Molecular regulation of the hippocampal neurogenic niche in depression and by antidepressants: Insights from an unpredictable Chronic Mild Stress rat model

Abstract

Depression is a complex multidimensional disorder affecting around 20% of the world population. Nevertheless, its pathophysiology is still incompletely understood. Currently available antidepressant treatments are ineffective in a significant proportion of the depressed patients and relapse rates are high, emphasizing the need for better therapeutic strategies. Depression is thought to result from the interplay between genetic predisposition and environmental factors, such as stress, a major precipitating factor for depression. Depressed individuals and chronic stress animal models of depression present impairments in several systems, including neurotransmitters, neuroimmune, endocrine systems and neurotrophic factors. Adult brain retains the capacity to adapt and re-organize neural networks in response to stimuli. This ability to change occurs in several brain regions and is called neural plasticity. Neural plasticity phenomena include synapto-dendritic changes and the generation of new cells. Neural plasticity impairments in specific brain regions are involved in the pathophysiology of depression. One of these regions is the hippocampus, which is involved in several forms of memory and in stress response. Moreover, the hippocampus comprises one of the few brain regions in the adult brain where neurogenesis occurs, the dentate gyrus (DG). Previous works showed that decreased cell genesis and dendritic morphology alterations are detected in the hippocampus of depressed individuals and animal models of depression, whereas antidepressant treatment prevents these changes. Here, we used a validated rat model of depression, the unpredictable chronic mild stress (uCMS), to explore the molecular underpinnings of neural plasticity in the hippocampal DG (hDG), in the context of depression and antidepressant treatment. For that, in a first study we performed a transcriptome analysis, in the hDG of untreated depressive-like animals and after chronic treatment with either fluoxetine, imipramine, tianeptine or agomelatine. Behavioral characterization and neuromorphological analysis in the DG revealed that all antidepressants, except agomelatine, were able to reverse the depressive-like profile and the dendritic plasticity impairments induced by uCMS. UCMS-exposure produced molecular changes that were partly reversed by antidepressants. Interestingly, agomelatine reversed less uCMS-induced changes compared to other treatments. In general, fluoxetine impacted more on neurons to reduce the expression of pro-inflammatory response genes, promoting the expression of cell metabolism-related molecules. Imipramine and tianeptine presented similar molecular profiles, promoting pathways related to cellular protection. Agomelatine produced changes in several pathways, namely on Rho-GTPase-related pathways, impacting on neurons and oligodendrocytes. In summary, antidepressants belonging to different pharmacological classes generated distinct molecular profiles that may be useful in different clinical contexts. In a second study, we aimed to assess the cell cycle mechanisms regulating hippocampal cell proliferation in the context of depression and antidepressant treatment. For that we used both in vivo - uCMS rat model -and in vitro - rat hippocampal-derived neurospheres - approaches. UCMS-exposed animals presented decreased proliferation and generation of newborn neurons that were reversed by fluoxetine. In our in vivo model, results suggest that uCMS-exposure produces a cell cycle arrest in the hDG progenitor cells that is accompanied by decreased levels of cyclins D1, E and A expression. Chronic fluoxetine treatment reversed the G1 phase arrest and increased cyclin E expression. Dexamethasone (DEX), used to mimic the elevation of glucocorticoids after chronic stress, decreased proliferation in vitro, whereas the administration of serotonin (5-HT), a neurotransmitter involved in the actions of fluoxetine, partly reversed this decrease. DEX also induced a G1-phase arrest, decreasing the expression of cyclins D1, cyclin D2 and Cdk6, while increasing p27 expression. 5-HT treatment partly reversed the G1-phase arrest and restored the expression of cyclin D1 and Cdk6. These results suggest that the anti-proliferative actions of chronic stress in the adult hDG result from a glucocorticoid-mediated G1-phase arrest in the progenitor cells that may be overcome by antidepressant treatment. Together, these findings contribute to the identification of novel molecular players and targets underlying neural plasticity phenomena in the hDG in the context of depression, unravelling unique properties of different classes of antidepressant. This knowledge may help paving the way for the implementation of more personalized treatments and open new avenues for the development of novel antidepressant strategies. Future studies will further disclose the molecular changes in this and other brain regions implicated in depression and hopefully provide clues for forthcoming translational approaches in depressive patients.

A depressão é uma doença complexa que afeta cerca de 20% da população mundial. No entanto, a patofisiologia da doença é ainda pouco compreendida. Uma parte significativa dos doentes não responde aos antidepressivos existentes e os índices de recidiva são elevados, sublinhando a necessidade de melhores estratégias terapêuticas. Pensa-se que a depressão resulte da interação entre predisposição genética e fatores ambientais, como por exemplo o stress, um dos principais fatores precipitantes da depressão. Indivíduos com depressão e modelos animais de stress crónico apresentam alterações em vários sistemas, incluindo sistemas de neurotransmissores, neuroimunológicos e endócrinos e fatores neurotróficos. O cérebro adulto mantém a capacidade de se adaptar e reorganizar as redes neurais em resposta a estímulos. Estas respostas, que incluem alterações sinapto-dendríticas e geração de novas células, ocorrem em várias regiões do cérebro e designam-se globalmente por plasticidade neural. Modificações na plasticidade neural em regiões específicas estão envolvidas na patofisiologia da depressão. Uma destas regiões é o hipocampo, região responsável por várias formas de memória e envolvida na resposta ao stress. É também no hipocampo que se encontra a circunvolução dentada (DG), uma das regiões neurogénicas do cérebro adulto. Em doentes com depressão e em modelos animais verifica-se uma diminuição da geração de novas células e alterações na morfologia dendrítica no hipocampo; estas alterações são prevenidas pela administração de antidepressivos. Neste trabalho, usou-se um modelo animal de depressão, o modelo de exposição a stress crónico moderado e imprevisível (uCMS), para identificar as bases moleculares da plasticidade neural no DG hipocampal (hDG), no contexto da depressão e do tratamento com antidepressivos. Num primeiro estudo, procedeu-se à análise do transcritoma no hDG de ratos com fenótipo do tipo depressivo e após tratamento com fluoxetina, imipramina, tianeptina ou agomelatina. A caracterização comportamental e a análise neuromorfológica no hDG revelaram que todos os antidepressivos, exceto a agomelatina, revertem o perfil do tipo depressivo e os défices de plasticidade dendrítica produzidos pelo uCMS. A exposição ao uCMS promoveu alterações moleculares que foram parcialmente revertidas pelo tratamento com antidepressivos. Curiosamente, a agomelatina reverteu um menor número de alterações quando comparada com os outros antidepressivos. Em geral, a fluoxetina teve um impacto significativo em neurónios, reduzindo a expressão de genes de resposta inflamatória e promovendo a expressão de moléculas relacionadas com metabolismo celular. A imipramina e a tianeptina apresentaram um perfil molecular semelhante, promovendo vias de sinalização relacionadas com a proteção celular. A agomelatina produziu alterações em diversas vias, nomeadamente em vias relacionadas com as Rho-GTPases, em neurónios e oligodendrócitos. Em suma, antidepressivos de diferentes classes farmacológicas induzem perfis moleculares distintos que podem ser úteis em diferentes contextos clínicos. Num segundo estudo, avaliaram-se os mecanismos de ciclo celular que regulam a proliferação hipocampal no contexto da depressão e do tratamento com antidepressivos. Usaram-se duas abordagens complementares: in vivo – o modelo animal uCMS – e in vitro – neuroesferas derivadas do hipocampo de rato. Os animais uCMS apresentaram uma diminuição da proliferação e da geração de novos neurónios que foram revertidas pela fluoxetina. A exposição ao uCMS produziu uma ligeira repressão da progressão do ciclo celular na fase G1, nas células progenitoras do hDG, que foi acompanhada por uma diminuição dos níveis de expressão das ciclinas D1, E e A. O tratamento crónico com fluoxetina reverteu esta repressão promovendo a expressão da ciclina E. In vitro, o tratamento com dexametasona (DEX), para mimetizar a elevação dos glucocorticóides (GCs) induzida pela exposição prolongada a stress, promoveu uma diminuição da proliferação. Por sua vez, a administração de serotonina (5-HT), neurotransmissor envolvido na ação da fluoxetina, reverteu parcialmente estas alterações. A DEX também induziu repressão do ciclo celular na fase G1, diminuindo a expressão das ciclinas D1, D2 e da Cdk6, e aumentando a expressão do p27. O tratamento com 5-HT reverteu parcialmente esta repressão e repôs a expressão da ciclina D1 e da Cdk6. Estes resultados sugerem que as ações anti-proliferativas do stress crónico no hDG adulto resultam de uma repressão na fase G1 em células progenitoras, mediada por GCs, que pode ser revertida pelo tratamento com antidepressivos. Em conjunto, estes resultados contribuem para a identificação de novos intervenientes na regulação dos fenómenos de plasticidade neural no hDG, na depressão, revelando ainda propriedades particulares de cada antidepressivo. Este conhecimento poderá auxiliar na implementação de tratamentos mais personalizados e encetar oportunidades para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas. Estudos futuros permitirão desvendar as alterações moleculares nesta e outras regiões do cérebro envolvidas na depressão, esperando-se que estas possam fornecer pistas importantes que promovam o estudo da depressão em pacientes.