Role of adenosine receptors in suicide

Abstract

Major depressive disorder (MDD), the most prevalent mental illness, is a chronic and recurrent condition (Lucas et al., 2011). MDD seems to be associated with abnormalities in regions that mediate emotional and stress responses (Manji et al., 2001). A strong link between suicide and depression has been showed, with more than 86% of suicide victims having a depressive disorder, and committing suicide most often after a major depressive episode (Coryell & Young, 2005; Rihmer, 2007). So, it is possible to study the brain tissue from suicide completers, in order to understand the neurobiological basis of depression. Suicide has been identified as a serious public health problem. Risk factors, such as biological, psychiatric and cultural, interact in a complex manner to this pathology (Bertolote & Fleischmann, 2005). Adenosine is an endogenous nucleoside that influences many functions in the central nervous system (CNS) (Fredholm et al., 2005), acting as a homeostatic modulator and also as a neuromodulator at the synaptic level, where it modulates the release of neurotransmitters, the post-synaptic responsiveness and the action of other receptor systems (Cunha, 2001). Adenosine acts via activation of four G-protein coupled receptors (GPCRs) (Fredholm, 1997), in the brain, it acts especially through activation of two adenosine receptors (ARs), inhibitory A1 (A1R) and facilitatory A2A (A2AR) receptors (Cunha, 2005; Wei et al., 2011). The interest in the role of adenosine in mood disorders arised from previous studies that have recognized a relationship between caffeine intake, mood changes and specific psychiatric symptoms (Kawachi et al., 1996; Lara, 2010; Lucas et al., 2011; Lucas et al., 2013), since caffeine has biological effects as competitive antagonist of A1R and A2AR (Chen et al., 2013; Cunha et al., 2008; El Yacoubi et al., 2003; Fredholm et al., 2005; Fredholm, 2007). There is also evidence that different therapeutic strategies used to control mood disorders are related to the adenosine modulation system (Chen et al., 2013; Cunha et al., 2008; El Yacoubi et al., 2001; Gomes et al., 2011). In animal models of manipulation of ARs, there are modified behavioral responses considered relevant for mood in humans (Gomes et al., 2011). The main goal of this study was to understand the differences in the localization, density and function of both A1R and A2AR between control subjects and suicide completers, in brain areas affected by depression. Also, we aimed to comprehend if these alterations are related with synaptic changes. For this purpose, a postmortem study was performed in male subjects who died by suicide, aged-matched with nonsuicide controls who died by natural causes or accidents. Human brain samples were obtained at autopsies performed in Instituto Nacional de Medicina Legal e Ciências Forenses, I. P. (INMLCF), Coimbra, Portugal. Several brain areas were studied: Brodmann area 25 (BA25); medial caudate nucleus (MC); posterior caudate nucleus (PC) and hippocampus. To comprehend the normal localization of A1R and A2AR we compared the relative abundance of A1R and A2AR in total extracts (TE) and in nerve terminals (NT), isolated using an adapted discontinuous Percoll gradient protocol (Dunkley et al., 1986, 2008), from human brain areas of the same sample. In all brain areas studied, both receptors were found enriched in NT. We then refined the information on ARs subsynaptic localization, using a fractionation method (Phillips et al., 2001; Rebola et al., 2005), and it was observed that A2AR are mainly located outside the active zone and A1R are present in all synaptic fractions. Synaptic changes present in the brain of suicide completers were then studied and it was observed a down-regulation of synaptosomal-associated protein 25 (SNAP25) on BA25 and MC together with a decrease in postsynaptic density protein 95 (PSD95) levels on PC and hippocampus. Astrocytic marker glial fibrillary acidic protein (GFAP) down-regulation was observed in BA25 and hippocampus. Several alterations in the density of ARs, in the different brain regions, were observed in suicide completers when compared with age-matched controls. We described: an up-regulation of A2AR in TE, on BA25 and PC; an up-regulation of A1R in TE, on MC; a down-regulation of A1R in NT, on PC. Due to their particular distribution in the brain and their functional properties, ARs constitute an attractive opportunity for developing innovative compounds for the treatment of specific neurodegenerative and psychiatric disorders, such as MDD. Our work has provided information about changes present in the brains of suicide completers and might contribute to better understand the modulatory role of ARs in depression. There are still numerous questions that demand careful attention to further explore this system and develop novel strategies to control mood disorders, particularly MDD.

A perturbação depressiva major (MDD), a mais predominante das doenças mentais, é uma condição crónica e recorrente (Lucas et al., 2011). A MDD parece estar associada com alterações nas regiões que medeiam as respostas emocionais e de stress (Manji et al., 2001). Uma forte ligação entre o suicídio e a depressão foi demonstrada, uma vez que mais de 86% das vítimas de suicídio apresentavam uma perturbação depressiva, na maioria dos casos, ocorrendo o suicídio depois de um episódio depressivo major (Coryell et al., 2005; Rihmer, 2007). Assim, o tecido cerebral de vítimas de suicídio pode ser utilizado para estudar a neurobiologia da depressão. O suicídio foi identificado como um problema sério de saúde pública. Vários fatores de risco biológicos, psiquiátricos e culturais interagem de uma maneira complexa para esta patologia (Bertolote & Fleischmann, 2005). A adenosina é um nucleósido endógeno que influencia muitas funções do sistema nervoso central (CNS), agindo como modulador homeostático e também como neuromodulador ao nível sináptico, onde modula a libertação de neurotransmissores, a capacidade de resposta pós-sináptica e a ação de outros sistemas receptores (CNS) (Cunha, 2001; Fredholm et al., 2005). A adenosina actua em quatro receptores acoplados à proteína G (GPCRs) (Fredholm, 2007), no cérebro age especialmente através da activação de dois receptores de adenosina (ARs), inibitório A1 (A1R) e facilitatório A2A (A2AR) receptores (Cunha, 2005; Wei et al., 2011). O interesse do papel da adenosina nos distúrbios de humor surgiu de numerosos estudos que reconheceram uma relação entre o consumo de cafeína, alterações de humor e sintomas psiquiátricos específicos (Kawachi et al., 1996; Lara, 2010; Lucas et al., 2011; Lucas et al., 2013), uma vez que a cafeína tem efeitos biológicos como antagonista competitivo dos A1R e A2AR (Chen et al., 2013; Cunha et al., 2008; El Yacoubi et al., 2003; Fredholm et al., 2005; Fredholm, 2007). Também há evidências de que as estratégias terapêuticas utilizadas para controlar distúrbios de humor estão relacionados com o sistema modulatório de adenosina (Chen et al., 2013; Cunha et al., 2008; El Yacoubi et al., 2001; Gomes et al., 2011). Em modelos animais de manipulação de ARs há respostas comportamentais consideradas relevantes para o humor nos humanos (Gomes et al., 2011). O principal objectivo deste estudo era perceber as diferenças na localização, densidade e função dos A1R e A2AR, entre vítimas de suicídio e controlos, em áreas afectadas pela depressão. Além disso, tentámos compreender se essas alterações estão relacionadas com modificações sinápticas. Para este propósito foi realizado um estudo postmortem em sujeitos do sexo masculino suicidas, pareados com controlos da mesma idade que morreram de causas naturais ou acidentes. As amostras de cérebro humano foram obtidas em autópsias realizadas no Instituto Nacional de Medicina Legal e Ciências Forenses, I. P. (INMLCF), Coimbra, Portugal. Foram estudadas diversas áreas cerebrais: área de Brodmann 25 (BA25); núcleo caudado médio (MC); núcleo caudado posterior (PC) e hipocampo. Para compreender a localização normal dos A1R e do A2AR comparámos a abundância relativa dos ARs em extratos totais (TE) e em terminais nervosos (NT), isolados usando um protocolo adaptado de gradiente de Percoll discontínuo (Dunkley et al., 1986, 2008), das áreas cerebrais da mesma amostra. Em todas as áreas estudadas os dois receptores encontram-se enriquecidos nos NT. De seguida, refinámos a informação acerca da localização subsináptica dos ARs, usando um método de fracciomento (Phillips et al., 2001; Rebola et al., 2005) e foi observado que os A2AR estão maioritariamente localizados fora da zona activa da sinapse e os A1R estão presentes em todas as fracções sinápticas. Foram então estudadas alterações sinápticas presentes no cérebro de suicidas e foi observada uma diminuição de densidade da synaptosomal-associated protein 25 (SNAP-25) na BA25 e no MC juntamente com um decréscimo nos níveis de postsynaptic density protein 95 (PSD-95) no PC e no hipocampo. Foi observado uma diminuição da densidade do marcador astrocítico glial fibrillary acidic protein (GFAP) na BA25 e no hipocampo. Várias alterações na densidade dos ARs, nas diferentes regiões do cérebro, foram observadas nas amostras de suicidas quando comparadas com os controlos. Nós descrevemos: aumento da densidade de A2AR em TE, na BA25 e no PC; aumento de densidade de A1R em TE, no MC; diminuição de densidade de A1R em NT, no PC. Devido à sua particular distribuição no cérebro e as suas propriedades funcionais, os ARs constituem uma oportunidade atrativa para desenvolver compostos inovadores para o tratamento de distúrbios psiquiátricos e neurodegenerativos, como a MDD. O nosso trabalho forneceu informação sobre as mudanças presentes no cérebro de suicidas e pode contribuir para uma melhor compreensão do papel modulador dos ARs na depressão. Há ainda numerosas questões, que requerem atenção cuidadosa, para continuar a explorar este sistema e desenvolver novas estratégias para controlar os distúrbios de humor, particularmente, a MDD.