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Etablierung eines verbesserten chronisch-neurotoxikologischen Parkinson-Mausmodells

Zimmermann, Annabelle


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-107758
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2014/10775/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): MPP+ , Parkinson , osmotische Pumpe , intraventriculär , Substantia nigra , Neurodegeneration
Freie Schlagwörter (Englisch): MPP+ , Parkinson , osmotic pump , intraventricular, substantia nigra , neurodegeneration
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Veterinär-Physiologie und -Biochemie; Neurophysiologisches Institut der Goethe Universität Frankfurt
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.12.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 28.02.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Das dopaminerge Mittelhirnsystem reguliert essentielle Funktionen des Organismus: Willkürmotorik, Kognition, Motivation und Emotion, sowie Aufmerksamkeit, assoziatives und Belohnungs-Lernen. Ein Hauptmerkmal des Morbus Parkinson, der zweithäufigsten neurodegenerativen Erkrankung des Menschen, ist die progressive Degeneration dopaminerger Neurone in der Substantia nigra und der daraus resultierende Dopamin-Mangels im Striatum. Dies verändert vorrangig denjenigen Regelkreis der Basalganglien, der maßgeblich für die Willkürmotorik verantwortlich ist, und führt zu den bei Morbus Parkinson typischen klinischen Symptomen: Ruhetremor, Verlangsamung der Bewegungen (Bradykinesie), Muskelsteifheit (Rigor) der Extremitäten und des Rumpfes, mangelnde Stabilität der aufrechten Körperhaltung (posturale Instabilität) und verringerte Gesichtsmimik.
Ziel dieser Studie war es, ein verbessertes chronisch-neurotoxikologisches Mausmodell zu etablieren. Unter Verwendung einer osmotischen Pumpe sollten kontinuierlich niedrige Mengen des aktiven Metaboliten 1-Methyl-4-Phenyl-Pyridinium-Ion (MPP+) in den lateralen Ventrikel der Versuchstiere infundiert werden. Wiederholte Injektionen und die damit verbundenen Komplikationen (erhöhte Nebenwirkungen und Mortalität bedingt durch intermittierend hohe Toxin-Dosen und vermehrter Stress für die Tiere) würden dadurch entfallen. Gleichzeitig sollte dieses verbesserte Mausmodell möglichst viele pathologische und klinische Merkmale des Morbus Parkinson abbilden. Die Erwartung an den Ausgang des Versuchs war, eine chronische Degeneration dopaminerger Zellen zu initiieren, um diesen Aspekt der Parkinson Erkrankung beim Menschen möglichst ähnlich nachzubilden. Dies würde die Erprobung neuer Therapieansätze im Tiermodell deutlich verbessern.
Das zentrale Ziel dieser Studie, eine chronische Degeneration dopaminerger Zellen zu initiieren, konnte nicht erreicht werden. Stattdessen wurde eine signifikante Erhöhung TH-positiver Neuronen in der SN bei gleichzeitiger Schädigung der Axone im Striatum nachgewiesen.
In der vorliegenden Arbeit werden zwei mögliche biologische Mechanismen, die die überraschenden Befunde erklären könnten, diskutiert:
(1) Adulte Neurogenese: Unser Experiment könnte zwar wie erwartet eine milde Degeneration dopaminerger SN-Zellen verursacht haben, aber gleichzeitig auch eine kompensatorische Proliferation und Ausdifferenzierung von neuronalen Stammzellen in der Substantia nigra zu TH-positiven Nervenzellen stimuliert haben. Dies wäre auch bezüglich des zeitlichen Rahmens unserer Experimente (28 Tage) eine plausible Möglichkeit, da die vollständige Ausdifferenzierung von neuronalen Stammzellen zu reifen dopaminergen Nervenzellen in vivo etwa drei Wochen benötigt (Zhao und Lang 2009, Gould 2007). Auch eine Migration von Stammzellen in die SN, die ausgelöst durch die neurodegenerative Schädigung vermehrt in Stammzellnischen gebildet wurden, wäre denkbar (Curtis et al. 2007). Die in unserem Versuchsmodell „angereicherte Umgebung“ der Mäuse und die auf Stress-Minimierung angelegten Versuchsbedingungen könnten sich positiv auf eine adulte Neurogenese ausgewirkt haben (Kempermann et al. 1997, Trejo et al. 2001, Fabel et al. 2003, Bischofsberger & Schmidt-Hieber 2006).
(2) Transdifferenzierung zu TH-positiven Neuronen: Es könnte sich bei dem Anstieg TH-positiver Neurone in der SN nach Toxin-Gabe um eine kompensatorische Reaktion auf eine dopaminerge Schädigung gehandelt haben. Diese Schädigung könnte mit einer Transdifferenzierung von GABAergen Interneuronen in der SN zu TH-positiven Neuronen kompensiert worden sein (Ugrumov et al. 2004).
Zum Nachweis adulter Neurogenese wäre ein Folgeversuch interessant, beim dem unter gleichen Bedingungen mit Tieren, die die höchste der hier verwendete MPP+-Dosierungen (0,3 mg/kg/d) erhalten, das Ausmaß der Ko-Lokalisation des Mitose-Markers Bromodesoxyuridine (BrdU) in TH-positiven SN Neuronen quantifiziert würde.
Belege für die Transdifferenzierung zu TH-positiven Zellen könnte man mit Untersuchungen der TH-positiven Zellen auf ihren neurochemischen Charakter erhalten, d.h. gleichzeitige immuncytochemische Nachweise von TH, AADC, DAT und VMAT.
Das Ziel der Studie die Mortalität und Belastung der Versuchstiere zu reduzieren wurde erreicht. Dazu trugen Stressreduktion, Gruppenhaltung und „angereicherte Umgebung“ zum einen und Vermeidung regelmäßiger Injektionen hoher Toxindosen zum anderen maßgeblich bei.

Kurzfassung auf Englisch: The dopaminergic midbrain system is crucial for regulating voluntary motor movements and essential brain functions like cognition, motivation and emotion, as well as attention, associative and reward learning. The progressive degeneration of dopaminergic neurons in the substantia nigra and the corresponding lack of dopamine in the striatum causes the characteristic motor symptoms of Parkinson´s Disease – the second most common neurodegenerative disease in humans. Thus, the basal ganglia system is severely impaired and leads to the typical clinical symptoms of Parkinson´s disease: resting tremor, bradykinesia, stiffness of muscles and extremities, postural instability and reduced facial mimic.
The aim of this study was to establish an optimized chronic neurotoxicological model in mice. Using an osmotic pump, small amounts of the active metabolite 1-methyl-4-phenyl-pyridinum-ion (MPP+) were constantly infused into the right lateral ventricle. The stress and side effects for the mice caused by repeated injections (intermittent high toxin doses) could be prevented. At the same time this optimized mouse model should represent as many as possible pathological and clinical features of Parkinson´s disease. The experiment´s expectation was to initiate a chronic degeneration of dopaminergic cells to reproduce this aspect as similar as possible to the human disease of Parkinson. This would improve the testing of new therapies in animal models.
The main aim of this study – initiating a chronic degeneration of dopaminergic cells – was not achieved. Instead, a significant increase in TH-immunopositive substantia nigra neurons was found along with an axonal damage in the striatum.
There are two possible biological mechanisms discussed that could explain the surprising findings:
(1) Adult neurogenesis: As expected our experiment might have caused a mild degeneration of dopaminergic substania nigra neurons. At the same time this might have stimulated compensatory proliferation and differentiation of neuronal stem cells into TH-positive neuronal cells in the substantia nigra. Concerning the duration of our experiment (28 days) this is a plausible explanation. The complete differentiation from neuronal stem cells into mature dopaminergic neuronal cells in vivo takes about three weeks (Zhao und Lang 2009, Gould 2007). Another possibility would be that initiated by mild neurodegenerative damage neuronal stem cells migrated into the substantia nigra (Curtis at al. 2007). The “enriched environment” and reduced stress level for the mice in our experiment could have contributed to adult neurogenesis (Kempermann et al.1997, Trejo et al. 2001, Fabel et al. 2003, Bischofsberger & Schmidt-Hieber 2006).
(2) Transdifferentiation into TH-positive neurons: Alternatively, the increase of the number of TH-positive neurons in the substantia nigra after toxin infusion could be explained by a compensatory reaction to dopaminergic damage in which transdifferentiation of GABAergic interneurons in the substantia nigra into TH-positive neurons might have occurred (Ugrumov et al. 2004).
To confirm adult neurogenesis future experiments, in which under the same conditions, using animals that were treated with the highest MPP+-dose as used here (0,3 mg/kg/d), the degree of co-localisation of the established mitosis marker 5-bromo-2´-deosxyuridine (BrdU) and TH in substantia nigra neurons is measured, should be performed.
Evidence for transdifferentiation of TH-positive cells could be conceived by analyzing the neurochemical character of TH-positive cells, e.g. simultaneous immunohistochemical proof of the dopaminergic identity using established markers like aromatic L-amino acid decarboxylase, dopamine transporter, along with TH expression.
The aim of the study to reduce the mortality and stress to the experimental mice was achieved. This was contributed to the reduced stress level and housing in groups with environmental enrichment on the one hand, and avoiding of regular injections of high toxin doses on the other hand.
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