Experimentelle Regulationsmöglichkeiten der 17β-Estradiolsynthese und deren Wirkung auf synaptische Plastizität

Abstract

Durch eine Vielzahl von Untersuchungen hat sich in den letzten Jahrzehnten das Wissen etabliert, dass Estrogene eine wichtige Rolle für die Funktion und Struktur des Gehirns spielen. Die Steroidbiosynthese der Estrogene wird durch das Enzym Aromatase katalysiert, welche im endoplasmatischen Retikulum lokalisiert ist. Seit den 1970er Jahren ist durch Arbeiten von Naftolin bekannt, dass Estrogene neben den Ovarien und anderen Körpergeweben auch im Gehirn und hier im Speziellen im cerebralen Cortex, dem limbischen System mit dem Hippocampus, dem Hypothalamus und der Amygdala synthetisiert werden. Seit bekannt ist, dass Estradiol lokal im Hippocampus de novo synthetisiert wird, sind in in vivo und in vitro Systemen vermehrt Hinweise entdeckt worden, die dieses hippocampale Estradiol mit synaptischer Plastizität und Neuroprotektion in Verbindung bringen und so die hippocampalen Funktionen sowie strukturelle synaptische Plastizität unterstützen. Estradiol unterstützt die Bildung von dendritischen Spines und verstärkt Langzeitpotenzierung (LTP) von hippocampalen Neuronen, dem elektrophysiologischen Korrelat von Gedächtnis. Auch der positive Einfluss von Estradiol in Hippocampus-abhängigen Lernparadigmen ist beschrieben. Im Zusammenhang mit der Estradiol-vermittelten synaptischen Plastizität wurde eine Hochregulation von synaptischen Proteinen in der Hippocampusregion CA1 gefunden. Umgekehrt führt eine Reduzierung des Estradiols durch Inhibition der Aromataseaktivität zur einer Reduzierung der synaptischen Proteine, die einhergeht mit einem Synapsenverlust und einer verringerten LTP. Aromataseinhibitoren werden bei der Behandlung von Estrogenrezeptor-positiven Mammakarzinomen eingesetzt, um die intra- und extratumorale Estradiolsynthese, die das Tumorwachstum fördert, zu unterdrücken. Da die hierbei verwendeten Aromataseinhibitoren die Blut-Hirn-Schranke passieren können, reduzieren sie auch die lokale Estrogensynthese im Gehirn. Möglicherweise sind Berichte von Patientinnen, die verschlechterte Gedächtnisleistungen in Folge ihrer Therapie schildern, durch diese reduzierte Estradiolsynthese im Gehirn begründet. Da die in der Brustkrebstherapie eingesetzten Aromataseinhibitoren auch bei der Aufklärung estrogenvermittelter Prozesse im Gehirn zum Einsatz kommen, ist ein direkter Vergleich ihrer Wirkung auf Neurone wichtig. Dieser Vergleich lässt möglicherweise auch Rückschlüsse für die Verwendung der Aromataseinhibitoren in der Brustkrebstherapie zu. In der vorliegenden Arbeit wurden die Aromataseinhibitoren Letrozol, Anastrozol und Fadrozol hinsichtlich ihres Einflusses auf die 17 ß-Estradiolsynthese, die Synapsenanzahl sowie auf die prä- und postsynaptischen Proteine Synaptophysin und Synaptopodin in hippocampalen Dispersions- und Schnittkulturen untersucht und verglichen. Neben den Aromataseinhibitoren wurde ebenfalls untersucht wie sich ein Knockdown der Aromatase-mRNA auf diese Parameter auswirkt und möglicherweise von ihnen unterscheidet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich die verschiedenen Aromataseinhibitoren in der Stärke ihres Einflusses auf die synaptischen Proteine, die Synapsenanzahl und die reduzierende Wirkung der 17ß-Estradiolsynthese voneinander unterscheiden, jedoch in der Tendenz die gleichen Effekte hervorrufen. Alle Aromataseinhibitoren führen zu einer reduzierten 17ß-Estradiolsynthese und einer Reduktion der Spinesynapsen-Anzahl. Der Grad der Spinesynapsenreduktion ist dabei unabhängig vom 17β Estradiol-reduzierendem Effekt der Aromataeinhibitoren. Einhergehend damit führen die Aromataseinhibitoren zu einer Zunahme der prä- und postsynaptischen Proteine Synaptophysin und Synaptopodin. Die Reduktion der Aromatase-mRNA mittels ihres Knockdowns führt hingegen zu einer verringerten Menge der betrachteten synaptischen Proteine. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass sowohl der Differenzierungsgrad der Neurone als auch die Dauer der 17β Estradiol-Deprivation einen Einfluss auf die Expression der synaptischen Proteine hat. Unterschiedlich starke Einflüsse der Aromataseinhibitoren sind möglicherweise durch unbekannte Nebenreaktionen dieser begründet und erklären darüber hinaus auch die unterschiedlichen Ergebnisse im Vergleich zu der spezifischeren Reduktion der 17β-Estradiolsynthese durch einen Knockdown der Aromatase-mRNA. Für eine möglichst starke Reduktion der 17β-Estradiolsynthese in Neuronen empfiehlt sich nach den Ergebnissen dieser Arbeit Anastrozol dicht gefolgt von Letrozol. Da Anastrozol gleichzeitig zur geringsten Reduktion der Spinesynapsen-Anzahl führt, ist sein Einsatz in der Brustkrebstherapie möglicherweise dem von Letrozol vorzuziehen. Um möglichst spezifisch Einfluss auf die Estradiolsynthese zu nehmen empfiehlt sich der Knockdown der Aromatase mittels siRNA.

During the last decades, a variety of studies have been published supporting the hypothesis that estrogens play an important role in brain function and structure. The steroidogenesis of estrogens is catalyzed by the enzyme aromatase, which is localized in the endoplasmic reticulum. Since the 1970s, the work of Naftolin has shown that other tissues, apart from the ovaries, are capable of synthesizing estrogens. These body tissues include the brain, in particular the cerebral cortex, and the limbic system, which includes the hippocampus and the amygdala. Since the discovery of the local de novo synthesis of estrogen in the hippocampus, more and more evidence from in vivo and in vitro experiments links this local estrogen to synaptic plasticity and neuroprotection, thus suggesting that estradiol supports the function of and structural plasticity in the hippocampus. Estradiol supports the generation of dendritic spines and also enhances long-term potentiation (LTP) of hippocampal neurons, which is an electrophysiological correlate of memory. Moreover, the positive impact of estradiol in hippocampus-dependent learning paradigms has been described. In the context of estradiol-mediated synaptic plasticity, an upregulation of synaptic proteins has been described in the CA1 region of the hippocampus. Vice versa, a reduction of estradiol by aromatase inhibition results in decreased expression of synaptic proteins that is accompanied by a reduction of spine synapses and decreased LTP. Aromatase inhibitors are used in the treatment of estrogen receptor-positive mammary carcinoma to reduce intra- and extratumoral estrogen synthesis, which promotes tumor growth. As these aromatase inhibitors are able to pass the blood-brain barrier, they also decrease local estrogen synthesis in the brain. It is possible that this local estrogen reduction is the cause of cognitive deficits reported by breast cancer patients. Since aromatase inhibitors are also used to explore the estrogen-related processes in the brain, a direct comparison of their effects on neurons is important. This comparison may also lead to conclusions on the use of aromatase inhibitors in breast cancer therapy. In the present study, the aromatase inhibitors letrozole, anastrozole and fadrozole are compared and examined in terms of their influence on 17β-estradiol synthesis, on spine synapse number, as well as on the pre- and post-synaptic proteins synaptophysin and synaptopodin in hippocampal dispersed and slice cultures. In addition, the influence of a knockdown of the aromatase mRNA was studied and compared to the effects of aromatase inhibitors. The results of this study show that the various aromatase inhibitors differ in the degree to which they reduce the levels of 17β-estradiol, and spine synapse numbers. At the same time, aromatase inhibitors lead to an increase in the levels of pre- and post-synaptic proteins synaptophysin and synaptopodin. The reduction of aromatase-mRNA by their knockdown, however, leads to reduced levels of synaptic proteins. The results of this study suggest that both the duration of 17β-estradiol deprivation, as well as the degree of differentiation of the neurons treated with aromatase inhibitors, has an effect on the expression of synaptic proteins. The unknown side effects of aromatase inhibitors may account for the different degrees of reduction in 17β-estradiol and spine synapses. Moreover, they may explain the variation in the results compared to the more specific knockdown of aromatase-mRNA by siRNAs. The results of this study indicate that the use of anastrozole results in the strongest reduction of 17β-estradiol synthesis. As anastrozole gives rise to the smallest reduction in spine synapse number, its use in breast cancer therapy may be preferable to that of letrozole. In order to influence the synthesis of estradiol as specifically as possible, the knockdown of aromatase by siRNA is recommended.