Motor recovery and synaptic preservation after ventral root avulsion and repair with a fibrin sealant derived from snake venom

Background: Ventral root avulsion is an experimental model of proximal axonal injury at the central/peripheral nervous system interface that results in paralysis and poor clinical outcome after restorative surgery. Root reimplantation may decrease neuronal degeneration in such cases. We describe the use of a snake venom-derived fibrin sealant during surgical reconnection of avulsed roots at the spinal cord surface. The present work investigates the effects of this fibrin sealant on functional recovery, neuronal survival, synaptic plasticity, and glial reaction in the spinal motoneuron microenvironment after ventral root reimplantation. Methodology/Principal Findings: Female Lewis rats (7 weeks old) were subjected to VRA and root replantation. The animals were divided into two groups: 1) avulsion only and 2) replanted roots with fibrin sealant derived from snake venom. Post-surgical motor performance was evaluated using the CatWalk system twice a week for 12 weeks. The rats were sacrificed 12 weeks after surgery, and their lumbar intumescences were processed for motoneuron counting and immunohistochemistry (GFAP, Iba-1 and synaptophysin antisera). Array based qRT-PCR was used to evaluate gene regulation of several neurotrophic factors and receptors as well as inflammatory related molecules. The results indicated that the root reimplantation with fibrin sealant enhanced motor recovery, preserved the synaptic covering of the motoneurons and improved neuronal survival. The replanted group did not show significant changes in microglial response compared to VRA-only. However, the astroglial reaction was significantly reduced in this group. Conclusions/Significance: In conclusion, the present data suggest that the repair of avulsed roots with snake venom fibrin glue at the exact point of detachment results in neuroprotection and preservation of the synaptic network at the microenvironment of the lesioned motoneurons. Also such procedure reduced the astroglial reaction and increased mRNA levels to neurotrophins and anti-inflammatory cytokines that may in turn, contribute to improving recovery of motor function.

New approaches and potential treatments for dry age-related macular degeneration

Emerging treatments for dry age-related macular degeneration (AMD) and geographi c atrophy focus on two strategies that target components involved in physiopathological pathways: prevention of photoreceptors and retinal pigment epithelium loss (neuroprotection induction, oxidative damage prevention, and visual cycle modification) and suppression of inflammation. Neuroprotective drugs, such as ciliary neurotrophic factor, brimonidine tartrate, tandospirone, and anti-amyloid β antibodies, aim to prevent apoptosis of retinal cells. Oxidative stress and depletion of essential micronutrients are targeted by the Age-Related Eye Disease Study (AREDS) formulation. Visual cycle modulators reduce the activity of the photoreceptors and retinal accumulation of toxic fluorophores and lipofuscin. Eyes with dry age-related macular degeneration present chronic inflammation and potential treatments include corticosteroid and complement inhibition. We review the current concepts and rationale of dry age-related macular degeneration treatment that will most likely include a combination of drugs targeting different pathways involved in the development and progression of age-related macular degeneration.

Estudo multicêntrico sobre escalas para grau de comprometimento em disfagia orofaríngea neurogênica

OBJETIVO: Analisar a concordância entre distintas escalas para grau de comprometimento em disfagia orofaríngea neurogênica. MÉTODOS: Foi realizado estudo clínico transversal. Participaram 200 indivíduos com disfagia orofaríngea neurogênica, 108 do gênero masculino e 92 do gênero feminino, com idades de 3 meses a 91 anos. Foram aplicadas quatro escalas para classificar o grau de comprometimento da disfagia orofaríngea, sendo duas escalas clínicas e duas videofluoroscópicas. Análises estatísticas foram realizadas para verificar a concordância entre as escalas clínicas e objetivas. RESULTADOS: Os resultados mostraram concordância muito boa entre as escalas clínicas estudadas (Kappa=0,92) e concordância moderada entre as escalas objetivas (Kappa=0,52). CONCLUSÃO: Embora a concordância entre as escalas clínicas tenha sido muito boa e entre as escalas objetivas tenha sido moderada, ainda é necessária ampla discussão e possível revisão dos parâmetros que definem o grau de comprometimento da disfagia orofaríngea em pacientes neurológicos.

Temporal changes of CB1 cannabinoid receptor in the basal ganglia as a possible structure-specific plasticity process in 6-OHDA lesioned rats

The endocannabinoid system has been implicated in several neurobiological processes, including neurodegeneration, neuroprotection and neuronal plasticity. The CB1 cannabinoid receptors are abundantly expressed in the basal ganglia, the circuitry that is mostly affected in Parkinson’s Disease (PD). Some studies show variation of CB1 expression in basal ganglia in different animal models of PD, however the results are quite controversial, due to the differences in the procedures employed to induce the parkinsonism and the periods analyzed after the lesion. The present study evaluated the CB1 expression in four basal ganglia structures, namely striatum, external globus pallidus (EGP), internal globus pallidus (IGP) and substantia nigra pars reticulata (SNpr) of rats 1, 5, 10, 20, and 60 days after unilateral intrastriatal 6-hydroxydopamine injections, that causes retrograde dopaminergic degeneration. We also investigated tyrosine hydroxylase (TH), parvalbumin, calbindin and glutamic acid decarboxylase (GAD) expression to verify the status of dopaminergic and GABAergic systems. We observed a structure-specific modulation of CB1 expression at different periods after lesions. In general, there were no changes in the striatum, decreased CB1 in IGP and SNpr and increased CB1 in EGP, but this increase was not sustained over time. No changes in GAD and parvalbumin expression were observed in basal ganglia, whereas TH levels were decreased and the calbindin increased in striatum in short periods after lesion. We believe that the structure-specific variation of CB1 in basal ganglia in the 6-hydroxydopamine PD model could be related to a compensatory process involving the GABAergic transmission, which is impaired due to the lack of dopamine. Our data, therefore, suggest that the changes of CB1 and calbindin expression may represent a plasticity process in this PD model

Neuroprotective activity of guanosine in an in vitro model of Alzheimer's disease

The β-Amyloid (βA) peptide is the major component of senile plaques that are one of the hallmarks of Alzheimer’s Disease (AD). It is well recognized that Aβ exists in multiple assembly states, such as soluble oligomers or insoluble fibrils, which affect neuronal viability and may contribute to disease progression. In particular, common βA-neurotoxic mechanisms are Ca2+ dyshomeostasis, reactive oxygen species (ROS) formation, altered signaling, mitochondrial dysfunction and neuronal death such as necrosis and apoptosis. Recent study shows that the ubiquitin-proteasome pathway play a crucial role in the degradation of short-lived and regulatory proteins that are important in a variety of basic and pathological cellular processes including apoptosis. Guanosine (Guo) is a purine nucleoside present extracellularly in brain that shows a spectrum of biological activities, both under physiological and pathological conditions. Recently it has become recognized that both neurons and glia also release guanine-based purines. However, the role of Guo in AD is still not well established. In this study, we investigated the machanism basis of neuroprotective effects of GUO against Aβ peptide-induced toxicity in neuronal (SH-SY5Y), in terms of mitochondrial dysfunction and translocation of phosphatidylserine (PS), a marker of apoptosis, using MTT and Annexin-V assay, respectively. In particular, treatment of SH-SY5Y cells with GUO (12,5-75 μM) in presence of monomeric βA25-35 (neurotoxic core of Aβ), oligomeric and fibrillar βA1-42 peptides showed a strong dose-dependent inhibitory effects on βA-induced toxic events. The maximum inhibition of mitochondrial function loss and PS translocation was observed with 75 μM of Guo. Subsequently, to investigate whether neuroprotection of Guo can be ascribed to its ability to modulate proteasome activity levels, we used lactacystin, a specific inhibitor of proteasome. We found that the antiapoptotic effects of Guo were completely abolished by lactacystin. To rule out the possibility that this effects resulted from an increase in proteasome activity by Guo, the chymotrypsin-like activity was assessed employing the fluorogenic substrate Z-LLL-AMC. The treatment of SH-SY5Y with Guo (75 μM for 0-6 h) induced a strong increase, in a time-dependent manner, of proteasome activity. In parallel, no increase of ubiquitinated protein levels was observed at similar experimental conditions adopted. We then evaluated an involvement of anti and pro-apoptotic proteins such as Bcl-2, Bad and Bax by western blot analysis. Interestingly, Bax levels decreased after 2 h treatment of SH-SY5Y with Guo. Taken together, these results demonstrate that Guo neuroprotective effects against βA-induced apoptosis are mediated, at least partly, via proteasome activation. In particular, these findings suggest a novel neuroprotective pathway mediated by Guo, which involves a rapid degradation of pro-apoptotic proteins by the proteasome. In conclusion, the present data, raise the possibility that Guo could be used as an agent for the treatment of AD.

Neuroprotective strategies against neurodegeneration in cellular model systems

In the present study we analyzed new neuroprotective therapeutical strategies in PD (Parkinson’s disease) and AD (Alzheimer’s disease). Current therapeutic strategies for treating PD and AD offer mainly transient symptomatic relief but it is still impossible to block the loss of neuron and then the progression of PD and AD. There is considerable consensus that the increased production and/or aggregation of α- synuclein (α-syn) and β-amyloid peptide (Aβ), plays a central role in the pathogenesis of PD, related synucleinopathies and AD. Therefore, we identified antiamyloidogenic compounds and we tested their effect as neuroprotective drug-like molecules against α-syn and β-amyloid cytotoxicity in PC12. Herein, we show that two nitro-catechol compounds (entacapone and tolcapone) and 5 cathecol-containing compounds (dopamine, pyrogallol, gallic acid, caffeic acid and quercetin) with antioxidant and anti-inflammatory properties, are potent inhibitors of α-syn and β-amyloid oligomerization and fibrillization. Subsequently, we show that the inhibition of α-syn and β-amyloid oligomerization and fibrillization is correlated with the neuroprotection of these compounds against the α-syn and β-amyloid-induced cytotoxicity in PC12. Finally, we focused on the study of the neuroprotective role of microglia and on the possibility that the neuroprotection properties of these cells could be use as therapeutical strategy in PD and AD. Here, we have used an in vitro model to demonstrate neuroprotection of a 48 h-microglial conditioned medium (MCM) towards cerebellar granule neurons (CGNs) challenged with the neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA), which induces a Parkinson-like neurodegeneration, with Aβ42, which induces a Alzheimer-like neurodegeneration, and glutamate, involved in the major neurodegenerative diseases. We show that MCM nearly completely protects CGNs from 6-OHDA neurotoxicity, partially from glutamate excitotoxicity but not from Aβ42 toxin.

Investigations on formation and specification of neural precursor cells in the central nervous system of the Drosophila melanogaster embryo

Investigations on formation and specification of neural precursor cells in the central nervous system of the Drosophila melanogaster embryoSpecification of a unique cell fate during development of a multicellular organism often is a function of its position. The Drosophila central nervous system (CNS) provides an ideal system to dissect signalling events during development that lead to cell specific patterns. Different cell types in the CNS are formed from a relatively few precursor cells, the neuroblasts (NBs), which delaminate from the neurogenic region of the ectoderm. The delamination occurs in five waves, S1-S5, finally leading to a subepidermal layer consisting of about 30 NBs, each with a unique identity, arranged in a stereotyped spatial pattern in each hemisegment. This information depends on several factors such as the concentrations of various morphogens, cell-cell interactions and long range signals present at the position and time of its birth. The early NBs, delaminating during S1 and S2, form an orthogonal array of four rows (2/3,4,5,6/7) and three columns (medial, intermediate, and lateral) . However, the three column and four row-arrangement pattern is only transitory during early stages of neurogenesis which is obscured by late emerging (S3-S5) neuroblasts (Doe and Goodman, 1985; Goodman and Doe, 1993). Therefore the aim of my study has been to identify novel genes which play a role in the formation or specification of late delaminating NBs.In this study the gene anterior open or yan was picked up in a genetic screen to identity novel and yet unidentified genes in the process of late neuroblast formation and specification. I have shown that the gene yan is responsible for maintaining the cells of the neuroectoderm in an undifferentiated state by interfering with the Notch signalling mechanism. Secondly, I have studied the function and interactions of segment polarity genes within a certain neuroectodermal region, namely the engrailed (en) expressing domain, with regard to the fate specification of a set of late neuroblasts, namely NB 6-4 and NB 7-3. I have dissected the regulatory interaction of the segment polarity genes wingless (wg), hedgehog (hh) and engrailed (en) as they maintain each other’s expression to show that En is a prerequisite for neurogenesis and show that the interplay of the segmentation genes naked (nkd) and gooseberry (gsb), both of which are targets of wingless (wg) activity, leads to differential commitment of NB 7-3 and NB 6-4 cell fate. I have shown that in the absence of either nkd or gsb one NB fate is replaced by the other. However, the temporal sequence of delamination is maintained, suggesting that formation and specification of these two NBs are under independent control.

Interaction between APOE4 genotype and environmental risk factors in Alzheimer's disease

Alzheimer's disease (AD) is probably caused by both genetic and environmental risk factors. The major genetic risk factor is the E4 variant of apolipoprotein E gene called apoE4. Several risk factors for developing AD have been identified including lifestyle, such as dietary habits. The mechanisms behind the AD pathogenesis and the onset of cognitive decline in the AD brain are presently unknown. In this study we wanted to characterize the effects of the interaction between environmental risk factors and apoE genotype on neurodegeneration processes, with particular focus on behavioural studies and neurodegenerative processes at molecular level. Towards this aim, we used 6 months-old apoE4 and apoE3 Target Replacement (TR) mice fed on different diets (high intake of cholesterol and high intake of carbohydrates). These mice were evaluated for learning and memory deficits in spatial reference (Morris Water Maze (MWM)) and contextual learning (Passive Avoidance) tasks, which involve the hippocampus and the amygdala, respectively. From these behavioural studies we found that the initial cognitive impairments manifested as a retention deficit in apoE4 mice fed on high carbohydrate diet. Thus, the genetic risk factor apoE4 genotype associated with a high carbohydrate diet seems to affect cognitive functions in young mice, corroborating the theory that the combination of genetic and environmental risk factors greatly increases the risk of developing AD and leads to an earlier onset of cognitive deficits. The cellular and molecular bases of the cognitive decline in AD are largely unknown. In order to determine the molecular changes for the onset of the early cognitive impairment observed in the behavioural studies, we performed molecular studies, with particular focus on synaptic integrity and Tau phosphorylation. The most relevant finding of our molecular studies showed a significant decrease of Brain-derived Neurotrophic Factor (BDNF) in apoE4 mice fed on high carbohydrate diet. Our results may suggest that BDNF decrease found in apoE4 HS mice could be involved in the earliest impairment in long-term reference memory observed in behavioural studies. The second aim of this thesis was to study possible involvement of leptin in AD. There is growing evidence that leptin has neuroprotective properties in the Central Nervous System (CNS). Recent evidence has shown that leptin and its receptors are widespread in the CNS and may provide neuronal survival signals. However, there are still numerous questions, regarding the molecular mechanism by which leptin acts, that remain unanswered. Thus, given to the importance of the involvement of leptin in AD, we wanted to clarify the function of leptin in the pathogenesis of AD and to investigate if apoE genotype affect leptin levels through studies in vitro, in mice and in human. Our findings suggest that apoE4 TR mice showed an increase of leptin in the brain. Leptin levels are also increased in the cerebral spinal fluid of AD patients and apoE4 carriers with AD have higher levels of leptin than apoE3 carriers. Moreover, leptin seems to be expressed by reactive glial cells in AD brains. In vitro, ApoE4 together with Amyloid beta increases leptin production by microglia and astrocytes. Taken together, all these findings suggest that leptin replacement might not be a good strategy for AD therapy. Our results show that high leptin levels were found in AD brains. These findings suggest that, as high leptin levels do not promote satiety in obese individuals, it might be possible that they do not promote neuroprotection in AD patients. Therefore, we hypothesized that AD brain could suffer from leptin resistance. Further studies will be critical to determine whether or not the central leptin resistance in SNC could affect its potential neuroprotective effects.

Der Einfluss von Hypothermie oder Dexmedetomidin auf den neuronalen Zelluntergang nach inkompletter zerebraler Hemisphärenischämie und Reperfusion bei der Ratte

Es ist bekannt, dass sowohl Hypothermie (HT) als auch Dexmedetomidin (DEX) das neurologische Endergebnis verbessern können. In dieser Studie wird der Einfluss von HT oder DEX auf den neuronalen Zelluntergang bei 104 Ratten nach inkompletter zerebraler Hemisphärenischämie durch unilaterale Karotis-Okklusion unter hämorrhagischer Hypotension und anschließender Reperfusion untersucht. In beiden Behandlungs-Gruppen zeigt sich gegenüber der Kontroll-Gruppe in der Hämatoxylin-Eosin-Färbung eine tendentielle Reduktion des Ausmaßes der Schädigung und der Anzahl nekrotischer Zellen, in der immunhistologischen Färbung mit Antikörpern gegen aktivierte Caspase-3 eine tendentielle Verringerung apoptotischer Zellen. Diese Arbeit deutet darauf hin, dass sowohl HT als auch DEX den neuronalen Schaden nach zerebraler Ischämie tendentiell zu reduzieren vermögen.

Generation of a NG2-EYFP mouse for studying the properties of NG2-expressing cells

A range of vectors were made in which the EYFP gene or the Cre gene were inserted in the start codon of the NG2 gene. The NG2-EYFP vectors were used to generate NG2-EYFP “knockin” mice by homologous recombination. The F1 generation showed lack of EYFP expression, due to NeoR cassette interference. Excision of the NeoR, by breeding the F1 generation to ELLA-Cre mice allowed proper expression of EYFP. NG2-EYFP heterozygous mice were characterized in detail for astrocytic, neurogenic and oligodendrocytic properties through antibody labeling. NG2-EYFP+ cells did not label for the astrocyte marker GFAP, but some cells did express S100 Beta. The cells did not label with any neuronal markers like Beta III tubulin, Neun, and double cortin, but many of the NG2-EYFP+ cells made intimate contacts to the neurons. These contacts are widespread throughout the grey and white matter of the brain. The NG2-EYFP+ cells did label for oligodendrocyte markers like PDGFα-R, NG2, Olig2, O4, and Sox 10. There were a few cells termed phantom cells that did label for NG2, but had no EYFP expression. This could have been caused by improper excision of the NeoR cassette in the F2 generation. The heterozygous mouse is a tool to allow the characterization of the in vivo properties of the NG2+ cells. Breeding of these mice to homozygosity yielded an NG2-knockout mouse, which was also subjected to initial characterization. The NG2-EYFP homozygous showed equivalent cell labeling results to the NG2-EYFP heterozygous mouse, but the phantom cells disappeared in the knockout. The results show that the NG2 cells are a heterogenous population that does not express astrocytic or neuronal markers. The homozygous mouse is an ideal tool to further dissect the properties of the cells, lacking NG2 in vivo.

Sulforaphane as a multifunctional neuroprotective molecule to prevent and slow down the progression of Alzheimer’s disease

Oxidative stress has been implicated in the pathogenesis of a number of diseases including neurodegenerative disorders, cancer, ischemia, etc. Alzheimer’s disease (AD) is histopathologically characterized by the presence of extracellular senile plaque (SP), predominantly consisting of fibrillar amyloid-peptide (Aβ), intracellular neurofibrillary tangles (NFTs), composed of hyperphosphorylated tau protein, and cell loss in the selected regions of the brain. However, the pathogenesis of AD remains largely unknown, but a number of hypothesis were proposed for AD mechanisms, which include: the amyloid cascade, excitotoxicity, oxidative stress and inflammation hypothesis, and all of them are based, to some extent on the role of A. Accumulated evidence indicates that the increased levels of ROS may act as important mediators of synaptic loss and eventually promote formation of neurofibrillary tangles and senile plaques. Therefore a vicious circle between ROS and Aaccumulation may accelerate progression of AD. For these reasons, growing attention has focused on oxidative mechanism of Atoxicity as well as the search for novel neuroprotective agents. A strategy to prevent the oxidative stress in neurons may be the use of chemopreventive agents as inducers of antioxidant and phase 2 enzymes. Sulforaphane (SF), derived from corresponding glucoraphanin, glucosinolate found in abundance in cruciferous vegetables, has recently gained attention as a potential neuroprotective compound inducer of antioxidant phase 2 enzymes. Consistent with this evidence, the study is aimed at identifying the SF ability to prevent and counteract the oxidative damage inducted by oligomers of Aβ (1-42) in terms of impairment in the intracellular redox state and cellular death in differentiated human neuroblastoma and microglia primary cultures. In addition we will evaluated the mechanism underlying the SF neuroprotection activity.

Modulation der Genexpression und des neuronalen Zelltods durch das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP)

Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine zentrale Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Morbus Alzheimer. Hierbei ist die proteolytische Prozessierung von APP von entscheidender Bedeutung. Das Verhältnis von neurotoxischen und neuroprotektiven Spaltprodukten, die über den amyloidogenen und nicht-amyloidogenen Weg der APP-Prozessierung gebildeten werden, ist für das Überleben von Neuronen und deren Resistenz gegen zytotoxische Stress-Stimuli von hoher Relevanz. Störungen der Calcium-Homöostase sind ein bekanntes Phänomen bei Morbus Alzheimer. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von überexprimiertem APP in der Regulation des neuronalen Zelltods nach Calcium Freisetzung untersucht. Die Calcium Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum wurde durch die Inhibition der sarko- und endoplasmatischen Calcium-ATPasen (SERCA) ausgelöst. Dies führt zur Induktion der sogenannten „unfolded protein response“ (UPR) und zu einer Aktivierung von Effektor-Caspasen. Für APP-überexprimierende PC12 Zellen konnte bereits zuvor eine im Vergleich zur Kontrolle nach der durch Calcium Freisetzung-induzierten Apoptose eine erhöhte intrazelluläre Calcium Konzentration nachgewiesen werden. Über die Messung der Aktivierung von Effektor-Caspasen konnte zudem ein gesteigerter Zelltod in den APP-überexprimierenden Zellen gemessen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass der pro-apoptotische Transkriptionsfaktor CHOP, nicht aber die klassischen UPR-Zielgene spezifisch hochreguliert wurden. Die APP-modulierte gesteigerte Induktion von Apoptose nach Calcium Freisezung konnte durch Komplexierung der intrazellulären Calcium Ionen und durch Knockdown von CHOP im Vergleich zur Kontrolle gänzlich unterdrückt werden. Ferner bewirkte die Inhibition der Speicher-aktivierten Calcium-Kanälen (SOCC) eine signifikante Unterdrückung der beobachteten erhöhten intrazellulären Calcium Konzentration und der gesteigerten Apoptose in den APP-überexprimierenden PC12 Zellen. In diesem Teil der Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, dass APP in der Lage ist den durch Calcium-Freisetzung-induzierten Zelltod zu potenzieren. Diese Modulation durch APP verläuft in einer UPR-unabhängigen Reaktion über die Aktivierung von SOCC’s, einer erhöhten Aufnahme von extrazellulärem Calcium und durch erhöhte Induktion des pro-apoptotischen Transkriptionsfaktors CHOP. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die sAPPα-vermittelte Neuroprotektion untersucht. Dabei handelt es sich um die N-terminale Ektodomäne von APP, die über die Aktivität der α-Sekretase prozessiert wird und anschließend extrazellulär abgegeben wird. Ziel dieser Versuchsreihe war die neuroprotektive physiologische Funktion von APP im Hinblick auf den Schutz von neuronalen Zellen vor diversen für Morbus Alzheimer relevanten Stress-Stimuli bzw. Apoptose-Stimuli zu untersuchen. Durch die Analyse der Effektor-Caspasen konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist PC12 Zellen potent vor oxidativem Stress, DNA-Schäden, Hypoxie, proteasomalem Stress und Calcium-Freisetzung zu schützen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist den pro-apoptotischen Stress-induzierten JNK/Akt-Signalweg zu inhibieren. Eine Beteiligung des anti-apoptotischen PI3K/Akt-Signalwegs bei der sAPPα-vermittelten Protektion konnte über die Inhibition der PI3-Kinase ebenfalls demonstriert werden, die eine Aufhebung der sAPPα-vermittelten Neuroprotektion bewirkte. Diese Daten zeigen neue molekulare Mechanismen auf, die dem sAPPα-vermittelten Schutz vor pathophysiologisch relevanten Stress-Stimuli in neuronalen Zellen zugrunde liegen. Im letzten Teil der Arbeit wurden verschieden Gruppen von pharmakologischen Substanzen im Hinblick auf ihre neuroprotektive Wirkung untersucht und mit ihren Effekten auf den APP-Metabolismus korreliert. Die Untersuchungen ergaben, dass Galantamin, ein schwacher Acetycholinesterase Inhibitor und allosterisch potenzierender Ligand von nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren in der Lage war, naive, und mit noch höherer Effizienz APP-überexprimierende Zelllinien vor dem Stress-induzierten Zelltod zu schützen. Zudem bewirkte Galantamin in APP-überexprimierenden HEK293 Zellen eine rasche Erhöhung der sAPPα Sekretion, so dass hier von einer Rezeptor-vermittelten Modulation des APP Metabolismus ausgegangen werden kann. Omega-3 Fettsäuren wirken sich positiv auf die Membranfluidität von Zellen aus und es konnte bereits gezeigt werden, dass die Bildung des toxischen Aβ Peptids hierdurch vermindert wird. In Analogie zu Galantamin schützte die Omega-3 Fettsäure Docosahexaensäure (DHA) neuronale Zellen vor dem Stress-induzierten Zelltod, wobei der Schutz in APP-überexprimierenden Zellen besonders effizient war. Diese Daten legen nahe, dass die Aktivierung des antiamyloidogenen Wegs der APP-Prozessierung ein viel versprechender Ansatz für die Entwicklung neuer Therapien gegen Morbus Alzheimer sein könnte.

Charakterisierung der neuroprotektiven Eigenschaften des Corticotropin-Releasing-Hormons

Das Corticotropin Releasing Hormon (CRH) ist ein zentraler Mediator des neuroendokrinen Systems von Säugetieren und kontrolliert die physiologische Stressreaktion des Körpers. Zudem zeigten in vitro Daten, dass es Neuroprotektion gegenüber oxidativem Stress induzieren kann. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals ein neuroprotektiver Effekt des CRH in vivo gezeigt werden. Die Überexpression des CRH im ZNS von Mäusen konnte Nervenzellen in vivo vor Exzitotoxizität schützen; nach Injektion des Exzitotoxins Kainat verkürzte die CRH-Überexpression die Dauer der epileptischen Anfälle, schützte die Neurone der betroffenen Hippocampusregion vor Zelltod und verhinderte die bei Exzitotoxizität und vielen neurodegenerativen Erkrankungen auftretende Neuroinflammation. Desweiteren konnten in CRH-überexprimierenden Tieren erhöhte BDNF-Proteinspiegel nachgewiesen werden. BDNF, ein bedeutender neurotropher Faktor im ZNS, vermittelt daher teilweise die CRH-induzierte Neuroprotektion gegenüber der Exzitotoxizität in vivo. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Connexin43, dem Haupt-Gap Junction-Protein der Astrozyten, ein neues CRH-Zielgen im ZNS identifiziert. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass CRH sowohl die Expression des Connexin43-Gens als auch den Connexin43-Proteinspiegel in vitro und in vivo erhöht. Diese Effekte werden über die Aktivierung des CRH-Rezeptor 1 und nachfolgend der PKA- und MAPK-Signalwege vermittelt. In Übereinstimmung mit der Hochregulation des Connexin43-Proteinspiegels verstärkte CRH auch die interzelluläre Kommunikation über Gap Junctions. Physiologisch hat diese CRH-induzierte Verstärkung der astrozytären Gap Junction-Kommunikation eine große Bedeutung für die Neuroprotektion, da eine Hochregulation der interzellulären Kommunikation schnell toxische Moleküle verdünnt, Energiesubstrate und protektive Faktoren verteilt und Ionen abpuffert. Dadurch werden Schädigungen durch oxidativen Stress in den Zellen reduziert, was über die Analyse der Proteincarbonylierung gezeigt wurde. Die Relevanz der astrozytären Gap Junction-Kommunikation für das Überleben der Neurone konnte in organotypischen hippocampalen Schnitten und in Neuron-Astrozyten-Co-Kulturen deutlich gemacht werden. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnenen Daten zeigen, dass die Stress-induzierte Sekretion von CRH im ZNS zur verstärkten Expression neuroprotektiver Moleküle wie BDNF und Connexin43 beiträgt. Diese vermögen Neurone gegenüber toxischen Einflüssen zu schützen und zum Erhalt ihrer Funktion beizutragen. Die protektiven CRH-Effekte könnten speziell bei chronischen neurodegenerativen Krankheiten wie der Alzheimerschen Demenz und der Parkinsonschen Krankheit hilfreich sein.

Untersuchung neuer hochwirksamer neuroprotektiver Antioxidantien in experimentellen Modellen der Parkinsonschen Krankheit

Bei der Parkinsonschen Krankheit kommt es zu einer selektiven Degeneration der dopaminergen Neurone in der Substantia nigra pars compacta. Die Rolle des oxidativen Stresses in der Pathogenese dieser Erkrankung konnte an post mortem Untersuchungen der Parkinson-Patienten, wie auch an zahlreichen in vitro und in vivo Modellen bestätigt werden. Die Anwendung von Antioxidantien wurde als therapeutische Strategie der Parkinsonschen Krankheit vorgeschlagen. In dieser Hinsicht wurden bereits antioxidative Substanzen in klinischen Studien evaluiert. Klinische Studien mit Antioxidantien haben jedoch bislang nur wenig überzeugende Ergebnisse erbracht, mit Ausnahme des Einsatzes des Ubichinons (Coenzym Q). Eine kritische Analyse der klinischen Studien lässt zusammenfassen, dass auf Seiten der verwendeten Antioxidantien noch massiver Optimierungsbedarf besteht. Für einen erfolgreichen therapeutischen Einsatz von Antioxidantien bei dieser Krankheit sind folgende Eigenschaften der Substanzen von höchster Bedeutung: i) maximale neuroprotektive Aktivität bei geringen Dosen; ii) geringe Nebenwirkungen; iii) eine hohe Blut-Hirn-Schrankengängigkeit.In dieser Arbeit wurde das neuroprotektive Potential von drei Bisarylimin-basierten antioxidativen Strukturen (Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin) in in vitro und in vivo Parkinson-Modellsystemen evaluiert. Beide experimentellen Modelle basieren auf der Wirkung der mitochondrialen Komplex I Inhibitoren 1-Methyl-4-Phenylpyridin (MPP+) und Rotenon, welche pathophysiologische Charakteristika der Parkinsonschen Krankheit reproduzieren. Unsere in vitro Untersuchungen an primären Neuronen des Mittelhirns und der klonalen SH-SY5Y-Neuroblastomazelllinie konnten zeigen, dass die Komplex I Inhibition krankheitsspezifische zelluläre Merkmale induziert, wie die Abnahme der antioxidativen Verteidigungskapazität und Verlust des mitochondrialen Membranpotentials. Zusätzlich kommt es in primären Neuronen des Mittelhirns zur selektiven Degeneration dopaminerger Neurone, welche in der Parkinsonschen Erkrankung besonders betroffen sind. Ko-Inkubation der in vitro Modelle mit Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin in niedrigen Konzentrationen (50 nM) halten die pathologischen Prozesse fast vollständig auf. In vivo Untersuchungen am MPP+- und Rotenon-basierten Caenorhabditis elegans (C. elegans) Modell bestätigen das neuroprotektive Potential der Bisarylimine. Hierfür wurde eine transgene C. elegans Linie mithilfe einer dopaminerg spezifischen DsRed2- (Variante des rot fluoreszierenden Proteins von Discosoma sp.)-Expression und pan-neuronaler CFP- (cyan fluoreszierendes Protein)-Expression zur Visualisierung der dopaminergen Neuronenpopulation in Kontrast zum Gesamtnervensystem erstellt. Behandlung des C. elegans mit MPP+ und Rotenon im larvalen und adulten Stadium führt zu einer selektiven Degeneration dopaminerger Neurone, sowie zum Entwicklungsarrest der larvalen Population. Die dopaminerge Neurodegeneration, wie auch weitere phänotypische Merkmale des C. elegans Modells, können durch Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin in niedrigen Konzentrationen (500 nM) komplett verhindert werden. Ein systemischer Vergleich aromatischer Bisarylimine mit bekannten, gut charakterisierten Antioxidantien, wie α-Tocopherol (Vitamin E), Epigallocatechingallat und β-Catechin, zeigt, dass effektive Konzentrationen für Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin um Zehnerpotenzen niedriger liegen im Vergleich zu natürlichen Antioxidantien. Der Wirkungsmechanismus der Bisarylimine konnte in biochemischen und in vitro Analysen, sowie in Verhaltensuntersuchungen an C. elegans von der Wirkungsweise strukturell ähnlicher, neuroleptisch wirkender Phenothiazin-Derivate differenziert werden. Die Analyse des dopaminerg-gesteuerten Verhaltens (Beweglichkeit) in C. elegans konnte verdeutlichen, dass antioxidative und Dopaminrezeptor-bindende Eigenschaften der Bisaryliminstrukturen sich gegenseitig ausschließen. Diese qualitativen Merkmale unterscheiden Bisarylimine fundamental von klinisch angewandten Neuroleptika (Phenothiazin-Derivate), welche als Dopaminrezeptor-Antagonisten zur Behandlung psychischer Erkrankungen klinisch eingesetzt werden.Aromatische Bisarylimine (Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin) besitzen günstige strukturelle Eigenschaften zur antioxidativ-basierter Neuroprotektion. Durch die Anwesenheit der antioxidativ wirkenden, nicht-substituierten Iminogruppe unterscheiden sich Bisarylimine grundlegend von neuroleptisch-wirkenden Phenothiazin-Derivaten. Wichtige strukturelle Voraussetzungen eines erfolgreichen antioxidativen Neuropharmakons, wie eine hohe Radikalisierbarkeit, die stabile Radikalform und der lipophile Charakter des aromatischen Ringsystems, werden in der Bisaryliminstruktur erfüllt. Antioxidative Bisarylimine könnten in der Therapie der Parkinsonschen Krankheit als eine effektive neuroprotektiv-therapeutische Strategie weiter entwickelt werden.

Synthese, biochemische und physikochemische Charakterisierung von Liganden der Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors

Die exzitatorische Neurotransmission erfolgt über ionotrope Glutamat-Rezeptoren von denen dem NMDA-(N-Methyl-D-aspartat)-Rezeptor durch seine hohe Leitfähigkeit für Ca2+-Ionen eine besondere Rolle zugesprochen wird. Bei seiner Überaktivierung kommt es zu exzitotoxischen Prozessen, die direkt mit neurodegenerativen Erkrankungen einhergehen und nach einem Schlaganfall, bei akuten Epilepsien, Morbus Parkinson, Alzheimer Demenz aber auch im Bereich der neuropathischen Schmerzentstehung eine wichtige Rolle spielen.rnDurch das Eingreifen in die glutamatvermittelten pathologischen Prozesse verspricht man sich daher die Möglichkeit einer Neuroprotektion bei der Therapie verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen, die primär auf völlig unterschiedliche Ursachen zurückzuführen sind.rnAusgehend von in früheren Arbeiten synthetisierten Hydantoin-substituierten Dichlor-indol-2-carbonsäure-Derivaten, die hochaffine Eigenschaften zur Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors aufweisen, sollten neue Derivate entwickelt und untersucht werden, die hinsichtlich ihrer Affinität zur Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors, ihrer Pharmakokinetik sowie physikochemischen Parameter in präparativ-organischen, radiopharmazeutischen und zell- bzw. tierexperimentellen Studien in vitro sowie in vivo charakterisiert werden sollten. Von besonderem Interesse war dabei die Evaluierung der synthetisierten Verbindungen in einem Verdrängungsassay mit dem Radioliganden [3H]MDL105,519 mit dem der Einfluss der strukturellen Modifikationen auf die Affinität zur Glycin-Bindungsstelle des Rezeptors untersucht wurde, sowie die Selektivität und die Potenz der Liganden abgeschätzt wurde.rnIm Rahmen der Struktur-Wirkungs-Untersuchungen mit Hilfe der Bindungsexperimente konnten bestimmte Strukturmerkmale als essentiell herausgestellt bzw. bekräftigt werden. Die Testverbindungen zeigten dabei IC50-Werte im Bereich von 0,0028 bis 51,8 μM. Die entsprechenden Ester dagegen IC50-Werte von 23,04 bis >3000 μM. Als vielversprechende Strukturen mit Affinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich stellten sich Derivate mit einer 4,6-Dichlor-oder Difluor-Substitution am Indolgrundgerüst (2,8 bis 4,6 nM) heraus. Auch die Substitution des Phenylhydantoin-Teils durch das bioisostere Thienylhydantoin führte zu einer gleichbleibenden ausgeprägten Affinität (3,1 nM). rnZur Abschätzung der Bioverfügbarkeit, insbesondere der Fähigkeit zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke, wurden die Lipophilien bei einer Auswahl der Testverbindungen durch Bestimmung ihrer log P-Werte ermittelt. Neben dem Verfahren der potentiometrischen Titration wurde eine HPLC-Methode an einer RP-Phase verwendet.rnUm das Zytotoxizitätsprofil der synthetisierten Strukturen frühzeitig abschätzen zu können, wurde ein schnell durchführbares, zellbasiertes in vitro-Testsystem, der kommerziell erhältliche „Cell Proliferation Kit II (XTT-Test)“, eingesetzt. rnIm Rahmen von Positronen-Emissions-Tomographie-Experimenten an Ratten wurde eine Aussage bezüglich der Aufnahme und Verteilung eines radioaktiv markierten, hochaffinen Liganden an der Glycinbindungsstelle des NMDA-Rezeptors im Gehirn getroffen. Dabei wurden sowohl ein Carbonsäure-Derivat sowie der korrespondierende Ethylester dieser Testung unterworfen.rn