Modulatory Ośrodkowego Układu Nerwowego

Tom 69 2020 Numer 3 (328) Strony 431–440

Monika Leśkiewicz

Zakład Neuroendokrynologii Doświadczalnej Instytut Farmakologii im. Jerzego Maja PAN Smętna 12, 31-343 Kraków E-mail: [email protected]

NEUROSTEROIDY – MODULATORY OŚRODKOWEGO UKŁADU NERWOWEGO

NEUROAKTYWNE STEROIDY – sję genów jest procesem skomplikowanym, GENOMOWY I NIEGENOMOWY wieloetapowym i długotrwałym, co oznacza, MECHANIZM DZIAŁANIA że pierwsze zmiany ekspresji genów, będą- ce następstwem działania hormonów stero- Przypadkowe odkrycie kilkadziesiąt lat idowych, zaobserwować można co najmniej temu właściwości nasennych i przeciwdr- po kilku godzinach od ekspozycji. Cząstecz- gawkowych progesteronu zapoczątkowało ka steroidowa po wniknięciu do cytoplazmy badania nad wpływem hormonów steroido- przyłącza się do kompleksu receptorowego. wych na aktywność neuronów (Selye 1942, Receptor w formie nieaktywnej jest połączo- Atkinson i współaut. 1965). Steroidy: hor- ny z białkami opiekuńczymi Hsp70, Hsp90 mony płciowe, glikokortykosteroidy, minera- i p23 oraz immunofilinami z rodziny białek lokortykosteroidy, łatwo przenikają do ośrod- FK506. Po związaniu steroidowego liganda kowego układu nerwowego (OUN) modulu- następuje oddysocjowanie białek opiekuń- jąc jego pobudliwość. Regulują one funkcje czych, fosforylacja (aktywacja) receptora, OUN głównie na drodze złożonego procesu który, jako homodimer, przemieszcza się do związanego z regulacją transkrypcji genów, jądra. Tam ulega kolejnej dimeryzacji i ra- przy udziale receptorów cytoplazmatycznych/ zem z koregulatorami przyłącza się do od- jądrowych (ang. genomic action). Niektóre powiedniego fragmentu DNA, tzw. elementu hormony steroidowe, np. 17β-estradiol, wią- HRE (ang. hormone-response element). Ko- żą się z receptorami błonowymi związanymi regulatory albo promują transkrypcję (koak- z białkami G (ang. G Protein-coupled estro- tywatory, np. SRC-1; ang. steroid receptor gen receptor, GPER), aktywując wewnątrz- co-activator) albo ją hamują (korepresory, komórkowe szlaki sygnałowe (ang. non-ge- np. NCoR; ang. nuclear receptor corepres- nomic action). Steroidy syntetyzowane w sor). Poprzez mechanizm genomowy hormo- mózgu, czyli neurosteroidy, mogą również ny steroidowe wpływają m.in. na działanie aktywować jonotropowe receptory błonowe klasycznych neuroprzekaźników regulując (Ryc. 1) (Singh i współaut. 2013, Gasser ich syntezę, metabolizm i gęstość ich recep- i Lowry 2018). W klasycznej „genomowej” torów. Przykładowo, kortykosteron (glikokor- ścieżce, cząsteczki steroidów przyłączają się tykosteroid występujący u gryzoni) nasila do cytoplazmatycznych receptorów steroido- aktywność enzymów syntetyzujących neu- wych należących do podrodziny receptorów roprzekaźniki (noradrenalinę czy serotoninę) jądrowych, czyli zależnych od liganda czyn- w ośrodkowym układzie nerwowym, z ko- ników transkrypcyjnych, które po aktywacji lei przedstawiciel estrogenów 17β-estradiol wiążą się do odpowiednich sekwencji DNA wpływa na liczbę receptorów dla hormonu i bezpośrednio regulują transkrypcję genów oksytocyny, receptorów GABAA czy recepto- lub oddziałują z innymi czynnikami trans- rów serotoninowych (Biegon i McEwen 1982, krypcyjnymi, wpływając na ekspresję genów Schumacher i współaut. 1989). Inny sposób docelowych. Wpływ steroidów na ekspre-

Słowa kluczowe: depresja, drgawki, neurosteroidy, receptor GABAA, receptor NMDA 432 Monika Leśkiewicz

Ryc. 1 Schemat działania steroidów – różne mechanizmy receptorowe. ER – siateczka śródplazmatyczna; BO – białka opiekuńcze; P – grupy fosforylowe; HRE – sekwencja DNA przyłą- czająca kompleks receptorowy; GPER – receptor błonowy dla estradiolu; cAMP – cykliczny adenozyno-3’,5’-mono- fosforan; PI3K – kinaza fosfatydyloinozytolu; MAPK – kinazy aktywowane mitogenami; IP3 – receptor tórjfosforanu inozytolu. działania estradiolu (ang. rapid signaling) to nymi niż steroidowe. Nazwa „neurosteroidy” aktywacja błonowego receptora GPER. Re- pojawiła się po raz pierwszy w pracy Bau- ceptor ten występuje w błonie komórkowej i lieu i Robel (1990) i oznaczała steroidy w wewnątrzkomórkowych błonach siateczki syntetyzowane w mózgu, natomiast Paul i śródplazmatycznej (ang. endoplasmic reticu- Purdy (1992) posługiwali się nazwą „neuro- lum, ER) i aparatu Golgiego. Jego pobudze- aktywne steroidy”, która oznaczała steroidy nie może modulować wewnątrzkomórkowe syntetyzowane w gruczołach obwodowych, stężenie Ca2+, produkcję cAMP oraz wpły- ale działające na ośrodkowy układ nerwowy. wać na aktywność enzymów: kinazy PI3K Obecnie obie nazwy są używane głównie dla (ang. phosphatidylinositol 3-kinase) czy ki- steroidów syntetyzowanych w mózgu i dzia- naz aktywowanych mitogenem MAPKs (ang. łających za pośrednictwem jonotropowych mitogen-activated protein kinases) (Roque i receptorów błonowych, głównie hamujących współaut. 2019). W ten sposób hormon ten receptorów GABAA i pobudzających NMDA reguluje uwalnianie neurotrofin i wiele - pro (Reddy 2003, Akk i współaut. 2009). Ze cesów komórkowych takich jak: wzrost ko- względu na modulacyjny charakter oddziały- mórek, ich przeżycie, migrację czy tworzenie wania neurosteroidów z receptorami jonotro- nowych naczyń krwionośnych. powymi i bezpośredni wpływ na pobudliwość Innym szybkim rodzajem oddziaływania neuronów, stanowią one ciekawą grupę steroid-receptor charakteryzują się neuroste- związków, które mogłyby znaleźć zastosowa- roidy syntetyzowane w OUN i wywierające nie w terapii niektórych zaburzeń OUN. natychmiastowy efekt na aktywność neu- ronów, a różniące się od klasycznych hor- NEUROSTEROIDY – SYNTEZA I monów steroidowych mechanizmem działa- PODZIAŁ nia. Neurosteroidy są i prekursorami i me- tabolitami hormonów steroidowych, jednak „Fabryka” neurosteroidów znajduje się określone cechy w budowie ich cząsteczki w komórkach glejowych: astrocytach i oli- umożliwiają im interakcję z receptorami in- godendrocytach i neuronach (Jung-Testas Neurosteroidy – modulatory ośrodkowego układu nerwowego 433

Ryc. 2 Główne szlaki syntezy neurosteroidów. OH – hydroksylaza; HSD – dehydrogenaza hydroksysteroidowa; HSOR – oksydoreduktaza hydroksysteroidowa; R – reduktaza. i współaut. 1989). Dzięki obecności enzy- które działają jak „prom” pomiędzy błona- mów w komórkach mózgu, neurosteroidy mi, a są to: białko StAR (ang. steroidoge- mogą w nich powstawać niezależnie od do- nic acute regulatory protein), białko TSPO staw z obwodu. Substratem do ich syntezy (ang. translocator protein), kanał anionowy jest cholesterol lub prekursory hormonów zależny od napięcia VDAC (ang. voltage-de- steroidowych pochodzące ze źródeł obwodo- pendent anion channel) i białko ATAD3A wych. Prekursory steroidowe łatwo i szyb- należące do rodziny ATP-az (ang. ATPase ko przenikają do mózgu, stanowiąc niewy- family AAA-domain containing protein 3A). czerpalne źródło substratów do biosyntezy Dzięki tym wyspecjalizowanym cząsteczkom, neurosteroidów. Cały proces produkcyjny cholesterol dociera do właściwego miejsca rozpoczyna się od przemieszczenia cząstecz- w obrębie mitochondrium, gdzie rozpoczy- ki cholesterolu z zewnętrznej do wewnętrz- na się proces syntezy (Diotel i współaut. nej części błony mitochondrialnej, przy czym 2018). Po „zakotwiczeniu” cholesterolu w uczestniczą w tym wyspecjalizowane białka, wewnętrznej błonie mitochondrialnej, jego

Ryc. 3 Wzory strukturalne neurosteroidów hamujących i pobudzających. 434 Monika Leśkiewicz boczny łańcuch ulega odszczepieniu przy napływu jonów chlorkowych do wnętrza ko- udziale cytochromu P-450scc (ang. side cha- mórki, hiperpolaryzacji błony komórkowej i, in cleavage) i powstaje pregnenolon – pierw- w konsekwencji, do obniżenia pobudliwości. szy neurosteroid i zarazem główny prekur- Wyróżnia się dwa rodzaje hamującej neuro- sor hormonów i innych neurosteroidów, po transmisji GABA-ergicznej: fazową i tonicz- czym w kolejnych etapach odpowiednie en- ną. Hamowanie fazowe odpowiada za szyb- zymy doprowadzają do powstania szeregu ką transmisję sygnału z jednego neuronu do różnych pochodnych steroidowych (Stoffel- drugiego (przerywane uwalnianie wysokich -Wagner 2003). Pod wpływem dehydrogena- stężeń GABA z zakończeń presynaptycznych) zy 3β-hydroksysteroidowej i ∆5,4-izomerazy i zachodzi za pośrednictwem receptorów zlo- powstaje hormon progesteron, natomiast kalizowanych w obrębie synapsy. Hamowanie pod wpływem 17α-hydroksylazy i 17,20-lia- toniczne natomiast reguluje pobudliwość sieci zy powstaje neurosteroid dehydroepiandro- neuronalnej poprzez ciągłą aktywację recep- steron. Następnie, przy udziale 5α-reduktazy torów zlokalizowanych na zewnątrz szczeliny i oksydoreduktazy 3α-hydroksysteroidowej, synaptycznej przez niskie stężenia GABA. Ha- z progesteronu powstaje allopregnano- mowanie toniczne odgrywa przede wszystkim lon, z 11-deoksykortykosteronu tetrahy- rolę w kontroli pobudliwości hipokampa. W drodeoksykortykosteron, z androstendionu obrębie kompleksu receptora GABAA, obok 5α-androstan-3α-ol-17-on, czyli androsteron, głównego miejsca wiązania neuroprzekaźnika, który jest i hormonem i neurosteroidem, na- występuje wiele miejsc regulatorowych, wią- tomiast z testosteronu 5α-androstan-3α,17β- żących m.in. związki uspokajające/nasenne diol. (Ryc. 2) jak: benzodiazepiny i barbiturany, neuroste- Powstałe w tych przemianach cząstecz- roidy, oraz miejsca przyłączania antagonistów ki steroidowe posiadające w swej budowie (pikrotoksyna, bikukulina – toksyny wywołu- chemicznej zredukowany pierścień A i grupę jące drgawki) (Ryc. 4). Efekt farmakologiczny hydroksylową w pozycji 3α − stają się „klu- tych związków uzależniony jest od kompo- czem do zamka”, czyli hamującego recepto- zycji podjednostek receptora. Badania bio- ra GABAA (Ryc. 3). Ze względu na strukturę chemiczne i elektrofizjologiczne dowiodły, że chemiczną, neurosteroidy można podzielić neurosteroidy są endogennymi modulatorami na: pochodne pregnanu – allopregnanolon receptora GABAA i to zarówno pozytywnymi, (ALLOP), allotetrahydrodeoksykortykosteron jak i negatywnymi. Uważa się, że istnieją co (THDOC), pochodne androstanu – androsta- najmniej trzy różne miejsca wiążące neuro- nediol, androsteron oraz pochodne siarcza- steroidy na receptorze GABAA: miejsce allo- nowe – siarczan pregnenolonu (PS) i siar- sterycznej i bezpośredniej aktywacji receptora czan dehydroepiandrosteronu (DHEAS). Ze (allopregnanolon, THDOC) oraz miejsce przy- względu na rodzaj oddziaływania w mózgu łączania neurosteroidu pobudzającego (siar- neurosteroidy możemy podzielić na hamują- czan pregnenolonu) (Hosie i współaut. 2007). ce, czyli takie, które aktywują receptor GA- Wśród neurosteroidów wykazujących wysokie

BAA - ALLOP, THDOC, oraz pobudzające, powinowactwo do receptora i będących agoni- czyli takie, które aktywują receptor NMDA stami należą m.in.: allopregnanolon, pregna- - PS i DHEAS (Ryc. 3). Neurosteroidy pobu- nolon, THDOC, androsteron oraz syntetyczne dzające, czyli dehydroepiandrosteron i pre- neurosteroidy, jak alfaksalon czy ganaksolon. gnenolon, występują w mózgu w wysokim Neurosteroidy, oprócz bezpośredniej aktywacji stężeniu, w postaci wolnej lub jako estry receptora, mogą również działać pośrednio, kwasu siarkowego, a ich stężenie w małym poprzez nasilanie lub hamowanie wiązania stopniu zależy od wydzielania obwodowego. innych ligandów. W stężeniach nanomolarnych wzmagają działanie kwasu GABA oraz

NEUROSTEROIDY I RECEPTOR GABA nasilają wiązanie do receptora GABAA musci- A molu (alkaloid występujący w muchomorach, agonista receptora GABA ) i benzodiazepin, Receptor GABAA jest pentamerycznym A kompleksem białkowym, w skład którego natomiast allosterycznie hamują wiązanie t- wchodzią 4 podjednostki polipeptydowe (α, β, -butylobicyklofosforotionianu (TBPS, silny γ, δ) ułożone w określonych kombinacjach i antagonista receptora GABAA,). W wysokich tworzące ściany kanału chlorkowego. Skład stężeniach mikromolarnych neurosteroidy podjednostkowy determinuje stopień i sposób bezpośrednio mogą otwierać kanał chlorko- działania związków modulujących przepływ wy (Majewska i współaut. 1986). Działanie jonów chlorkowych. Postsynaptyczne recep- zwiększające przepływ prądów chlorkowych zachodzi poprzez wzrost częstotliwości i cza- tory GABAA zbudowane są z dwóch podjednostek α, dwóch β i jednej γ, natomiast re- su otwarcia kanału. Ułożenie grupy hydrok- ceptory zlokalizowane na zewnątrz synapsy sylowej w pozycji 3β zmienia profil działania mają dwie podjednostki α, dwie β i jedną neurosteroidów z agonistycznego na anta- δ gonistyczny, ale takie pochodne działają tyl- . Aktywacja receptora GABAA prowadzi do Neurosteroidy – modulatory ośrodkowego układu nerwowego 435

Ryc. 4 Kompleks receptorowy GABAA. α, β, γ, δ – podjednostki białkowe otaczające kanał jonowy; GABA-główny agonista, Pikrotoksyna-antagonista, Barbi- turany, Benzodiazepiny-agoniści, Neurosteroidy: (+) modulatory pozytywne, (-) modulatory negatywne. ko w wysokich mikromolarnych stężeniach. styczne. W nanomolarnych stężeniach nasila, Neurosteroidy pobudzające, do których należą a w mikromolarnych hamuje wiązanie innych pregnenolon i dehydroepiandrosteron (rów- agonistów do receptora GABAA. Siarczan de- nież w formie siarczanów), są negatywnymi hydroepiandrosteronu, w przeciwieństwie do allosterycznymi modulatorami receptora GA- siarczanu pregnenolonu, nie wpływa na wią-

BAA, jednak ich właściwości nie są identycz- zanie innych ligandów do receptora GABAA ne. Uważa się, że siarczan pregnenolonu ma (Majewska i współaut. 1990). Przyłączenie działanie mieszane agonistyczno-antagoni- grupy siarczanowej do cząsteczki neuroste-

Ryc. 5 Schemat receptora NMDA – rodzaje ligandów; NR1, NR2B – podjednostki tworzące kanał jonowy. 436 Monika Leśkiewicz roidu może odwracać kierunek modulacji re- patologiczne (lęk, uzależnienia czy neurode- ceptora z pozytywnego na negatywny, który generacje). Receptory sigma zlokalizowane są to proces może być ważnym mechanizmem w błonie siateczki śródplazmatycznej i peł- kontrolującym aktywność endogennych neu- nią funkcję białek opiekuńczych, na poziomie rosteroidów. molekularnym mogą tworzyć kompleksy z receptorem IP3 (ang. 1,4,5-trisphosphate inosi- NEUROSTEROIDY I RECEPTOR NMDA tol receptor) czy innymi białkami szoku ciepl- nego, uczestnicząc w kontroli sygnału wap- Obok wpływu na hamujący system GA- niowego. Pod wpływem niektórych ligandów BA-ergiczny, niektóre neurosteroidy mogą może zachodzić proces rozłączania białek również modulować układ pobudzających opiekuńczych, ułatwiając interakcję receptora aminokwasów poprzez wpływ na glutaminia- sigma z innymi receptorami, np. kanałami jo- nergiczne receptory NMDA (skrót pochodzi nowymi (Tsai i współaut. 2009). Siarczan pre- od agonisty – kwasu N-metylo-D-asparagino- gnenolonu i siarczan dehydroepiandrosteronu wego). Siarczan pregnenolonu i siarczan de- działają jako pozytywne modulatory recepto- hydroepiandrosteronu są jego pozytywnymi rów sigma. Mogą one aktywować specyficz- modulatorami (Wu i współaut. 1990). Recep- ne enzymy - kinazy zależne od jonów wapnia: CaMKII (ang. Ca2+/calmodulin-dependent tor ten, podobnie jak receptor GABAA, zbu- dowany jest z podjednostek białkowych two- protein kinase II), PKC (ang. protein kinase rzących kanał jonowy, przepuszczalny dla jo- C) i ERK (ang. extracellular signal-activated nów Na+, Ca2+, K+ (Ryc. 5). Ligandy receptora kinase), wywołując efekty neuroprotekcyjne i NMDA, w zależności od ułożenia poszczegól- poprawiając procesy poznawcze i pamięciowe nych podjednostek, modulują jego aktywa- w różnych modelach eksperymentalnych (Re- cję. Stymulacja miejsca receptorowego przez bas i współaut. 2017). Neurosteroidy pobu- agonistę powoduje otwarcie kanału wapnio- dzające osłabiają efekty antagonistów recep- wego, napływ zewnątrzkomórkowego wapnia tora NMDA i zapobiegają deficytom pamięci, do wnętrza komórki i powstanie prądu jono- pobudzając tworzenie kompleksów receptorów wego. W obrębie kompleksu receptora NMDA sigma z podjednostkami NR2 receptor NMDA istnieje wiele „stacji dokujących” dla różnych i przemieszczanie się podjednostek do bło- związków chemicznych: miejsce wiążące neu- ny komórkowej (Morales-Lázaro i współaut. roprzekaźnik, czyli kwas glutaminowy, miej- 2019). Modulacyjny, wielokierunkowy wpływ sca modulacyjne: glicynowe, poliaminowe i neurosteroidów na jonotropowe receptory w miejsce wiążące jony Zn2+. Wewnątrz kanału OUN sprawia, że uczestniczą one w regulacji znajduje się miejsce, do którego wiążą się równowagi pomiędzy systemami hamujących związki blokujące receptor NMDA, oraz miej- i pobudzających aminokwasów w ośrodko- sce wiążące jony Mg2+ (Danysz 1992) (Ryc. wym układzie nerwowym, a więc w mecha- 5). Siarczanowe pochodne neurosteroidów, nizmach stanowiących podstawę procesów czyli PS i DHEAS, zalicza się do pozytywnych m.in.: uczenia się i pamięci, stresu, zaburzeń modulatorów pobudzającego receptora NMDA, lękowych, zaburzeń depresyjnych czy stanów przy czym do aktywacji receptora i powstania drgawkowych. prądu jonowego wymagane są wyższe mikro- Innym ciekawym punktem uchwytu dla molarne stężenia neurosteroidów. W licznych neurosteroidów jest białko związane z mikro- badaniach elektrofizjologicznych wykazano, tubulami (ang. microtubule associated pro- że siarczan pregnenolonu zwiększa częstość tein type-2, MAP-2). Jest ono specyficznym, i średni czas otwarcia kanału, podnosi in- wewnątrzkomórkowym neuronalnym recep- dukowane przez NMDA wewnątrzkomórkowe torem dla pregnenolonu. Pregnenolon, wią- stężenie jonów Ca2+ w hodowli neuronów hi- żąc się z tym białkiem, staje się modulato- pokampa oraz nasila neurotoksyczne efekty rem neuronalnego systemu mikrotubularne- NMDA (Irwin i współaut. 1992). go, wpływając na stabilizację cytoszkieletu i wzrost neurytów (Baulieu 2018). Neurostero- INNE MIEJSCA WIĄŻĄCE DLA idy działają więc wielotorowo i mogą uczest- NEUROSTEROIDÓW niczyć w różnych procesach fizjologicznych i patofizjologicznych. Neurosteroidy wywierają wpływ na funk- cjonowanie OUN również poprzez inne re- NEUROSTEROIDY – EFEKTY W ceptory i kanały jonowe. Obok receptorów ZABURZENIACH OŚRODKOWEGO UKŁADU NERWOWEGO GABAA i NMDA, punktem uchwytu dla siarczanu pregnenolonu i siarczanu dehydroepiandrosteronu są receptory sigma 1, które Skutkiem współdziałania neurosteroidów występują w mózgu w dużej gęstości i mo- z hamującymi i pobudzającymi receptora- dulują różne procesy zależne od jonów Ca2+: mi jonotropowymi jest bezpośredni wpływ fizjologiczne (procesy uczenia się i pamięci) i na neuroprzekaźnictwo sygnałów w sieciach Neurosteroidy – modulatory ośrodkowego układu nerwowego 437 neuronalnych. Działanie neurosteroidów, wych i depresyjnych. Podczas gdy u wielu pochodnych 3α-pregnanu, w ośrodkowym kobiet w okresie okołoporodowym obserwuje układzie nerwowym związane jest głównie się niewielkie i przejściowe zmiany nastroju, z ich agonistycznym wpływem na hamują- to jednak depresja poporodowa jest poważ- cy receptor GABAA. W związku z tym, allo- nym, długo trwającym, niekorzystnym sta- pregnanolon pobudzając ten receptor może nem chorobowym. Allopregnanolon, który uspokoić, uśpić i uciszyć nadmiernie pobu- wzmaga toniczne hamowanie poprzez recep- dzone neurony (Reddy 2003). Liczne bada- tor GABAA, odwraca te zmiany, co wykazano nia na modelach zwierzęcych potwierdziły w badaniach przedklinicznych i klinicznych. korzystną rolę neurosteroidów w zaburze- Pozytywne, potwierdzone korzystne efekty niach lękowych, stresie, depresji i stanach allopregnanolonu stały się podstawą do do- drgawkowych (Ryc. 6). Działanie przeciwlę- puszczenia go, pod nową nazwą breksanolon kowe hamujących neurosteroidów jest bloko- (zbuforowany izotoniczny roztwór allopregna- wane przez antagonistów receptora GABAA, nolonu), w 2019 r. do stosowania u kobiet co dowodzi udziału transmisji GABA-ergicz- cierpiących na depresję poporodową. Dożyl- nej w procesach lękowych. Podczas stoso- ny wlew breksanolonu powoduje szybką i wania leków przeciwlękowych z grupy spe- trwałą poprawę nastroju, co potwierdza hi- cyficznych inhibitorów wychwytu zwrotnego potezę, że bezpośrednie zwiększenie stężenia serotoniny (ang. selective serotonin reupta- neurosteroidu jest wysoce skuteczne w tera- ke inhibitor, SSRI), tj. fluoksetyna czy flu- pii tego rodzaju depresji (Scarff 2019). In- woksamina, zaobserwowano znaczący wzrost nym obiecującym syntetycznym neurostero- stężenia allopregnanolonu w mózgu. Okazało idem pochodnym allopregnanolonu, będącym się, że oprócz działania zwiększającego stęże- w zaawansowanej fazie badań klinicznych, nie serotoniny, leki z grupy SSRI zwiększają jest zuranolon (SGE-217), który, co jest do- syntezę hamujących neurosteroidów poprzez datkowym atutem, jest aktywny po podaniu bezpośredni wpływ na aktywność enzymów doustnym, i w badaniach klinicznych wy- w procesie steroidogenezy. Ten efekt leków kazuje wysoką skuteczność w leczeniu za- może być jednym z mechanizmów działania burzeń depresyjnych u kobiet i mężczyzn przeciwlękowego. W badaniach klinicznych (Zorumski i współaut. 2019). Wprowadzanie obserwowano obniżone poziomy allopregna- neurosteroidów z grupy pochodnych pregna- nolonu we krwi i płynie mózgowo-rdzenio- nu do terapii zaburzeń depresyjnych u ludzi wym u pacjentów z depresją, który wracał potwierdza ich skuteczność oraz dobry profil do normy w trakcie terapii lekami przeciw- farmakologiczny. Z drugiej strony, przedsta- depresyjnymi. Szczególną jednostką chorobo- wiciel neurosteroidów pobudzających, dehy- wą, w której obserwuje się skuteczne dzia- droepiandrosteron, od kilkudziesięciu lat jest łanie allopregnanolonu, jest depresja popo- dostępny na rynku jako suplement diety na- rodowa. Nagły spadek stężenia progesteronu zywany „hormonem lub eliksirem młodości”, po porodzie oraz zaburzenie osi podwzgórze- który ma poprawiać pamięć, opóźniać efekty -przysadka mózgowa-nadnercza powoduje starzenia i odnawiać układ immunologiczny, zaburzenie równowagi między procesami po- jednak w badaniach klinicznych nie pojawiła budzenia i hamowania, co może prowadzić się jednoznaczna odpowiedź czy rzeczywiście do nadpobudliwości, czyli zachowań lęko- jest on tak skuteczny. Jednak w podstawo-

Ryc. 6 Efekty działania neurosteroidów hamujących i pobudzających w ośrodkowym układzie nerwowym. 438 Monika Leśkiewicz wych badaniach eksperymentalnych wyka- drgawkową, a przy obniżonym poziomie zano jego istotną rolę w procesach uczenia progesteronu zwiększa się prawdopodobień- się i pamięci, procesach neuroprotekcyjnych, stwo napadu drgawkowego (Rościszewska i procesie neurogenezy oraz zaburzeniach de- współaut. 1986). Istnieje więc odwrotna ko- presyjnych. W modelach uczenia się i pa- relacja pomiędzy stężeniem progesteronu i mięci neurosteroidy pobudzające okazują się jego pochodnych a podatnością na wystąpie- być pozytywnymi modulatorami, wyrównują- nie drgawek. Skuteczne przeciwdrgawkowe cymi deficyty pamięci wywoływane antagoni- efekty hamujących neurosteroidów skłoniły stami receptora NMDA, agonistami receptora badaczy do poszukiwania syntetycznych po- muskarynowych czy etanolem, również dzia- chodnych allopregnanolonu, o lepszej biodo- łanie przeciwlękowe i przeciwdepresyjne wy- stępności, trwałości i bez aktywnych meta- kazano w niektórych modelach behawioral- bolitów. W 1989 r. Peterson wykazał prze- nych, a ich uspokajające efekty tłumaczy się ciwdrgawkowe efekty preparatu „Saffan”, stymulującym wpływem na receptory sigma1 środka znieczulającego, będącego mieszaniną (Maurice i współaut. 1999, Dhir i Kulkarni syntetycznych neurosteroidów: alfaksalonu 2008). Dysfunkcje poznawcze związane są ze i alfadolonu. Innym skutecznym związkiem spadkiem stężenia dehydroepiandrosteronu przeciwdrgawkowym okazał się syntetyczny w procesie starzenia i chorobie Alzheimera. analog allopregnanolonu, ganaksolon (ang. Przywrócenie prawidłowego poziomu pobu- Ganaxolone 3β-methyl-3α-ol-5α-pregnan-20- dzających neurosteroidów daje korzystne re- one), różniący się od allopregnanolonu do- zultaty w postaci wyrównania deficytów -pa datkową grupą metylową w pozycji 3β. Taki mięciowych i poprawy funkcji poznawczych układ struktury chemicznej zapewnia stabil- (Reddy 2003, Klinge i współaut. 2018). Ni- ność związku, zapobiega przekształcaniu do skie poziomy DHEA obserwuje się również u hormonalnych prekursorów i zwiększa biodo- pacjentów z depresją, a wyrównanie jego po- stępność po podaniu doustnym. Ponadto, w ziomu istotnie poprawia nastrój. Dobre efek- przeciwieństwie do benzodiazepin, wielokrot- ty obserwuje się w skojarzonym podawaniu ne podania ganaksolonu nie doprowadzają klasycznych leków przeciwdepresyjnych z do rozwoju tolerancji oraz istnieje większa DHEA, jednak mechanizm tego oddziaływa- różnica pomiędzy dawką przeciwdrgawko- nia nie jest do końca poznany. Przedmiotem wą a nasenną (Gąsior i współaut. 2000). W badań eksperymentalnych jest również zwią- związku z wysoką przeciwdrgawkową sku- zek MAP4343 (3β-metoksypregnenolon), któ- tecznością ganaksolonu w badaniach ekspe- ry jest syntetyczną pochodną pregnenolonu rymentalnych, jest on obecnie w fazie badań bez działania hormonalnego. Podobnie jak klinicznych pod kątem skutecznego działania pregnenolon, MAP4343 wiąże się do białka przeciwpadaczkowego w jednostkach choro- MAP-2, modyfikując funkcje systemu mikro- bowych takich jak: padaczka oporna na le- tubularnego. W modelach zwierzęcych jest czenie, padaczka o podłożu genetycznym u to związek bardzo aktywny, działa przeciwlę- dzieci i stan padaczkowy (Younus i Reddy kowo i przeciwdepresyjnie, jednak pozostaje 2018, Chuang i Reddy 2020). Obecnie pro- do wyjaśnienia, czy jego wpływ na zmiany wadzone są również badania kliniczne doty- izoform białka tubuliny ma związek z pro- czące zastosowania alfaksalonu (3-hydroksy- cesami lęku i depresji (Parésys i współaut. 5α-pregnan-11,20-dion) jako środka znie- 2016). czulającego u ludzi. Preparat zawierający Neurosteroidy (pochodne 3α-pregnanu), alfaksalon – Alfaxan, jest aktualnie stoso- agoniści receptora GABAA, okazały się nie- wany jako środek znieczulający w weteryna- zwykle skutecznymi związkami przeciwdr- rii, natomiast Phaxan (roztwór alfaksalonu gawkowymi, co zostało wykazane w wie- z cyklodekstryną do stosowania dożylnego) lu modelach eksperymentalnych z użyciem jest w trakcie badań klinicznych u ludzi. substancji wywołujących drgawki o róż- Wyniki licznych badań wskazują, że zarów- nym mechanizmie działania. Przede wszyst- no endogenne, jak i syntetyczne pochodne kim hamujące neurosteroidy są skuteczne neurosteroidów hamujących, cechujące się w drgawkach wywoływanych antagonistami lepszą biodostępnością i brakiem działania receptora GABAA, czyli pikrotoksyną, biku- hormonalnego, mogą znaleźć zastosowanie w kuliną czy pentylenetetrazolem. Posiadają klinice potwierdzając ich skuteczność w pro- jednak szersze spektrum działania, wyka- cesach związanych z nasilaniem hamującej zując efekty przeciwdrgawkowe w modelach transmisji GABA-ergicznej. drgawek wywoływanych kwasem kainowym, NMDA, pilokarpiną, nikotyną, kokainą i pe- PODSUMOWANIE nicyliną (Leśkiewicz i współaut. 1997, Bu- dziszewska i współaut. 1998). Zmiany w Ośrodkowe efekty neurosteroidów były i poziomach hormonów u kobiet z napadami są nadal przedmiotem badań eksperymental- padaczkowymi mają wpływ na pobudliwość nych w modelach chorób takich jak: depre- Neurosteroidy – modulatory ośrodkowego układu nerwowego 439 sja, schizofrenia, zaburzenia lękowe, drgaw- Chuang S. H., Reddy D. S., 2020. Isobolograph- kowe czy zaburzenia pamięci. Neurosteroidy ic analysis of antiseizure activity of the GABA type A receptor-modulating synthetic neuroste- hamujące i pobudzające, modulując funkcje roids brexanolone and ganaxolone with tiaga- mózgowych receptorów jonotropowych, mogą bine and midazolam. J. Pharmacol. Exp. The- „uspokajać” nadmiernie pobudliwe neurony rapeut. 372, 285-298. działając nasennie, przeciwlękowo, przeciw- Danysz W., 1992. Kompleks receptora NMDA. Po- depresyjnie i przeciwdrgawkowo, jak również budzające aminokwasy, IX Szkoła Zimowa In- stytutu Farmakologii PAN, Mogilany, Ed. Pilc wyrównywać deficyty poznawcze i pamięcio- A., 15-25. we, poprawiać nastrój, przywracając tym sa- Dhir A., Kulkarni S., 2008. Involvement of sig- mym równowagę w niektórych zaburzeniach ma (sigma1) receptors in modulating the an- OUN. Z uwagi na fakt, że terapia zaburzeń ti-depressant effect of neurosteroids (dehydroepiandrosterone or pregnenolone) in mouse psychicznych wiąże się z koniecznością dłu- tail-suspension test. J. Psychopharmacol. 22, gotrwałego stosowania leków, często ze sła- 691-696. bym działaniem i niepożądanymi skutkami Diotel N., Charlier T. D., Lefebvre D’hellen- ubocznymi, wprowadzanie do badań klinicz- court C., Couret D., Trudeau V. L., Nico- nych endogennych i syntetycznych neuroste- lau J. C., Meilhac O., Kah O., Pellegrini E., 2018. Steroid transport, local synthesis, and roidów o bezpiecznym profilu farmakologicz- signaling within the brain: roles in neurogen- nym wydaje się bardzo obiecujące. esis, neuroprotection, and sexual behaviors. Front. Neurosci. 20, 84. Streszczenie Gąsior M., Ungard J. T., Beekman M., Carter Neurosteroidy są ciekawą grupą związków stero- R. B., Witkin J. M., 2000. Acute and chron- idowych, które mogą być syntetyzowane w komórkach ic effects of the synthetic neuroactive steroid, ośrodkowego układu nerwowego i modulować aktywność ganaxolone, against the convulsive and lethal effects of pentylenetetrazol in seizure-kindled jonotropowych receptorów błonowych. W działaniu stero- mice: comparison with diazepam and val- idów można wyróżnić trzy ścieżki receptorowe. Pierwsza proate. Neuropharmacology 39, 1184-1196. klasyczna, to aktywacja wewnątrzkomórkowych recepto- Gasser P. J., Lowry C. A., 2018. Organic cation rów steroidowych i regulacja transkrypcji genów, druga, transporter 3: A cellular mechanism underlying nazywana niegenomową, wiąże się z pobudzeniem recep- rapid, non-genomic glucocorticoid regulation of torów błonowych i aktywacją szlaków przekazu sygnału, monoaminergic neurotransmission, physiology, i trzeci typ oddziaływania, to interakcja z receptorami and behavior. Horm. Behav. 104, 173-182. jonotropowymi: receptorem kwasu γ-aminomasłowego Hosie A. M., Wilkins M .E., Smart T. G., 2007. (GABA ), receptorem N-metylo-D-asparaginowym (NMDA) Neurosteroid binding sites on GABA(A) recep- A tors. Pharmacol. Therapeut. 116, 7-19. i receptorami sigma. Neurosteroidy, modulując działanie Irwin R. P., Maragakis N. J., Rogawski M. A., tych receptorów, mogą zmieniać pobudliwość neuronów i Purdy R. H., Farb D. H., Paul S. M., 1992. dzięki temu uczestniczyć w procesach związanych z neu- Pregnenolone sulfate augments NMDA recep- roprzekaźnictwem hamującym i pobudzającym, działa- tor mediated increases in intracellular Ca2+ in jąc m.in. uspokajająco, nasennie, przeciwdrgawkowo czy cultured rat hippocampal neurons. Neurosci. wpływając na procesy poznawcze. Skuteczność endogen- Lett. 141, 30-34. nych i syntetycznych neurosteroidów w modelach eks- Jung-Testas I., Hu Z. Y., Baulieu E. E., Robel perymentalnych jest potwierdzana w próbach klinicznych P., 1989. Neurosteroids: biosynthesis of preg- zaburzeń depresyjnych, padaczkowych oraz jako środki nenolone and progesterone in primary cultures of rat glial cells. Endocrinology 125, 2083- znieczulające. 2091. Klinge C. M., Clark B. J., Prough R. A. 2018. LITERATURA Dehydroepiandrosterone research: past, cur- rent, and future. Vitam. Horm. 108, 1-28. Leśkiewicz M., Budziszewska B., Jaworska-Feil Akk G., Covey D. F., Evers A. S., Steinbach J. L., Lasoń W., 1997. Effects of neurosteroids H., Zorumski C. F., Mennerick S., 2009. The influence of the membrane on neurosteroid ac- on kainate-induced seizures, neurotoxicity and tions at GABA(A) receptors. Psychoneuroendo- lethality in mice. Pol. J. Pharmacol. 49, 411- crinology 34 (Suppl 1), S59-66. 417. Majewska M. D., Harrison N. L., Schwartz R. Atkinson R. M., Davis B., Pratt M. A., Sharpe D., Barker J. L., Paul S. M., 1986. Steroid H. M., Tomich E. G., 1965. Action of some steroids on the centtral nervous system of the hormone metabolites are barbiturate-like mod- mouse. II. Pharmacology. J. Med. Chem. 8, ulators of the GABA receptor. Science 232, 426-432. 1004-1007. Majewska M. D., Demirgören S., London E. D., Baulieu E. E., 2018. Steroids and brain, a rising bio-medical domain: a perspective. Front. En- 1990. Binding of pregnenolone sulfate to rat docrinol. 15, 316. brain membranes suggests multiple sites of steroid action at the GABAA receptor. Eur. J. Baulieu E. E., Robel P., 1990. Neurosteroids: a new brain function? J. Steroid Biochem. Mol. Pharmacol. 189, 307-315. Biol. 37, 395-403. Maurice T., Phan V. L., Urani A., Kamei H., Noda Y., Nabeshima T., 1999. Neuroactive Biegon A., McEwen B. S., 1982. Modulation by estradiol of serotonin receptors in brain. J. neurosteroids as endogenous effectors for the Neurosci. 2, 199-205. sigma1 (sigma1) receptor: pharmacological ev- idence and therapeutic opportunities. Jap. J. Budziszewska B., Siwanowicz J., Leśkiewicz M., Pharmacol. 81, 125-155. Jaworska-Feil L., Lasoń W., 1998. Protective effects of neurosteroids against NMDA-induced Morales-Lázaro S. L., González-Ramírez R., seizures and lethality in mice. Eur. Neuropsy- Rosenbaum T., 2019. Molecular interplay be- chopharmacol. 8, 7-12. 440 Monika Leśkiewicz

tween the sigma-1 receptor, steroids, and ion Scarff J. R., 2019. Use of brexanolone for post- channels. Front. Pharmacol. 10, 1-12. partum depression. Innovat. Clin. Neurosci. Paul S. M., Purdy R. H., 1992. Neuroactive ste- 16, 32-35. roids. FASEB J. 6, 2311-2322. Schumacher M., Coirini H., Frankfurt M., Mce- Peterson S. L., 1989. Anticonvulsant profile of wen B. S., 1989. Localized actions of proges- anaesthetic steroids. Neuropharmacology 28, terone in hypothalamus involve oxytocin. Proc. 877-879. Natl. Acad. Sci. USA 86, 6798-6801. Parésys L., Hoffmann K., Froger N., Bianchi M., Selye H., 1942. The antagonism between an- Villey I., Baulieu E. E., Fuchs E., 2016. Ef- aesthetic steroid hormones and pentamethy- fects of the synthetic neurosteroid: 3β-methoxy- lenetetrazol (metrazol). J. Lab. Clin. Med. 27, pregnenolone (MAP4343) on behavioral and 1051-1053. physiological alterations provoked by chron- Singh M., Su C., Ng S., 2013. Non-genomic mech- ic psychosocial stress in tree shrews. Int. J. anisms of progesterone action in the brain. Neuropsychopharmacol. 20, doi: 10.1093/ Front. Neurosci. 7, 159, 1-7. ijnp/pyv119. Stoffel-Wagner B., 2003. Neurosteroid biosyn- Rebas E., Radzik T., Boczek T., Zylinska L., thesis in the human brain and its clinical im- 2017. Calcium-engaged mechanisms of nonge- plications. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1007, 64-78. nomic action of neurosteroids. Curr. Neuro- Tsai S.-Y., Hayashi T., Mori T., Su T.-P., 2009. pharmacol. 15, 1174-1191. Sigma-1 receptor chaperones and diseases. Reddy D. S., 2003. Pharmacology of endogenous Central Nervous Syst. Agents Med. Chem. neuroactive steroids. Crit. Rev. Neurobiol. 15, 9, 184-189. Wu F. S., Gibbs T. T., Farb D. 197-234. H., 1991. Pregnenolone sulfate: a positive al- Roque C., Mendes-Oliveira J., Duarte-Chendo losteric modulator at the N-methyl-D-aspartate C., Baltazar G., 2019. The role of G pro- receptor. Mol. Pharmacol. 40, 333-336. tein-coupled estrogen receptor 1 on neurolog- Younus I., Reddy D. S., 2018. A resurging boom ical disorders. Front. Neuroendocrinol. 55, in new drugs for epilepsy and brain disorders. 100786. Expert Rev. Clin. Pharmacol. 11, 27-45. Rościszewska D., Buntner B., Guz I., Zawisza Zorumski C. F., Paul S. M., Covey D. F, Men- L., 1986. Ovarian hormones, anticonvulsant nerick S., 2019. Neurosteroids as novel anti- drugs, and seizures during the menstrual cy- depressants and anxiolytics: GABA-A receptors cle in women with epilepsy. J. Neurol. Neuro- and beyond. Neurobiol. Stress 27, 100196. surg. Psychiat. 49, 47-51.

KOSMOS Vol. 69, 3, 431–440, 2020

Monika Leśkiewicz

Department of Experimental Neuroendocrinology, Maj Institute of Pharmacology PAS, 12 Smętna St., 31-343 Krakow, E-mail: [email protected]

NEUROSTEROIDS – MODULATORS OF THE CENTRAL NERVOUS SYSTEM

Summary Neurosteroids are an interesting group of steroid compounds that can be synthesized in the cells of the central nervous system and modulate the activity of ionotropic membrane receptors. There are three receptor pathways in the action of steroids. The first classic is the activation of intracellular steroid receptors and the regulation of gene transcription, the second, called non-genomic, is associated with the stimulation of membrane receptors and activation of signal transmission pathways, and the third type of interaction is related to the effects on ionotropic γ receptors: the -aminobutyric acid receptor (GABAA), N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor and sigma receptors. By modulating the action of these receptors, neurosteroids can change the excitability of neurons and thus participate in the processes related to inhibitory and excitatory neurotransmission, acting e.g. sedative, hypnotic, anticonvulsant or influencing cognitive processes. The effectiveness of endogenous and synthetic neurosteroids in experimental mod- els is confirmed in clinical trials of depressive disorders, epilepsy and as anesthetic agents.

Keywords: depression, GABAA, neurosteroids, NMDA receptors, seizures