Metabotropic Glutamate Receptors – Regulation of Acute and Chronic Stress-Related Behavior and Physiology - University of Regensburg Publication Server

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Peterlik, Daniel (2017) Metabotropic Glutamate Receptors – Regulation of Acute and Chronic Stress-Related Behavior and Physiology. PhD, Universität Regensburg.

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Date of publication of this fulltext: 04 Apr 2017 05:39

Abstract (English)

Abstract (English)

Etiology and pharmacotherapy of stress-related psychiatric conditions and comorbid somatic pathologies are nowadays areas of high unmet medical need and intense research. It is widely accepted that stressors holding a chronic and psychosocial component represent the most acknowledged risk factor. The L-glutamatergic system represents the primary excitatory neurotransmitter system of the mammalian brain and mGlu receptors acting as important pre- and postsynaptic regulators of neurotransmission provide a mechanism by which fast synaptic responses through iGlu receptors can be fine-tuned. During the last decades, research on mGlu receptors advanced remarkably and much attention was given to the mGlu5 and mGlu7 subtypes in acute stress, fear and depression-related behavior and physiology (see Introduction). As the most widely distributed throughout the mammalian brain, the presynaptic mGlu7 receptor is an important regulator of glutamatergic function and postulated to be critical for both normal CNS functioning and a range of stress-related disorders. Although genetic and pharmacological approaches have helped to understand mGlu7’s function in a host of behavioral and physiological processes, available allosteric ligands have often yielded disparate results despite displaying similar pharmacological properties in vitro. The recent discovery of XAP044 raised great hope to resolve this discrepancy. XAP044 was characterized as the first mGlu7-selective full antagonist that blocks the receptor’s signaling pathways by binding to its large VFTD, but not to allosteric sites within the transmembrane domain. Thus, XAP044 presumably binds via a novel mechanism compared to that from known selective ligands. It was part of the present PhD thesis to characterize this novel compound XAP044 in vivo in a broad battery of acute stress tests for depression, fear and anxiety in mice. It was shown that XAP044 is systemically active and demonstrates a wide spectrum of anti-stress, antidepressant and anxiolytic-like efficacy, strongly supporting pharmacological blockade of mGlu7 as a promising mode of action for future treatment of stress-related disorders of emotion in man.
Also the mGlu5 subtype has become a recent focus for drug discovery efforts (see Introduction). Due to its physical and functional association with the postsynaptic NMDA receptor the mGlu5 subtype is considered as a good target to modulate NMDA receptor function. This is an important consideration as, for instance, the NMDA receptor antagonist ketamine – despite showing rapid and sustained efficacy in clinical depression trials – is also associated with severe cognition-altering and dissociative effects. To date, several mGlu5 NAMs have been reported to have therapeutic potential for numerous conditions including clinical depression and anxiety disorders. A recent study revealed the mGlu5 NAM basimglurant as a promising antidepressant drug with the potential to also alleviate comorbidities such as anxiety and pain.
Despite the overall well-established link between mGlu5 and mGlu7 and acute stress-related behavior and physiology, the roles these receptors play in chronic stress-related conditions is only little explored. The CSC paradigm represents a powerful animal model as it displays harmful behavioral, physiological and immunological changes induced by chronic psychosocial stress. Those consequences are relevant for the development of psychiatric, somatic and/or gastrointestinal disorders in humans and the question whether mGlu5 and mGlu7 have the potential to exert control on these pathological consequences is of great interest, and it may suggest future therapeutic strategies for the treatment of chronic stress-related disorders in humans, i.e. a wide clinical application spectrum. In a first step of the present PhD thesis, the molecular changes were assessed that occur within the mGlu receptor system in response to CSC exposure. Here, an increase by trend of mGlu5 mRNA was found in the hypothalamus. Additional saturation binding analysis revealed increased mGlu5 protein binding specifically in the hippocampus. Furthermore, robust downregulation of mGlu7 mRNA was found specifically in the PFC. In contrast, mGlu2 and mGlu3 were not dysregulated upon CSC exposure. Taken together, the present results indicate specific CSC-induced alterations of mGlu5 and mGlu7 expression in stress-sensitive brain regions involved in the regulation of behavior and HPA axis functionality, and thus provide early evidence towards a role of specific mGlu receptor subtypes in chronic psychosocial stress-induced pathophysiology.
In a next step, the influence of genetic ablation of mGlu7 on behavioral, physiological and immunological consequences of CSC was analyzed to reveal the potential role of the endogenous mGlu7 receptor during chronic psychosocial stress. Indeed, genetic ablation of mGlu7 relieved multiple CSC induced alterations; mGlu7 deficient mice were protected against the CSC-induced anxiety-prone phenotype as well as against several CSC-induced physiological and immunological consequences such as HPA axis dysfunction and colonic inflammation, respectively. These findings point to a distinct role of mGlu7 in modulating a wide range of affective and somatic alteration that occur upon CSC exposure. Moreover, the stress-protective phenotype of genetic mGlu7 ablation suggests mGlu7 pharmacological blockade to be a possible treatment strategy for chronic stress-related emotional and somatic conditions in man.
In the last part of the present thesis, the potentially beneficial role of genetic and pharmacological mGlu5 inhibition on CSC-induced alterations (the same broad range as presented above) was analyzed. Interestingly, also mGlu5 deficient mice were protected against a variety of CSC-induced physiological and behavioral changes, including the newly established CSC-induced increase in SIH response. Moreover, the effects of the mGlu5 NAM CTEP, a close analogue to the clinically active drug basimglurant with long half-life in rodents, were studied on a wider range of CSC-affected parameters. Here, CTEP relieved in a dose-dependent manner various CSC-induced consequences such as HPA axis dysfunction, immunological alterations and colonic inflammation, suggesting that mGlu5 is a relevant mediator for a wide range of alterations induced by chronic psychosocial stress and a potentially valuable drug target for the treatment of stress-related somatic pathologies.
In conclusion, the present PhD thesis provides clear evidence for the importance of especially the mGlu5 and mGlu7 subtypes in the regulation of acute and chronic stress-related behavior and physiology, lending further support towards future development of mGlu5- and mGlu7-selective antagonists and their administration as therapy for stress-related psychiatric and somatic disorders in humans.

Translation of the abstract (German)

Die Ursachenforschung und Therapiemöglichkeiten stressbedingter psychischer und somatischer Erkrankungen sind heutzutage von großer medizinischer Bedeutung. Es ist allgemein anerkannt, dass Stressoren mit chronischer und psychosozialer Komponente dabei den stärksten Risikofaktor darstellen. Das L-Glutamatsystem mit seinen ionotropen und metabotropen Rezeptoren ist das primäre exzitatorische Neurotransmittersystem im Säugergehirn, wobei die prä- und postsynaptischen metabotropen Glutamatrezeptoren die Feinmodulation der schnellen synaptischen Signalweiterleitung der ionotropen Glutamatrezeptoren ermöglicht. In den letzten Jahrzehnten waren erstaunliche Fortschritte in der Forschung an metabotropen Glutamatrezeptoren festzustellen. Ein besonderes Augenmerk wurde hier auf die Rolle der Subtypen mGlu5 und mGlu7 in akutem stress-, furcht- und depressionsbezogenem Verhalten gesetzt (siehe Einleitung). Im Säugergehirn ist der mGlu7 Subtyp der am weitesten verbreitete Glutamatrezeptor und spielt somit vermutlich eine bedeutende Rolle im zentralen Nervensystem, unter normalen sowie pathologischen Zuständen. Obwohl genetische und pharmakologische Ansätze hilfreich dafür waren, die Funktionsweise des mGlu7 in vielen verhaltensbedingten und physiologischen Prozessen zu verstehen, sind die Ergebnisse von Studien mit verfügbaren allosterischen Liganden trotz ähnlicher pharmakologischer Eigenschaften in vitro nicht immer eindeutig. Vor kurzem hat die Entdeckung von XAP044 große Hoffnung geweckt, um dieses Dilemma zu lösen. Charakteristisch für XAP044 ist, dass diese Substanz die Signalwege des mGlu7 durch Bindung an dessen Venusfliegenfalle-Domäne blockiert, und nicht wie die bisher bekannten selektiven Liganden durch Bindung an allosterische Transmembranstellen. XAP044 verwendet also vermutlich einen neuartigen Regulationsmechanismus. Ein Abschnitt der vorliegenden Doktorarbeit hat nun darauf abgezielt, diese neue Substanz XAP044 in verschiedenen Tests für Depression, Furcht und Angst in der Maus in vivo zu charakterisieren. Mir gelang es nachzuweisen, dass XAP044 systemisch aktiv ist und eine antistress, antidepressive und anxiolytische Wirkung aufweist. Diese Ergebnisse unterstützen die pharmakologische Blockade von mGlu7 als vielversprechenden therapeutischen Ansatz für die Behandlung von stressbedingten emotionalen Erkrankungen des Menschen.
Ebenso steht der mGlu5 Subtyp im Fokus der aktuellen Arzneimittelforschung (siehe Einleitung). Aufgrund seiner physikalischen und funktionellen Wechselwirkung mit dem postsynaptischen NMDA Rezeptor bietet der mGlu5 eine vielversprechende Möglichkeit, die Funktion des NMDA Rezeptors zu modulieren. Dies ist insofern von besonderer Bedeutung, da z.B. der NMDA Rezeptor Antagonist Ketamin – trotz schneller und langanhaltender Wirkung in klinischen Depressionsstudien – sich ernsthaft auf die Wahrnehmung und Psyche auswirkt. Bis heute sind einige mGlu5 negative allosterische Modulatoren (NAM) bekannt, die z.B. bei Depressions- oder Angsterkrankungen therapeutisches Potential besitzen. Eine Studie hat vor kurzem gezeigt, dass der mGlu5-selektive NAM Basimglurant eine vielversprechende Substanz mit antidepressiver Wirkung ist, die zugleich Angst-und Schmerzzustände lindert.
Trotz der gut etablierten Rolle von mGlu5 und mGlu7 in akutem stressbezogenen Verhalten und Physiologie, ist deren Beteiligung bei chronischem Stress nur sehr gering erforscht. Das CSC-Modell stellt ein geeignetes Tiermodell dar, um genau dies näher zu untersuchen. Durch chronisch psychosoziale Stressor-Exposition werden hier verhaltensbedingte, physiologische und immunologische Veränderungen bei Mäusen induziert, welche vergleichbar sind mit den psychischen, somatischen und/oder gastrointestinalen Erkrankungen bei chronisch gestressten Menschen. Dabei stellte sich die Frage, ob die Glutamatrezeptorsubtypen mGlu5 und mGlu7 das Potential haben, diese pathologischen Veränderungen zu kontrollieren und womöglich therapeutische Ansätze für die Behandlung verschiedener chronisch stressbedingter Erkrankungen im Menschen zu liefern. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden zuerst mögliche Effekte von CSC auf das metabotrope Glutamatrezeptorsystem untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass im Hypothalamus die mGlu5 mRNA tendenziell hochreguliert ist. Eine zusätzliche Saturationsanalyse hat gezeigt, dass die Proteinbindung des mGlu5 spezifisch im Hippocampus erhöht ist. Des Weiteren ergab sich eine deutliche Abnahme der mGlu7 mRNA spezifisch im präfrontalen Cortex. Im Gegensatz dazu waren weder mGlu2 noch mGlu3 nach CSC-Exposition beeinflusst. Zusammenfassen waren nun als Folge von CSC-Exposition spezifische Expressionsänderungen der Subtypen mGlu5 und mGlu7 in stresssensitiven Gehirnregionen festzustellen, welche für die Regulation von Verhalten und der HPA-Achsen Funktion bedeutend sind. Somit konnten erste Hinweise auf eine mögliche wichtige Rolle dieser Rezeptoren in chronisch psychosozialem Stress geliefert werden.
Im nächsten Schritt wurden die Effekte der genetischen Blockade des mGlu7 auf verhaltensbiologische, physiologische und immunologische Konsequenzen der CSC-Exposition untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass das genetische Entfernen des mGlu7 viele CSC-induzierte Veränderungen abschwächt oder sogar verhindert; mGlu7-defiziente Mäuse entwickelten keine Angst und waren auch vor den physiologischen und immunologischen Folgen von CSC geschützt. Diese Ergebnisse deuten auf eine wichtige Rolle des mGlu7 in der Modulation einer großen Bandbreite der affektiven und somatischen Veränderungen nach CSC-Exposition hin. Sie suggerieren darüber hinaus, dass die pharmakologische Blockade des mGlu7 eine mögliche Behandlungsstrategie bei chronisch gestressten Menschen darstellt.
Im letzten Teil der vorliegenden Doktorarbeit wurden mögliche positive Effekte der genetischen sowie pharmakologischen Blockade des mGlu5 Subtyps auf CSC-induzierte Veränderungen (dieselbe Bandbreite an Parametern wie oben beschrieben) analysiert. Interessanterweise waren mGlu5-defiziente Mäuse vor einigen Folgen von CSC, u.a. vor dem von mir neu etablierten CSC-induzierten Anstieg stressbedingter Hyperthermie, geschützt. Des Weiteren wurden die Effekte des mGlu5 NAM CTEP, welcher chemisch gesehen der klinisch aktiven Substanz Basimglurant sehr ähnlich ist und eine vergleichsweise hohe Halbwertszeit bei Nagern hat, auf eine größere Bandbreite CSC-induzierter Veränderungen untersucht. CTEP hat dosisabhängig tatsächlich viele Konsequenzen von CSC gelindert, wie z.B. die Dysfunktion der HPA-Achse und die Darmentzündung. Dies deutet darauf hin, dass auch der mGlu5 Subtyp einen relevanten Mediator für viele stress-induzierten Veränderungen darstellt und ein mögliches Zielprotein für die Behandlung stressbedingter somatischer Pathologien ist.
Somit konnte die vorliegende Doktorarbeit einen deutlichen Beweis dafür liefern, dass besonders die mGlu5- und mGlu7-Subtypen eine wichtige Rolle in der Regulation akut- und chronisch-stressbedingter Veränderungen im Verhalten und der Physiologie spielen. Womöglich kann dadurch auch die Entwicklung mGlu5- und mGlu7-gerichteter Therapieansätze für stress-bedingte psychische und somatische Erkrankungen beim Menschen unterstützt werden.

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	4 April 2017
Referee:	Prof. Dr. Peter J. Flor
Date of exam:	15 July 2016
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Molecular and Cellular Neurobiology (Prof. Dr. Peter J. Flor)
Projects:	DFG-Projekt FL729/2-1
Keywords:	chronic psychosocial stress, affective and somatic disorders, mGlu receptors, stress-protective phenotype
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 570 Life sciences 500 Science > 590 Zoological sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	34593