Cortical pathologies and astrocyte heterogeneity in rodent models of multiple sclerosis and Parkinson’s disease

Schmitz, Birte Katharina; Rink, Lothar (Thesis advisor); Kipp, Markus (Thesis advisor); Spehr, Marc (Thesis advisor)

Aachen (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Viele neuroinflammatorische und neurodegenerative Erkrankungen sind durch charakteristische (histo-)pathologische Veränderungen gekennzeichnet. Bei der Parkinson-Krankheit (PD) zum Beispiel ist bekannt, dass dopaminerge Neuronen in der Substantia nigra des Mittelhirns degenerieren, was zu einer dopaminergen Denervierung des Striatum führt. Ein anderes Beispiel ist die Multiple Sklerose (MS), die durch fokale, entzündliche Läsionen der weißen Substanz gekennzeichnet ist, die zur Degeneration der Oligodendrozyten, zur Demyelinisierung und zur axonalen Degeneration führen. Trotz solcher "klassischen" pathologischen Ereignisse sind neuroinflammatorische und neurodegenerative Erkrankungen auch durch "nicht-klassische" Pathologien gekennzeichnet. Bei PD wissen wir heute, dass neben dem Striatum auch andere Hirnareale der dopaminergen Denervation ausgesetzt sind. Bei MS zeigt nicht nur die weiße, sondern auch die graue Hirnsubstanz eine weit verbreitete und schwere Demyelinisierung. In dieser Arbeit werden "nicht-klassische" Pathologien in PD- und MS-Tiermodellen untersucht. Besonderes Gewicht wird auf Astrozyten gelegt, die wichtige Regulatoren der Homöostase und Pathologien des Gehirns sind. In der ersten Studie wurden pathologische Veränderungen der kortikalen und subkortikalen Hirnstrukturen anhand des intrastriatalen 6-Hydroxydopamin (6-OHDA)-Mausmodell untersucht, da sie für das Verständnis der motorischen und nicht-motorischen Symptome bei PD von besonderem Interesse sein könnten. Wie erwartet induzierte die intrastriatale 6-OHDA-Injektion eine retrograde Degeneration dopaminerger Neuronen innerhalb der Substantia nigra pars compacta, jedoch weniger in der Area tegmentalis ventralis. Darüber hinaus wurde ein regionsspezifischer Verlust der Tyrosin-Hydroxylase (TH)+-Faserdichte in einzelnen extrastriatalen Strukturen beobachtet, darunter der cinguläre und motorische Kortex. Interessanterweise ging der Verlust der kortikalen TH+-Fasern nicht mit Veränderungen der Mikroglia- oder Astrozytendichte oder der Morphologie der Mikroglia einher. Zudem ging im Globus pallidus und Thalamus der Verlust von TH-immunreaktiven Fasern mit einem starken Anstieg der Mikroglia-Dichten einher. Diese Ergebnisse zeigen, dass intrastriatale Injektionen von 6-OHDA zu pathologischen Veränderungen sowohl der kortikalen als auch der subkortikalen Strukturen führen, die in diesem Modell reproduzierbar und zuverlässig untersucht werden können. Die Identifizierung potenziell krankheitsspezifischer oder regional angereicherter reaktiver Astrozyten-Subtypen könnte für das Verständnis der selektiven Suszeptibilität neuronaler Populationen in bestimmten Hirnregionen bei PD von besonderer Bedeutung sein. Ziel dieser zweiten Studie war es, histologische Ähnlichkeiten und Unterschiede in der Anzahl und Morphologie der Astrozyten während der 6-OHDA-induzierten striatalen Denervierung in Abhängigkeit des verwendeten Markerproteins aufzuzeigen. Deutliche Unterschiede zeigten sich bereits in dem nicht-läsionierten Striatum der Mäuse. Während die Astrozyten im Striatum Vimentin (VIM) und das saure Gliafaserprotein (GFAP) in den primären dicken Prozessen exprimierten, wurden das Aldehyddehydrogenase-1-Familienmitglied L1 (ALDH1L1) und das S100 calciumbindende Protein β (S100β) zusätzlich in feinen Verzweigungen und Blättchen exprimiert. Nach Toxin-induzierter Denervierung zeigten die GFAP- und VIM-Immunreaktivität die stärkste Aktivierung von Astrozyten, während die durch ALDH1L1 und das Gehirn Lipid - bindende Protein (BLBP) markierten Astrozytendichten vergleichsweise niedriger waren. Im Gegensatz dazu zeigte die S100β-Immunreaktivität keine Astrozytenaktivierung. Diese Studie zeigt deutlich, dass pathologische Veränderungen der Astrozyten im MFB 6-OHDA-Mausmodell der PD in hohem Maße auftreten. Astrozyten sind eine sehr heterogene Zellpopulation, und verschiedene Antikörper könnten möglicherweise verschiedene Aspekte dieser komplexen Heterogenität sichtbar machen. Sobald periphere Entzündungszellen in das Gehirn eindringen, entwickeln sich solche MS-Herde oft zu großen Läsionen in der weißen, aber nicht in der grauen Substanz, was auf die erhöhte Menge an Myelindebris in der weißen Substanz zurückzuführen sein könnte. Zur Untermauerung der Hypothese, dass ein niedrigerer Myelingehalt in der kortikalen grauen Substanz möglicherweise die Läsionsausdehnung begrenzen könnte, wird Lysophosphatidylcholin (LPC) stereotaktisch entweder in den Kortex oder in die weiße Substanz des Corpus callosum (CC) injiziert, und die Läsionsgröße und die neuroinflammatorische Reaktion werden mittels immunhistochemischen Verfahren verglichen. Sieben Tage nach der LPC-Injektion war ein erheblicher Anteil des CC demyelinisiert, während das Ausmaß der Demyelinisierung in der kortikalen Region weit weniger intensiv war. Außerdem ging die verstärkte Demyelinisierung des CC mit einer ausgedehnten Mikrogliose und einer moderaten Astrozytose einher, während beide zellulären Parameter in der kortikalen grauen Substanz weniger stark ausgeprägt waren. Dies impliziert, dass lokale neuroinflammatorische Kaskaden, die durch Myelindebris ausgelöst werden, entscheidende Faktoren für die Förderung der Läsionsausdehnung bei MS sind. Die Gründe für die Entwicklung von Läsionen bei MS sind nach wie vor weitgehend unbekannt, jedoch scheinen Astrozyten eine zentrale Rolle zu spielen. Die morphologische Charakterisierung von Astrozyten könnte zu unserem Verständnis der Funktion von Zelltypen beitragen, da man davon ausgeht, dass Unterschiede in der Morphologie mit dem funktionellen Status zusammenhängen. Diese Studie analysierte die Morphologie der Astrozyten im experimentellen Cuprizon-Modell der MS nach Aktivierung der Astrozyten durch das angeborene Immunsystem. GFAP+-Astrozyten des medialen CC wurden mit der Software Neurolucida 360 in 3D rekonstruiert und mit dem Neurolucida Explorer analysiert. Die einwöchige Cuprizone-Diät erhöhte die mittleren Zweigvolumina signifikant. Außerdem war der durchschnittliche Zweigdurchmesser in bestimmten Shell-Radien im Vergleich zu den Kontrollen vergrößert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der verwendete Ansatz morphologische Veränderungen von GFAP+-Astrozyten untersuchen kann.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Chemosensorik [163310]
• [525501-2]