Role of the endocannabinoid system in the pathophysiology and treatment of schizophrenia: Focus on cannabidiol as a novel therapeutic approach for preventive treatment

Mgr. Tibor Štark, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Úvod Nedávne zistenia poukazujú na schizofréniu ako neurovývojovú poruchu a na adolescentné obdobie ako na príležitosť včasnej farmakologickej liečby na zníženie rizika jej nástupu. Spolu so silnými dôkazmi podporujúcimi zapojenie endokanabinoidného systému (ECS) do patofyziológie schizofrénie táto práca skúma terapeutický potenciál včasnej farmakologickej modulácie ECS ako možnej preventívnej liečby schizofrénie a potenciálne mechanizmy zodpovedné za jej účinky. Metódy Neurovývojový model schizofrénie bol u potkanov indukovaný expozíciou metylazoxymetanolacetátu (MAM) in utero v 17. gestačný deň. Pre charakterizáciu správania bola hodnotená spontánna pohybová aktivita v teste otvoreného poľa, sociálna aktivita v teste sociálnych interakcií (SIT) a kognitívny výkon v teste rozpoznávania nových predmetov (NOR). Na biochemickú analýzu sme stanovili 1) hladiny endogénnych kanabinoidov (EC) kvapalinovou chromatografiou a hmotnostnou spektrometriou, 2) hladiny mRNA ECS a non-ECS elementov kvantitatívnou polymerázovou reťazovou reakciou v reálnom čase, 3) expresiu proteínov kanabinoidných CB1 a dopamínových D2 receptorov analýzou Western blot, 4) metyláciu DNA na úrovni CNR1 regulačných oblastí pyrosekvenovaním, 5) in situ molekulárne modelovanie receptorov dopamínu D2 a D3 a 6) regionálny prietok krvi mozgom pomocou ASL-MRI. Výsledky Významný pokles metylácie DNA na promotore génu CNR1 (kódujúceho CB1 receptor) bol špecificky detegovaný u pacientov so schizofréniou. Táto dysregulácia bola potvrdená v prefrontálnom kortexe MAM potkanov súbežne so zvýšenou expresiou mRNA CB1 receptoru ako aj jeho proteínu, alej nadmernou expresiou mRNA D3 receptoru, ovplyvneným regionálnym prietokom krvi v mozgu, sociálnym stiahnutím sa a kognitívnym deficitom. Opakované peripubertálne podávanie kanabidiolu (30 mg/kg/deň) bolo schopné zvrátiť vyššie uvedené behaviorálne, molekulárne a funkčné zmeny. Následné molekulárne modelovanie in situ podporilo CBD ako potenciálneho parciálneho agonistu dopamínových receptorov D3. Záver MAM model je charakterizovaný zmenami v ECS podobnými tým, ktoré sú pozorované u pacientov so schizofréniou. ECS vďaka jeho zapojeniu v patofyziológii schizofrénie predstavuje potenciálneho nového kandidáta na diagnostický biomarker. Včasná liečba kanabidiolom sa zdá byť účinná v prevencii nástupu negatívnych a kognitívnych deficitov, ktoré nie sú v súčasnej dobe liečené dostupnými farmakami. Vzhľadom na svoj bezpečnostný profil je CBD horúcim kandidátom preventívnej liečby schizofrénie.

Abstract:

Background Recent findings point both to schizophrenia as a neurodevelopmental disorder and to the adolescence as a window of opportunity for early pharmacological treatment to reduce the transition risk to the disease. Along with strong evidence supporting the involvement of the endocannabinoid system (ECS) in the pathophysiology of schizophrenia, this thesis investigated the therapeutic potential of early pharmacological modulation of the ECS as a preventive SCZ treatment and potential mechanisms by which treatment effects occur. Methods The neurodevelopmental model of schizophrenia was induced in rats by in utero exposure to methylazoxymethanol acetate (MAM) on gestational day 17. For behavioral characterization spontaneous locomotor activity was assessed in the open field test (OFT), social activity in the social interaction test (SIT) and cognitive performance in the novel object recognition test (NOR). For biochemical analysis we measured: 1) endogenous cannabinoids (ECs) levels by liquid chromatography and mass spectrometry, 2) mRNA quantification of ECS and non-ECS elements by quantitative real-time polymerase chain reaction, 3) protein expression of cannabinoid CB1 and dopamine D2 receptors by western blot analysis, 4) DNA methylation at level of CNR1 regulatory regions by pyrosequencing, 5) in situ molecular modelling of dopamine D2 and D3 receptors, and 6) regional cerebral blood flow by ASL-MRI. Results Significant decrease in DNA methylation at the promoter of CNR1 gene (encoding CB1 receptor) was uniquely detected in patients with schizophrenia. This dysregulation was confirmed in the prefrontal cortex of MAM rats and paralleled by increased expression of CB1 receptor mRNA as well as its protein, overexpression of cerebral D3R mRNA, altered regional cerebral blood flow, social withdrawal and cognitive impairment. Repeated peripubertal cannabidiol (30 mg/kg/day) was able to revert aforementioned behavioral, molecular and functional alterations. Additional in situ molecular modelling further supported CBD as a potential partial agonist of dopamine D3 receptors. Conclusion The MAM model is characterized by changes in the ECS similar to those described in patients with schizophrenia. ECS strongly involved in pathophysiology of schizophrenia represents a potential novel candidate for a diagnostic biomarker. Early treatment with cannabidiol seems to be effective in preventing the onset of negative and cognitive deficits, which are not addressed by currently available treatment. Given its safety profile, CBD is a hot candidate for clinical application as a preventive treatment in schizophrenia.

Keywords

MAM neurovývojový animálny model, schizofrénia, kanabidiol, preventívna liečba, endokanabinoidný systém, dopamínový D3 receptor, MAM neurodevelopmental animal model, schizophrenia, cannabidiol, preventive treatment, endocannabinoid system, cannabinoid CB1 receptor, dopamine D3 receptor

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 11. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 15. 12. 2021
• Supervisor: Dr. Vincenzo Micale, Ph.D.
• Reader: Prof. Livio Luongo, ChemD, Ph.D., MUDr. Tomáš Páleníček, Ph.D., Prof. Kyriaki Sidiropoulou

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Pharmacology / Experimental and applied pharmacology