Chronic psychosocial stress and HPA axis functionality in male C57BL/6 mice - a closer look at the adrenal level - University of Regensburg Publication Server

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-276731
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.27673

Schmidt, Nicole Maria

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Date of publication of this fulltext: 03 Feb 2014 14:56

Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	3 February 2014
Referee:	Prof. Dr. Inga D. Neumann
Date of exam:	25 January 2013
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Tierphysiologie/Neurobiologie (Prof. Dr. Inga Neumann)
Interdisciplinary Subject Network:	Not selected
Research groups and research centres:	Not selected
Keywords:	chronisch psychosozialer Stress, HPA-Achsen-Funktionalität, Nebennieren, C57BL/6-Mäuse, Hypocorticismus, chronic psychosocial stress, HPA axis functionality, adrenal gland, C57BL/6 mice, hypocorticism
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 570 Life sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	27673

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Abstract (English)

Abstract (English)

Chronic stress is omnipresent in our modern society and thought to be the greatest health risk of the 21st century. Thereby, it is especially chronic psychosocial stress which represents a major burden for the individual by posing a high risk factor for the development of a variety of somatic as well as affective disorders. Inflammatory bowel disease (IBD), cardiovascular diseases, chronic fatigue syndrome, but also anxiety- and depression-related disorders are only a few to name.
Despite a great interest of research in this field, the mechanisms behind chronic stress-induced pathology are still poorly understood. Nevertheless, the predominant concept of the last decades of a chronic stress-induced hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis hyperactivity is challenged and opposite alterations are discussed. In this context one mechanism gets more and more interesting, namely a decrease in glucocorticoid (GC) signalling. The latter can be characterized either by a reduced hormone bioavailability, the so called hypocorticism, by GC resistance of target cells, or by a combination of both. Importantly, there is evidence from human studies for a chronic stress-induced decrease in GC signalling and also for a reduced GC signalling in patients suffering from stress-related disorders like burn-out or chronic fatigue syndrome on the other hand. However, the detailed mechanism underlying chronic stress-induced decrease in GC signalling and its consequences on the development of somatic and affective disorders are largely unknown.
One possibility to gain more insight into this mechanism is the use of appropriate animal models. The chronic subordinate colony housing (CSC, 19 days), which was validated as an adequate and clinical relevant model of chronic psychosocial stress in male mice, seems to represent such a model. Beside GC resistance of target cells, CSC mice are also characterized by basal evening hypocorticism, which seems to be mediated by chronic stress-induced alterations mainly at the adrenal level. Thus, the present thesis focused on the effects of CSC on the functionality of the adrenal gland to gain more insight into the mechanisms underlying chronic stress-induced hypocorticism.
It was shown in the present thesis that CSC exposure resulted in an attenuation/loss of relative adrenal responsiveness to ACTH doses during in vitro stimulation compared with single-housed control (SHC) mice, indicated by an attenuated CORT secretion from CSC compared with SHC adrenal explants. Interestingly, this seems to develop between day 14 and 19 of CSC exposure. However, exposure to a subsequent acute heterotypic stressor, namely elevated platform (EPF) exposure, resulted in an exaggerated adrenal CORT response in CSC compared with SHC mice. Together, these changes indicate a mechanism of adaptation to homotypic and sensitization to acute heterotypic stressor exposure in chronically-stressed mice at the level of adrenal glands. Interestingly, such processes of adaptation/sensitization have been described at least to my knowledge so far only at higher HPA axis levels such as the pituitary. Therefore, CSC mice seem to be protected from being exposed to prolonged high basal levels of GCs, a likely consequence of the observed enlargement of functional adrenal mass. However, an additional factor, present during acute heterotypic stressors in vivo, most likely restoring adrenal ACTH responsiveness enables a chronically-stressed mouse to generate an adequate plasma CORT response to a novel, possibly life-threatening, challenge. One likely candidate constitutes here the SNS, but this has to be revealed in future studies.
Nevertheless, even though the attenuation/loss of adrenal responsiveness to ACTH doses in CSC mice seems to be in the first place adaptive, it is likely that these changes at the same time result in an over-adjustment to the homotypic stressor and consequently in the observed basal evening hypocorticism. Although the exact mechanism underlying the attenuation/loss of adrenal ACTH responsiveness in CSC mice could not be revealed in the present thesis, as all adrenal parameters analyzed such as mRNA and/or protein expression of Melanocortin 2 receptor (Mc2r, the ACTH receptor in the adrenal gland), Mc2r accessory protein (MRAP), important enzymes for cholesterol metabolism and steroidogenesis or the amount of lipid vesicles in the adrenal cortex were not affected or even enhanced in CSC compared with SHC mice, the findings of the present thesis give a deeper insight into chronic stress-induced alterations at the level of the adrenal glands contributing to basal hypocorticism. Therefore, the present results obtained in mice improve the understanding of the underlying mechanisms of chronic stress-induced hypocorticism in humans, at least at the level of the adrenal glands.

Translation of the abstract (German)

Chronischer psychosozialer Stress stellt in unserer heutigen Zeit einen hohen Risikofaktor dar, affektive sowie auch körperliche Erkrankungen zu entwickeln. So werden zum Beispiel chronisch entzündliche Darmerkrankungen, Erkrankungen des Herz-Kreislaufssystems, aber auch Angst- und Depressionserkrankungen mit chronischer psychosozialer Stressbelastung in Zusammenhang gebracht. Diese Erkrankungen wurden dabei über Jahrzehnte mit einer Hyperaktivität der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden (HPA)- Achse und somit chronisch erhöhten Konzentrationen an Glucocorticoiden (GC) im Organismus assoziiert. In den letzten Jahren wurde es jedoch zunehmend deutlicher, dass sich bestimmte durch chronischen Stress ausgelöste Erkrankungen mit diesem Phänomen nicht erklären lassen. Ein Mechanismus der dabei immer mehr in den Vordergrund rückt ist eine verminderte Wirkung der GC, welche entweder durch eine verminderte Verfügbarkeit der GC, dem sogenannten Hypocortizismus, oder durch eine verminderte Sensitivität der Zielzellen gegenüber den GC (GC-Resistenz) vermittelt sein kann. So konnte zum Beispiel in klinischen Studien eine verminderte GC-Wirkung in Patienten mit chronischer Stressbelastung gezeigt werden. Darüber hinaus wurde eine verminderte GC-Wirkung auch in Patienten mit Erkrankungen, welche mit einer chronischen Stressbelastung assoziiert sind, nachgewiesen. Beispiele hierfür wären das Burnout-Syndrom, das chronische Erschöpfungssyndrom oder auch Fibromyalgie. Der genaue Mechanismus dieser stress-induzierten Verminderung der GC-Wirkung und deren Effekte auf die Pathogenese dieser Krankheiten sind jedoch bis heute weitgehend ungeklärt. Eine Möglichkeit um mehr Einsicht in diese Mechanismen zu erhalten ist der Einsatz geeigneter Tiermodelle. Ein Beispiel hierfür wäre die in der vorliegenden Arbeit verwendete chronisch-subordinierte Koloniehaltung (chronic subordinate colony housing (CSC), 19 Tage), ein validiertes und klinisch-relevantes Modell um chronischen psychosozialen Stress bei männlichen Mäusen zu induzieren. Neben einer GC-Resistenz von Zielzellen entwickeln CSC-Mäuse auch einen basalen Hypocorticismus in der aktiven Phase, welcher allem Anschein nach durch CSC-induzierte Veränderungen auf Ebene der Nebenniere vermittelt wird. Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb die Effekte der CSC-Exposition auf die Funktionalität der Nebennieren zu untersuchen, um mehr Einblick in die Mechanismen zu erhalten, welche dem CSC-induzierten Hypocorticismus zu Grunde liegen.
In der vorliegenden Arbeit konnte Anhand einer in vitro-Stimulation mit ACTH gezeigt werden, dass die CSC-Exposition in einem Verlust der relativen adrenalen in vitro ACTH-Reaktivität resultiert, welcher sich vermutlich zwischen Tag 14 und 19 der CSC-Exposition entwickelt. Im Gegensatz dazu konnte jedoch gezeigt werden, dass die Nebennieren der chronisch gestressten Mäuse auf einen akuten heterotypischen Stressor (5-minütige Exposition auf einer erhöhten Plattform) reagieren konnten. So zeigten sowohl SHC- als auch CSC-Mäuse im Vergleich zu basalen Werten signifikant erhöhte Konzentrationen an CORT im Plasma sowie einen signifikant erhöhten Gehalt an CORT in den Nebennieren. Diese Effekte waren darüber hinaus in den CSC-Mäusen deutlich stärker ausgeprägt. Zusammen deuten diese Ergebnisse auf eine Adaptation auf den homotypischen Stressor und eine Sensibilisierung auf einen darauffolgenden akuten Stressor auf Ebene der Nebennieren in CSC-Mäusen hin. Interessanterweise wurden solche Mechanismen der Adaptation/Sensibilisierung bisher nur auf höheren Ebenen der HPA-Achse, vor allem auf Ebene der Hypophyse, beschrieben. Die CSC-Mäuse scheinen also durch den Verlust der ACTH-Reaktivität der Nebennieren vor den negativen Konsequenzen dauerhaft erhöhter basaler CORT-Konzentrationen im Plasma geschützt zu sein, welche vermutlich auf Grund der Zunahme an funktionellem Nebennierengewebe resultieren würde. Auf der anderen Seite ermöglicht jedoch ein noch unbekannter Faktor, welcher in vivo während einer akuten heterotypischen Stressorexposition aktiv ist und vermutlich die ACTH-Reaktivität der Nebennieren wieder herstellt, den chronisch gestressten Tieren angemessen auf eine neue Herausforderung reagieren zu können. Ein möglicher Kandidat hierfür wäre das sympathische Nervensystem, dies muss allerdings erst noch untersucht werden.
Der Verlust der adrenalen ACTH-Reaktivität scheint also in erster Linie adaptiv zu sein, da die chronisch gestressten Mäuse so vor einem basalen Hypercorticismus geschützt sind. Diese adaptiven Veränderungen scheinen jedoch letztendlich in einer Überadaptation und so in dem bereits beschriebenen Hypocorticismus in der aktiven Phase der CSC-Mäuse zu resultieren. Der genaue Mechanismus, welcher dem Verlust der adrenalen ACTH-Reaktivität zu Grunde liegt, konnte leider nicht genau bestimmt, da alle untersuchten Parameter wie die mRNA- und/oder Proteinexpression des ACTH-Rezeptors (Mc2r), des Mc2r assoziierten Proteins MRAP, wichtiger Enzyme des Cholesterin-Metabolismus und der Steroidhormonsynthese, sowie auch die Menge an Lipidvesikeln in der Nebennierenrinde in den CSC-Mäusen entweder unverändert oder im Vergleich zu den SHC-Mäusen sogar signifikant erhöht waren. Dennoch gewähren die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit einen tieferen Einblick in die Veränderungen auf Ebene der Nebenniere bei chronischer psychosozialer Stressbelastung, welche an der Entwicklung eines basalen Hypocortizismus mitwirken. So tragen die vorliegenden Ergebnisse in C57BL/6-Mäusen dazu bei, das Verständnis über die zugrundeliegenden Mechanismen des stress-induzierten Hypocortizismus beim Menschen zu erweitern.

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