Heme oxygenase-1 protects against Alzheimer’s amyloid-β1-42 induced toxicity via carbon monoxide production

Heme oxygenase-1 (HO-1), an inducible enzyme up-regulated in Alzheimer‟s disease (AD), catabolises heme to biliverdin, Fe2+ and carbon monoxide (CO). CO can protect neurones from oxidative stress-induced apoptosis by inhibiting Kv2.1 channels, which mediate cellular K+ efflux as an early step in the apoptotic cascade. Since apoptosis contributes to the neuronal loss associated with amyloid β peptide (Aβ) toxicity in AD, we investigated the protective effects of HO-1 and CO against Aβ1-42 toxicity in SH-SY5Y cells, employing cells stably transfected with empty vector or expressing the cellular prion protein, PrPc, and rat primary hippocampal neurons. Aβ1-42 (containing protofibrils) caused a concentrationdependent decrease in cell viability, attributable at least in part to induction of apoptosis, with the PrPc expressing cells showing greater susceptibility to Aβ1-42 toxicity. Pharmacological induction or genetic over-expression of HO-1 significantly ameliorated the effects of Aβ1-42. The CO-donor CORM-2 protected cells against Aβ1-42 toxicity in a concentration-dependent manner. Electrophysiological studies revealed no differences in the outward current pre- and post-Aβ1-42 treatment suggesting that K+ channel activity is unaffected in these cells. Instead, Aβ toxicity was reduced by the L-type Ca2+ channel blocker nifedipine, and by the CaMKKII inhibitor, STO-609. Aβ also activated the downstream kinase, AMP-dependent protein kinase (AMPK). CO prevented this activation of AMPK. Our findings indicate that HO-1 protects against Aβ toxicity via production of CO. Protection does not arise from inhibition of apoptosis-associated K+ efflux, but rather by inhibition of AMPK activation, which has been recently implicated in the toxic effects of Aβ. These data provide a novel, beneficial effect of CO which adds to its growing potential as a therapeutic agent.

TRPV1 receptors are involved in protein nitration and Muller cell reaction in the acutely axotomized rat retina

We report here the protein expression of TRPV1 receptor in axotomized rat retinas and its possible participation in mechanisms involved in retinal ganglion cell (RGC) death. Adult rats were subjected to unilateral, intraorbital axotomy of the optic nerve, and the retinal tissue was removed for further processing. TRPV1 total protein expression decreased progressively after optic nerve transection, reaching 66.2% of control values 21 days after axotomy. The number of cells labeled for TRPV1 in the remnant GCL decreased after 21 days post-lesion (to 63%). Fluoro-jade B staining demonstrated that the activation of TRPV1 in acutely-lesioned eyes elicited more intense neuronal degeneration in the GCL and in the inner nuclear layer than in sham-operated retinas. A single intraocular injection of capsazepine (100 mu M), a TRPV1 antagonist, 5 days after optic nerve lesion, decreased the number of GFAP-expressing Muller cells (72.5% of control values) and also decreased protein nitration in the retinal vitreal margin (75.7% of control values), but did not affect lipid peroxidation. Furthermore, retinal explants were treated with capsaicin (100 mu M), and remarkable protein nitration was then present, which was reduced by blockers of the constitutive and inducible nitric oxide synthases (7-NI and aminoguanidine, respectively). TRPV1 activation also increased GFAP expression, which was reverted by both TRPV1 antagonism with capsazepine and by 7-NI and aminoguanidine. Given that Muller cells do not express TRPV1, we suppose that the increased GFAP expression in these cells might be elicited by TRPV1 activation and by its indirect effect upon nitric oxide overproduction and peroxynitrite formation. We incubated Fluorogold pre-labeled retinal explants in the presence of capsazepine (1 mu M) during 48 h. The numbers of surviving RGCs stained with fluorogold and the numbers of apoptotic cells in the GCL detected with TUNEL were similar in lesioned and control retinas. We conclude that TRPV1 receptor expression decreased after optic nerve injury due to death of TRPV1-containing cells. Furthermore, these data indicate that TRPV1 might be involved in intrinsic protein nitration and Muller cell reaction observed after optic nerve injury. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Morphine peripheral analgesia depends on activation of the PI3K gamma/AKT/nNOS/NO/K(ATP) signaling pathway

Morphine is one of the most prescribed and effective drugs used for the treatment of acute and chronic pain conditions. In addition to its central effects, morphine can also produce peripheral analgesia. However, the mechanisms underlying this peripheral action of morphine have not yet been fully elucidated. Here, we show that the peripheral antinociceptive effect of morphine is lost in neuronal nitric-oxide synthase null mice and that morphine induces the production of nitric oxide in primary nociceptive neurons. The activation of the nitric-oxide pathway by morphine was dependent on an initial stimulation of PI3K gamma/AKT protein kinase B (AKT) and culminated in increasedactivation of K(ATP) channels. In the latter, this intracellular signaling pathway might cause a hyperpolarization of nociceptive neurons, and it is fundamental for the direct blockade of inflammatory pain by morphine. This understanding offers new targets for analgesic drug development.

Metabolic oxidative stress elicited by the copper(II) complex [Cu(isaepy)(2)] triggers apoptosis in SH-SY5Y cells through the induction of the AMP-activated protein kinase/p38(MAPK)/p53 signalling axis: evidence for a combined use with 3-bromopyruvate in neuroblastoma treatment

We have demonstrated previously that the complex bis[(2-oxindol-3-ylimino)-2-(2-aminoethyl)pyridine-N,N`]copper(II), named [Cu(isaepy)(2)], induces AMPK (AMP-activated protein kinase)-dependent/p53-mediated apoptosis in tumour cells by targeting mitochondria. In the present study, we found that p38(MAPK) (p38 mitogen-activated protein kinase) is the molecular link in the phosphorylation cascade connecting AMPK to p53. Transfection of SH-SY5Y cells with a dominant-negative mutant of AMPK resulted in a decrease in apoptosis and a significant reduction in phospho-active p38(MAPK) and p53. Similarly, reverse genetics of p38(MAPK) yielded a reduction in p53 and a decrease in the extent of apoptosis, confirming an exclusive hierarchy of activation that proceeds via AMPK/p38(MAPK)/p53. Fuel supplies counteracted [Cu(isaepy)(2)]-induced apoptosis and AMPK/p38(MAPK)/p53 activation, with glucose being the most effective, suggesting a role for energetic imbalance in [Cu(isaepy)(2)] toxicity. Co-administration of 3BrPA (3-bromopyruvate), a well-known inhibitor of glycolysis, and succinate dehydrogenase, enhanced apoptosis and AMPK/p38(MAPK)/p53 signalling pathway activation. Under these conditions, no toxic effect was observed in SOD (superoxide dismutase)-overexpressing SH-SY5Y cells or in PCNs (primary cortical neurons), which are, conversely, sensitized to the combined treatment with [Cu(isaepy)(2)] and 3BrPA only if grown in low-glucose medium or incubated with the glucose-6-phosphate dehydrogenase inhibitor dehydroepiandrosterone. Overall, the results suggest that NADPH deriving from the pentose phosphate pathway contributes to PCN resistance to [Cu(isaepy)(2)] toxicity and propose its employment in combination with 3BrPA as possible tool for cancer treatment.

Gene profiling reveals hydrogen sulphide recruits death signaling via the N-methyl-D-aspartate receptor identifying commonalities with excitotoxicity

Recently the role of hydrogen sulphide (H₂S) as a gasotransmitter stimulated wide interest owing to its involvement in Alzheimer's disease and ischemic stroke. Previously we demonstrated the importance of functional ionotropic glutamate receptors (GluRs) by neurons is critical for H₂S-mediated dose- and time-dependent injury. Moreover N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) antagonists abolished the consequences of H₂S-induced neuronal death. This study focuses on deciphering the downstream effects activation of NMDAR on H₂S-mediated neuronal injury by analyzing the time-course of global gene profiling (5, 15, and 24 h) to provide a comprehensive description of the recruitment of NMDAR-mediated signaling. Microarray analyses were performed on RNA from cultured mouse primary cortical neurons treated with 200 µM sodium hydrosulphide (NaHS) or NMDA over a time-course of 5–24 h. Data were validated via real-time PCR, western blotting, and global proteomic analysis. A substantial overlap of 1649 genes, accounting for over 80% of NMDA global gene profile present in that of H₂S and over 50% vice versa, was observed. Within these commonly occurring genes, the percentage of transcriptional consistency at each time-point ranged from 81 to 97%. Gene families involved included those related to cell death, endoplasmic reticulum stress, calcium homeostasis, cell cycle, heat shock proteins, and chaperones. Examination of genes exclusive to H₂S-mediated injury (43%) revealed extensive dysfunction of the ubiquitin-proteasome system. These data form a foundation for the development of screening platforms and define targets for intervention in H₂S neuropathologies where NMDAR-activated signaling cascades played a substantial role. J. Cell. Physiol. 226: 1308–1322, 2011.

Multifaceted role of nitric oxide in an in vitro mouse neuronal injury model: transcriptomic profiling defines the temporal recruitment of death signalling cascades

Nitric oxide is implicated in the pathogenesis of various neuropathologies characterized by oxidative stress. Although nitric oxide has been reported to be involved in the exacerbation of oxidative stress observed in several neuropathologies, existent data fail to provide a holistic description of how nitrergic pathobiology elicits neuronal injury. Here we provide a comprehensive description of mechanisms contributing to nitric oxide induced neuronal injury by global transcriptomic profiling. Microarray analyses were undertaken on RNA from murine primary cortical neurons treated with the nitric oxide generator DETA-NONOate (NOC-18, 0.5 mM) for 8–24 hrs. Biological pathway analysis focused upon 3672 gene probes which demonstrated at least a ±1.5-fold expression in a minimum of one out of three time-points and passed statistical analysis (one-way anova, P < 0.05). Numerous enriched processes potentially determining nitric oxide mediated neuronal injury were identified from the transcriptomic profile: cell death, developmental growth and survival, cell cycle, calcium ion homeostasis, endoplasmic reticulum stress, oxidative stress, mitochondrial homeostasis, ubiquitin-mediated proteolysis, and GSH and nitric oxide metabolism. Our detailed time-course study of nitric oxide induced neuronal injury allowed us to provide the first time a holistic description of the temporal sequence of cellular events contributing to nitrergic injury. These data form a foundation for the development of screening platforms and define targets for intervention in nitric oxide neuropathologies where nitric oxide mediated injury is causative.

Cardiovascular responses to hydrogen peroxide into the nucleus tractus solitarius

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Stimulation of peripheral Kappa opioid receptors inhibits inflammatory hyperalgesia via activation of the PI3K gamma/AKT/nNOS/NO signaling pathway

Background: In addition to their central effects, opioids cause peripheral analgesia. There is evidence showing that peripheral activation of kappa opioid receptors (KORs) inhibits inflammatory pain. Moreover, peripheral mu-opioid receptor (MOR) activation are able to direct block PGE(2)-induced ongoing hyperalgesia However, this effect was not tested for KOR selective activation. In the present study, the effect of the peripheral activation of KORs on PGE(2)-induced ongoing hyperalgesia was investigated. The mechanisms involved were also evaluated. Results: Local (paw) administration of U50488 (a selective KOR agonist) directly blocked, PGE(2)-induced mechanical hyperalgesia in both rats and mice. This effect was reversed by treating animals with L-NMMA or N-propyl-L-arginine (a selective inhibitor of neuronal nitric oxide synthase, nNOS), suggesting involvement of the nNOS/NO pathway. U50488 peripheral effect was also dependent on stimulation of PI3K gamma/AKT because inhibitors of these kinases also reduced peripheral antinociception induced by U50488. Furthermore, U50488 lost its peripheral analgesic effect in PI3K gamma null mice. Observations made in vivo were confirmed after incubation of dorsal root ganglion cultured neurons with U50488 produced an increase in the activation of AKT as evaluated by western blot analyses of its phosphorylated form. Finally, immunofluorescence of DRG neurons revealed that KOR-expressing neurons also express PI3K gamma (congruent to 43%). Conclusions: The present study indicates that activation of peripheral KORs directly blocks inflammatory hyperalgesia through stimulation of the nNOS/NO signaling pathway which is probably stimulated by PI3K gamma/AKT signaling. This study extends a previously study of our group suggesting that PI3K gamma/AKT/nNOS/NO is an important analgesic pathway in primary nociceptive neurons.

Stimulation of peripheral Kappa opioid receptors inhibits inflammatory hyperalgesia via activation of the PI3Kγ/AKT/nNOS/NO signaling pathway

Abstract Background In addition to their central effects, opioids cause peripheral analgesia. There is evidence showing that peripheral activation of kappa opioid receptors (KORs) inhibits inflammatory pain. Moreover, peripheral μ-opioid receptor (MOR) activation are able to direct block PGE2-induced ongoing hyperalgesia However, this effect was not tested for KOR selective activation. In the present study, the effect of the peripheral activation of KORs on PGE2-induced ongoing hyperalgesia was investigated. The mechanisms involved were also evaluated. Results Local (paw) administration of U50488 (a selective KOR agonist) directly blocked, PGE2-induced mechanical hyperalgesia in both rats and mice. This effect was reversed by treating animals with L-NMMA or N-propyl-L-arginine (a selective inhibitor of neuronal nitric oxide synthase, nNOS), suggesting involvement of the nNOS/NO pathway. U50488 peripheral effect was also dependent on stimulation of PI3Kγ/AKT because inhibitors of these kinases also reduced peripheral antinociception induced by U50488. Furthermore, U50488 lost its peripheral analgesic effect in PI3Kγ null mice. Observations made in vivo were confirmed after incubation of dorsal root ganglion cultured neurons with U50488 produced an increase in the activation of AKT as evaluated by western blot analyses of its phosphorylated form. Finally, immunofluorescence of DRG neurons revealed that KOR-expressing neurons also express PI3Kγ (≅ 43%). Conclusions The present study indicates that activation of peripheral KORs directly blocks inflammatory hyperalgesia through stimulation of the nNOS/NO signaling pathway which is probably stimulated by PI3Kγ/AKT signaling. This study extends a previously study of our group suggesting that PI3Kγ/AKT/nNOS/NO is an important analgesic pathway in primary nociceptive neurons.

Untersuchungen zur Zell-Transistor-Kopplung mittels der Voltage-Clamp-Technik

Untersuchungen zur Zell-Transistor Kopplung mittels der Voltage-Clamp TechnikIn der vorliegenden Arbeit wird die extrazelluläre Einkopplung elektrischer Signale von Zellen in Transistoren hinsichtlich der an der Kopplung beteiligten Parameter untersucht. Dafür werden Zellen aus Primärkulturen und von Zell-Linien direkt auf den aktiven Sensorflächen der hergestellten Chips kultiviert. Für die Experimente werden n- und p-Kanal Feldeffekttransistoren (FET) sowie Extended-Gate-Elektroden (EGE) mit Gold- und Titanoberflächen entwickelt.Zur Untersuchung der Kopplungseigenschaften werden die neuronale Zell-Linie SH-SY5Y, die humane Endothel Zell-Linie EA.hy-926 sowie als Primärzellen hippocampale Neuronen und Kardiomyozyten embryonaler und neonataler Ratten eingesetzt. Die Voltage-Clamp Technik erlaubt die Untersuchung spannungsgesteuerter Ionenkanäle in der Zellmembran. Maßgebend für den Signalverlauf des extrazellulär eingekoppelten Signals ist der Ionenstrom von Na+, K+ und Ca2+ durch die Membran im Kontaktbereich zwischen Zelle und Sensor.Die Kopplung kann elektrisch mithilfe eines Ersatzschaltkreises beschrieben werden, der alle beteiligten elektrischen Größen der Membran und der Ionenströme, sowie die Parameter des Kontaktbereichs und des Sensors enthält.Die Simulation der extrazellulären Signale zeigt, dass die beobachteten Signalformen nur durch eine Erhöhung der Ionenkanaldichten und dadurch einer deutlich vergrößerten Leitfähigkeit der Ionenarten im Kontaktbereich gegenüber der freien Membran erklärt werden können.

Characterisation of the cell-transistor coupling

Die Verbindung von elektrisch aktiven, lebenden Zellen zu extrazellulären Sensorsystemen eröffnet vielfälige Möglichkeiten im Bereich der Biosensorik. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum tieferen Verständnis der elektrischen Kopplungsmechanismen zwischen den biologischen und elektronischen Teilen solcher Hybridsysteme. Es wurden dazu drei Hauptbereiche bearbeitet:Ein System zur extrazellulären Signalableitung an lebenden Zellen bestehend aus einem Sensorchip, einem Vorverstärkerkopf und einem Hauptverstärker wurde weiterentwickelt.Als Sensoren wurden entweder Metallmikroelektroden-Chips mit 64 Kanälen oder Feldeffekt Transistoren-Chips mit 16 Kanälen (FET) eingesetzt. Es wurden zusätzlich spezielle FET Sensoren mit Rückseitenkontakten hergestellt und eingesetzt.Die elektrische Kopplung von einzelnen Nervenzellen der neuronalen Zell-Linien SH-SY5Y und TR14 oder primär kultivierten Neuronen aus dem Hirnstamm oder dem Hippocampus von embryonalen Ratten mit den extrazellulären Sensoren wurde untersucht. In der 'whole-cell' Patch-Clamp Technik wurden die Beiträge der spannungsgesteuerten Na+- und K+-Ionenkanäle zur extrazellulären Signalform identifiziert. Die Simulation der Signale mit einem Ersatzschaltkreis (Punkt-Kontakt Modell), der in PSPICE implementiert wurde, deutet auf eine starke Abhängigkeit der Signalformen in bezug auf Konzentrationsänderungen von Na+- und K+-Ionen im Volumenbereich zwischen Zelle und den ionensensitiven Transistoren hin. Ein empirisch erweitertes Punkt-Kontakt Modell wurde daraufhin vorgestellt.Im dritten Teil der Arbeit wurden Zellschichten von Kardiomyocyten embryonaler Ratten auf den extrazellulären Sensoren kultiviert. Die Eignung eines solchen Hybridsensors als Modellherz fuer das pharmazeutische Screeing wurde durch Messungen mit Herzstimulanzien und -relaktanzien bestätigt.

Neuroinflammation and the role of glia: relevance for neurodegenerative and neurosupportive roles

Inflammation is thought to contribute to the pathogenesis of neurodegenerative diseases. Among the resident population of cells in the brain, astroglia have been suggested to actively participate in the induction and regulation of neuroinflammation by controlling the secretion of local mediators. However, the initial cellular mechanisms by which astrocytes react to pro-inflammatory molecules are still unclear. Our study identified mitochondria as highly sensitive organelles that rapidly respond to inflammatory stimuli. Time-lapse video microscopy revealed that mitochondrial morphology, dynamics and motility are drastically altered upon inflammation, resulting in perinuclear clustering of mitochondria. These mitochondrial rearrangements are accompanied by an increased formation of reactive oxygen species and a recruitment of autophagic vacuoles. 24 to 48 hours after the acute inflammatory stimulus, however, the mitochondrial network is re-established. Strikingly, the recovery of a tubular mitochondrial network is abolished in astrocytes with a defective autophagic response, indicating that activation of autophagy is required to restore mitochondrial dynamics. By employing co-cultivation assays we observed that primary cortical neurons undergo degeneration in the presence of inflamed astrocytes. However, this effect was not observed when the primary neurons were grown in conditioned medium derived from inflamed astrocytes, suggesting that a direct contact between astrocytes and neurons mediates neuronal dysfunction upon inflammation. Our results suggest that astrocytes react to inflammatory stimuli by transiently rearranging their mitochondria, a process that involves the autophagic machinery.

Die funktionelle Rolle von LRP1 in der tPA-vermittelten Aktivierung von NMDA-Rezeptoren

Das Low Density Lipoprotein Receptor-related Protein 1 (LRP1) scheint neben seiner ursprünglichen Rolle als Lipoproteinrezeptor auch eine fundamentale Rolle bei der Einleitung von Signaltransduktionskaskaden im sich entwickelnden Gehirn zu spielen. Einer seiner Hauptliganden ist die Serinprotease Tissue-type Plasminogen Aktivator (tPA), welche NMDA-Rezeptor-abhängig MAP Kinasenaktivierung induzieren kann. In dieser Studie sollte daher untersucht werden, ob LRP1 und der NMDA Rezeptor in der tPA-vermittelten Signaltransduktion miteinander kooperieren. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl LRP1 als auch der NMDA Rezeptor an der tPA-induzierten Erk1/2 Phosphorylierung beteiligt sind, da dieser Effekt mit den spezifischen Inhibitoren RAP, MK-801 und DL-AP5 blockiert werden konnte. Eine weitere Bestätigung der LRP1-Spezifität zeigte sich durch shRNA knock-down Experimente. Calcium Imaging Experimente ergaben, dass die Applikation von tPA sowohl in primären, hippokampalen Neuronen als auch in der neuronalen Zelllinie HT22 zu einem robusten Einstrom von Calcium in die Zelle führte, welcher mit dem NMDA Rezeptor Inhibitor MK-801 und dem LRP1 Inhibitor RAP blockiert werden konnte. RNAi Experimente und Überexpressionsstudien bestätigten die Beteiligung von PSD-95 als intrazelluläres Adapterprotein, welches die beiden Rezeptoren miteinander verbindet. Als Bindungsstelle für PSD-95 konnte mit Hilfe von LRP1 knock-in Mausneuronen die distale NPxY(2) Domäne am LRP1 C-Terminus identifiziert werden. Diese Ergebnisse führten zu der Hypothese eines multimeren tPA-LRP1-NMDA Rezeptor Komplexes, der über die primäre Bindung von tPA an LRP1 aktiviert wird und anschließend das Signal an den NMDA Rezeptor weiterleitet. Somit weisen die Ergebnisse dieser Arbeit auf einen neuen, tPA-vermittelten Mechanismus zur Öffnung von Glutamatrezeptoren hin, der eine funktionelle Kooperation von dem Lipoproteinrezeptor LRP1 mit dem NMDA Rezeptor voraussetzt.

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.

Funktionelle Analyse der Plasmamembran-Ca 2+-ATPase 2 -PMCA2- in Modellen der Neurodegeneration

Calcium (Ca2+) ist ein ubiquitär vorkommendes Signalmolekül, das an der Regulation zahlreicher zellulärer Prozesse, von der Proliferation bis zum programmierten Zelltod, beteiligt ist. Daher müssen die intrazellulären Ca2+-Spiegel streng kontrolliert werden. Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziierten Neurodegeneration können dazu beitragen, dass Neuronen vulnerabler sind. So wurden erhöhte Ca2+-Konzentrationen in gealterten Neuronen, begleitet von einer erhöhten Vulnerabilität, beobachtet (Hajieva et al., 2009a). Weiterhin wird angenommen, dass der selektive Untergang von dopaminergen Neuronen bei der Parkinson Erkrankung auf eine erhöhte Ca2+-Last zurückzuführen sein könnte, da diese Neuronen einem ständigen Ca2+-Influx,rnaufgrund einer besonderen Isoform (CaV 1.3) spannungsgesteuerter Ca2+-Kanäle des L-Typs, ausgesetzt sind (Chan et al., 2007). Bislang wurden die molekularen Mechanismen, die einem Ca2+-Anstieg zu Grunde liegen und dessen Auswirkung jedoch nicht vollständig aufgeklärt und daher in der vorliegenden Arbeit untersucht. Um Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziiertenrnNeurodegeneration zu analysieren wurden primäre Mittelhirnzellen aus Rattenembryonen und SH-SY5Y-Neuroblastomazellen mit dem Neurotoxin 1-Methyl-4-Phenyl-Pyridin (MPP+), das bei der Etablierung von Modellen der Parkinson-Erkrankung breite Anwendung findet, behandelt. Veränderungen der intrazellulären Ca2+-Konzentration wurden mit einem auf dem grün fluoreszierenden Protein (GFP)-basierten Ca2+-Indikator,rn„Cameleon cpYC 3.6“ (Nagai et al., 2004), ermittelt. Dabei wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass MPP+ die Abregulation der neuronenspezifischen ATP-abhängigen Ca2+-Pumpe der Plasmamembran (PMCA2) induziert, die mit der Ca2+-ATPase des endoplasmatischen Retikulums (SERCA) und dem Na+/Ca2+-Austauscher (NCX) das zelluläre Ca2+-Effluxsystem bildet, was zu einer erhöhten zytosolischen Ca2+-Konzentration führt. Die PMCA2-Abnahme wurde sowohl auf Transkriptionsebene als auch auf Proteinebene demonstriert, während keine signifikanten Veränderungen der SERCA- und NCX-Proteinmengen festgestellt wurden. Als Ursache der Reduktion der PMCA2-Expression wurde eine Abnahme des Transkriptionsfaktors Phospho-CREB ermittelt, dessen Phosphorylierungsstatus abhängig von der Proteinkinase A (PKA) war. Dieser Mechanismus wurde einerseits unter MPP+-Einfluss und andererseits vermittelt durch endogene molekulare Modulatoren gezeigt. Interessanterweise konnten die durch MPP+ induzierte PMCA2-Abregulation und der zytosolische Ca2+-Anstieg durch die Aktivierung der PKA verhindert werden. Parallel dazu wurde eine MPP+-abhängige verringerte mitochondriale Ca2+-Konzentration nachgewiesen, welche mit einer Abnahme des mitochondrialen Membranpotentials korrelierte. Darüber hinaus kam es als Folge der PMCA2-Abnahme zu einem verminderten neuronalen Überleben.rnVeränderungen der Ca2+-Homöostase wurden auch während der normalen Alterung inrnprimären Fibroblasten und bei Mäusen nachgewiesen. Dabei wurden verringerte PMCA und SERCA-Proteinmengen in gealterten Fibroblasten, einhergehend mit einem Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration demonstriert. Weiterhin wurden verringerte PMCA2-Proteinmengen im Mittelhirn von gealterten Mäusen (C57B/6) detektiert.rnDer zelluläre Ca2+-Efflux ist somit sowohl im Zuge der physiologischen Alterung als auch in einem altersbezogenen Krankheitsmodell beeinträchtigt, was das neuronale Überleben beeinflussen kann. In zukünftige Studien soll aufgeklärt werden, welche Auswirkungen einer PMCA2-Reduktion genau zu dem Verlust von Neuronen führen bzw. ob durch eine PMCA2-Überexpression neurodegenerative Prozesse verhindert werden können.