Grundlage der vorgelegten Arbeit sind die bei der Alzheimerschen Erkrankung beobachtbaren pathologischen Merkmale, wie die progressive Akkumulation von β-Amyloid-Plaques, cholinerger Dysfunktion und zerebrovaskuläre Abnormalitäten. Die in englischer Sprache verfasste Dissertation ist eine tierexperimentelle Studie, die versucht, den Zusammenhang von β-Amyloid, cholinerger Neurotransmission und zerebralem Gefäßsystem bei der Alzheimerschen Erkrankung näher zu charakterisieren. An Hirnmaterial aus der transgenen Maus Tg2576, die die schwedische Mutation des humanen Amyloidpräkursorproteins als Transgen trägt und ab dem 10. Lebensmonat durch humane β-Amyloid-Plaqueablagerungen in der Hirnrinde imponiert, wurden im Altersverlauf (4 bis 18 Monate) immunhistochemische Untersuchungen zur morphologischen Integrität der zerebralen Mikrogefäße, der kortikalen cholinergen Nervterminalen und der intrazerebralen cholinergen neurovaskulären Innervation durchgeführt. Am somatosensorischen Kortex werden beispielhaft die Expression des Glukosetransporters 1 oder Solanum tuberosum Lektin als Kapillarmarker und des vesikulären Acetylcholintransporters als Marker für cholinerge Fasern mittels Immunfluoreszenz und Laser-Scanning Mikroskopie erfasst, einer semiquantitativen Computer-gestützten Bildanalytischen Auswertung unterzogen und mit dem Ausmaß der kortikalen Plaquebeladung korreliert. So konnte gezeigt werden, dass die Dichte der Blutgefäße und cholinergen Fasern im somatosensorischen Kortex von transgenen Tieren mit dem Alter im Vergleich zu nichttransgenen Kontrolltieren abnimmt, was mit einer Reduktion der perivaskulären cholinergen Innervation einhergeht. Die erhobenen Befunde stützen die von J.C. de la Torre und T. Mussivand schon im Jahre 1993 formulierte „vaskuläre Hypothese“, wonach bei der sporadischen Form der Alzheimerschen Erkrankung alters- und Lebensstil-bedingte Schädigungen des zerebralen Gefäßsystems eine zentrale Rolle bei der Manifestierung der Erkrankung spielen.:CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 Alzheimer’s disease 1 1.2 APP processing and β-amyloid production 2 1.3 Cholinergic dysfunction in Alzheimer’s disease 5 1.4 Cerebrovascular abnormalities in Alzheimer’s disease 8 1.5 Cholinergic innervation of intracortical cerebral microvessels 9 1.6 Transgenic Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease 11 1.7 Aim of study 14 CHAPTER 2: MATERIALS AND METHODS 2.1 Materials 15 2.1.1 Chemical reagents used 15 2.1.2 Biological reagents used 15 2.1.3 Preparation of solutions and buffers 15 2.1.4 Antibodies and reagents used for immunohistochemistry 17 2.1.5 Transgenic animals 19 2.2 Methods 20 2.2.1 Tissue preparation and sampling of sections 20 2.2.2 Immunohistochemistry 20 2.2.2.1 Protocol of immunofluorescent labeling 20 2.2.2.2 Protocol of immunoperoxidase labeling (ABC technique) 21 2.2.2.3 Combination of primary and secondary antibodies 22 2.2.2.4 Protocol of β–amyloid immunolabeling (Formic acid epitope retrieval method) 23 2.2.3 Histochemistry 23 2.2.3.1 Thioflavin S staining 23 2.2.3.2 Nissl staining 23 2.2.3.3 Solanum Tuberosum Lectin (STL) staining 24 2.2.4 Double and triple-coloured immuno-/ histochemical staining of brain sections 24 2.2.5 Microscopy and digital image processing 25 2.2.6 Morphological and morphometric analyses 25 2.2.6.1 Cortical microvessels 25 2.2.6.2 Cortical cholinergic innervation 27 2.2.6.2.1 Total density of VAChT-immunoreactivity 27 2.2.6.2.2 Estimation of the density of varicosities on cholinergic fibres 29 2.2.6.3 Estimation of cholinergic perivascular innervation of cortical microvessels 29 2.2.6.4 Three-dimensional-imaging of vessels innervation 30 2.2.7 Statistical analysis 30 CHAPTER 3: RESULTS 3.1 Developmental and amyloid plaque-related changes in cerebral cortical capillaries in transgenic Tg2576 Alzheimer mice 31 3.1.1 Morphological distribution of brain vessels in the cerebral cortex of wild type mice 31 3.1.2 Microvessel density under plaque burden 33 3.2 Developmental and amyloid plaque-related changes in cholinergic neurotransmission in cholinoceptive target regions of transgenic Tg2576 mice 39 3.2.1 Visualisation of cholinergic nerve terminals in mouse brain 39 3.2.2 VAChT-Expression in wild type and transgenic Tg2576 mice 40 3.3 Role of cholinergic system in β-amyloid-related changes in the cerebrovascular system of transgenic Tg2576 mice 46 3.3.1 Solanum tuberosum lectin (STL) histochemistry in visualisation of brain vessels, β-amyloid, and microglia 46 3.3.1.1 Solanum tuberosum lectin and brain vessels 46 3.3.1.2 Solanum tuberosum lectin and β-amyloid plaques 47 3.3.1.3 Solanum tuberosum lectin staining to visualize glial cells 48 3.3.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 and wild type mice 50 CHAPTER 4: DISCUSSION 4.1 β-Amyloid and brain vascular system: the vascular hypothesis of Alzheimer’s disease 55 4.1.1 Evidences of a role of vascular mechanisms in Alzheimer’s disease 55 4.1.2 Effect of β-amyloid on brain vascular system 57 4.1.3 Effect of ischemia and hypoperfusion on APP processing 59 4.1.4 Effect of β-amyloid on cholinergic function in brain vascular system 59 4.2 Aim of study and main results obtained 61 4.3 Age-related changes in cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 62 4.4 Age-related changes of cholinergic terminals in cholinoceptive target regions in the presence and absence of β-amyloid plaque load 64 4.4.1 VAChT – a reliable marker for detection of cholinergic terminals in cerebral cortex 64 4.4.2 The barrel field of the somatosensory cortex 1 (S1BF) as a model region to reveal age-related changes in cholinergic innervation 65 4.4.3 VAChT expression: morphological and morphometric studies 66 4.5 Age-related changes in cholinergic innervation of cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 69 4.5.1 STL – a mono-marker for detection of cortical vessels, senile amyloid plaques and activated microglia in cerebral cortex 69 4.5.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 mice 70 4.5.3 Quantitation of cholinergic input on cerebral microvessels of mouse brain 71 4.6 Summary and conclusions 75 REFERENCES 77

Die Wirkung von zwei endogen neuroprotektiven Substanzen, Melatonin und 17 beta-Estradiol wurde an drei Caspase-abhängigen, apoptotischen, aber Exzitotoxin-unabhängigen Schadensmodellen an neuronalen Primärkulturen untersucht und mit der bei vorwiegend nekrotischen Schadensmodellen verglichen. Es zeigten sich eine Abhängigkeit des neuroprotektiven Potentials von der Art des Zelluntergangs sowie unterschiedliche Mechanismen der Neuroprotektion. Melatonin wirkte in allen drei apoptischen Modellen nicht neuroprotektiv, sondern verstärkte die Schädigung der Neurone noch, während partiell gegen die OGD-induzierte Nekrose (OGD, engl. Oxygen glucose deprivation, kombinierter Sauerstoff- und Glukoseentzug) kortikaler Neurone Schutz erzielt wurde. Der Einsatz des endogenen neuroprotektiven Faktors Melatonin als Therapeutikum ist möglicherweise nur bei neurodegenerativen Erkrankungen mit exzitotoxischer Schädigung durch Glutamat oder oxidativem Stress wie bei Epilepsie oder dem Schlaganfall durch Ischämie sinnvoll. Die fehlende bzw. potenzierenden Wirkung von Melatonin bei neuronaler Apoptose in vitro, stellt jedoch einen therapeutischen Erfolg bei der Behandlung der mit apoptotischer Schädigung einhergehenden Alzheimer'schen Erkrankung in Frage. Bei klinischer Anwendung ist auch der von uns erhobene Befund zu beachten, dass in vitro native neuronale Zellen durch Melatonin geschädigt werden. 17 beta-Estradiol wirkte sowohl bei nekrotischer als auch bei apoptotischer Zellschädigung. Dabei zeigten sich wesentliche Unterschiede in den Mechanismen der Neuroprotektion und in der Ansprechbarkeit verschiedener Regionen des Gehirns. Schutz vor Apoptose konnte nur durch eine Langzeitvorbehandlung (20 h) in septalen und hippokampalen Kulturen, nicht jedoch in kortikalen Kulturen beobachtet werden. Dieser Effekt liess sich durch Rezeptorantagonisten, Proteinsynthesehemmung sowie durch Hemmung der Phosphoinositol-3-Kinase blockieren. Eine Kurzzeitbehandlung war gegen Apoptose nicht wirksam, zeigte gegen OGD und Glutamattoxizität jedoch neuroprotektives Potential. Dieser Effekt liess sich nicht antagonisieren, so dass hier ein direkter antioxidativer Mechanismus wahrscheinlich erscheint. Die antiapoptotische Wirkung in septalen und hippokampalen Kulturen korrelierte mit einer höheren Dichte des Estrogenrezeptors-alpha und einer erhöhten Expression antiapoptotischer Proteine in diesen Regionen. Da bei der Alzheimer'schen Erkrankung der Kortex betroffen ist, könnte der fehlende Effekt von 17 beta-Estradiol in kortikalen Neuronen sowohl auf die neuronale Apoptose als auch auf die Proteinexpression von Bcl-2 und Bcl-xL möglicherweise auf experimenteller Basis erklären, warum eine langfristige Estrogentherapie bei Frauen mit milder bis moderater Alzeimer'scher Erkrankung den Progress der Erkrankung nicht aufhalten konnte (Mulnard et al. 2000). / The neuroprotective effect of melatonin and 17 beta-estradiol has been evaluated in several in vitro models of neuronal apoptosis and necrosis. Melatonin was not neuroprotective in three models of apoptosis but showed a pro-apoptotic effect in primary cortical neurons. Melatonin revealed to damage naïve neurons, too. Partial protection was observed against necrotic neurodegeneration after oxygen-glucose deprivation (OGD). The use of melatonin as a therapeutic agent might be of interest in neurodegenerative diseases with excitotoxic damage like epilepsia or ischemia, but is questioned in case of apoptotic neurodegeneration. 17 beta-estradiol was neuroprotectiv in both necrotic and apoptotic neurodegeneration. Differences in the mechanism of neuroprotetion and in the efficacy in different regions of the brain were observed. A neuroprotective effect was visible only in hippocampal and septal cultures if 17 beta-estradiol was applied 20 h prior (long term pre-treatment) but not in cortical neurons. This effect correlates with an increased density of estrogen receptor-alpha and an increased expression of anti-apoptotic proteins like Bcl-2 and Bcl-xL in these regions. These effect could be blocked with receptor antagonists, protein synthesis inhibitors and an inhibitor of the phosphatidylinositol 3-kinase. A short term pre-treatment revealed a receptor independent neuroprotective potential against OGD and glutamate toxicity. The failure of 17 beta-estradiol to protect cortical neurons against apoptosis could be an experimental basis to understand, why a long lasting treatment with estrogens of women with mild to moderate Alzheimer´s disease failed to inhibit the progress of the illness (Mulnard et al., 2000)