Stress oxydatif cérébrovasculaire et rupture de la barrière hémato-encéphalique dans le syndrome de Wernicke-Korsakoff expérimental

Le syndrome de Wernicke-Korsakoff (SWK) est un désordre neuropsychiatrique causé par la déficience en thiamine (DT). Dans la DT expérimentale comme dans le SWK, on observe une mort neuronale et des hémorragies dans certaines régions précises du diencéphale et du tronc cérébral. Les lésions diencéphaliques du SWK sont particulièrement sévères et entraînent souvent des séquelles amnésiques permanentes. Le lien entre la dysfonction métabolique induite par la DT et la mort neuronale n’est pas connu. Des rapports précédents ont démontré que la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) était altérée et ce, précédant l’apparition du dommage neuronal, suggérant un rôle critique de la dysfonction vasculaire. Les jonctions serrées (JS) interendothéliales, la base anatomique de la BHE, constituent un réseau moléculaire incluant l’occludin et les zonula occludens (ZOs). Cette thèse démontre une perte d’expression et une altération de la morphologie de ces protéines en relation avec la dysfonction de la BHE dans le thalamus de souris déficientes en thiamine, fournissant une explication pour la présence d’hémorragies. Le stress oxydatif peut entraîner des dommages directs aux protéines des JS et interférer avec leurs mécanismes de régulation. De plus, l’oxyde nitrique (NO) peut induire la métalloprotéinase matricielle-9 (MMP-9) impliquée dans la dégradation de ces protéines. L’endothélium vasculaire cérébral (EVC) semble être une source importante de NO dans la DT, l’expression de l’oxyde nitrique synthase endothéliale (eNOS) étant sélectivement induite dans les régions vulnérables. Le NO peut réagir avec les espèces réactives oxygénées et former du peroxynitrite, entraînant un stress oxydatif/nitrosatif endothélial. Les résultats présentés démontrent que la délétion du gène de eNOS prévient le stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, l’extravasation des immunoglobulins G (IgGs) et l’altération de l’occludin et des ZOs dans le thalamus de souris déficientes en thiamine. De plus, cette délétion prévient l’induction de l’expression de MMP-9 dans l’EVC. Des résultats similaires ont été obtenus avec l’antioxydant N-acétylcystéine (NAC). Les mécanismes précis par lesquels les espèces réactives altèrent les protéines des JS sont inconnus. Caveolin-1, une composante majeure du caveolæ de l’EVC, est impliquée dans la régulation de l’expression des protéines des JS, et celle-ci est modulée par le stress oxydatif/nitrosatif; l’altération de l’expression de caveolin-1 a été récemment associée à la rupture de la BHE. Les résultats présentés démontrent que l’expression de caveolin-1 est sélectivement altérée dans l’EVC du thalamus de souris déficientes en thiamine, coïcidant avec la rupture de la BHE, et démontrent que la normalisation de l’expression de caveolin-1 par le NAC est associée avec l’atténuation du dommage à la BHE. Pris ensemble, ces résultats démontrent un rôle central du stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, particulièrement celui provenant de eNOS, dans l’altération des JS de la BHE via des dommages directs et via l’induction de MMP-9 et de caveolin-1. Cette rupture de la BHE contribue par conséquent à la mort neuronale dans le thalamus, puisque la prévention des altérations cérébrovasculaires par la délétion du gène de eNOS et le NAC atténue significativement la mort neuronale. L’administration précoce d’antioxydants en combinaison avec la thiamine devrait donc être une considération importante pour le traitement du SWK.

Regulation of excitotoxicity in thiamine deficiency : role of glutamate transporters.

L’excitotoxicité est un mécanisme physiopathologique majeur impliqué dans la pathogenèse de la déficience en thiamine (DT). Dans les régions cérébrales vulnérables à la DT, on observe une mort cellulaire induite par excitotoxicité dont l’origine semble être la conséquence d’une perturbation du métabolisme énergétique mitochondrial, d’une dépolarisation membranaire soutenue et d’une diminution de l’absorption du glutamate par les astrocytes suite à la diminution de l’expression des transporteurs EAAT1 et EAAT2. Il est clairement établi que le glutamate joue un rôle central dans l’excitotoxicité lors de la DT. Ainsi, la mise en évidence des mécanismes impliqués dans la diminution de l’expression des transporteurs du glutamate est essentielle à la compréhension de la physiopathologie de la DT. L’objectif de cette thèse consiste en l’étude de la régulation des transporteurs astrocytaires du glutamate et la mise au point de stratégies thérapeutiques ciblant la pathogenèse de l’excitotoxicité lors de l’encéphalopathie consécutive à la DT. Les principaux résultats de cette thèse démontrent des perturbations des transporteurs du glutamate à la fois dans des modèles animaux de DT et dans des astrocytes en culture soumis à une DT. La DT se caractérise par la perte du variant d’épissage GLT-1b codant pour un transporteur du glutamate dans le thalamus et le colliculus inférieur, les régions cérébrales affectées lors d’une DT, en l’absence de modification des niveaux d’ARNm. Ces résultats suggèrent une régulation post-transcriptionnelle de l’expression des transporteurs du glutamate en condition de DT. Les études basées sur l’utilisation d’inhibiteurs spécifiques des facteurs de transcription NFkB et de l’enzyme nucléaire poly(ADP)ribose polymérase-1 (PARP-1) démontrent que la régulation de l’expression du transporteur GLT-1 est sous le contrôle de voies de signalisation NFkB dépendantes de PARP-1. Cette étude démontre une augmentation de l’activation de PARP-1 et de NFkB dans les régions vulnérables chez le rat soumis à une DT et en culture d’astrocytes DT. L’inhibition pharmacologique du facteur de transcription NFkB par le PDTC induit une augmentation des niveaux d’expression de GLT-1, tandis que l’inhibition de PARP-1 par le DPQ conduit à l’inhibition de l’hyperactivation de NFkB observée lors de DT. L’ensemble de ces résultats met en évidence un nouveau mécanisme de régulation des transporteurs du glutamate par l’activation de PARP-1. L’accumulation de lactate est une caractéristique de la DT. Un traitement avec le milieu de culture d’astrocytes en condition de DT sur des cultures d’astrocytes naïfs induit une diminution de l’expression de GLT-1 ainsi qu’une inhibition de la capacité d’absorption du glutamate par les astrocytes naïfs. En revanche, l’administration de lactate exogène ne modifie pas le niveau d’expression protéique de GLT-1. Ainsi, des facteurs solubles autres que le lactate sont sécrétés par des astrocytes en condition de perturbation métabolique et peuvent potentiellement réguler l’activité des transporteurs du glutamate et contribuer à la pathogenèse du syncytium astroglial. En outre, la ceftriaxone, un antibiotique de la famille des β-lactamines, augmente de façon différentielle l’expression du variant-d’épissage GLT-1 dans le colliculus inférieur chez le rat DT et en culture d’astrocytes DT. Ces résultats suggèrent que la ceftriaxone peut constituer une avenue thérapeutique dans la régulation de l’activité des transporteurs du glutamate lors de DT. Pour conclure, la mort cellulaire d’origine excitotoxique lors de DT survient en conséquence d’une dysfonction mitochondriale associée à une perturbation du métabolisme énergétique cérébral. La modification de l’expression des transporteurs du gluatamate est sous le contrôle des voies de signalisation NFkB dépendantes du facteur PARP-1. De plus, l’inhibition métabolique et l’augmentation des sécrétions de lactate observées lors de DT peuvent également constituer un autre mécanisme physiopathologique expliquant la diminution d’expression des transporteurs de glutamate. Enfin, la ceftriaxone pourrait représenter une stratégie thérapeutique potentielle dans le traitement de la régulation de l’expression des transporteurs du glutamate et de la perte neuronale associés à l’excitotoxicité observée lors de DT.

Impact de l'hypotension chez le rat avec encéphalopathie hépatique due à la maladie de foie chronique : implication pour les complications neurologiques suivant la transplantation hépatique

L’encéphalopathie hépatique (EH) est une complication neuropsychiatrique de la maladie de foie telle que la cirrhose, caractérisée par des dysfonctions cognitives et motrices. Le seul traitement curatif est la transplantation hépatique (TH). Historiquement, l’EH est considérée comme un désordre métabolique réversible et il est attendu qu’il soit résolu suivant la TH. Cependant, il a été démontré que des complications neurologiques persistent chez 47% des patients transplantés. La TH est une opération chirurgicale complexe accompagnée de stress péri-opératoire telle que la perte sanguine et l’hypotension. L’hypothèse de ce projet d’étude est que l’EH minimale (EHm) rend le cerveau plus susceptible à une perte neuronale suite à une insulte hypotensive. Nous avons donc caractérisé un modèle d’hypotension chez des rats cirrhotiques avec ligation de la voie biliaire (BDL) dans lequel une hypovolémie de l’artère fémorale a été faite. Avec ce modèle, nous avons étudié l’impact de différentes pressions sanguines de 120 minutes sur le compte neuronal. Nos résultats démontrent que les BDL hypotendus à une pression artérielle moyenne de 60 mmHg et 30 mmHg ont une diminution du compte neuronal et que les neurones mourraient par apoptose (observée par la présence de caspase-3 clivée). Nous avons également déterminé que le flot sanguin cérébral était altéré chez les rats cirrhotiques BDL. Le second objectif était d’évaluer si le traitement de l’EHm par l’ornithine phénylacétate (OP) permettait d’éviter la perte neuronale chez les BDL hypotendus. Nos résultats ont démontrés que l’OP permettait de partiellement rétablir les fonctions cognitives chez les rats BDL. De plus, les rats BDL traités avec l’OP peuvent éviter la mort neuronale. Cependant, le processus apoptotique est toujours enclenché. Ce résultat suggère la possibilité de mort cellulaire retardée par l’OP. Ces résultats suggèrent que les patients cirrhotiques avec EHm sont plus susceptibles à une mort neuronale induite par hypotension. La combinaison de l’EHm et l’hypotension permet d’expliquer les complications neurologiques rencontrées chez certains patients. Le diagnostic et le traitement de ce syndrome doit donc être fait chez les patients cirrhotiques pour éviter ces complications post-TH.

Convergencia de vías de señalización en un modelo de apoptosis

La sepsis es un evento inflamatorio generalizado del organismo inducido por un daño causado generalmente por un agente infeccioso. El patógeno más frecuentemente asociado con esta entidad es el Staphylococcus aureus, responsable de la inducción de apoptosis en células endoteliales debida a la producción de ceramida. Se ha descrito el efecto protector de la proteína C activada (PCA) en sepsis y su relación con la disminución de la apoptosis de las células endoteliales. En este trabajo se analizó la activación de las quinasas AKT, ASK1, SAPK/JNK y p38 en un modelo de apoptosis endotelial usando las técnicas de Western Blotting y ELISA. Las células endoteliales (EA.hy926), se trataron con C2-ceramida (130μM) en presencia de inhibidores químicos de cada una de estas quinasas y PCA. La supervivencia de las células en presencia de inhibidores químicos y PCA fue evaluada por medio de ensayos de activación de las caspasas 3, 7 y 9, que verificaban la muerte celular por apoptosis. Los resultados evidencian que la ceramida reduce la activación de AKT y aumenta la activación de las quinasas ASK, SAPK/JNK y p38, en tanto que PCA ejerce el efecto contrario. Adicionalmente se encontró que la tiorredoxina incrementa la activación/fosforilación de AKT, mientras que la quinasa p38 induce la defosforilación de AKT.

Neuropathology and behavioral impairments after three types of global ischemia surgery in Meriones unguiculatus: Evidence in motor cortex, hippocampal CA1 region and the neostriatum

The effects of three types of global ischemia by occlusion of carotid artery on motor and exploratory behaviors of Gerbils were evaluated by the Activity Cage and Rota rod tests. Animals were divided based on two surgical criteria: unilateral (UNI) or bilateral (BIL) carotid occlusion, with (REP) or without (OCL) reperfusion; and their behavior was evaluated on the fourth (4) or sixth (6) day. There was reduction of cell number in striatum, motor cortex M1 area, and hippocampal CA1 area in all groups in comparison to control animals. For M1 area and striatum, the largest reduction was observed in UNI6, UNI4, and BIL4 groups. Neuronal loss was also observed in CA1 area of BIL4 rodents. There was a decrease in crossings and rearings in all groups in activity cage test, compared to control. Reperfusion, unilateral and bilateral occlusion groups showed decrease in crossings. Only the BIL4 showed a decrease of rearing. In the Rota rod test, except the UNIOCL6, the groups showed a decrease in the balance in comparison to control. Both groups with REP4 showed a major decrease in balance. These findings suggest that both unilateral and bilateral carotid occlusions with reperfusion produce impairments of motor and exploratory behavior. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

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.

The neurovascular unit as a selective barrier to polymorphonuclear granulocyte (PMN) infiltration into the brain after ischemic injury

The migration of polymorphonuclear granulocytes (PMN) into the brain parenchyma and release of their abundant proteases are considered the main causes of neuronal cell death and reperfusion injury following ischemia. Yet, therapies targeting PMN egress have been largely ineffective. To address this discrepancy we investigated the temporo-spatial localization of PMNs early after transient ischemia in a murine transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO) model and human stroke specimens. Using specific markers that distinguish PMN (Ly6G) from monocytes/macrophages (Ly6C) and that define the cellular and basement membrane boundaries of the neurovascular unit (NVU), histology and confocal microscopy revealed that virtually no PMNs entered the infarcted CNS parenchyma. Regardless of tMCAO duration, PMNs were mainly restricted to luminal surfaces or perivascular spaces of cerebral vessels. Vascular PMN accumulation showed no spatial correlation with increased vessel permeability, enhanced expression of endothelial cell adhesion molecules, platelet aggregation or release of neutrophil extracellular traps. Live cell imaging studies confirmed that oxygen and glucose deprivation followed by reoxygenation fail to induce PMN migration across a brain endothelial monolayer under flow conditions in vitro. The absence of PMN infiltration in infarcted brain tissues was corroborated in 25 human stroke specimens collected at early time points after infarction. Our observations identify the NVU rather than the brain parenchyma as the site of PMN action after CNS ischemia and suggest reappraisal of targets for therapies to reduce reperfusion injury after stroke.

Multiple pathways of neuroprotection against oxidative stress and excitotoxic injury in immature primary hippocampal neurons

In the immature brain hydrogen peroxide accumulates after excitotoxic hypoxia-ischemia and is neurotoxic. Immature hippocampal neurons were exposed to N-methyl-D-aspartate (NMDA), a glutamate agonist, and hydrogen peroxide (H(2)O(2)) and the effects of free radical scavenging and transition metal chelation on neurotoxicity were studied. alpha-Phenyl-N-tert.-butylnitrone (PBN), a known superoxide scavenger, attenuated both H(2)O(2) and NMDA mediated toxicity. Treatment with desferrioxamine (DFX), an iron chelator, at the time of exposure to H(2)O(2) was ineffective, but pretreatment was protective. DFX also protected against NMDA toxicity. TPEN, a metal chelator with higher affinities for a broad spectrum of transition metal ions, also protected against H(2)O(2) toxicity but was ineffective against NMDA induced toxicity. These data suggest that during exposure to free radical and glutamate agonists, the presence of iron and other free metal ions contribute to neuronal cell death. In the immature nervous system this neuronal injury can be attenuated by free radical scavengers and metal chelators.

PreImplantation factor promotes neuroprotection by targeting microRNA let-7

Dysfunction and loss of neurons are the major characteristics of CNS disorders that include stroke, multiple sclerosis, and Alzheimer's disease. Activation of the Toll-like receptor 7 by extracellular microRNA let-7, a highly expressed microRNA in the CNS, induces neuronal cell death. Let-7 released from injured neurons and immune cells acts on neighboring cells, exacerbating CNS damage. Here we show that a synthetic peptide analogous to the mammalian PreImplantation factor (PIF) secreted by developing embryos and which is present in the maternal circulation during pregnancy inhibits the biogenesis of let-7 in both neuronal and immune cells of the mouse. The synthetic peptide, sPIF, destabilizes KH-type splicing regulatory protein (KSRP), a key microRNA-processing protein, in a Toll-like receptor 4 (TLR4)-dependent manner, leading to decreased production of let-7. Furthermore, s.c. administration of sPIF into neonatal rats following hypoxic-ischemic brain injury robustly rescued cortical volume and number of neurons and decreased the detrimental glial response, as is consistent with diminished levels of KSRP and let-7 in sPIF-treated brains. Our results reveal a previously unexpected mechanism of action of PIF and underscore the potential clinical utility of sPIF in treating hypoxic-ischemic brain damage. The newly identified PIF/TLR4/KSRP/let-7 regulatory axis also may operate during embryo implantation and development.

Early brain injury linearly correlates with reduction in cerebral perfusion pressure during the hyperacute phase of subarachnoid hemorrhage

BACKGROUND It is unclear how complex pathophysiological mechanisms that result in early brain injury (EBI) after subarachnoid hemorrhage (SAH) are triggered. We investigate how peak intracranial pressure (ICP), amount of subarachnoid blood, and hyperacute depletion of cerebral perfusion pressure (CPP) correlate to the onset of EBI following experimental SAH. METHODS An entire spectrum of various degrees of SAH severities measured as peak ICP was generated and controlled using the blood shunt SAH model in rabbits. Standard cardiovascular monitoring, ICP, CPP, and bilateral regional cerebral blood flow (rCBF) were continuously measured. Cells with DNA damage and neurodegeneration were detected using terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling (TUNEL) and Fluoro-jade B (FJB). RESULTS rCBF was significantly correlated to reduction in CPP during the initial 15 min after SAH in a linear regression pattern (r (2) = 0.68, p < 0.001). FJB- and TUNEL-labeled cells were linearly correlated to reduction in CPP during the first 3 min of hemorrhage in the hippocampal regions (FJB: r (2) = 0.50, p < 0.01; TUNEL: r (2) = 0.35, p < 0.05), as well as in the basal cortex (TUNEL: r (2) = 0.58, p < 0.01). EBI occurred in animals with severe (relative CPP depletion >0.4) and moderate (relative CPP depletion >0.25 but <0.4) SAH. Neuronal cell death was equally detected in vulnerable and more resistant brain regions. CONCLUSIONS The degree of EBI in terms of neuronal cell degeneration in both the hippocampal regions and the basal cortex linearly correlates with reduced CPP during hyperacute SAH. Temporary CPP reduction, however, is not solely responsible for EBI but potentially triggers processes that eventually result in early brain damage.

Microglial activation precedes acute neurodegeneration in Sandhoff disease and is suppressed by bone marrow transplantation

Sandhoff disease is a lysosomal storage disorder characterized by the absence of β-hexosaminidase and storage of GM2 ganglioside and related glycolipids in the central nervous system. The glycolipid storage causes severe neurodegeneration through a poorly understood pathogenic mechanism. In symptomatic Sandhoff disease mice, apoptotic neuronal cell death was prominent in the caudal regions of the brain. cDNA microarray analysis to monitor gene expression during neuronal cell death revealed an upregulation of genes related to an inflammatory process dominated by activated microglia. Activated microglial expansion, based on gene expression and histologic analysis, was found to precede massive neuronal death. Extensive microglia activation also was detected in a human case of Sandhoff disease. Bone marrow transplantation of Sandhoff disease mice suppressed both the explosive expansion of activated microglia and the neuronal cell death without detectable decreases in neuronal GM2 ganglioside storage. These results suggest a mechanism of neurodegeneration that includes a vigorous inflammatory response as an important component. Thus, this lysosomal storage disease has parallels to other neurodegenerative disorders, such as Alzheimer's and prion diseases, where inflammatory processes are believed to participate directly in neuronal cell death.

Excitotoxicity in the lung: N-methyl-D-aspartate-induced, nitric oxide-dependent, pulmonary edema is attenuated by vasoactive intestinal peptide and by inhibitors of poly(ADP-ribose) polymerase.

Excitatory amino acid toxicity, resulting from overactivation of N-methyl-D-aspartate (NMDA) glutamate receptors, is a major mechanism of neuronal cell death in acute and chronic neurological diseases. We have investigated whether excitotoxicity may occur in peripheral organs, causing tissue injury, and report that NMDA receptor activation in perfused, ventilated rat lungs triggered acute injury, marked by increased pressures needed to ventilate and perfuse the lung, and by high-permeability edema. The injury was prevented by competitive NMDA receptor antagonists or by channel-blocker MK-801, and was reduced in the presence of Mg2+. As with NMDA toxicity to central neurons, the lung injury was nitric oxide (NO) dependent: it required L-arginine, was associated with increased production of NO, and was attenuated by either of two NO synthase inhibitors. The neuropeptide vasoactive intestinal peptide and inhibitors of poly(ADP-ribose) polymerase also prevented this injury, but without inhibiting NO synthesis, both acting by inhibiting a toxic action of NO that is critical to tissue injury. The findings indicate that: (i) NMDA receptors exist in the lung (and probably elsewhere outside the central nervous system), (ii) excessive activation of these receptors may provoke acute edematous lung injury as seen in the "adult respiratory distress syndrome," and (iii) this injury can be modulated by blockade of one of three critical steps: NMDA receptor binding, inhibition of NO synthesis, or activation of poly(ADP-ribose) polymerase.

Molecular design of the N-methyl-D-aspartate receptor binding site for phencyclidine and dizolcipine.

The N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR), a pivotal entity for synaptic plasticity and excitotoxicity in the brain, is a target of psychotomimetic drugs such as phencyclidine (PCP) and dizolcipine (MK-801). In contrast, a related glutamate receptor, the alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate/kainate receptor GluR1, is weakly sensitive to these drugs. Three point mutations on GluR1, mimicking homologous residues on the NMDAR, confer the PCP and MK-801 blockade properties that are characteristic of the NMDAR--namely, high potency, voltage dependence, and use dependence. The molecular determinants that specify the PCP block appear confined to the putative M2 transmembrane segment, whereas the sensitivity to MK-801 requires an interplay between residues from M2 and M3. Given the plausible involvement of the NMDAR in the etiology of several neurodegenerative diseases and in excitotoxic neuronal cell death, tailored glutamate receptors with specific properties may be models for designing and screening new drugs targeted to prevent glutamate-mediated neural damage.

Does the p75 neurotrophin receptor mediate A beta-induced toxicity in Alzheimer's disease?

Alzheimer's disease is characterized by the over-production and accumulation of amyloidogenic A beta peptide, which can induce cell death in vitro. It has been suggested that the death signal could be transduced by the pan neurotrophin receptor (p75NTR). p75NTR is well known for its ability to mediate neuronal death in neurodegenerative conditions and is inextricably linked with changes that occur in Alzheimer's disease. Moreover, A beta binds to p75NTR, activating signalling cascades. However, the complexity of p75NTR-mediated signalling, which does not always promote cell death, leaves open the possibly of A beta promoting death via an alternative signalling pathway or the regulation of other p75NTR-mediated actions. This review focuses on the interactions between A beta and p75NTR in the context of the broader p75NTR signalling field, and offers alternative explanations for how p75NTR might contribute to the aetiology of Alzheimer's disease.

Progesterone attenuates microglial-driven retinal degeneration and stimulates protective Fractalkine-CX3CR1 signaling

Retinitis pigmentosa (RP) is a degenerative disease leading to photoreceptor cell loss. Mouse models of RP, such as the rd10 mouse (B6.CXBl-Pde6brd10/J), have enhanced our understanding of the disease, allowing for development of potential therapeutics. In 2011, our group first demonstrated that the synthetic progesterone analogue ‘Norgestrel’ is neuroprotective in two mouse models of retinal degeneration, including the rd10 mouse. We have since elucidated several mechanisms by which Norgestrel protects stressed photoreceptors, such as upregulating growth factors. This study consequently aimed to further characterize Norgestrel’s neuroprotective effects. Specifically, we sought to investigate the role that microglia might play; for microglial-derived inflammation has been shown to potentiate neurodegeneration. Dams of post-natal day (P) 10 rd10 pups were given a Norgestrel-supplemented diet (80mg/kg). Upon weaning, pups remained on Norgestrel. Tissue was harvested from P15-P50 rd10 mice on control or Norgestrel-supplemented diet. Norgestrel-diet administration provided significant retinal protection out to P40 in rd10 mice. Alterations in microglial activity coincided with significant protection, implicating microglial changes in Norgestrel-induced neuroprotection. Utilizing primary cultures of retinal microglia and 661W photoreceptor-like cells, we show that rd10 microglia drive neuronal cell death. We reveal a novel role of Norgestrel, acting directly on microglia to reduce pro-inflammatory activation and prevent neuronal cell death. Norgestrel effectively suppresses cytokine, chemokine and danger-associated molecular pattern molecule (DAMP) expression in the rd10 retina. Remarkably, Norgestrel upregulates fractalkine-CX3CR1 signaling 1 000-fold at the RNA level, in the rd10 mouse. Fractalkine-CX3CR1 signaling has been shown to protect neurons by regulating retinal microglial activation and migration. Ultimately, these results present Norgestrel as a promising treatment for RP, with dual actions as a neuroprotective and anti-inflammatory agent in the retina.