Veränderungen sowie Korrelation der Neurotrophine nerve growth factor (NGF) und brain-derived neurotrophic factor (BDNF) im präfrontalen Kortex, Hippocampus und Serum von Ratten nach elektrokonvulsiver Behandlung

Abstract

Die Neurotrophine NGF (nerve growth factor) und BDNF (brain-derived neurotrophic factor) sind essentiell für die neuronale Plastizität, die Differenzierung, Proliferation und das Überleben von Neuronen und spielen eine bedeutende Rolle in der Pathophysiologie der Depression. Gemäß der Neurotrophin-Hypothese der Depression führt Stress zu einer Abnahme der endogenen Neurotrophinkonzentration, steht eine herabgesetzte Konzentration des Neurotrophins BDNF mit dem Vorliegen depressiver Veränderungen in Verbindung und geht antidepressive Therapie mit einer Erhöhung der BDNF- Expression einher. Methoden In der vorliegenden Arbeit wurden die Konzentrationen von NGF und BDNF in präfrontalem Kortex und Hippocampus sowie dem Serum von 88 männlichen Sprague-Dawley Ratten bestimmt, die zuvor einer antidepressiven Therapie in Form von ECS (electroconvulsive shocks, der Elektrokrampftherapie (EKT) bei Menschen entsprechend) ausgesetzt worden waren. Die ECS-Applikation erfolgte entweder einmalig oder in Form einer fünfmaligen Behandlungsserie. Die Rattenhirne wurden anschließend nach jeweils unterschiedlichen Zeiträumen von drei Stunden bis vierzehn Tagen nach der letzten Anwendung entnommen und die Konzentrationen der Neurotrophine in Hirngewebe und Serum mittels ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) bestimmt. Ergebnisse Die Ergebnisse zeigten, dass eine einmalige ECS-Anwendung keine signifikanten Auswirkungen auf die NGF-Konzentrationen in Hirngewebe und Serum aufwies. Mehrmalige ECS führten zu einem leichten Konzentrationsanstieg von NGF im Hirngewebe (präfrontaler Kortex 1,3-fach, Hippocampus 1,2-fach), wohingegen die NGF-Serumkonzentrationen keine signifikante Veränderung zeigten. Die BDNF-Konzentrationen im Hirngewebe waren nach einer einmaligen ECS-Anwendung leicht erhöht, zeigten dagegen nach fünf ECS-Sitzungen einen deutlichen, 72 Stunden lang anhaltenden Anstieg (präfrontaler Kortex 2,8-fach, Hippocampus 2,2-fach). Im Serum stiegen die BDNF-Serumwerte nach einer einzelnen ECS-Behandlung für eine Zeitspanne von bis zu acht Stunden an, nach mehrmaliger Behandlung blieben die BDNF-Konzentrationen im Serum dagegen für drei Tage unverändert, zeigten aber eine Woche nach der letzten ECS-Anwendung eine signifikante Erhöhung. Als eines der Hauptergebnisse der vorliegenden Arbeit konnte die Abhängigkeit der BDNF-Serumkonzentration vom BDNF-Gehalt im Hirngewebe dargelegt werden. Für NGF war eine solche Korrelation nicht nachzuweisen. Die BDNF-Konzentrationen im Serum stiegen dabei nach einer Zeitverzögerung von drei Tagen nach der letzten ECS-Anwendung an und spiegelten so zeitverzögert den Anstieg des Neurotrophins im Hirngewebe wider. Diskussion Die Ergebnisse weisen eine Erhöhung von BDNF durch antidepressive Therapie nach. Ferner wird die Annahme unterstützt, anhand der BDNF- Konzentrationen und –Konzentrationsänderungen im Serum Rückschlüsse auf die BDNF-Konzentration im Hirngewebe ziehen zu können und so eventuell ein Ansprechen auf antidepressive Therapie, den Therapieverlauf und auch im Vorhinein die Wahrscheinlichkeit eines Ansprechens auf antidepressive Therapie überwachen und abschätzen zu können.

The neurotrophins NGF (nerve growth factor) and BDNF (brain-derived neurotrophic factor) are essential for neuronal plasticity, differentiation, proliferation and the survival of neurons and play a significant role in the pathophysiology of depression. According to the neurotrophin hypothesis of depression, stress leads to decreased endogenous neurotrophins. A reduced concentration of the neurotrophin BDNF is associated with depressive symptoms, whereas antidepressant treatment leads to an increase of BDNF-expression. Methods In the present study, concentrations of NGF and BDNF were determined in the prefrontal cortex and hippocampus, as well as in the serum of 88 male Sprague-Dawley rats after they received ECS (electroconvulsive shocks, an animal model of electroconvulsive therapy (ECT) in humans), as antidepressant therapy. Application was carried out either singly or in the form of a five- time treatment series. Afterwards, the rats were killed between three hours and fourteen days after the last treatment and the brains were removed. The concentrations of the neurotrophins in brain tissue and serum were determined by ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay). Results The results showed that a single application of ECS had no significant effect on the concentrations of NGF in the brain tissue and serum. Repeated ECS resulted in a slight increase of NGF concentration in the brain tissue (1.3 times in the prefrontal cortex, 1.2 times in the hippocampus), while NGF serum levels showed no significant change. BDNF levels in the brain tissue were slightly increased after a single application of ECS, whereas they showed a significant, sustained increase for 72 hours after a series of five ECS (2.8 times in the prefrontal cortex, 2.2 times in the hippocampus). Serum BDNF levels increased after a single ECS treatment for a period of up to eight hours, after repeated treatment the BDNF concentrations in the serum remained unchanged for three days, but showed a significant increase one week after the last ECS application. One of the main results of the present work is to show the correlation between BDNF concentrations in the brain tissue and those in the serum. No such correlation could be found for NGF. BDNF levels in the serum increased after a time delay of three days past the last ECS treatment thereby reflecting the increase of the neurotrophin in the brain tissue. Discussion The results demonstrate an increase of BDNF by antidepressant therapy. Furthermore, it seems to be justified to draw conclusions from determining BDNF concentrations and alterations of these concentrations in the serum, thus being able to determine BDNF concentrations in the brain tissue and to potentially monitor the response to antidepressant treatment, the course of therapy or even to rate the likeliness of response to antidepressive treatment.