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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-277260
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 20 February 2013 |
| Referee: | Prof. Dr. Inga Neumann |
| Date of exam: | 14 December 2012 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Tierphysiologie/Neurobiologie (Prof. Dr. Inga Neumann) |
| Keywords: | Jugular vein catheterization, chronic psychosocial stress, hypothalamo-pituitary adrenal axis, prenatal stress |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 590 Zoological sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 27726 |
Abstract (English)
In humans, chronic stress is regarded as a major risk factor for the development of a variety of affective and somatic disorders, among them anxiety, depression, post traumatic stress disorder, inflammatory bowel disorders, chronic fatigue syndrome, chronic pelvic pain and fibromyalgia. In order to determine the exact underlying mechanisms and also to find pharmacological treatment, a large ...
Abstract (English)
In humans, chronic stress is regarded as a major risk factor for the development of a variety of affective and somatic disorders, among them anxiety, depression, post traumatic stress disorder, inflammatory bowel disorders, chronic fatigue syndrome, chronic pelvic pain and fibromyalgia. In order to determine the exact underlying mechanisms and also to find pharmacological treatment, a large number of models have been used to induce chronic stress in rodents. However, conventional rodent models of chronic stress including restraint, forced swim and inescapable footshock for example; are unnaturalistic, of time-limited exposure and do not consider the etiology of human stress-associated disorders, where the main source of stress stimuli is of social origin. Consequently, a greater amount of attention has been focused upon developing animal models that utilize more naturalistic experimental paradigms to model stress that is ethologically relevant to the model organism.
Accordingly, a clinically relevant animal model of chronic psychosocial stress (CPS); chronic subordinate colony housing (CSC) has recently been established and extensively characterized in our group. It consists of housing 4 experimental adult male mice together with a slightly larger and more dominant conspecific over 19 consecutive days, exchanging the dominant male weekly in order to prevent habituation. This consequently results in a reduced body weight gain, thymus atrophy and increased adrenal weight, long-lasting anxiety-like behaviour, and spontaneous colitis. Of particular importance to this thesis is the unchanged morning basal plasma corticosterone, but a reduced adrenal response to corticotrophin (ACTH) in vitro. With respect to the growing use of genetic mouse models in general, and the need to study in vivo responsiveness of the HPA axis especially with regards to the CSC model, one of the objectives of this thesis was to devise a technique by which blood samples can be repeatedly drawn from conscious mice under stress-free conditions. Therefore, a simplified jugular vein catheterization technique was established and validated. This thesis showed that repeated blood sampling is possible in mice 24 h after surgery, and that corticosterone concentrations in repeated 100-μl venous blood samples were similar to trunk blood, both collected under basal conditions and at identical time points (5, 15 and 60 min) after stressor exposure. Further, anxiety-related behavior, as assessed on the elevated plus-maze 3 to 4 days after surgery did not differ between catheterized and non-catheterized mice. In parallel, as the main objective of this thesis, the CSC model was extended to male Wistar rats in order to i), investigate if the reported behavioral, physiological, immunological and neuroendocrine changes accompanying CSC in mice are species specific and ii), characterize in substantial detail, in vivo neuroendocrine changes following CSC which till moment have not been possible in mice, e.g plasma ACTH. Consistent with the results in mice, 19 days of CSC exposure in rats resulted in a decreased body weight gain and absolute thymus mass, mild colonic barrier defects and intestinal immune activation. Moreover, no changes in depressive-like behaviour or social preference were observed. Most importantly, CSC rats showed an increased plasma corticosterone response to an acute heterotypic stressor, despite displaying similar basal levels and similar basal and stressor-induced plasma corticotrophin (ACTH) levels in samples repeatedly collected via a chronically implanted jugular vein catheter. In contrast to CSC mice, anxiety-related behaviour and absolute adrenal weights remained unchanged in CSC rats. In this regard, risk factors that could influence the susceptibility to CSC were further investigated.
There is a plethora of literature addressing the involvement of adverse early life events and genetic predisposition as risk factors in the vulnerability to chronic stress in adulthood. Therefore, this thesis made use the high (HAB) and low (LAB) anxiety-related behaviour animal models of anxiety, as well as prenatally stressed male Wistar offspring. Specifically, HAB and LAB rats also show robust differences in depressive-like behaviour, neurobiochemical responses and neurogenetic constitution. It was therefore revealed that after 19 days of CSC, prenatally stressed rats gained less body weight and had a higher histological damage score. No changes in adrenal weight, basal plasma corticosterone levels, as well as anxiety-related behaviour were observed. The present study could not reveal any difference in HAB and LAB rats in their response to CSC in adulthood, but both lines were independently affected by CSC. Anxiety-related behaviour tested in the light-dark box after CSC was not altered, thus confirming the results in non-selected rats. CSC induced a decrease in body weight gain and thymus mass, but no changes in adrenal mass, basal plasma corticosterone and colonic morphology in both HAB and LAB rats.
In a nutshell, this thesis demonstrates that chronic jugular vein catheterization and stress-free repeated blood sampling is possible in conscious mice using our relatively simple catheter and sampling technique. It also establishes the CSC paradigm as an adequate model of CPS in male rats. Consistent to mice data, our data from repeated blood sampling supports the initial hypothesis that adrenal hyper-responsiveness to ACTH during acute heterotypic stressors represents a general adaptation, which enables a chronically-stressed animal to adequately respond to novel challenges. We further reveal that early life stress increases the vulnerability to chronic psychosocial stressors during adulthood, with respect to inflammatory disorders like colitis and that genetic predisposition, in terms of genetically determined differences in innate anxiety-related behaviour do not shape susceptibility to chronic psychosocial stressors during adulthood.
Translation of the abstract (German)
Bei Menschen wird chronischer Stress als ein Hauptrisikofaktor für die Entwicklung verschiedener affektiver und somatischer Störungen angesehen, u.a. Angststörungen, Depressionen, Posttraumatische Belastungsstörung, entzündliche Darmerkrankungen, Chronisches Erschöpfungssyndrom, chronische Beckenschmerzen und Fibromyalgie. Um die genauen zu Grunde liegenden Mechanismen bestimmen sowie eine ...
Translation of the abstract (German)
Bei Menschen wird chronischer Stress als ein Hauptrisikofaktor für die Entwicklung verschiedener affektiver und somatischer Störungen angesehen, u.a. Angststörungen, Depressionen, Posttraumatische Belastungsstörung, entzündliche Darmerkrankungen, Chronisches Erschöpfungssyndrom, chronische Beckenschmerzen und Fibromyalgie. Um die genauen zu Grunde liegenden Mechanismen bestimmen sowie eine pharmakologische Behandlung entwickeln zu können, wurden bereits eine große Zahl von Modellen benutzt, um chronischen Stress in Nagetieren einzuführen. Dennoch sind konventionelle Nagetier-Modelle (Zurückhaltung, gezwungenes Schimmen, Elektroschocks), nicht naturalistisch, von zeitlich begrenzter Exposition und berücksichtigen nicht die Ätiologie menschlicher stressbedingter Störungen, deren Hauptursache sozialen Ursprungs ist. Daher wurde Größe Aufmerksamkeit auf die Entwicklung von Tiermodelle gerichtet, die sich naturalistischeren experimentellen Paradigmen bedienen, um für den Modellorganismus ethologisch relevanten Stress zu modellieren.
Dementsprechend wurde in letzter Zeit ein klinisch relevantes Tiermodell für chronischen psychosozialen Stress (CPS): CSC („chronic subordinate colony housing“) etabliert und in unserer Gruppe ausführlich charakterisiert. Im sogenannten CSC Paradigma, wurden 4 männliche Versuchsmäuse gemeinsam in den Käfig eines älteren, schweren und konfrontationserfahrenen Männchens gesetzt, was innerhalb kurzer Zeit zu Kämpfen um die Rangordnung führte, wobei der Resident die dominante und die Versuchstiere die subordinierten Positionen einnahmen. Diese subordinierte Koloniehaltung wurde 19 Tage aufrechterhalten, und dabei wöchentlich das dominante männliche Tier ausgetauscht, um eine Gewöhnung zu verhindern. Das Ergebnis ist einer verminderten Zunahme an Körpergewicht, einer Hypertrophie der Nebennieren, einer Atrophie des Thymus, erhöhte Ängstlichkeit und spontane colitis. Von Besonderer Bedeutung für diese Arbeit ist der morgens gemessene unveränderte basalen Plasma-Corticosteron-Wert, aber eine reduzierte Nebennieren Reaktion auf Corticotropin (ACTH) in vitro. Im Hinblick auf die zunehmende Verwendung von genetischen Mausmodellen im Allgemeinen, und die Notwendigkeit einer Untersuchung der in vivo Ansprechbarkeit der HPA-Achse besonders in Bezug auf das CSC-Modell, war eines der Ziele dieser Arbeit, die Entwicklung einer Technik, durch die wiederholt Blutproben von Mäusen bei Bewusstsein unter stressfreien Bedingungen gewonnen werden könne. Daher wurde eine Technik zur vereinfachten Halsschlagader-Katheterisierung entwickelt und validiert. Diese Arbeit hat gezeigt, dass wiederholte Entnahme von Blut bei Mäusen 24 h nach der Operation möglich ist und, dass Corticosteron-Konzentrationen in 100- μl Blutproben wiederholt ähnliche Werte wie in trunk Blutproben aufweisen. Beide Probenentnahmen wurden unter basalen Bedingungen und nach Stressor Exposition zu identischen Zeitpunkten gesammelt (bei 5, 15 und 60 min). Zusätzlich zeigte das Angstverhalten, eingeschätzt mittels des erhöhten Plus-Maze, 3 bis 4 Tage nach der Operation keinen Unterschied zwischen katheterisiert und nicht katheterisiert Mäusen. Parallel zum oben genannten Ziele wurde, als Hauptziel der vorliegenden Arbeit, das CSC-Modell auf männlichen Wistar-Ratten erweitert, um i), zu untersuchen, ob die berichteten Verhaltens-, physiologische, immunologische und neuroendokrine Veränderungen die CSC begleiten bei Mäusen artspezifisch und ii), eine möglichst detaillierte Charakterisierung der in vivo neuroendokrine Veränderungen z. B. Plasma-ACTH, die mit CSC einhergehen und bis dato noch nicht bei Mäusen möglich gewesen. Konsistent mit den Ergebnissen bei Mäusen, führte eine 19-Tage-CSC-Exposition bei Ratten zu einer verringerten Körpergewichtszunahme und absoluten Thymusmasse, milden Barrieredefekte im Enddarm und intestinalen Immunaktivierung geführt. Darüber hinaus wurden keine Änderungen in depressive-ähnliches Verhalten oder soziale Präferenz beobachtet. Am wichtigsten war die Feststellung, dass CSC-Ratten eine erhöhte Plasma-Corticosteron-Reaktion auf eine akute heterotypische Stressor zeigten, trotz vergleichbare Basalwerte und ähnliche basale und Stressor-induzierten Plasma-Corticotropin (ACTH)-Gehalte in Proben, die wiederholt über eine chronisch implantierten Halsschlagader Katheter entnommen wurden. Im Gegensatz zu CSC-Mäusen blieb Angstverhalten und absolute Nebennierengewichte in CSC Ratten unverändert. Vor diesem Hintergrund, wurden Risikofaktoren, die die Anfälligkeit für CSC beeinflussen könnten weiter untersucht.
Es gibt eine Fülle von Literatur zum Einfluss von Ereignisse im frühen Lebensjahren und genetische Prädisposition als Risikofaktoren in der Anfälligkeit für chronischen Stress im Erwachsenenalter. Daher wurde in dieser Arbeit passende Tiere für die Angstmodelle mit hohem Angstverhalten (HAB - high anxiety-related behavior) und niedrigem Angstverhalten (LAB - low anxiety-related behavior), sowie pränatal gestresste männliche Wistar-Nachkommen. Insbesondere HAB und LAB Ratten zeigen auch robust Unterschiede in ihrem depressive-ähnlichen Verhalten, ihrer neurobiochemischen Antwort und neurogenetischen Konstitution. Es wurde daher gezeigt, dass nach 19 Tagen CSC-Exposition, pränatal gestressten Ratten weniger an Körpergewichtszunahme aufwiesen und hatten einen höheren histologischen Schades-Score. Es wurde keine Änderungen in Nebennierengewicht, basale Plasma-Corticosteron-gehalt, sowie Angstverhalten beobachtet. In der vorliegenden Arbeit konnte keinen Unterschied zwischen den HAB- und LAB-Ratten bezüglich ihrer Reaktion auf CSC im Erwachsenenalter festgestellt werden, gleichwohl waren beide Linien unabhängig ansprechbar auf CSC. Das Angstverhalten in light-dark box in LAB Tieren getestet nach CSC blieb unverändert, und bestätigt damit die Ergebnisse in nicht-selektierten (NAB) Ratten. CSC führte zu einer verminderten Wachstum des Körpergewichts und Abnahme der Thymus-Masse, aber keine Änderungen in Nebennierengewicht, basalen Plasma-Corticosteron-Gehalt und Morphologie des Kolons sowohl in HAB als auch in LAB Ratten.
Auf dem Punkt gebracht, zeigt diese Arbeit, dass chronische Halsschlagader Katheterisierung und wiederholte stressfrei Blutentnahme in Mäusen bei Bewusstsein mit unseren relativ einfache Katheter und Sampling-Technik möglich ist. Sie liefert auch den Belegt für die CSC-Paradigma als adäquates CPS- Modell bei männlichen Ratten. Im Einklang mit denen an Mäusen erhaltenen Daten, unterstützt unsere Daten die anfängliche Hypothese, dass Nebennieren-Hyperreaktion auf ACTH während akuter heterotypische Stressoren eine allgemeine Anpassung darstellt, die ein chronisch gestresstes Tier ermöglicht, angemessen auf neue Herausforderungen zu reagiere. Ferner geht von dieser Arbeit hervor, dass früh kindlicher Stress die Anfälligkeit für chronische psychosoziale Stressoren im Erwachsenenalter in Bezug auf entzündliche Erkrankungen wie Colitis. Desweitern, dass genetische Veranlagung, in Bezug auf genetisch bedingte Unterschiede in dem angeborenen Angstverhalten die Anfälligkeit für chronische psychosoziale Stressoren in Erwachsenalter nicht gestaltet.
Metadata last modified: 02 Jun 2018 18:03
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