Implications of prenatal exposure to synthetic corticosteroid in the mesolimbic reward pathway

Abstract

In the field of clinical obstetrics, glucocorticoids (GCs) have gained an important role in promoting fetal lung maturation, and are used in about 10% of risk pregnancies. The fetus is highly sensitive to perturbations of its chemical environment along critical developmental windows and, thus, it is not surprising that stress exposure or GC treatment during pregnancy cause notable changes in the physiology and behaviour of the offspring in adulthood. In fact, lifelong implications of sustained deleterious perinatal experiences, such as elevated GCs, include anxiety, mood and cognitive disorders as well as the development of addictive‐like behaviors. It seems that during these crucial periods, several brain regions might be programmed by prolonged stressful insults, such as exposure to high doses of GCs. However, less is known about the potential effects of shortterm therapies with these steroids during late gestation, a crucial stage of the neurodevelopment; as a consequence, very little is known about the underlying mechanisms of these detrimental effects. In this work we show that prenatal exposure to dexamethasone (DEX) at E18‐19 leads to the development of drug‐seeking behaviors in the adult progeny. DEX‐exposed animals displayed increased preference for the morphine‐paired compartment in the conditioned place preference teste (CPP, non‐contigent paradigm) and increased voluntary alcohol consumption (AC) using a two bottle free‐choice paradigm (contingent paradigm). These animals also displayed increased locomotor activity after morphine administration in the open field (OF) test, suggesting a hypersensitive behavioural response to drugs of abuse. Considering the importance of the dopaminergic mesolimbic system for the development of addiction, we performed herein an extensive structural, neurochemical and molecular analysis of the nucleus accumbens (NAcc) and the ventral tegmental area (VTA). At 3 days of postnatal life, we found a significant reduction in the rate of cell proliferation in DEX‐exposed animals in the NAcc and VTA. These changes seem to be sustained in time since in adulthood, DEX animals presented considerable reduced volume and cell numbers in the same brain regions. Because of well‐known plastic events in the central nervous system, we underwent a morphometric analysis of dendrites and synapses in adult offspring of DEX‐treated dams. We found significant changes in the number of spines and spine density of NAcc‐shell, most likely a compensatory mechanism, while in the NAcc core there was no sign of synaptic plasticity in DEX animals. The VTA also presented significant differences in the number of spines, spines density and dendritic branching. Our neurochemical analysis demonstrated that the dopaminergic input was de‐regulated in DEX‐exposed animals as they displayed significantly less dopamine and an impoverishment of dopaminergic fibers in the NAcc, while an increase in dopamine levels was observed in the VTA. In parallel, a significant up‐regulation of the dopamine receptor 2 (Drd2) in the NAcc of DEX‐exposed animals was found, which could reflect a compensation mechanism due to the lack of the ligand. Importantly, after a dopamine‐releasing stimulus (drug exposure), the levels of Drd2 were significantly reduced in DEX‐exposed animals. This phenomenon was associated with an increased methylation pattern of the promoter region of Drd2 in the NAcc. In an attempt to revert the hypodopaminergic status of DEX‐exposed animals in the NAcc, we administered L‐dopa/carbidopa by oral gavage. Interestingly, restoring dopamine levels in the NAcc had striking effects in the behavior of DEX‐exposed animals, since the behavioral phenotype was completely rescued, i.e., DEX animals no longer displayed increased conditioning in the CPP, increased AC or enhanced locomotor activity in the OF. Of notice, these effects were observed in short‐ and long‐term administration treatments and, at least for the long‐term treatment, the therapeutic effect was sustained in time. In summary, we show that prenatal DEX exposure programs the mesolimbic dopaminergic system at a morphological, neurochemical and molecular level and alters the threshold for the rewarding effects of drugs of abuse. Interestingly, the addictive‐like phenotype seems to be dependent on dopamine levels and can be modulated by dopamine replacement, thus opening new perspectives in the treatment/prevention of addictive behaviors.

Na clínica obstétrica, os glucocorticóides (GCs) são usados em cerca de 10% das gravidezes de risco de forma a promoverem a maturação pulmonar fetal. Existem períodos críticos de susceptibilidade do feto a perturbações do seu ambiente químico e, por isso, não é surpreendente que o stress ou tratamento com GCs durante a gravidez cause alterações na fisiologia e comportamento da descendência aquando adultos. Sabe‐se que experiências prenatais adversas tais como níveis de GCs elevados, estão associadas com uma maior propensão para a ansiedade, hiper‐emocionalidade e défices cognitivos, bem como com o desenvolvimento de comportamentos aditivos. Apesar de se supor que estas alterações comportamentais advém de uma “reprogramação” de determinadas áreas do cérebro por experiências nocivas, pouco se sabe acerca dos efeitos deletérios do tratamento com GCs no último trimestre da gravidez. Neste trabalho, demonstrámos que a exposição ao GC sintético dexametasona (DEX) no dia 18 e 19 de gestação, conduz ao aparecimento de comportamentos do tipo aditivo na prole adulta. Os animais DEX têm preferência aumentada para o compartimento associado à morfina no conditioned place preference test (CPP, paradigma não contingente) e aumento do consumo voluntário de álcool (AC, paradigma contingente). Estes mesmos animais também apresentam maior actividade locomotora no teste de open field (OF) após administração de morfina, sugerindo uma resposta exacerbada aos efeitos desta droga. Considerando a importância do sistema dopaminérgico mesolimbico para o desenvolvimento de comportamentos aditivos, nós efectuámos uma caracterização extensiva a nível estrutural, neuroquímico e molecular do nucleus accumbens (NAcc) e da área tegmental ventral (VTA). Aos 3 dias de vida pos‐natal, os animais DEX apresentam uma redução significativa da proliferação celular no NAcc e VTA. Estas alterações têm efeitos a longo prazo, uma vez que em adultos, estes animais têm uma hipotrofia volumétrica destas regiões. Devido à plasticidade conhecida do sistema nervoso central, efectuámos uma análise morfométrica das dendrites e sinapses nos animais adultos. Os animais DEX apresentam alterações no número e densidade de espinhas na subdivisão shell do NAcc, enquanto que o core não apresenta sinais de ter sofrido plasticidade sináptica. O número e densidade de espinhas, bem como o número de ramos dendríticos também se encontra alterado na VTA. A nossa análise neuroquímica mostra que o input dopaminérgico se encontra desregulado nos animais DEX, uma vez que eles apresentam uma diminuição de dopamina e uma redução de fibras dopaminérgicas no NAcc e uma elevação da dopamina na VTA. Em paralelo, encontrámos uma sobreexpressão do receptor de dopamina Drd2 no NAcc destes animais, sugerindo um potencial mecanismo de compensação devido à baixa quantidade de dopamina. De notar que, após um estímulo que induz a libertação de dopamina (exposição à morfina), os níveis de Drd2 estavam significativamente diminuídos nos animais DEX. Este fenómeno parece estar associado a um aumento do padrão de metilação na região promotora do Drd2 no NAcc. Numa tentativa de reverter o estado hipodopaminérgico dos animais DEX no NAcc, administramos L‐dopa/carbidopa por gavage oral. Ao repor os níveis de dopamina no NAcc, o fenótipo comportamental foi completamente revertido, i.e., os animais DEX deixam de apresentar condicionamento preferencial no CPP, aumento do consumo de álcool ou aumento da actividade locomotora no OF após administração de morfina. É importante referir que estes efeitos foram observados com regimes de tratamento de curta e longa duração, e que, pelo menos no caso do tratamento de longa duração com L‐dopa, os efeitos terapêuticos são mantidos durante 3 semanas. Em suma, nós demonstrámos que a exposição prenatal de DEX “reprograma” o sistema dopaminérgico mesolimbico a nível morfológico, neuroquímico e molecular; alterando também o limiar dos efeitos recompensadores das drogas de abuso. Importante mencionar que o comportamento aditivo parece ser dependente dos níveis de dopamina, e que pode ser modulado pela reposição de dopamina no NAcc, o que abre novas perspectivas para o tratamento/prevenção de comportamentos deste tipo.