| License: Creative Commons Attribution 4.0 PDF - Accepted Version (5MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-402530
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.40253
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 6 June 2019 |
| Referee: | Prof. Dr. Inga D. Neumann |
| Date of exam: | 23 May 2019 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Tierphysiologie/Neurobiologie (Prof. Dr. Inga Neumann) |
| Keywords: | Minocycline Depression Microglia Microbiome Microbiome-gut-brain axis Chronic subordinate colony housing |
| 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: | 40253 |
Abstract (English)
Excessive states of sensations like fear, anxiety, risk assessment, and others, and the resulting psychiatric disorders, render humans incapable of directing their own life. Psychiatric disorders like generalized anxiety disorder (GAD) and major depressive disorder (MDD) are the sixth and the leading cause of disability worldwide, respectively, and represent a major burden for both patients and ...
Abstract (English)
Excessive states of sensations like fear, anxiety, risk assessment, and others, and the resulting psychiatric disorders, render humans incapable of directing their own life. Psychiatric disorders like generalized anxiety disorder (GAD) and major depressive disorder (MDD) are the sixth and the leading cause of disability worldwide, respectively, and represent a major burden for both patients and society. The risk for the development of these disorders is twice as high in women as in men and the available treatment options, while effective for many, are imperfect. In fact, 30 % of patients are classified as treatment-resistant. Unfortunately, the underlying causes and mechanisms remain largely unknown, which has impeded the development of new drugs. In recent years, several studies showed a regulatory role of commensal gut microbiota on the development of CNS functioning and behaviour, which has led to the concept of a microbiota-gut-brain (MGB) axis. This describes a network of different systems as modulator for behaviour and its dysregulation as a cause for psychiatric disorders. In addition, a dysregulation of the peripheral immune system and the immune system of the brain, especially of microglia, was linked in numerous clinical and preclinical studies to the development of psychiatric disorders like GAD or MDD. The well-established link between gut microbiota and the immune system, as well as the role of the immune system in the MGB axis, introduced a complex interplay of systems whose deciphering and specific manipulation could give rise to novel treatment targets in psychiatric disorders. Hence, current research needs to concentrate on a different rationale to meet the medical necessities, ranging from augmentation strategies of available medication to innovative approaches directly targeting the immune system and / or the MGB axis. The recent discovery of pleiotropic effects of the second-generation tetracycline antibiotic minocycline not only on bacteria, but also on the immune system, CNS functioning, and behaviour, gave rise to a promising multimodal approach as a novel treatment. Therefore, using two different animal models for psychiatric disorders, selective breeding and chronic psychosocial stress, the present thesis aimed to identify the potential beneficial effects of minocycline. First, the influence of minocycline on a model of innate anxiety- and depressive-like behaviour, rats selectively bred for high anxiety-like behaviour (HAB), was analysed in comparison to rats non-selected for anxiety-like behaviour (NAB). In a battery of behaviour tests, the behavioural effects of minocycline, the selective serotonin reuptake inhibitor escitalopram, or a combination of both substances as augmentation regimen, on male and female HAB rats were characterized. To unravel potential underlying mechanisms associated with the immune system and / or the MGB axis, these tests were followed by the analysis of microglial density in the prelimbic and infralimbic prefrontal cortex (PFC), brain regions highly affected in MDD, and cecal microbiota composition. The obtained results demonstrate that under untreated conditions, HAB rats display a sustained highly anxious and depressive behavioural phenotype irrespective of sex. Male and female HAB rats also showed a reduced microglial density in the PFC and altered gut microbial composition compared to NAB rats independent of treatment. Three weeks of minocycline treatment alleviated the depressive-, but not anxiety-like, phenotype and further reduced microglial density in the PFC exclusively in male HAB rats, while female HAB rats did not respond to the treatment. Escitalopram was able to decrease anxiety-like behaviour in the light-dark box in male NAB rats only, while the combinatory treatment did not result in any behavioural effect. Moreover, minocycline reduced plasma cytokine concentrations and induced a robust shift in gut microbiota composition in both HAB and NAB males. Detailed taxonomic analysis revealed a marked increase in the relative abundance of Lachnospiraceae and Clostridiales Family XIII, two bacterial families known to produce butyrate. Correspondingly, plasma concentrations of 3-OH-butyrate were elevated and positively correlated with the respective bacterial abundance in a trait-dependent manner. Thus, these results validate HAB rats for treatment-resistant to conventional antidepressants, as well as inflammation-associated, depressive-like behaviour and suggest that the antidepressant effect of minocycline is sex- and trait-dependent. The multimodal effects of minocycline also support the hypothesis of the MGB axis being a potential target in the treatment of MDD.
In addition, the present thesis aimed to evaluate the influence of minocycline on stress-induced behavioural and physiological alterations in comparison to innate behaviour. This model provides a different approach to psychiatric disorders and allows to better identify the mode of action of minocycline. Humans face stressors daily that comprise both a chronic and psychosocial component, the type of stressor that represents the most acknowledged risk factor for psychiatric and somatic disorders. The chronic subordinate colony housing (CSC) paradigm is a mouse model of chronic psychosocial stress that closely mimics those challenges and induces harmful behavioural, physiological, and immunological changes. The fact that the CSC paradigm specifically induces anxiety-, but not depressive-like, behaviour, offers a unique opportunity to dissect distinct effects of minocycline, including innate versus stress-induced anxiety. However, as the laboratory where the experiments were conducted relocated to a new facility, it was crucial to reproduce a valid and robust CSC-induced phenotype. This was confirmed by elevated anxiety-like behaviour, and increased adrenal, but decreased thymus, weight in male CSC mice. Based on these results, a potential beneficial effect of minocycline on stress-induced behavioural and physiological symptoms in the newly validated CSC paradigm was evaluated. Eight days after stressor termination, CSC mice showed robust stress-induced anxiety-like behaviour as well as increased spleen weight and an altered HPA axis activity compared to single-housed controls. Interestingly, minocycline was not able to ameliorate CSC-induced symptoms. Hence, under the applied treatment conditions, the CSC-induced behavioural and physiological phenotype appears to be independent of any target of minocycline. However, time- or dose-dependent effects need to be examined in future studies.
Overall, my findings provide a closer insight into the interplay between the immune system, gut microbiota, and behaviour in two different models of psychiatric disorders. They further extend the knowledge about specific treatment conditions and a distinct pattern of action for minocycline. On a behavioural level, minocycline showed a specific antidepressant, but not anxiolytic, effect in male HAB rats. In line with the available literature, these results indicate that the sex-dependent antidepressant effect of minocycline requires an a priori depressive-like phenotype. In addition, minocycline was suggested as anxiolytic after acute stress or trauma. Here, an anxiolytic effect could not be confirmed in the two animal models of anxiety-like behaviour. These findings propose that minocycline had no or only a delayed effect on innate or chronic stress-induced anxiety-like behaviour. Thus, my experimental data demonstrate that minocycline requires specific conditions for a behavioural effect and acts only antidepressant under the applied experimental conditions. Further, minocycline is proposed to exert its mechanism of action via its anti-inflammatory effects. Fittingly, male HAB rats showed an inflammatory phenotype that was altered by minocycline. Female HAB rats expressed a similar inflammatory phenotype, though, and the CSC procedure is known to induce a strong inflammatory response. The high inflammatory phenotype in CSC mice did not facilitate a behavioural effect of minocycline, indicating that the mechanism of action of minocycline is not based in a pro-inflammatory status per se. Thus, minocycline might require inflammation-induced depression for a behavioural effect.
In summary, the results garnered from my thesis advance the knowledge about the behavioural influence of minocycline and show a specific effect on depressive-like behaviour dependent on sex, the inflammatory state, and the potential underlying cause of the disease. A future application of minocycline in psychiatric disorders needs close consideration of the patients’ circumstances and emphasizes that minocycline represents rather a promising medication of tailored and personalized treatment than as a broad-spectrum antidepressant.
Translation of the abstract (German)
Die Basis psychischer Erkrankungen sind grundlegende und evolutionär essentielle Emotionen, die in einem exzessiven und unangepassten Zustand ein pathologisches Ausmaß annehmen. Dadurch sind Patienten oftmals nicht mehr in der Lage, ihr Leben in geregelten Bahnen zu führen. Die generalisierte Angststörung (GAD) und Depressionen (MDD) zählen zu den wichtigsten Gründen für Erwerbsunfähigkeit, wobei ...
Translation of the abstract (German)
Die Basis psychischer Erkrankungen sind grundlegende und evolutionär essentielle Emotionen, die in einem exzessiven und unangepassten Zustand ein pathologisches Ausmaß annehmen. Dadurch sind Patienten oftmals nicht mehr in der Lage, ihr Leben in geregelten Bahnen zu führen. Die generalisierte Angststörung (GAD) und Depressionen (MDD) zählen zu den wichtigsten Gründen für Erwerbsunfähigkeit, wobei GAD den sechsten und MDD den führenden Platz als Ursache weltweit einnimmt. Dadurch sind diese Krankheiten nicht nur verheerend für den Patienten, sondern haben auch großen Einfluss auf die Gesellschaft. Das Risiko, eine psychische Erkrankung zu entwickeln, ist in Frauen beinahe doppelt so hoch wie in Männern. Trotz der Verfügbarkeit verschiedener Medikamente mit erwiesenen Wirkung in vielen Patienten, reagieren 30 % der Patienten nicht auf die Medikation und werden letztendlich als behandlungsresistent eingestuft. Da die grundlegenden Mechanismen und die Ursachen psychischer Krankheiten weitestgehend unbekannt sind, ist die Entwicklung neuer Medikamente stark eingeschränkt. In den letzten Jahren wurden erstaunliche Fortschritte in der Erforschung zweier verschiedener Systeme erzielt. Die Bakterien der Darmflora, genannt Darm Mikrobiota, haben ungeahnten Einfluss auf das zentrale Nervensystem und das Verhalten. Dies führte zu der Begründung eines neuen Konzepts, der Mikrobiota-Darm-Hirn Achse, welche das Verhalten beeinflusst und, im Falle einer Dysregulation, zur Entwicklung psychischer Erkrankungen beitragen kann. Zudem wurde in einigen Patienten eine Fehlregulation des peripheren Immunsystems sowie des Immunsystems im Gehirn – insbesondere bei Mikroglia – festgestellt, die in unmittelbarem Zusammenhang zu psychischen Erkrankungen wie GAD oder MDD stehen. Das Zusammenspiel zwischen der Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse und dem Immunsystem ist allgemein anerkannt und eröffnet ein komplexes System und Wechselspiel, dessen Entschlüsselung und spezifische Manipulation einen neuen Ansatz für Therapiemöglichkeiten bietet. Daher konzentriert sich die aktuelle Forschung auf die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien. Diese decken ein weites Spektrum, beginnend bei dem Add-On von Substanzen zu gängigen Antidepressiva bis zur Entwicklung neuer Medikamente mit der Mikrobiota-Darm-Hirn Achse sowie dem Immunsystem als potentielles Ziel, ab. Kürzlich wurde bei einem herkömmlichen Antibiotikum eine Reihe von zusätzlichen, pleiotropen Funktionen entdeckt. Minozyklin ist ein Tetrazyklin der zweiten Generation, das neben seiner antibakteriellen Funktion auch das Immunsystem, das Gehirn und Verhalten beeinflusst und demzufolge mit seinem multimodalen Wirkungsspektrum einen neuen, vielversprechenden Ansatz für die Behandlung psychischer Erkrankungen bietet. Daher war es Ziel der vorliegenden Doktorarbeit, den Einfluss auf Minozyklin in zwei verschiedenen Tiermodellen für psychische Krankheiten, selektive Zucht und chronisch psychosozialer Stress, zu untersuchen. Zunächst wurde die Wirkung von Minozyklin auf verschiedene Verhaltensweisen in einem Tiermodell für angeborenes hohes Angstverhalten und depressions-ähnliches Verhalten, Ratten die selektiv auf hohes Angstverhalten gezüchtet wurden (HAB), untersucht. Um geschlechtsspezifische Effekte zu zeigen, wurde dies auf weibliche HAB Ratten und als Kontrolle auch auf männliche und weibliche Ratten, die nicht aufgrund ihres Verhaltens selektiert wurden (NAB), ausgeweitet. Dazu wurde Escitalopram, ein selektiver Serotonin Wiederaufnahmehemmer, als Positivkontrolle eingesetzt, sowie eine Kombination beider Substanzen, da in Patienten Minozyklin nicht als Monotherapie, sondern als Add-On Medikation genutzt wird. Um mögliche grundlegende Wirkungsmechanismen von Minozyklin zu identifizieren, wurde sowohl die Anzahl der Mikroglia im infralimbischen und prelimbischen prefrontalen Cortex (PFC) ermittelt, einer Gehirnregion, die stark von MDD beeinflusst ist, als auch die Zusammensetzung der Darm Mikrobiota untersucht. Die vorliegenden Ergebnisse demonstrieren einen stabilen Phänotyp in unbehandelten männlichen und weiblichen HAB Ratten und eine reduzierte Dichte an Mikroglia im PFC in beiden Geschlechtern im Vergleich zu NAB Ratten. Zudem zeigen männliche HAB Ratten grundlegend eine andere Zusammensetzung der Darmflora als NAB Ratten. Die Behandlung der Tiere mit Minozyklin für 3 Wochen erzielte eine Verbesserung des depressions-ähnlichen Verhaltens, jedoch nicht des Angstverhaltens, und eine Reduzierung der Mikroglia Anzahl exklusiv in männlichen HAB Ratten, während weibliche HAB Ratten nicht auf die Behandlung reagierten. Escitalopram verringerte das Angstverhalten von männlichen NAB Ratten, während die Kombination beider Substanzen keinerlei Effekte zeigte. Zudem reduzierte Minozyklin die Konzentration zweier pro-inflammatorischen Zytokine im Plasma und veränderte merklich die Darm Mikrobiota Zusammensetzung in männlichen HAB und NAB Ratten. Eine detaillierte Analyse der Taxonomie zeigte, dass Minozyklin die relative Häufigkeit der beiden Butyrat-produzierenden Bakterienfamilien Lachnospiraceae und Clostridiales Familie XIII erhöhte. Diese Familien sind bekannt für ihre Produktion des Metabolits Butyrat. Dem entsprechend konnten auch erhöhte Plasma 3-OH-Butyrat Konzentrationen festgestellt werden, die mit der jeweiligen Bakterienhäufigkeit in Abhängigkeit des Phänotyps positiv korrelierten. Diese Ergebnisse validieren HAB Ratten nicht nur als Modell für behandlungsresistente Angsterkrankungen und MDD, sondern auch als Modell für entzündungs-assoziierte MDD, und implizieren einen geschlechts- und phänotyp-abhängigen Effekt von Minozyklin. Die multimodale Manipulation von Minozyklin und ihr Behandlungserfolg in HAB Ratten unterstreicht zudem die Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse als potentielles Ziel für neue Therapieansätze in psychischen Erkrankungen.
Zudem war es Ziel der vorliegenden Doktorarbeit, den Einfluss von Minozyklin auf stress-induziertes Verhalten und auf die Physiologie als Vergleich zu angeborenem Verhalten zu untersuchen. Das genutzte Modell stellt eine alternative Herangehensweise für psychische Krankheiten dar und ermöglicht somit eine Erweiterung des Wissens über Minozyklin und seine Wirkungsweise. Es ist heutzutage allgemein anerkannt, dass Stress mit einer chronischen und psychosozialen Komponente ein starker Risikofaktor für die Entwicklung von stressbedingten somatischen und psychischen Erkrankungen wie MDD und GAD ist. Das Mausmodell der chronisch subordinierten Koloniehaltung (CSC) ist ein geeignetes Tiermodell, das verhaltensbedingte, physiologische und immunologische Veränderungen in Mäusen induziert, die vergleichbar mit den psychischen, somatischen und / oder gastrointestinalen Erkrankungen bei chronisch gestressten Menschen sind. Das CSC Modell erhöht zudem spezifisch das Angstverhalten, aber nicht das depressions-ähnliche Verhalten in den Mäusen. Daher ermöglicht dieses Modell, die Wirkung von Minozyklin spezifisch auf Angstverhalten zu untersuchen, insbesondere im Vergleich von Stress-induziertem und angeborenem Angstverhalten. Als Voraussetzung für diese Versuche war es essentiell, das CSC Modell nach dem Umzug der Verhaltenslaboratorien in ein neues Forschungsgebäude neu zu etablieren und einen validen und robusten Phänotyp zu reproduzieren. Dieser Phänotyp wurde durch erhöhtes Angstverhalten, vergrößerte Nebennieren und einen verkleinerten Thymus bestätigt. Basierend auf dieser Grundlage wurden danach Mäuse, die für 20 Tage dem CSC Modell ausgesetzt waren, mit Minozyklin behandelt. 8 Tage nach Beendigung des CSC Modells zeigten die Mäuse noch immer ein erhöhtes Angstverhalten sowie ein erhöhtes Gewicht der Milz und eine fehlregulierte Aktivität der HPA-Achse. Minozyklin war nicht in der Lage, die stress-induzierten physiologischen und verhaltensbedingten Veränderungen zu verbessern. Dies deutet darauf hin, dass der CSC-induzierte Phänotyp unabhängig von einem Wirkungsbereich von Minozyklin entsteht, wobei aber nicht ausgeschlossen werden kann, dass eine längere Behandlungsdauer und eine höhere Minozyklin Dosis andere Effekte zeigen würde.
Somit konnte die vorliegende Doktorarbeit einen detaillierten Einblick in die Wechselwirkungen zwischen dem Immunsystem, den Darm Mikrobiota, und Verhalten liefern und enthüllte spezifischere Wirkungsbedingungen für Minozyklin in zwei verschiedenen Tiermodellen für psychische Erkrankungen. Betrachtet man die Verhaltensergebnisse, zeigen die vorliegenden Versuche einen spezifischen Effekt von Minozyklin auf depressions-ähnliches Verhalten, aber nicht Angstverhalten, in männlichen HAB Ratten. Diese Ergebnisse implizieren, gemeinsam mit der aktuell bekannten Literatur, einen geschlechtsabhängigen Effekt von Minozyklin, sowie die Notwendigkeit einer vorliegenden Verhaltensstörung. Zusätzlich wurde eine angstlösende Wirkung von Minozyklin vorgeschlagen. Dies basierte auf Studien, die akuten Stress oder physiologisches Trauma nutzten. Da die Ergebnisse der vorliegenden Doktorarbeit keinen angstlösenden Effekt von Minozyklin nachweisen konnten, impliziert dies einen verzögerten oder sogar keinen Einfluss von Minozyklin auf Angstverhalten, das durch chronischen Stress verursacht wurde oder angeboren ist. Der Verhaltenseffekt von Minozyklin ist allgemein postuliert als eine Auswirkung der anti-inflammatorischen Wirkung des Antibiotikums. Männliche HAB Ratten zeigen ein verändertes Immunsystem im Gehirn und reagieren auf eine Minozyklin Behandlung. Allerdings zeigen auch weibliche HAB Ratten ein verändertes Immunsystem und das CSC Modell ist bekannt für seine immun-modulatorischen Effekte. Daher deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Minozyklin für seine Wirkung nicht per se ein verändertes Immunsystem als Voraussetzung benötigt, sondern auch hier spezielle Bedingungen notwendig sind. Minozyklin könnte daher einen entzündungs-induzierten depressiven Phänotyp für einen Behandlungseffekt benötigen.
Zusammenfassend erweitern die gesammelten Ergebnisse der vorliegenden Arbeit das Wissen über das Wirkungsspektrum von Minozyklin auf Verhalten und zeigen einen spezifischen antidepressiven Effekt, der geschlechtsabhängig ist und auf dem inflammatorischen Status sowie der potentiell zugrundeliegenden Ursachen beruht. Eine zukünftige Anwendung von Minozyklin bei Patienten mit psychischen Erkrankungen muss sorgfältig durchdacht werden, da Minozyklin vielmehr als ein Medikament für individuelle, patientenbezogene Behandlung, denn als ein allgemeines Antidepressiva erscheint.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 17:58
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