Establishment of multielectrode array-based retinal ex vivo stress models : hypoxia and pressure

Ingensiep, Claudia; Kampa, Björn M. (Thesis advisor); Johnen, Sandra (Thesis advisor); Müller, Frank (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Hypoxie und Druck sind bedeutende Stressfaktoren in diversen Augenerkrankungen. Hypoxie (Sauerstoffmangel) und Druck, in Form von erhöhtem Augeninnendruck (Intraokulardruck, IOD), können in Kombination im Rahmen einer Glaukomerkrankung auftreten. Das Glaukom ist eine heterogene Augenerkrankung, die zur Atrophie des Sehnervenkopfes führt. Der Sehnerv wird aus den Axonen der retinalen Ganglienzellen (RGZs) gebildet, die visuelle Information in Form von elektrischen Signalen an das Gehirn übermitteln. Der fortschreitende Verlust von RGZs während eines Glaukoms führt zu irreversiblem Sehverlust und zur Erblindung des Patienten. In dieser Studie wurden zwei Multielektrodenarray (MEA)-basierte ex vivo Stressmodelle etabliert, um die Wirkung von hypoxischen Bedingungen und hydrostatischem Druck auf die retinale elektrische Aktivität von adulten Wildtyp (WT)-Mäusen (C57BL/6) zu untersuchen. Im Hypoxiemodell wurde hypoxischer Stress durch den Austausch von Carbogen-begastem Medium durch Stickstoff (N2)-begastes Medium induziert. Die Hypoxiedauer betrug 30 min. Im Druckmodell wurde der MEA-Versuchsaufbau durch einen Deckel ergänzt und hydrostatischer Druck appliziert, um erhöhten IOD zu simulieren. Druckniveaus von 10, 30, 60 und 90 mmHg wurden getestet. Spontanaktivität, Antwortrate auf elektrische Stimulation und Lichtstimulation und das Burst-Verhalten der RGZs wurde vor, während und nach Stressbedingungen analysiert. Die RGZ-Aktivität verschwand vollständig während der Hypoxie, kehrte jedoch bedingt nach der Wiederherstellung der ursprünglichen Versuchsbedingungen zurück. Nach 30 min Hypoxie und 30 min Erholung kehrte elektrische Aktivität auf 27 ± 16% der initial aktiven Aufnahmekanäle zurück. Die Zugabe der Aminosulfonsäure Taurin (1 mM) erhöhte die zurückkehrende Aktivität auf 40 ± 21%. Während die RGZs unter Hypoxie in einen inaktiven Stresszustand übergingen, blieb die RGZ-Aktivität unter Druck bestehen. Selbst ein hohes Druckniveau von 90 mmHg über 2 Stunden beeinflusste die RGZ-Funktionalität nicht. Jedoch veränderte sich das Burst-Verhalten der Zellen unter 90 mmHg signifikant: die Anzahl an Aktionspotentialen in Bursts verdoppelte sich unter Druckapplikation und blieb danach auf einem hohen Niveau. Die Zugabe von Taurin (1 mM) zeigte einen gegenläufigen Effekt. OFF-RGZs wiesen keinen Anstieg an Bursts unter erhöhtem Druck auf. Im Hypoxiemodell zeigte eine Genexpressionsanalyse nur geringfügige Unterschiede zwischen den Expressionsprofilen der einzelnen Gruppen. Eine Lebend/Tot-Färbung hingegen ließ einen deutlichen Zellverlust in der Ganglienzellschicht von 85 ± 13% unter hypoxischen Bedingungen erkennen, der durch Taurin gesenkt wurde (73 ± 12%). Lebend/Tot-Färbungen nach Druckstress zeigten keine signifikanten Unterschiede in der Anzahl toter Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen darauf schließen, dass RGZs sehr sensibel auf hypoxischen Stress reagieren, jedoch tolerant gegenüber hohem, kurzzeitigen Druckstress sind. Die hier etablierten Modelle helfen somit, die Rolle von Hypoxie und Druck im Glaukom besser zu verstehen. Zudem wurde die neuroprotektive und neuromodulierende Wirkung von Taurin bestätigt.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Molekulare und systemische Neurophysiologie [162320]