Dopolnilna slika S3

Datoteke PDF

  1. 1.

    Dopolnilna slika S4

  2. 2

    Dopolnilna tabela S1

  3. 3.

    Dopolnilna tabela S2

  4. 4.

    Dopolnilna tabela S3

  5. 5.

    Dopolnilna tabela S4

  6. 6.

    Dopolnilna tabela S5

  7. 7.

    Dopolnilna tabela S6

  8. 8.

    Dopolnilna tabela S7

  9. 9.

    Supplementary Table S8

  10. 10.

    Supplementary Table S9

  11. 11.

    Supplementary Table S10

Word dokumenti

  1. 1.

    Supplementary Table and Figure Legends

    DISCLOSURES/CONFLICT OF INTEREST

    MT declares that over the past 3 years he has received compensation from UCB Pharma and Servier. AA and WD declare their full-time employment at Johnson and Johnson, Pharmaceutical Research and Development, Beerse, Belgium. SH, SP, and PF declare that, except for income received from their primary employers, no financial support or compensation has been received from any individual or corporate entity over the past 3 years of research or professional service, and they have no personal financial holdings that could be perceived as constituting a potential conflict of interest.

    Dodatne informacije so priložene dokumentu na spletni strani Neuropsychopharmacology (//www.nature.com/npp)