Pharmacological modulation of physiological and pathophysiological neuronal network activities: special emphasis on purinergic ATP receptors

Abstract

The present studies (Schulz et al., 2012a, 2012b; Klaft et al., 2012) were designed to investigate the role of extracellular ATP and its receptors on physiological and pathophysiological activities of neuronal networks and to elucidate how the neuronal network is modulated by approved multi-target antipsychotics. Persistent gamma oscillations (30-100 Hz) were induced in the CA3 region of acute rat hippocampal slices by the application of either acetylcholine (ACh) or kainic acid (KA). ATP reduced the power of KA-induced gamma oscillations exclusively by activation of adenosine receptors after its degradation to adenosine. In contrast, ATP suppressed ACh-induced oscillations via both adenosine and P2 receptors. The latter were also activated by endogenous ATP since blockade of ATP-hydrolyzing enzymes also inhibited gamma oscillations. More specific antagonists revealed that ionotropic P2X2 and/or P2X4 receptors reduced the power of ACh-induced gamma oscillations whereas metabotropic P2Y1 receptor increased it. Intracellular recordings from CA3 pyramidal cells suggest that adenosine receptors reduce the spiking rate and the synchrony of action potentials during gamma oscillations whereas P2 receptors only modulate the firing rate of the pyramidal cells. As a model of hypersynchronous pathophysiological network activity, we induced recurrent epileptiform discharges (REDs) in slices from naïve and pilocarpine-treated rats by elevating extracellular potassium concentration in combination with bicuculline. Application of ATP reversibly reduced the incidence of REDs in naïve and chronic epileptic slices via activation of adenosine A1 receptors without discernible P2 receptor effects. In slices from naïve rats, the P2X7 receptor antagonist A 740003 slightly but significantly reduced the amplitude of slow field potentials of REDs. In slices from chronic epileptic rats, none of the P2 receptor antagonists affected the parameters of REDs. Because disturbances in neuronal network activities are also related to psychotic symptoms, we investigated the effects of first and second generation antipsychotics on ACh/Physo-induced gamma oscillations. Several antipsychotics inhibited the power of gamma oscillations and increased the bandwidth of the gamma band. To elucidate which receptors of these multi-target drugs are responsible for the alterations of gamma oscillations, the effects of the antipsychotics were correlated to their pKi values for 19 receptors. We found that 5-HT3 receptors may have an enhancing effect on gamma oscillations whereas D3 receptors may inhibit them. This in silico predictions were confirmed by specific agonists. In conclusion, we found that (a) adenosine receptors dampen neuronal network activity both in models of physiological gamma oscillations and pathophysiological recurrent epileptiform discharges, (b) P2Y1 receptors support gamma oscillations, (c) P2X2 and P2X4 receptors suppress gamma activity, (d) P2X7 receptors show a minor proepileptic effect, and (e) antipsychotics influence gamma oscillations by interacting with 5-HT3 and D3 receptors.

Die vorliegenden Studien (Schulz et al., 2012a, 2012b; Klaft et al., 2012) wurden konzipiert, um die Rolle von extrazellulärem ATP und seinen Rezeptoren auf physiologische und pathophysiologische Aktivitäten von neuronalen Netzwerken zu untersuchen und um zu klären, wie das neuronale Netzwerk durch zugelassene Antipsychotika, die mehrere Wirkungspunkte besitzen, moduliert wird. Persistente Gammaoszillationen (30-100 Hz) wurden in der CA3-Region von akuten Hippokampus-Schnitten der Ratte durch die Applikation entweder von Acetylcholin (ACh) oder Kainat (KA) induziert. ATP reduzierte die Power von KA-induzierten Gammaoszillationen ausschließlich durch Aktivierung von Adenosin-Rezeptoren nach der Degradierung zu Adenosin. Im Gegensatz dazu supprimierte ATP ACh-induzierte Oszillationen sowohl über Adenosin- als auch über P2-Rezeptoren. Letztere waren auch durch endogenes ATP aktiviert, da eine Blockade von ATP-hydrolisierenden Enzymen ebenfalls Gammaoszillationen inhibierte. Spezifischere Antagonisten offenbarten, dass ionotrope P2X2- und/oder P2X4-Rezeptoren die Power von ACh-induzierten Gammaoszillationen reduzierten, während metabotrope P2Y1-Rezeptoren diese steigerten. Intrazelluläre Messungen von CA3-Pyramidenzellen legen nahe, dass Adenosin- Rezeptoren die Feuerrate und die Synchronität von Aktionspotentialen während Gammaoszillationen reduziert, wohingegen P2-Rezeptoren nur die Feuerrate von den Pyramidenzellen modulieren. Als Modell für hypersynchrone pathophysiologische Netzwerkaktivitäten induzierten wir rekurrente epileptiforme Entladungen (REDs) in Schnitten von naiven und von mit Pilocarpin behandelten Ratten, indem wir die extrazelluläre Kaliumkonzentration erhöhten in Kombination mit Bicucullin. Applikation von ATP reduzierte reversibel die Inzidenz von REDs in naiven und chronisch epileptischen Schnitten durch die Aktivierung von Adenosin A1-Rezeptoren ohne erkennbare P2-Rezeptor-Effekte. In Schnitten von naiven Ratten reduzierte der P2X7-Rezeptor-Antagonist A 740003 leicht, aber signifikant die Amplitude von langsamen Feldpotentialen von REDs. In Schnitten von chronisch epileptischen Ratten beeinflusste keiner der P2-Rezeptor-Antagonisten die Parameter von REDs. Weil Beeinträchtigungen in neuronalen Netzwerkaktivitäten auch in Beziehung zu psychotischen Symptomen stehen, untersuchten wir die Effekte von Antipsychotika der ersten und zweiten Generation auf ACh/Physo-induzierten Gammaoszillationen. Mehrere Antipsychotika inhibierten die Power von Gammaoszillationen und erhöhten die Bandbreite des Gammabandes. Um zu klären, welche Rezeptoren von diesen Medikamenten mit mehreren Wirkungspunkten verantwortlich sind für die Änderungen von Gammaoszillationen, wurden de Effekte von den Antipsychotika zu den pKi-Werten von 19 Rezeptoren korreliert. Wir fanden heraus, dass 5-HT3-Rezeptoren wohl einen steigernden Effekt auf Gammaoszillationen haben, während D3-Rezeptoren sie wohl inhibieren. Diese in silico-Prognosen wurden durch spezifische Agonisten bestätigt. Zusammenfassend fanden wir heraus, dass (a) Adenosin-Rezeptoren neuronale Netzwerkaktivität abschwächen, sowohl in Modellen von physiologischen Gammaoszillationen als auch von pathophysiologischen rekurrenten epileptiformen Entladungen, (b) P2Y1-Rezeptoren Gammaoszillationen fördern, (c) P2X2- und P2X4-Rezeptoren Gammaaktivität unterdrücken, (d) P2X7-Rezeptoren einen kleinen proepileptischen Effekt zeigen und (e) Antipsychotika Gammaoszillationen durch Interaktionen mit 5-HT3- und D3-Rezeptoren beeinflussen.