CNS injury, γ1 laminin, and its KDI peptide

Nisäkkäillä keskushermoston uudistuminen on rajallista. Keskushermostovamman jälkeen aktivoituu monien paranemista edistävien tekijöiden lisäksi myös estäviä tekijöitä. Monella molekyylillä, kuten laminiinilla, on keskushermoston paranemista tehostava vaikutus. Laminiinit ovat myös kehon tyvikalvojen oleellisia rakennuskomponentteja. Keskushermoston laminiinit ovat tärkeitä sikiökehityksen aikana, esimerkiksi hermosäikeiden ohjauksessa. Myöhemmin ne osallistuvat veriaivoesteen ylläpitoon sekä vammojen jälkeiseen kudosreaktioon. Väitöskirjatutkimuksessani olen selvittänyt lamiiniinien, erityisesti γ1 laminiinin ja sen KDI peptidin, ekspressiota keskushermoston vammatilanteissa. Kokeellisessa soluviljelmäasetelmassa, joka simuloi vammautunutta keskushermostoympäristöä, osoitimme että KDI peptidi voimistaa sekä hermosolujen selviytymistä että hermosäikeiden kasvua. Kainihappo on glutamaattianalogi, ja glutamaattitoksisuudella uskotaan olevan tärkeä merkitys keskushermoston eri vamma- ja sairaustilanteissa tapahtuvassa hermosolukuolemassa. Toisessa väitöskirjani osatyössä osoitimme eläinmallissa KDI peptidin suojaavan rotan aivojen hippokampuksen hermosoluja kainihapon aiheuttamalta solutuholta. Elektrofysiologisilla mittauksilla osoitimme kolmannessa osatyössäni, että KDI peptidi estää glutamaattireseptorivirtoja ja suojaa siten glutamaattitoksisuudelta. Aivoveritulpan aiheuttama aivovaurio on yleinen syy aivohalvaukseen. Viimeisessä osatyössäni tutkimme eläinmallissa laminiinien ekspressiota iskemian vaurioittamassa aivokudoksessa. Laminiiniekspression todettiin voimistuvan vaurion jälkeen sekä tyvikalvo- että soluväliainerakenteissa. Vaurion ympärillä havaittiin astrosyyttejä, jotka jo melko aikaisessa vaiheessa vamman jälkeen ekspressoivat γ1 laminiinia ja KDI peptidiä. Tästä voidaan päätellä laminiinien osallistuvan aivoiskeemisen vaurion patofysiologiaan. Yleisesti väitöskirjatyöni kartoitti laminiinien ekspressiota sekä terveessä että vammautuneessa keskushermostossa. Väitöskirjatyöni tukee hypoteesia, jonka mukaan KDI peptidi suojaa keskushermostoa vaurioilta.

The regeneration capacity of the adult mammalian central nervous system (CNS) is limited. Following an insult to the CNS, many environmental factors inhibiting or stimulating neuronal regrowth are activated. Several molecules including laminin have stimulating effects on CNS regeneration. Laminins are essential molecular constituents of all basement membranes of the body. In the CNS, laminins are involved in developmental events, such as neuronal migration and axon guidance, while in the adult CNS they participate in the formation and maintenance of the blood-brain-barrier (BBB) and are involved in trauma reactions of the CNS. Laminin-1 is a large glycoprotein and is composed from three disulfide-bonded subunits, α1, β1, and the γ1 chain. Many neurons express γ1 laminin in the mammalian adult brain; it is critical for hippocampal neuronal survival and is expressed by glial cells after CNS injury. The KDI peptide is derived from γ1 laminin as a neurotrophic peptide. In this thesis study, we analyzed the role of γ1 laminin and its KDI peptide in different settings of CNS injury. An experimental cell culture model mimicking a damaged CNS environment showed that the KDI peptide has a stimulating effect on neuronal survival and neurite outgrowth. We analyzed neurons from human embryonic spinal cord, retina, and neocortex, leading to findings that both neuronal survival and neurite outgrowth were stimulated by the soluble KDI peptide in all of these tissues. A stereotaxic injection of kainic acid into rat hippocampus was done for testing the possible protective effect of the KDI peptide. A preceding injection of the KDI peptide protected both hippocampal and neocortical areas of excitotoxic brain damage caused by kainic acid. Kainic acid alone caused serious tissue damage to the hippocampal and neocortical injection sites. The KDI peptide showed inhibition of glutamate excitotoxicity by inhibiting kainate, AMPA, and NMDA subclasses of glutamate receptors in patch clamp recordings. Neurons were cultured from human embryonic neocortex and from HEK 293 cells expressing recombinant glutamate subunits. These studies indicate that the KDI peptide of γ1 laminin enhances neuronal survival and protects against glutamate excitotoxicity at least partially through inhibition of various glutamate receptors. Following middle cerebral artery occlusion leading to focal brain ischemia in rats, various laminins were mapped both spatially and temporally. Laminin-1 was increased in basement membranes and scar-forming extracellular matrix; γ1 laminin was in-duced earlier than other laminins and expressed by reactive astrocytes. Similarly, the KDI peptide of γ1 laminin was expressed by reactive astrocytes surrounding the ischemic region but detected along major neuronal pathways as well. The different patterns of laminin expression suggest involvement of different laminins in different functions in the pathophysiology of experimental brain ischemia. In general, these studies present novel data on the expression of laminins in the healthy and damaged brain, demonstrate protective effects of the KDI tripeptide of γ1 laminin in cell cultures and in vivo in the brain, and give clues as to the mechanisms of KDI peptide neuroprotection.