Paper del receptor 5-HT1A en el mecanisme d'acció de psicofàrmacs

Treball presentat per optar al grau de Doctora per la Universitat de Barcelona, Programa de Doctorat de Neurociències (Departament de Biologia Cel·lular, Immunologia i Neurociències, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona).-- Treball realitzat Departament de Neuroquímica i Neurofarmacologia, Institut d’Investigacions Biomèdiques de Barcelona, Centro de Investigación Biomédica en Red de Salud Mental, Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer, Consejo Superior de Investigaciones Científicas.L'escorça prefrontal (EPF) és necessària per dur a terme funcions cerebrals superiors com la presa de decisions, la memòria de treball o l'atenció. S'han descrit diferents alteracions anatòmiques i funcionals en aquesta regió cerebral en malalties psiquiàtriques com l'esquizofrènia i la depressió. Els objectius de la present tesi són estudiar els efectes d'agonistes del receptor 5-HT(1A) (clàssics -8-OH-DPAT- i de nou desenvolupament -F15599, F13640) sobre l'activitat de l'EPF tant a nivell neuronal com poblacional i caracteritzar les subpoblacions de receptors implicades en els efectes provocats per aquests agonistes. A més, caracteritzar en models animals un nou antagonista del receptor 5-HT(1A) (DU 125530) per validar la seva possible aplicació per la potenciació del tractament antidepressiu. Per dur a terme els objectius plantejats es van utilitzar tècniques electrofisiològiques de registre extracel·lular unitari i registres del potencial de camp en animal anestesiat a més d'estudis de microdiàlisi intracerebral. Les conclusions obtingudes en la present tesi són: 1. Agonistes del receptor 5-HT(1A) amb diferent estructura química provoquen majoritàriament, però amb patrons de resposta distintius, excitacions de les neurones piramidals d'EPF mitjançant un mecanisme depenent de circuit que implica les interneurones GABAèrgiques de la mateixa EPF. Aquesta excitació podria facilitar la neurotransmissió dels nuclis aminèrgics mesencefàlics a aquesta àrea i afavorir l'activitat de l'EPF en tasques com la memòria de treball. 2. Els diferents agonistes 5-HT(1A) emprats en la present tesi (8-OH-DPAT, F15599 i F13640) inhibeixen les neurones serotoninèrgiques del nucli del rafe dorsal però actuen amb diferent potència relativa sobre els heteroreceptors 5-HT(1A) postsinàptics vs. els autoreceptors presinàptics. Així, dels tres fàrmacs testats, l'F15599 mostra un perfil novedós amb una acció preferent sobre els heteroreceptors corticals comparat amb l'F13640 i la 8-OH-DPAT. L'eficàcia de l'F15599 en models animals de depressió i dèficits cognitius el fa interessant per al tractament de malalties psiquiàtriques, evitant els efectes secundaris produïts per activació de l'autoreceptor. 3. El DU 125530 és un antagonista del receptor 5-HT(1A) molt potent en models animals, capaç d'antagonitzar tant respostes a nivell d'autoreceptor com a nivell d'heteroreceptor postsinàptic. Aquest fàrmac permet potenciar l'augment de serotonina produït per antagonistes selectius de la recaptació de serotonina però també bloqueja els heteroreceptors 5-HT(1A) postsinàptics. Així, l'augment de funció serotoninèrgica produït pel bloqueig dels autoreceptors sembla que no es tradueix en un major efecte antidepressiu possiblement degut al bloqueig dels receptors 5-HT(1A) postsinàptics. 4. A part de les diferències regionals en la funcionalitat del receptor 5-HT(1A) ja conegudes, la present tesi planteja possibles diferències a nivell cel∙lular entre subpoblacions de receptors 5-HT(1A) situats en tipus neuronals diferents (piramidals vs. GABAèrgiques i vs. serotoninèrgiques). El disseny de fàrmacs amb capacitat d'actuar preferentment sobre els receptors situats en tipus cel·lulars determinats podria ser una estratègia interessant pel tractament de malalties psiquiàtriques.El present treball ha estat finançat amb els següents projectes: - Modulación serotoninérgica de la corteza prefrontal: relevancia en el tratamiento de la depresión y la esquizofrenia. CICYT SAF2007-62378 - Modulación de los circuitos cortico-mesencefálicos por receptores 5-HT1A. Relevancia en la acción terapéutica de los fármacos antipsicóticos. FIS PI060264 - Monoaminergic neurotransmission in prefrontal cortex: Target for augmentation strategies in schizophrenia. SENY Fundació - Effects of F15599 and F13640 on pre- and postsynaptic 5-HT1A receptors in rat brain: in vivo electrophysiological studies. Pierre Fabre Médicament-IDIBAPS - Actividad cortical y alucinaciones. Nuevo modelo experimental para la identificación de dianas terapéuticas en esquizofrenia. FIS PI09/1245. I ha estat realitzat amb el suport econòmic d’una beca predoctoral del programa de la “Junta para la Ampliación de Estudios” (JAE) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).Peer Reviewe

Paper del receptor 5HT(1A) en el mecanisme d'acció de psicofàrmacs

[cat] L'escorça prefrontal (EPF) és necessària per dur a terme funcions cerebrals superiors com la presa de decisions, la memòria de treball o l'atenció. S'han descrit diferents alteracions anatòmiques i funcionals en aquesta regió cerebral en malalties psiquiàtriques com l'esquizofrènia i la depressió. El receptor 5-HT(1A) té una funcionalitat dual actuant com a autoreceptor en les dendrites i el soma de les neurones serotoninèrgiques i com a heteroreceptor en àrees postsinàptiques com l'EPF i l'hipocamp. Ha estat implicat en la fisiopatologia de diferents malalties psiquiàtriques, entre elles, l'esquizofrènia o la depressió. Per aquest motiu la modulació del receptor 5-HT(1A) sembla ser una possible diana terapèutica per aquest tipus de trastorns. Els objectius de la present tesi són estudiar els efectes d'agonistes del receptor 5-HT(1A) (clàssics -8-OH-DPAT- i de nou desenvolupament -F15599, F13640) sobre l'activitat de l'EPF tant a nivell neuronal com poblacional i caracteritzar les subpoblacions de receptors implicades en els efectes provocats per aquests agonistes. A més, caracteritzar en models animals un nou antagonista del receptor 5-HT(1A) (DU 125530) per validar la seva possible aplicació per la potenciació del tractament antidepressiu. Per dur a terme els objectius plantejats es van utilitzar tècniques electrofisiològiques de registre extracel·lular unitari i registres del potencial de camp en animal anestesiat a més d'estudis de microdiàlisi intracerebral. Les conclusions obtingudes en la present tesi són: 1. Agonistes del receptor 5-HT(1A) amb diferent estructura química provoquen majoritàriament, però amb patrons de resposta distintius, excitacions de les neurones piramidals d'EPF mitjançant un mecanisme depenent de circuit que implica les interneurones GABAèrgiques de la mateixa EPF. Aquesta excitació podria facilitar la neurotransmissió dels nuclis aminèrgics mesencefàlics a aquesta àrea i afavorir l'activitat de l'EPF en tasques com la memòria de treball. 2. Els diferents agonistes 5-HT(1A) emprats en la present tesi (8-OH-DPAT, F15599 i F13640) inhibeixen les neurones serotoninèrgiques del nucli del rafe dorsal però actuen amb diferent potència relativa sobre els heteroreceptors 5-HT(1A) postsinàptics vs. els autoreceptors presinàptics. Així, dels tres fàrmacs testats, l'F15599 mostra un perfil novedós amb una acció preferent sobre els heteroreceptors corticals comparat amb l'F13640 i la 8-OH-DPAT. L'eficàcia de l'F15599 en models animals de depressió i dèficits cognitius el fa interessant per al tractament de malalties psiquiàtriques, evitant els efectes secundaris produïts per activació de l'autoreceptor. 3. El DU 125530 és un antagonista del receptor 5-HT(1A) molt potent en models animals, capaç d'antagonitzar tant respostes a nivell d'autoreceptor com a nivell d'heteroreceptor postsinàptic. Aquest fàrmac permet potenciar l'augment de serotonina produït per antagonistes selectius de la recaptació de serotonina però també bloqueja els heteroreceptors 5-HT(1A) postsinàptics. Així, l'augment de funció serotoninèrgica produït pel bloqueig dels autoreceptors sembla que no es tradueix en un major efecte antidepressiu possiblement degut al bloqueig dels receptors 5-HT(1A) postsinàptics. 4. A part de les diferències regionals en la funcionalitat del receptor 5-HT(1A) ja conegudes, la present tesi planteja possibles diferències a nivell cel∙lular entre subpoblacions de receptors 5-HT(1A) situats en tipus neuronals diferents (piramidals vs. GABAèrgiques i vs. serotoninèrgiques). El disseny de fàrmacs amb capacitat d'actuar preferentment sobre els receptors situats en tipus cel·lulars determinats podria ser una estratègia interessant pel tractament de malalties psiquiàtriques.[eng] The 5-HT(1A) receptor is an inhibitory receptor acting as autoreceptor in serotonergic neurons and as heteroreceptor at postsynaptic areas such as the prefrontal cortex (PFC). The PFC has shown to be a key area for cognitive processes such as working memory or attention and is altered in different psychiatric disorders, such as schizophrenia and depression. Moreover, the 5-HT(1A) receptor seems to be involved in the physiopathology and etiology of psychiatric disorders, suggesting that the modulation of this receptor could be an interesting strategy for the treatment of schizophrenia and depression. This thesis is based in the hypothesis that proposes that psychoactive drugs modulate cortico-mesencephalic circuitries involving PFC and mesencephalic monoaminergic nuclei. Specifically, 5-HT(1A) receptors of PFC may have a key role in this modulation. Under this hypothesis, the general aim of the thesis was to study the effects of 5-HT(1A) agonists and antagonists on the unitary and population activity of PFC and raphe nuclei. To carry out this work, we performed single unit and local field potential recordings as well as intracerebral microdialysis studies in anaesthetized animals. The main conclusions of this study are: - 5-HT(1A) agonists cause mainly excitations on PFC pyramidal neurons through a mechanism involving PFC GABAergic interneurons. This excitation could facilitate monoaminergic neurotransmission to PFC and favor PFC activity in cognitive tasks. - Different 5-HT(1A) agonists display different relative potency modulating the activity of PFC vs. raphe neurons. Whereas classical agonists act preferentially on serotonergic neurons, F15599 can modulate preferentially the activity of PFC pyramidal neurons, showing interesting characteristics for the treatment of depression and cognitive/negative symptoms in schizophrenic patients. - Despite DU125530 is a potent 5-HT(1A) antagonist in animal models, antagonizing effects at presynaptic and postsynaptic levels and potentiating the increase of serotonin induced by SSRIs, it's not able to improve antidepressant treatment when administered with fluoxetine to depressed patients. - Besides the regional differences in 5-HT(1A) receptor functionality already known, the thesis suggests possible differences at the cellular level among 5-HT(1A) receptors of different cell types. Designing drugs targeting preferentially specific cell types could be an interesting strategy for the treatment of psychiatric disorders

In vivo electrophysiological and neurochemical effects of the selective 5-HT 1A receptor agonist, F13640, at pre- and postsynaptic 5-HT 1A receptors in the rat

Rationale: F13640 (befiradol) is a novel 5-HT1A receptor agonist with exceptional selectivity vs. other receptors and binding sites. It shows analgesic activity in animal models and is currently developed for human use. Objectives: Given the potential dual role of the serotonergic system in pain, through the modulation of ascending signals in spinal cord and their emotional processing by corticolimbic areas, we examined the in vivo activity of F13640 at somatodendritic autoreceptors and postsynaptic 5-HT 1A heteroreceptors in medial prefrontal cortex (mPFC). Methods: In vivo single unit recordings and intracerebral microdialysis in the rat. Results: F13640 reduced the activity of dorsal raphe serotonergic neurons at 0.2-18.2 μg kg -1, i.v. (cumulative doses; ED50=0.69 μg kg -1, i.v.) and increased the discharge rate of 80% of mPFC pyramidal neurons in the same dose range (ED50=0.62 μg kg -1, i.v.). Both effects were reversed by the subsequent administration of the 5-HT 1A receptor antagonist (±)WAY100635. In microdialysis studies, F13640 (0.04-0.63 mg kg -1, i.p.) dose-dependently decreased extracellular 5-HT in the hippocampus and mPFC. Likewise, F13640 (0.01-2.5 mg kg -1, i.p.) dose-dependently increased extracellular DA in mPFC, an effect dependent on the activation of postsynaptic 5-HT 1A receptors in mPFC. Local perfusion of F13640 in mPFC (1-1,000 μM) also increased extracellular DA in a concentration-dependent manner. Both the systemic and local effects of F13640 were prevented by prior (±)WAY100635 administration. Conclusions These results indicate that, upon systemic administration, F13640 activates both 5-HT 1A autoreceptors and postsynaptic 5-HT 1A receptors in prefrontal cortex with a similar potency. Both activities are likely involved in the analgesic properties of the compound. © Springer-Verlag 2011.This work was supported by grants SAF 2007-62378, FIS PI060264, FIS PI09/1245 (PN I+D+I 2008-2011, ISCIII-Subdirección General de Investigación y Fomento de la Investigación), Instituto de Salud Carlos III, Centro de Investigación Biomédica en Red de Salud Mental, CIBERSAM and Pierre Fabre Medicament. L. L.-P. was supported by a JAE fellowship from CSIC. P. C. is supported by the Researcher Stabilization Program of the Health Department of the Generalitat de Catalunya.Peer Reviewe

GABAergic interneurons are involved in the excitatory action of 8-OH-DPAT on prefrontal cortex pyramidal neurons

Trabajo presentado al EMBO Workshop: Cortical Interneurons in Health and Disease celebrado en Mallorca de 24 al 27 de junio de 2012.Supported by SAF 2004-05525 and FIS (PI 060264). Ministerio de Sanidad, Instituto de Salud Carlos III, Red de Enfermedades mentales (REM-TAP Network).Peer Reviewe

The serotonin hallucinogen 5-MeO-DMT alters cortico-thalamic activity in freely moving mice: Regionally-selective involvement of 5-HT1A and 5-HT2A receptors

5-MeO-DMT is a natural hallucinogen acting as serotonin 5-HT/5-HT receptor agonist. Its ability to evoke hallucinations could be used to study the neurobiology of psychotic symptoms and to identify new treatment targets. Moreover, recent studies revealed the therapeutic potential of serotonin hallucinogens in treating mood and anxiety disorders. Our previous results in anesthetized animals show that 5-MeO-DMT alters cortical activity via 5-HT and 5-HT receptors. Here, we examined 5-MeO-DMT effects on oscillatory activity in prefrontal (PFC) and visual (V1) cortices, and in mediodorsal thalamus (MD) of freely-moving wild-type (WT) and 5-HT-R knockout (KO2A) mice. We performed local field potential multi-recordings evaluating the power at different frequency bands and coherence between areas. We also examined the prevention of 5-MeO-DMT effects by the 5-HT-R antagonist WAY-100635. 5-MeO-DMT affected oscillatory activity more in cortical than in thalamic areas. More marked effects were observed in delta power in V1 of KO2A mice. 5-MeO-DMT increased beta band coherence between all examined areas. In KO2A mice, WAY100635 prevented most of 5-MeO-DMT effects on oscillatory activity. The present results indicate that hallucinatory activity of 5-MeO-DMT is likely mediated by simultaneous alteration of prefrontal and visual activities. The prevention of these effects by WAY-100635 in KO2A mice supports the potential usefulness of 5-HT receptor antagonists to treat visual hallucinations. 5-MeO-DMT effects on PFC theta activity and cortico-thalamic coherence may be related to its antidepressant activity. This article is part of the Special Issue entitled ‘Psychedelics: New Doors, Altered Perceptions’.This work was supported by grants from Instituto de Salud Carlos III (PI09/01245, PI12/00156 and PI16/00287 (PN de I + D + I 2008–2011, ISCIII-Subdirección General de Evaluación y Fomento de la Investigación, Spanish Ministry of Economy and Competitiveness cofinanced by the European Regional Development Fund. “Una manera de hacer Europa”), and by grant SAF2015-68346-P (MINECO, FEDER EU) Centro de Investigación Biomédica en Red de Salud Mental, (CIBERSAM P82, 11INT3. Support from the Generalitat de Catalunya (2014 SGR798) is also acknowledged. MR was supported by an IDIBAPS fellowship

Neurobiological bases of acute and repeated PCP-based mice models of schizophrenia

Póster presentado en el 15th Biennial Meeting of the European Behavioural Pharmacology Society (EPBS), celebrado del 6 al 9 de septiembre de 2013 en La Rochelle (Francia)Abstract publicado en "Behavioural Pharmacology" 24 (Supplement): p e24 (2013). doi: 10.1097/01.fbp.0000434768.75496.19Peer Reviewe

The hallucinogen 5-MeO-DMT simultaneously alters oscillatory activity in prefrontal and visual cortex: regionally-selective reversal by risperidone and 5-HT1A-R receptor blockade

Trabajo presentado en el 10th FENS Forum of Neuroscience (FENS 2016), celebrado en Copenhague, Dinamarca, del 2 al 6 de julio de 2016[Background] 5-MeO-DMT is a natural hallucinogen acting as non-selective 5-HT1A/5-HT2A receptor agonist. Its ability to cause physiological and behavioral changes such as hallucinations can be used to study the neurobiological basis of psychotic symptoms and to identify new targets for antipsychotic treatment. Recent results show that 5-MeO-DMT disrupts cortical activity via 5-HT1A and 5-HT2A receptors in anesthetized animals1.[Aim] To examine 1) the effects of 5-MeO-DMT on cortical oscillatory activity in freely-moving mice using wild-type (WT) and 5-HT2A receptor knockout (KO2A) mice, and 2) its potential pharmacological reversal. Methods: Local-field potential multi-recordings in prefrontal (PFC) and visual (V1) cortex in WT and KO2A mice receiving (30 minutes apart): saline + 5-MeO-DMT; WAY-100635 + 5-MeO-DMT; risperidone + 5-MeO-DMT; WAY-100635 + saline or risperidone + saline. Effects were analyzed in two periods (0-30 and 30-60 minutes) after 5-MeO-DMT administration.[Results] 5-MeO-DMT increased theta and gamma oscillations in PFC and delta oscillation in V1 (0-30 min). In the 30-60 min period, 5-MeO-DMT decreased theta, beta and gamma oscillations in V1. Effects in KO2A mice were more marked. In WT mice, the antipsychotic drug risperidone prevented 5-MeO-DMT effects on PFC -but not in V1. Moreover, the 5-HT1A antagonist WAY100635 prevented 5-MeO-DMT disruption of oscillatory activity on PFC and V1 in KO2A mice.[Conclusions] The hallucinogen activity of 5-MeO-DMT is possibly mediated by simultaneous alteration of the activity of visual and prefrontal cortex. The prevention of 5-MeO-DMT effect by WAY100635 suggests the potential usefulness of 5-HT1A receptor antagonists to treat antipsychotic-resistant hallucinations.Peer Reviewe

Serotonin-1a receptors are involved in the clozapine reversal of phencyclidine-induced desynchronisation of prefrontal cortex activity

Trabajo presentado al 8th Forum of Neuroscience (FENS) celebrado en Barcelona del 14 al 18 de julio de 2012.Schizophrenia is a devastating illness affecting ca. 1% of worldwide population. The prefrontal cortex (PFC) seems to be a key area in the aetiology and treatment of the illness. Clozapine is the only drug showing superiority to other antipsychotic drugs (APD) [1] and activation of 5-HT1A receptors may play a significant role in its mechanism of action [2]. The non-competitive NMDA receptor antagonist phencyclidine (PCP), used as a pharmacological model of schizophrenia, evokes a marked disruption of low frequency cortical oscillations (LFCO, < 4 Hz) in PFC of anaesthetised rats, which is reversed by systemic clozapine administration [3]. Here we examined the ability of different selective monoaminergic drugs to reverse the PCP-mediated disruption on LFCO. Likewise, we examined whether the clozapine reversal was due to D1 receptor activation following an increase in PFC dopamine. PCP decreased LFCO to ca. 10% of baseline in medial PFC (p< 0.01). This decrease was not reversed by the systemic administration of the selective 5-HT2A receptor antagonist M100907 or by the alpha1-adrenoceptor antagonist prazosin, but partially by the D2/3 receptor antagonist raclopride. The subsequent administration of clozapine produced a full reversal of PCP effects (p< 0.001), indicating that 5-HT2A, alpha1-adrenoceptor nor D2/3 blockade are not involved in clozapine reversal of PCP effects. The D1 receptor agonist SKF38393 partially reversed PCP effects on LFCO. In contrast, the administration of the selective 5-HT1A receptor agonists 8-OH-DPAT and BAYx3702 fully reversed PCP disruption on PFC activity (p< 0.05). The present results give further support to the concept that clozapine can exert its superior therapeutic action via 5-HT1A receptor activation and support the usefulness of this therapeutic target in antipsychotic drug development.Support: FIS PI09/1245, CIBERSAM (11INT3) and EU grant NEWMEDS (Innovative Medicines Initiative).Peer Reviewe

Registro electrofisiológico como herramienta para la identificación de biomarcadores translacionales de enfermedades psiquiátricas

Trabajo presentado en el 3ª edición del Laboratorio de Ideas CIBERSAM, celebrado en Barcelona, España, el 28 y 29 de mayo de 2015Peer Reviewe

5-HT1A receptor agonists enhance pyramidal cell firing in prefrontal cortex through a preferential action on GABA interneurons

Trabajo presentado en la 1st Barcelona Computational and Systems Neuroscience Meeting, celebrada en Barcelona, España, el 14 y 15 de junio de 2011Peer Reviewe