Physiology & Behavior 77 (2002) 403 409

The effects of piracetam on cognitive performance in a mouse model of Downs syndrome

Timothy H. Morana,*, George T. Caponeb, Susan Knippa, Muriel T. Davissonc,Roger H. Reevesd, John D. Gearharte

aDepartment of Psychiatry and Behavioral Sciences, Johns Hopkins University School of Medicine, Ross 618, 720 Rutland Avenue,Baltimore, MD 21205-2196, USA

bKennedy Krieger Institute, 707 N. Broadway, Baltimore, MD 21205, USAcThe Jackson Laboratory, Box 258, Bar Harbor, ME 04609, USA

dDepartment of Physiology, Johns Hopkins University School of Medicine, 725 N. Wolfe St., Baltimore, MD 21205, USA eDepartment of Gynecology and Obstetrics, Johns Hopkins University School of Medicine, 600 N. Wolfe St., Baltimore, MD 21205, USA

Received 7 January 2002; received in revised form 31 July 2002; accepted 6 August 2002

AbstrakPiracetam adalah age nootropik yang telah menunjukkan peningkatan kemampuan kognitif pada sejumlah model sistem hewan. Pirtacetam dilaporkan digunakan secara luas untuk meningkatkan fungsi kognitif pada anak-anak dengan sindrom Down (DS). Untuk menyediakan penilaian preklinik dari manfaat piracetam, kita memeriksa efek pada beberapa dosis piracetam terhadap model tikus DS Ts65Dn. Tikus Ts65Dn memiliki trisomi pada kromosom 16 yang homolog dengan kromososm 21 pada manusia. Terapi piracetam setiap hari pada dosis 0, 75, 100, dan 300mmkg ip diberikan pada Ts65Dn berusia 6 minggu dan tikus kontrol euploid. Setelah 4 minggu terapi, tikus diuji pada labirin air Morris yang terlihat dan yang tersembunyi dan diletakkan sepanjang malam di ruangan aktifitas yang terkomputerisasi untuk menilai seluruh aktifitasnya. Terapi piracetam dilanjutkan hingga 4 minggu pengujian. Pada tikus kontrol, pemberian piracetam 75 dan 150 mg/kg/hari meningkatkan kemampuan baik pada labirin yang terlihat ataupun yang tersembunyi. Walaupun dosis rendah piracetam menurunkan waktu pencarian dalam labirin yang tersembunyi pada tikus Ts65Dn, seluruh dosis piracetam dapat mencegah uji yag berhubungan dengan peningkatan performa pada tikus Ts65Dn. Dosispiracetam 300mg/hari berhubungan dengan kebalikan hiperaktivitas spontan nokturnal pada Ts65Dn. Data tersebut tidak tersedia untuk membantu untuk terapi piracetam pada seseorang dengan DS.

1.PendahuluanSindrom Down (DS), penyebab genetik yang paling umum dikenal dari keterbelakangan mental, adalah hasil dari trisomi

kromosom 21. Meskipun tingkat kerusakan kognitif pada DS bisa sangat bervariasi, individu dengan DS memiliki IQ lebihrendah dengan proporsional gangguan bicara dan keterampilan bahasa [22] serta kesulitan tertentu dalam pendengaran danmemori visual [21]. Keterbelakangan mental DS juga ditandai dengan kesulitan dalam mempelajari ruang dan dalam akuisisiserta kehilangan respon kondisi dan operan [32]. Anak-anak dengan DS juga telah diketahui memiliki insidensi tinggi terjadihiperaktifitas dengan defisiensi perhatian [26]

Dengan pengecualian penggantian hormon tiroid pada hipotiroidisme kongenital atau fenilalanin restric-tion padafenilketonuria (PKU), telah ada beberapa keberhasilan terapi untuk keterbelakangan mental. Untuk DS, berbagai terapihormon (termasuk tiroid, steroid, dan hormon pertumbuhan), asam glutamat, dan kombinasi vitamin, mineral, asam amino,dan suplemen gizi lainnya telah direkomendasikan atas dasar manfaat yang dirasakan atau secara teori tanpa dokumentasimanfaat dari studi pengobatan double blind [29]. Penggunaan agen farmakologis tertentu dengan manfaat yangdidokumentasikan pada model sistem hewan belum secara luas diteliti.

Pengembangan secara segmental tikus Ts65Dn dengan translokasi dua arah pada segmen kromosom tikus 16 sampai 17 telahmenjadi terobosan penting untuk pemodelan beberapa defisit perilaku dan kognitif DS [9]. Tikus Ts65Dn memiliki trisomi segmenkromosom tikus 16 yang memanjang dari protein prekursor gen amiloid beta (App) ke telomere distal [1]. Segmen translokasi tidakmengandung segmen kromosom homolog ke daerah antara sentromer manusia 21 dan gen App. Juga tidak membawa daerah distalkromosom 21 yang dilakukan pada kromosom tikus 10 dan 17. Pengujian perilaku di sejumlah laboratorium telah menunjukkanbahwa tikus Ts65Dn dewasa muda memiliki defisit kinerja kognitif mirip dengan DS. Tikus Ts65Dn memiliki performa yang burukdalam paradigma memori spasial. Mereka telah meningkatkan latensi melarikan diri baik pada labirin air Morris yang terlihat ataudengan komponen yang tersembunyi [12,13,16,27] dan membuat lebih banyak kesalahan dalam labirin lengan radial [11] dibandingkontrol euploid. Tikus juga hiperaktif [7,27] dan menunjukkan sejumlah defisit motor yang relatif halus [6].

Sejumlah senyawa eksperimental telah dikembangkan yang menghasilkan peningkatan kinerja kognitif pada hewan model.Salah satu yang paling dipelajari dari ini adalah piracetam. Obat jenis ini awalnya diklasifikasikan sebagai nootropic yangberpotensi menunjukkan peningkatan kognitif potensi dan sebagai gambaran dari kurangnya pemahaman tentang dasar fisiologisatau farmakologi untuk tindakan ini. Sejumlah mekanisme kerja yang diduga pada piracetam termasuk meningkatkan fluiditasmembran [24], modulasi AMPA-sensitif ionotropic glutamat reseptor [18,25], dan peningkatan neurotransmisi kolinergik [33] telahdiusulkan.

Piracetam dan sejumlah derivatif piracetam telah terbukti menghasilkan dosis perbaikan terkait kinerja kognitif padahewan yang tua dan hewan yang normal dengan pemberian obat [5]. Derivat Piracetam, oxiracetam, baru-baru ini telahditunjukan meningkatkan kinerja tikus DBA di labirin air Morris dan dalam konteks paradigma ketakutan [14], tes di manaketegangan ini dinyatakan berkinerja buruk..

Hasil pada uji klinis manusia pada peningkatan piracetam belum konsisten. Piracetam telah terbukti memiliki efek hanyaterbatas pada penyakit Alzheimer. Sementara kinerja kognitif tidak meningkat selama percobaan 1 tahun, piracetam tidakmuncul untuk memperlambat kemajuan penurunan kognitif sementara diberikan [8]. Piracetam juga telah diuji di sejumlahgangguan perkembangan saraf anak. Meskipun banyak dari studi ini kecil dan tidak semua dikendalikan dengan baik,beberapa melaporkan manfaat yang signifikan dengan efek samping yang minimal (misalnya, Ref [4].) Menunjukkanbeberapa potensi terapi untuk senyawa ini dalam gangguan perkembangan.

Piracetam telah menarik minat besar dalam komunitas DS. Banyak orang tua yang memberikan piracetam untuk anak-anak dengan DS karena mendapat testimoni tentang kemampuannya dalam meningkatkan kecerdasan [20]. Ada beberapaweb-situs yang mempromosikan penggunaan piracetam pada DS yang juga memberikan kesempatan bagi orang tua untukbertukar sumber informasi obat, dosis, dan potensi efek samping. Selain itu, berdasarkan penelitian pada hewanmenunjukkan efek gabungan sinergis pengobatan piracetam / kolin [2], pengobatan kombinasi ini direkomendasikan untukDS pada sejumlah situs. Namun, penilaian formal pertama kemanjuran piracetam di DS belum positif. Hasil dari laporanstudi double blind baru-baru ini, dengan kontrol plasebo, studi crossover khasiat piracetam untuk meningkatkan fungsikognitif di DS [20] telah menunjukkan pengobatan piracetam tidak hanya meningkatkan performa kognitif tetapi jugamenunjukkan hubungan dengan sejumlah efek samping.

Seperti pada percobaan yang dilaporkan di sini, kita telah meneliti efek perilaku pada berbagai dosis pirtacetam pada tikusTs65Dn untuk memastikan apakah ada alasan praklinis yang jelas untuk digunakan pada DS. Kami secara khususmengevaluasi efek piracetam pada kinerja dalam labirin air Morris dan aktivitas spontan yang diukur di ruang aktivitasterkomputerisasi. Seperti dijelaskan di atas, tikus Ts65Dn telah terbukti menunjukkan defisit perilaku di kedua paradigmatersebut.

2. Metode Ts65Dn jantan usia 5 minggu (n = 34) dan tikus kontrol euploid (n = 36)diiperoleh dari The Jackson Laboratorium. Tikus

Ts65Dn yang dihasilkan oleh temuan berulang lintas dari Ts65Dn betina untuk C57BL / 6JEi C3H / HeSnJ (B6EiCSn) laki-laki F1 hibrida. Hewan dari tempat yang sama ditempatkan berkelompok dan dipertahankan pada jadwal 12-12-cahayaterang- gelap. Semua tikus telah digenotipekan secara kromosom. Karena tikus C3H / HeSnJ membawa mutasi resesifmenyebabkan degenerasi retina, semua tikus telah dilakukan pre-examined oftamolskopi individual, dan hanya tikus tanpatanda-tanda gangguan retina yang digunakan.

Dimulai pada usia 40 hari, tikus menerima injeksi harian salah satu dari tiga dosis piracetam (75, 150, dan 300 mg / kg)atau saline (1 ml / 100 g berat badan). Pengobatan Piracetam terus diberikan selama 4 minggu dan melalui periode pengujian4 minggu. Pengujian terdiri dari penilaian kinerja pada labirin air Morris yang terlihat dan dengan komponen yangtersembuny dan penilaian aktivitas spontan dalam ruang aktifitas yang terkomputerisasi.

2.1. Labirin air Morris

Labirin air Morris [23] terdiri dari tangki berenang stainless steel melingkar (72 cm dan diameter 15 cm) diisi dengan air yang dibuat buram dengan penambahan bubuk cat lateks putih beracun. Sebuah platform kecil (5 cm persegi) ditempatkan ke dalam tangki di salah satu dari empat kuadran. Bagian atas platform adalah 1 cm di bawah permukaan air. Pengujian memiliki sejumlah komponen. Yang pertama adalah tugas dengan platform yang terlihat di mana posisi platform itu ditandai dengan kehadiran visual bendera yang mencolok di atas platform. Untuk menyelesaikan tugas ini dan berenang langsung ke platform, binatang hanya perlu belajar bahwa bendera menunjukkan lokasi platform. Lokasi Platform bervariasi antara empat posisi mungkin dalam setiap blok dari uji dan hewan diuji pada tiga blok dari percobaan per hari (total 12 percobaan) selama 2 hari. Blok percobaan dipisahkan oleh 1 jam. Hewan ditempatkan ke dalam air di tengah tangki. Latensi untuk menemukan platform dan melarikan diri dari air pada setiap percobaan tergantung ukuran. Setelah platform ditemukan, tikus diizinkan untuk tetap pada platform selama 30 detik sebelum memulai tugas berikutnya. Tikus diizinkan untuk berenang selama maksimal 60 detik. Hewan yang tidak menemukan platform tepat waktu akan dibiarkan tetap di sana selama 30 detik.

Dua belas hari setelah selesainya tugas platform yang terlihat, tikus diuji pada platformyang tersembunyi. Dalam versi ini, tidak ada bendera yang mengidentifikasi posisi platformdan platform melarikan diri dipertahankan di lokasi tetap dalam tangki. Karena tidak adapetunjuk Platform segera dan hewan tidak bisa melihat platform, tikus perlu memperolehhubungan spasial di antara pola di sekeliling tangki, isyarat ekstra-labirin, dan posisiplatform. Hewan menerima tiga blok dari uji coba selama tiga hari berturut-turut pada tugasplatform yang tersembunyi. Hewan ditempatkan ke dalam tangki sekitar perimeter di salahsatu dari empat posisi start yang digunakan dalam mode semirandom sepanjang empatpercobaan per blok. Tikus diizinkan untuk mencari tangki untuk 60 detik dan dibiarkan tetappada platform selama 30 detik. Jika platform tidak ditemukan dalam waktu 60 detik, merekadikeluarkan dari air dan ditempatkan pada platform. Sekali lagi, latensi melarikan diri adalahvariabel dependen

Data dari platform telihat dan tersembunyi pertama kali dianalisis menggunakan tiga caramodel campuran ANOVA untuk faktor genotipe, dosis piracetam, dan blok uji coba. Efekyang signifikan dieksplorasi lebih lanjut dengan ANOVA dua arah, analisis efek utama, danperbandingan t berpasangan..

2.2. Aktifitas spontanSelama periode antara pengujian platfrom terlihat dan tersembunyi aktivitas

spontan dari subkelompok Ts65Dn (n = 26) dan tikus kontrol (n = 28) diperiksa dengankomputerisasi Digiscan (Omnitech Elektronik) monitor aktivitas. Ruang-ruangeksperimen terdiri dari kandang kaca bening berukuran 16 16 12 di. (40 40 30,5 cm)dengan deretan sensor pemantauan inframerah yang dipasang setiap 5 cm di sepanjangperimeter di dasar dan baris kedua dari sensor yang dipasang pada ketinggian 10 cm .Data dikumpulkan dan diinterpretasikan dalam hardware oleh komputer Digiscanterhubung ke komputer untuk penyimpanan data dan analisis selanjutnya. Untuk

percobaan ini, kami mengumpulkan data tentang aktivitas horisontal dinyatakan sebagaijumlah interupsi photocell. Hewan ditempatkan ke dalam ruang 2 jam sebelum lampukeluar dan aktivitas dipantau dalam interval 2-jam untuk 26 jam dengan makanan danair yang ada. Periode 2-jam pertama dianggap sebagai periode habitu-asi. Data dariinterval sampel 12 berikutnya dianalisis oleh ANOVA model campuran dengan genotipedan dosis piracetam sebagai variabel independen dan sampling interval sebagai variabeldiulang. Efek yang signifikan dieksplorasi lebih lanjut dengan ANOVA dua arah,analisis efek utama, perbandingan t berpasangan..

3.Hasil

3.1. uji labirin air Moris

3.1.1. Platfrom terlihatOverall ANOVASepert yang ditunjukkan pada gambar 1, performa kontrol dan Ts65Dn meningkat dengan

pengalaman, tikus kontrol memiliki performa lebih baik dibanding tikus Ts65Dn danpiracetam mempengaruhi performa pada kedua grup. Keseluruhan ANOVA menunjukkanefek signifikan dari genotipe, F (1,62) = 32,231, P

Ts65Dn terbatas pada komponen platfrom terlihat dari labirin air Morris. Memang,pada tikus Ts65Dn, kinerja dalam tugas platform tersembunyi telah rusak oleh semuadosis piracetam. Pada dosis tertinggi (300 mg / kg), piracetam menghapuskan hiperaktifnokturnal biasanya ditemukan pada tikus Ts65Dn. Dosis Piracetam rendah tidakberpengaruh pada aktivitas.

Karakterisasi perilaku asli dari Ts65Dn tikus menunjukkan gangguan kinerja dilabirin air Morris dan hiperaktif selama fase gelap dari cahaya / siklus gelap [27]. Datasaat ini pada tikus Ts65Dn -diperlakukan mereplikasi temuan ini. Tikus Ts65Dnmemiliki waktu lama dalam pencarian pad akedua labirin air Morris dan hiperaktifdalam siklus gelap seperti yang ditunjukkan lebih signifikan oleh interupsi balok padaperiode gelap awal.

Fenotip perilaku model Ts65Dn memiliki sejumlah kekuatan yang jelas. Hasil serupatelah diperoleh di tes yang berbeda yang bertujuan untuk menilai proses yang sama disejumlah laboratorium [7,9,10,12,13,16,17]. Ini menunjukkan konsistensi bahwa defisitperilaku pada tikus Ts65Dn yang kuat. Selanjutnya, meskipun berbeda dalamketerampilan sensorimotor telah terdeteksi di awal perkembangan tikus Ts65Dn [16],kemampuan sensorimotor mereka sebagai orang dewasa relatif utuh [6] dan tidakmenghalangi pengujian yang bertujuan untuk mengidentifikasi defisit pembelajaran danmemori. Akhirnya, pola temuan, termasuk defisit dalam belajar dan memori, hiperaktif,dan mengurangi perilaku inhibisii [3,7], konsisten dengan aspek keterbelakanganmental di DS. Anak-anak dengan DS menunjukkan defisit pembelajaran dan memoriyang jelas, sering terbukti hiperaktif dan telah dijelaskan sebagai impulsif [26]. Dengandemikian, tikus Ts65Dn menyediakan model untuk penilaian praklinis khasiat dokumenpengobatan yang ditujukan untuk perbaikan kognitif di DS.

Data untuk percobaan ini tidak menyediakan dukungan untuk penggunaan piracetamuntuk menghasilkan peningkatan kognitif pada DS. Meskipun efek positif yangditemukan di dua dosis yang lebih rendah di bagian platfrom terlihat dari pengujianlabirin air Morris, piracetam memberi dampak negatif kinerja pada komponen platfromtersembunyi. Sementara tikus Ts65Dn yang tidak diobati menunjukkan perbaikan keciltapi signifikan dalam kinerja selama pengujian dalam komponen platfrom tersembunyipeningkatan pengalaman terkait ini tidak terjadi di salah satu tikus Ts65Dn yang diberipiracetam.

Peningkatan yang diinduksi piracetam pada kinerja tikus kontrol euploidmenyediakan kontrol positif untuk hasil Ts65Dn negatif.

Mekanisme melalui piracetam dapat meningkatkan kinerja kognitif tidakdigambarkan secara jelas. Seperti disebutkan di atas, piracetam mempengaruhi baikneurotransmisi glutamatergic [18,25] dan kolinergik [33] dan tindakan pada keduasistem ini telah diusulkan untuk efek perilaku piracetam. Mengapa piracetam harusmeningkatkan kinerja pada tikus euploid tapi mengganggu kinerja pada tikus Ts65Dntidak jelas. Relatif sedikit yang diketahui tentang efek segmental ini trisomi padaneurotransmisi sinaptik. Penurunan yang berkaitan dengan usia di spidol kolinergik [16]dan angka yang lebih rendah dari sinapsis kortikal [19] pada tikus Ts65Dn telah dicatat.Namun, penokohan rinci indeks neurokimia pada tikus Ts65Dn belum dilaporkan.

Temuan kami dari kurangnya keseluruhan perbaikan diinduksi piracetam signifikandalam kinerja pada tikus Ts65Dn mirip dengan hasil dari percobaan klinis baru-baru inidilaporkan piracetam pada anak-anak dengan DS. Dalam kontrol, acak, double-blind,uji klinis Crossover, piracetam gagal untuk secara signifikan meningkatkan fungsikognitif pada anak-anak dengan DS [20]. Kinerja anak-anak dinilai pada berbagaitindakan kognitif dan perilaku, dan pada kuesioner orangtua dan guru. Piracetam dalamdosis 80 -100 mg / kg / hari tidak signifikan meningkatkan performa kognitif. Beberapaperbaikan numerik kecil dalam peringkat orangtua dan guru ditemukan meskipun initidak dinilai tidak signifikan secara klinis. Efek samping yang terdeteksi di 7 dari 18anak-anak yang menyelesaikan pengujian. Efek samping tersebut terkait terutamadengan sistem saraf efek stimulasi pusat dan termasuk peningkatan agresivitas danmudah tersinggung.

Dosis tertinggi piracetam memperbaiki hiperaktif alat gerak nokturnal pada tikusTs65Dn. Piracetam sebelumnya telah menunjukkan dapat memperbaiki hipoksiadiinduksi hiperaktif pada tikus [15]. Mekanisme yang mendasari tindakan ini tidakjelas. Hal ini tidak mungkin karena efek obat penenang. Karena uji klinis denganpiracetam di DS mencatat peningkatan aktivitas stimulasi dan agresivitas sebagai efeksamping [20], tampaknya tidak mungkin bahwa piracetam akan memiliki manfaat klinisuntuk hiperaktif sering dikaitkan dengan DS.

Singkatnya, data ini tidak menyediakan dukungan untuk terapi piracetam untukmeningkatkan kinerja kognitif pada anak-anak dengan DS. Meskipun aterdapat sedikitpeningkatan dalam komponen tplatfrom terlihat labnirin air Morris dengan dosis rendahpengobatan piracetam. Bersama dengan data klinis terbaru, hasil ini menggunakanmodel praklinis dengan banyak fitur genetik dan perilaku DS tidak memberikan alasanuntuk pengobatan piracetam pada anak-anak dengan DS.