Untersuchung von adenosinergen Regulatorproteinen der zirkadianen Rhythmik im Gehirn der Ratte und deren Veränderungen durch Schlafentzug und chronische Koffeineinnahme

Abstract

Der Neuromodulator Adenosin stellt eine der bedeutendsten schlafregulierenden Substanzen für die Steuerung des Einschlafprozesses dar. Es konnte gezeigt werden, dass Adenosin seine schlafinduzierende Wirkung vorwiegend über den A₁-Adenosinrezeptor (A₁AR) und den A_2A-Adenosinrezeptor (A_2AAR) vermittelt. Koffein ist die weltweit am häufigsten konsumierte stimulierende Substanz. Es vermittelt seine biologischen Effekte primär über eine Verdrängung von Adenosin an den verschiedenen Subtypen der Adenosinrezeptoren. Jüngste Befunde deuten darauf hin, dass eine chronische Koffeineinnahme nicht nur einen dauerhaften Einfluss auf die Schlaf-Wach-Regulation, sondern auch eine neuroprotektive Wirkung haben könnte. Um das Potenzial von koffeinbasierten Wirkstoffen auf Schlafstörungen und neurodegenerative Erkrankungen besser verstehen zu können, ist es notwendig, das Zusammenspiel der beteiligten Komponenten des adenosinergen Systems aufzuklären. <br /> Das Ziel dieser Arbeit bestand daher in der Untersuchung des A₁AR und des A_2AAR im Hinblick auf ihre Rolle bei der Schlaf-Wach-Regulation und ihre Veränderungen durch den Einfluss einer chronischen Koffeineinnahme. Vor dem Hintergrund möglicher protektiver Effekte des Koffeins auf neurodegenerative Erkrankungen sollten dabei nicht nur der Neocortex und der Thalamus – zwei Gehirnregionen die wichtig für den Einfluss des adenosinergen Systems auf die Schlafregulation sind – sondern auch der Hippocampus, der eine zentrale Rolle bei Lernen und Gedächtnisbildung spielt untersucht werden. <br /> Da Adenosin einem zirkadianen Konzentrationsverlauf unterliegt, sollte zunächst untersucht werden, ob auch die Gesamtexpression des A₁AR und des A_2AAR im ZNS einer zirkadianen Kontrolle gehorchen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde dann der Einfluss einer chronischen Koffeineinnahme auf die Gesamtexpression des A₁AR und des A_2AAR und deren schlafentzugsbedingten Veränderungen untersucht. Ergänzend erfolgte schließlich im Neocortex auch eine Untersuchung der mRNA der beiden Rezeptoren, um Einblicke in das Ineinandergreifen der zugrunde liegenden Regulationsprozesse gewinnen zu können. Die Untersuchung der Gesamtexpression des A₁AR und des A_2AAR erfolgte in vitro mittels Western, die mRNA wurde mittels real-time PCR analysiert. <br /> Die Gesamtexpression der beiden Rezeptoren zeigte innerhalb des regulären Tag-/Nachtrhythmus keine signifikanten Veränderungen. <br /> Sowohl ein 6-stündiger als auch ein 12-stündiger Schlafentzug führten zu einer signifikanten Hochregulierung der Gesamtexpression des A₁AR in Neocortex, Thalamus und Hippocampus sowie zu einer signifikanten Hochregulierung des A_2AAR in Neocortex und Hippocampus. Auch im Thalamus konnte tendenziell nach Schlafentzug eine erhöhte Expression des A_2AAR festgestellt werden, die allerdings nicht signifikant war. In bisherigen Studien konnte nach 24-stündigem Schlafentzug eine erhöhte Dichte der membrangebundenen A₁AR gezeigt werden. Unter Schlafentzug scheint somit zunächst die Zahl der intrazellulären Rezeptoren anzusteigen, während für die Translokation der Rezeptoren und den Einbau der Rezeptoren in die Zellmembran ein länger andauernder Schlafentzug nötig ist. Der Anstieg in der Gesamtexpression der beiden Rezeptoren blieb weitestgehend über den gesamten Zeitraum des Erholungsschlafes bestehen. <br /> Eine chronische Koffeinapplikation von 30 mg/kg Körpergewicht/Tag (dies entspricht einer humanen Koffeindosis von 4-5 Tassen Kaffee pro Tag) führte zu einer signifikanten Hochregulierung der Gesamtexpression des A₁AR und des A_2AAR im Hippocampus und zu einer erhöhten Expression des A_2AAR im Neocortex. Interessanterweise konnten im Thalamus nur während der Hellphase signifikant erhöhte Expressionen beider Rezeptoren festgestellt werden. Die chronische Koffeinbehandlung scheint also im Thalamus einen zirkadianen Verlauf der Expression der Rezeptoren auszulösen. <br /> Während sowohl Schlafentzug als auch chronische Koffeineinnahme zu einer regionenspezifischen Hochregulierung der Gesamtexpression des A₁AR und des A_2AAR führten, zeigte die kombinierte Anwendung von Schlafentzug und chronischer Koffeinapplikation im Neocortex und Hippocampus im Vergleich zur Kontrollgruppe keine signifikanten Veränderungen. Durch die Kombination von Schlafentzug und chronischer Koffeineinnahme werden die Effekte der Einzelinterventionen auf die Expression der beiden Rezeptoren aufgehoben. Für die Gesamtexpression des A_2AAR im Thalamus führte die gemeinsame Anwendung von chronischer Koffeingabe und Schlafentzug nicht nur zu einer Aufhebung der durch die Einzelanwendung hervorgerufenen Effekte, sondern vielmehr sogar zu einem gegenteiligen Effekt. Im Vergleich zur Kontrollgruppe konnte eine signifikante Herabregulation des A_2AAR festgestellt werden. <br /> Schlafentzug führt zu einer Beeinträchtigung der kognitiven Leistungsfähigkeit. Jüngste Befunde deuten darauf hin, dass diesen Beeinträchtigungen durch eine chronische Koffeinapplikation entgegengewirkt werden könnte. Darüber hinaus mildert eine chronische Koffeinapplikation während des Schlafentzuges den Aufbau eines Schlafdruckes ab und verändert die Architektur des Erholungsschlafes. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Gesamtexpression des A₁AR und des A_2AAR schlafentzugs- und koffeinbedingten Veränderungen unterliegt. Somit könnte das adenosinerge System das molekulare Bindeglied für die Verknüpfung der Auswirkungen von chronischer Koffeineinnahme und Schlafentzug auf Verhaltensebene darstellen.