Melanopsin Retinal Ganglion Cells: relevance to circadian rhythms and sleep in neurodegeneration

In this PhD thesis 3 projects were addressed focusing on the melanopsin retinal ganglion cells (mRGCs) system and its relevance for circadian rhythms and sleep in neurodegeneration. The first project was aimed at completing the characterization of mRGCs system in hereditary optic neuropathies (LHON and DOA). We confirmed that mRGCs are relatively spared also in post-mortem retinal specimens of a DOA case and pupillometric evaluation of LHON patients showed preservation of the pupillary light reflex, with attenuated responses compared to controls. Cell studies failed to indicate a protective role exerted by melanopsin itself. The second project was aimed at characterizing the possible occurrence of optic neuropathy and rest-activity circadian rhythm dysfunction in Alzheimer (AD) and Parkinson disease (PD), as well as, at histological level, the possible involvement of mRGCs in AD. OCT studies demonstrated a subclinical optic neuropathy in both AD and PD patients, with a different pattern involving the superior and nasal quadrants in AD and the temporal quadrant in PD. Actigraphic studies demonstrated a tendency towards an increased intradaily variability (IV) and reduced relative amplitude (RA) of rest-activity circadian rhythm in AD and a significant increased IV a reduced RA in PD. Immunohistochemical analysis of post-mortem retinal specimens and optic nerve cross-sections of neuropathologically confirmed AD cases demonstrated a significant loss of mRGCs and a nearly significant loss of axons in AD compared to controls. The mRGCs were affected in AD independently from age and magnitude of axonal loss. Overall these results suggest a role of the mRGCs system in the pathogenesis of circadian dysfunction in AD. The third project was aimed at evaluating the possible association between a single nucleotide polymorphism of the OPN4 gene and chronotype or SAD, failing to find any significant association with chronotype, but showing a non-significant increment of TT genotype in SAD.

Klonale Analysen im embryonalen Gehirn von Drosophila mit besonderem Fokus auf die Entwicklung der Pilzkörper

Eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der Spezifizierungsmechanismen unterschiedlicher Zelltypen im embryonalen Gehirn ist die detaillierte Kenntnis des neuroektodermalen Ursprungs seiner neuralen Stammzellen (Neuroblasten, NB), sowie der Morphologie und zellulären Komposition der daraus hervorgehenden Zellstammbäume (ZSBe). In der vorliegenden Arbeit wurde die Entstehung und Topologie von 21 embryonalen ZSBen im anteriorsten Gehirnteil, dem Protocerebrum, charakterisiert, mit besonderem Fokus auf solche ZSBe, die den Pilzkörper konstituieren. Pilzkörper sind prominente, paarige Neuropilzentren, die eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung olfaktorischer Informationen, beim Lernen und bei der Gedächtnisbildung spielen. In dieser Arbeit konnte erstmalig die Embryonalentwicklung der Pilzkörper ab dem Zeitpunkt der Entstehung ihrer NBen im procephalen Neuroektoderm (pNE), bis hin zum funktionellen Gehirnzentrum in der frühen Larve auf Ebene individueller ZSBe bzw. einzelner Neurone beschrieben werden. Mittels der klonalen Di-Markierungstechnik konnte ich zeigen, dass die vier NBen der Pilzkörper (PKNBen) jeder Gehirnhemisphäre innerhalb des NE aus dem ventralen Bereich der mitotischen Domäne B (δB) hervorgehen. Ein in diesem Bereich liegendes proneurales Feld beherbergt etwa 10-12 Zellen, die alle das Potential haben sich zu PKNBen zu entwickeln. Des Weiteren zeigen diese Untersuchungen, dass die PKNBen (und weitere NBen der δB) aus benachbarten NE-Zellen hervorgehen. Dieser Befund impliziert, dass der Mechanismus der lateralen Inhibition in diesem Bereich des NE keine Rolle spielt. Weiterhin stellte sich heraus, dass jeder PKNB eine ihm eigene Position im sich entwickelnden Pilzkörperkortex besetzt und eine spezifische Kombination der Transkriptionsfaktoren Dachshund, Eyeless und Retinal homeobox exprimiert. Dadurch konnte jeder der vier PKNBen in den betreffenden frühembryonalen NB-Karten einem der ca. 105 NBen pro Gehirnhemisphäre zugeordnet werden. Die PKNBen bringen individuelle ZSBe hervor, die Pilzkörper-intrinsische γ-Neurone beinhalten, aber auch jeweils charakteristische Sets an Interneuronen, die nicht am Aufbau des Pilzkörpers beteiligt sind. Diese verschiedenen Neuronentypen entstehen in einer zeitlichen Abfolge, die für jeden PKNBen spezifisch ist. Ihre embryonalen ZSBe sind aber nicht nur durch individuelle Sets an frühgeborenen ni-Neuronen charakterisiert, sondern auch durch spezifische Unterschiede in der Anzahl ihrer γ-Neurone, welche jedoch, wie ich zeigen konnte, nicht durch Apoptose reguliert wird. Weiterhin konnte ich zeigen, dass γ-Neurone, in einer PKNB Klon-abhängigen Weise, spezifische Unterschiede in der räumlich-zeitlichen Innervation des Pedunkels, der Calyx und der Loben aufweisen. Im Weiteren wurde die Expression verschiedener molekularer Marker in diesen ZSBen charakterisiert, u.a. die Expression verschiedener Gal4-Fliegenstämme, und solcher Transkriptionsfaktoren, die eine wichtige Rolle bei der temporären Spezifizierung im VNS spielen. So werden hb, Kr, pdm1 auch in Nachkommenzellen der PKNBen exprimiert und haben möglicherweise eine Funktion bei ihrer temporären Spezifizierung. Diese Arbeit gibt auch erstmalig Einblick in die vollständige spätembryonale/frühlarvale Morphologie anderer protocerebraler Gehirnzellstammbäume aus δB und δ1. Die Beschreibungen dieser ZSBe beinhalten Angaben zu deren Zellzahl, Zelltypen, der Lage der ZSBe im Gehirn, axonalen/dendritischen Projektionsmustern sowie dem Entstehungsort des NBen.

Intraflagellar transport in the developing and mature vertebrate retina

Intraflagellar transport (IFT) is required for the assembly and maintenance of cilia. In this study we analyzed the subcellular localization of IFT proteins in retinal cells by correlative high-resolution immunofluorescence and immunoelectron microscopy. The rod photoreceptor cell was used as a model system to analyze protein distribution in cilia. To date the expression of IFT proteins has been described in the ciliary region without deciphering the precise spatial and temporal subcellular localization of IFT proteins, which was the focus of my work. rnThe establishment of the pre-embedding immunoelectron method was an important first step for the present doctoral thesis. Results of this work reveal the differential localization of IFT20, IFT52, IFT57, IFT88, IFT140 in sub-ciliary compartments and also their presence in non-ciliary compartments of retinal photoreceptor cells. Furthermore, the localization of IFT20, IFT52 and IFT57 in dendritic processes of non-ciliated neurons indicates that IFT protein complexes also operate in non-ciliated cells and may participate in intracellular vesicle trafficking in eukaryotic cells in general.rnIn addition, we have investigated the involvement of IFT proteins in the ciliogenesis of vertebrate photoreceptor cilia. Electron microscopy analyses revealed six morphologically distinct stages. The first stages are characterized by electron dense centriolar satellites and a ciliary vesicle, while the formation of a ciliary shaft and of the light sensitive outer segment disks are features of the later stages. IFT proteins were expressed during all stages of photoreceptor cell development and found to be associated with the ciliary apparatus. In addition to the centriole and basal body IFT proteins are present in the photoreceptor cytoplasm, associated with centriolar satellites, post-Golgi vesicles and with the ciliary vesicle. Therewith the data provide an evidence for the involvement of IFT proteins during ciliogenesis, including the formation of the ciliary vesicle and the elongation of the primary cilium of photoreceptor cells. Moreover, the cytoplasmic localization of IFT proteins in the absence of a ciliary shaft in early stages of ciliogenesis indicates roles of IFT proteins beyond their well-established function for IFT in mature cilia and flagella. rn

Signalling mechanisms affecting regulated neurotrophin secretion in hippocampal neurons

Die Neurotrophine aus Säugetiere BDNF und NT-3 sind von Neuronen sekretierte Wachstumsfaktoren. Ferner sind Neurotrophine in verschiedene Formen der aktivitätsabhängigen synaptische Plastizität involviert. Obwohl die Ausschüttung von Neurotrophine aus Synapsen beschrieben worden ist, sind die intrazellulären Signalkaskaden, die die synaptische Ausschüttung von Neurotrophine regulieren, bei weitem nicht verstanden. Deswegen ist die Analyse der Sekretion von Neurotrophine auf subzellulärer Ebene erforderlich, um die genaue Rolle von präsynaptische und postsynaptische NT-Sekretion in der synaptischen Plastizität aufzudecken. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kulturen von dissoziierten hippocampalen Neuronen aus Ratten mit grün fluoreszierenden Protein-markierten Konstrukten von BDNF und NT-3 transfiziert und Neurotrophine-enthaltenden Vesikeln durch die Colokalisierung mit dem cotransfizierten postsynaptischen Marker PSD-95-DsRed an glutamatergen Synapsen identifiziert. Depolarisationsinduzierte Sekretion von BDNF und NT-3 wurde per Direktaufnahme am Fluoreszenzmikroskop beobachtet. Die unvermittelte postsynaptische Depolarisation mit erhöhtem Kalium, in Gegenwart von Inhibitoren der synaptischen Transmission, erlaubte die Untersuchung der Signalwege, die am postsynaptischen Sekretionsprozess der Neurotrophinvesikel beteiligt sind. Es konnte gezeigt werden, dass die depolarisationsinduzierte postsynaptische Ausschüttung der Neurotrophine durch Calcium-Einstrom ausgelöst wird, entweder über L-Typ-spannungsabhängige Calcium-Kanäle oder über NMDA-Rezeptoren. Eine anschließende Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Speichern über Ryanodin-Rezeptoren ist für den Sekretionsprozess erforderlich. Die postsynaptische Neurotrophinausschüttung wird durch KN-62 und KN-93 gehemmt, was auf eine unmittelbare Abhängigkeit von aktiver alpha-Calcium-Calmodulin-abhängige Proteinkinase II (CaMKII) hinweist. Der Inhibitor der cAMP/Proteinkinase A (PKA), Rp-cAMP-S, sowie der NO-Donor, SNP, minderten die Neurotrophinausschüttung. Hingegen blieben die Erhöhung des intrazellulären cAMP und der NO-Synthase-Inhibitor L-NMMA ohne Wirkung. Mit dem Trk-Inhibitor K252a konnte gezeigt werden, dass autokrine Neurotrophin-induzierte Neurotrophinausschüttung nicht an der synaptischen Freisetzung der Neurotrophine beiträgt und, dass BDNF seine eigene postsynaptische Sekretion nicht auslöst. Freisetzungsexperimente mit dem Fluoreszenz-Quencher Bromphenolblau konnten den Nachweis erbringen, dass asynchrone und anhaltende Fusionsporenöffnung von Neurotrophinvesikeln während der Sekretion stattfindet. Wegen der im Vergleich zum komplexen Sekretionsprozess schnellen Fusionsporenöffnung, scheint die Freisetzungsgeschwindigkeit von Neurotrophine durch ihre Diffusion aus dem Vesikel begrenzt. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse eine starke Abhängigkeit der aktivitätsabhängigen postsynaptischen Neurotrophinausschüttung vom Calcium-Einstrom, von der Freisetzung von Calcium aus internen Speichern, von der Aktivierung der CaMKII und einem intakten Funktion der PKA, während der Trk-Signalweg, die Aktivierung von Natrium-Kanäle und NO-Signale nicht erforderlich sind.

Turning placenta into brain: placental mesenchymal stem cells differentiate into neurons and oligodendrocytes

We aimed to induce neural stem (NSC) and progenitor cells (NPC) from human placental tissues.

Retinal overexpression of angiopoietin-2 mimics diabetic retinopathy and enhances vascular damages in hyperglycemia

Our previous data suggested that angiopoietin-2 (Ang-2) is linked to pericyte loss, thereby playing an important role in diabetic retinopathy. In this study, we investigated the effect of retinal overexpression of human Ang-2 (mOpsinhAng2 mouse) on vascular morphology in non-diabetic and streptozotozin-induced diabetic animals. Pericyte (PC) coverage and acellular capillary (AC) formation were quantitated in retinal digest preparations after 3 and 6 months of diabetes duration. The degree of retinopathy in non-diabetic mOpsinhAng2 mice at 3 months (-21% PC, +49% AC) was comparable to age-matched diabetic wild type mice. Diabetic mOpsinhAng2 mice exhibited significantly worse vascular pathology than wild type counterparts at 6 months. Quantitative PCR revealed that human Ang-2 mRNA was highly overexpressed in retinas of transgenic mice. Our data demonstrate that overexpression of Ang-2 in the retina enhances vascular pathology, indicating that Ang-2 plays an essential role in diabetic vasoregression via destabilization of pericytes.

Multimodal Registration Procedure for the Initial Spatial Alignment of a Retinal Video Sequence to a Retinal Composite Image

Accurate placement of lesions is crucial for the effectiveness and safety of a retinal laser photocoagulation treatment. Computer assistance provides the capability for improvements to treatment accuracy and execution time. The idea is to use video frames acquired from a scanning digital ophthalmoscope (SDO) to compensate for retinal motion during laser treatment. This paper presents a method for the multimodal registration of the initial frame from an SDO retinal video sequence to a retinal composite image, which may contain a treatment plan. The retinal registration procedure comprises the following steps: 1) detection of vessel centerline points and identification of the optic disc; 2) prealignment of the video frame and the composite image based on optic disc parameters; and 3) iterative matching of the detected vessel centerline points in expanding matching regions. This registration algorithm was designed for the initialization of a real-time registration procedure that registers the subsequent video frames to the composite image. The algorithm demonstrated its capability to register various pairs of SDO video frames and composite images acquired from patients.

Reproducibility of retinal thickness measurements in patients with age-related macular degeneration using 3D Fourier-domain optical coherence tomography (OCT) (Topcon 3D-OCT 1000)

Conventional time-domain optical coherence tomography (OCT) has become an important tool for following dry or exudative age-related macular degeneration (AMD). Fourier-domain three-dimensional (3D) OCT was recently introduced. This study tested the reproducibility of 3D-OCT retinal thickness measurements in patients with dry and exudative AMD.

Angiotensinergic and noradrenergic neurons in the rat and human heart

Although the physiological and pharmacological evidences suggest a role for angiotensin II (Ang II) with the mammalian heart, the source and precise location of Ang II are unknown. To visualize and quantitate Ang II in atria, ventricular walls and interventricular septum of the rat and human heart and to explore the feasibility of local Ang II production and function, we investigated by different methods the expression of proteins involved in the generation and function of Ang II. We found mRNA of angiotensinogen (Ang-N), of angiotensin converting enzyme, of the angiotensin type receptors AT(1A) and AT(2) (AT(1B) not detected) as well as of cathepsin D in any part of the hearts. No renin mRNA was traceable. Ang-N mRNA was visualized by in situ hybridization in atrial ganglial neurons. Ang II and dopamine- -hydroxylase (D H) were either colocalized inside the same neuronal cell or the neurons were specialized for Ang II or D H. Within these neurons, the vesicular acetylcholine transporter (VAChT) was neither colocalized with Ang II nor D H, but VAChT-staining was found with synapses en passant encircle these neuronal cells. The fibers containing Ang II exhibited with blood vessels and with cardiomyocytes supposedly angiotensinergic synapses en passant. In rat heart, right atrial median Ang II concentration appeared higher than septal and ventricular Ang II. The distinct colocalization of neuronal Ang II with D H in the heart may indicate that Ang II participates together with norepinephrine in the regulation of cardiac functions: Produced as a cardiac neurotransmitter Ang II may have inotropic, chronotropic or dromotropic effects in atria and ventricles and contributes to blood pressure regulation.

Predictors of Short-Term Visual Outcome after Anti-VEGF Therapy of Macular Edema due to Central Retinal Vein Occlusion

The purpose of this study was to analyze predictive factors for best-corrected visual acuity (BCVA) after anti-VEGF treatment in patients with macular edema (ME) secondary to central retinal vein occlusion (CRVO).