An integrative biological assessment of the programming effects of glucocorticoids upon the developing brain : insights on their relevance for future psychiatric pathologies

Abstract

Manipulation of corticosteroid milieu during perinatal period has received much attention due to its implications in pathology later in life. The experience of stressful/traumatic events in early childhood, which triggers the activation of the HPA axis and the permanent increase in corticosteroids levels during critical periods of development, has shown to be associated with cardiovascular, metabolic, immune and psychiatric conditions. Interesting links have indeed, been established between psychopathology and immune dysfunction, although the exact mechanisms by which neuroendocrine and immune system interact, and influence each other, still need further investigation. For that reason, in this collection of studies we investigated the impact in nervous, endocrine and immune systems, of an early stressful event (maternal separation -MS) in two different periods of development: an early period from PND2-15 (MS2-15) and a later period from PND7-20 (MS7-20). Moreover, in order to clarify the cross-talk between those systems an integrated characterization of these animals was performed. In the first study, we assessed if neurological reflexes and somatic milestones were affected by MS, and established possible neurochemical correlates in specific brainstem areas. In order to assess the long-lasting consequences of MS, in a second study we thoroughly characterize adult rats in a battery of behavioural tests. In addition, we assessed the expression of CRF and synapsin-I in several brain regions and cytokines in the brain and in the spleen. Finally, to further analyse the role of the immune system in emotional disorders, we behaviourally characterize transgenic mice models for IL-10. Results show that MS impaired the acquisition of several neurological reflexes, in parallel with increased serotonin turnover, in the vestibular and dorsal raphe nuclei. Analysis of MS animals, in adulthood, revealed a distinct behavioural phenotype; while anxious behaviour and spatial learning abilities were equally affected in MS2-15 and MS7-20 (a fact correlated with a persistent hypercoticalism), impaired exploratory behaviour and depressive-like signs were only found in MS2-15 rats. The latter observations in MS2-15 seem to be associated with an increased expression of CRF in the amygdala as well as with an higher expression of pro-inflammatory cytokines in the amygdala (IL1-β) and in the PFC (TNF-α). The effects of MS2-15 were not confined to the CNS; in fact, we also observed a reduced number of T and NK cells in the spleen. Finally, we showed that the differential expression of IL-10 (an anti-inflammatory cytokine) also influenced depressive-like behaviour. Taken together, the present studies demonstrate a time-dependent imprinting effect of early life stress/corticosteroids, implicate the imbalance of cytokine expression on behavioural phenotype, which further support the influence of the immune system on emotional behaviour.

A manipulação dos corticosteróides durante o período perinatal tem sido alvo de grande investigação devido às suas implicações em diversas patologias na vida adulta. A experiência de eventos traumáticos, o que desencadeia a activação do eixo HPA e o aumento crónico dos níveis de corticosteróides durante períodos críticos de desenvolvimento, tem demonstrado estar associado a doenças cardiovasculares, metabólicas, imunológicas e psiquiátricas. Foram já estabelecidas ligações entre a psicopatologia e a disfunção imune, embora os mecanismos exacto pelo qual o sistema imunológico e neuroendócrino se influenciam mutuamente necessitam ainda de ser investigados. Por esse motivo, neste conjunto de estudos, investigamos o impacto, nos sistemas nervoso, endócrino e imunológico, de uma experiência traumática precoce (separação maternal-MS), em dois períodos diferentes de desenvolvimento: um período precoce entre o dia 2 e o dia 15 após o nascimento (MS2-15) e um período tardio entre o dia 7 e o dia 20 após o nascimento (MS7-20). Além disso, na tentativa de esclarecer a relação entre estes sistemas foi feita uma caracterização comportamental integrada nestes animais. No primeiro estudo, avaliámos o impacto da separação maternal na aquisição de reflexos neurológicos e em parâmetros somáticos específicos e estabelecemos possíveis correlações neuroquímicas em áreas específicas do tronco cerebral. Num segundo estudo, de forma a avaliar as consequências a longo prazo, caracterizámos animais adultos numa bateria de testes comportamentais. Adicionalmente, foi também avaliada a expressão do CRF e da sinapsina-I em várias regiões cerebrais e de citocinas também no cérebro bem como no baço. Por último, avaliámos também o papel do sistema imunitário em perturbações emocionais através da caracterização comportamental de ratinhos transgénicos para a IL-10. Os resultados mostram que a separação maternal prejudica a aquisição de vários reflexos neurológicos e leva, paralelamente, ao aumento da degradação da serotonina nas áreas vestibular e do núcleo dorsal de rafe. A análise, em adulto, de animais submetidos a MS revelou um fenótipo de comportamento distinto; enquanto o comportamento ansioso e a memória espacial foram igualmente afectados nos grupos MS2-15 e MS7-20 (um facto correlacionado com uma persistente hipercotisolemia), alterações de comportamento exploratório e sinais depressivos apenas foram evidentes em animais separados no período mais precoce (MS2-15). Estas últimas observações nos animais MS2-15 parecem estar associadas com uma expressão aumentada do CRF na amígdala, bem como com o da expressão de citocinas pró-inflamatórias na amígdala (IL1-β) e também no PFC (TNF-α). Os efeitos da separação maternal precoce não estão confinados ao SNC; de facto, foi também observada uma redução no número de células T e NK. Por último, demonstramos também que a expressão diferencial de IL-10 (uma citocina anti-inflamatória) influencia o comportamento do tipo depressivo. Em resumo, os presentes estudos demonstraram que os efeitos do stress perinatal/corticosteróides são dependentes do período de exposição e implicam alterações dos níveis de citocinas no estabelecimento do fenótipo comportamental, evidenciando a influência do sistema imunológico no comportamento emocional.