Schwermut, Einsamkeit, Desinteresse: 2-7% der Weltbevölkerung werden von diesen Gefühlen bestimmt, sie sind an einer Depression erkrankt. In Deutschland leiden aktuell bis zu 4 Mio. Menschen an einer Depression. Zwei Drittel diese Kollektivs befinden sich in hausärztlicher Behandlung, aber nur etwa die Hälfte von diesen Patienten wird korrekt diagnostiziert und behandelt. Die Gründe hierfür sind auf der einen Seite die schwierige Diagnosefindung, auf der anderen die bisher nicht vollständig geklärte Ätiologie und die komplexen Wirkmechanismen der medikamentösen antidepressiven Therapieoptionen. Die Entstehung einer depressiven Episode ist multifaktoriell bedingt, wobei insbesondere genetischen Faktoren in der Pathogenese depressiver Erkrankungen eine wichtige Rolle zugeordnet wird. Neurobiologische Untersuchungen der molekularen und biochemischen Hintergründe von depressiven Episoden befassen sich zurzeit insbesondere mit drei Hypothesen: Diese sind die Neurotransmitter-Dysbalance-Hypothese (Monoaminhypothese), die Stressachsen-Hypothese (Hypothalamus-Hypophysen-Achse) und die Neurotrophin-Hypothese. Die Stressachsen-Hypothese befasst sich in diesem Zusammenhang mit der Aktivität des Hypothalamus-Hypophysen-Systems, die bei depressiv erkrankten Patienten dysreguliert ist und mit einer erhöhten Kortisolsekretion einhergeht. Die Monoaminhypothese der Depression postuliert eine Dysfunktion serotonerger, noradrenerger und dopaminerger Systeme. Die Neurotrophinhypothese bezieht sich auf das Second Messenger-System des durch Antidepressiva aktivierten cyclischen Adenosin-Monophosphat (cAMP) Signalwegs. Cyclisches Adenosin-Monophosphat aktiviert die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA), die wiederum den Transkriptionsfaktor cAMP response element binding protein (CREB) phosphoryliert und ihn somit stimuliert. Aktiviertes CREB verstärkt die Transkription zahlreicher Zielgene, inklusive die des brain-derived neurotrophic factor (BDNF), welcher unter anderem als Regulator von Neurotransmittern dient und Überleben, Differenzierung und Plastizität von Neuronen beeinflusst. Astrozyten gehören zur Gruppe der Makrogliazellen im zentralen Nervensystem (ZNS) und sind die größte Population der Gliazellen. Sie sind für die Kaliumhomöostase und ebenso für die Regulation der synaptischen Transmission und der neurovaskulären Koppelung zuständig. Des Weiteren scheinen Astrozyten eine wichtige Rolle für die Bildung glialer Narben, die Induktion der Blut-Hirn-Schranke und auch für das neuronale Überleben zu spielen. Bei der Analyse der Wirkmechanismen medikamentöser antidepressiver Therapien ist in der letzten Zeit die Rolle der Astrozyten in den Vordergrund gerückt, um deren Beitrag zu antidepressiven Therapien zu untersuchen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war zu untersuchen, ob in Astrozyten der Serotonin-Transporter (5-HT-Transporter, 5-HTT), der Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), der Dopamin-Transporter oder die Stickstoffmonoxyd-Synthase III (endotheliale Stickstoffmonoxid-Synthase, eNOS) gebildet werden und falls ja, ob sich deren Expression durch Applikation von Antidepressiva ändert. Die aus Rattenhirnen gewonnenen Astrozytenkulturen wurden hierfür entweder mit dem trizyklischen Antidepressivum Imipramin, dem selektiven Serotoninrückaufnahmeinhibitor Escitalopram oder zur Kontrolle mit Kochsalzlösung inkubiert. Nachdem die entsprechende mRNA aus den behandelten Astrozytenkulturen extrahiert wurde, ist sie in cDNA translatiert und mit Hilfe der quantitativen Real-Time PCR quantifiziert worden. Durch Vergleich der Expression des zu untersuchenden Gens mit der Expression der Housekeeping-Gene 18s-rRNA, Glycerinaldehyddehydrogenase (GAPDH) und Acidic ribosomal phosphoprotein (ARP) wurden Ungenauigkeiten bei der cDNA-Synthese ausgeglichen und die Daten normalisiert. Die rechnerische Auswertung der quantitativen Real-Time PCR erfolgte unter Verwendung der Ct-Werte unter Zuhilfenahme der geNORM Software. Die Ergebnisse zeigen eine signifikant erhöhte BDNF-Expression nach Imipramingabe. Hierbei zeigen bei den getrennten Untersuchungen der jeweiligen mRNA Chargen die mit 100µM Imipramin behandelten Astrozytenkulturen stärker signifikante Ergebnisse, als die mit 50µM Imipramin behandelten Astrozytenkulturen. Werden alle Proben, die mit der jeweiligen Imipraminkonzentration 4 Stunden inkubiert wurden, zusammen analysiert und mit den jeweiligen Kontrollen verglichen, zeigt sich sowohl bei der Behandlung mit 50µM Imipramin als auch mit 100µM Imipramin eine signifikante Steigerung der BDNF Expression. Escitalopram stimulierte die BDNF-Expression zwar ebenfalls nominell, jedoch war der Effekt nicht signifikant. Des Weiteren konnte eine deutliche Expression von 5-HTT-mRNA in Astrozytenkulturen nachgewiesen werden. Jedoch hatte keines der Antidepressiva einen signifikanten Effekt auf die 5-HTT-Expression. Es konnten weder in den behandelten, noch in den unbehandelten Astrozytenkulturen DAT oder NOS-III nachgewiesen werden. / Melancholia, loneliness, lack of interest: 2-7% of world population are ruled by these feelings. In Germany, 4 million inhabitants suffer from depression. Two third of this population are under medical treatment, but only half of these patients are diagnosed and medicated correctly. Reasons are difficulties in finding the exact diagnosis on the one hand and the vague aetiology and complex effects of antidepressants on the other. The origin of a depressive episode has multiple reasons, especially genetic components are considered to play an important role. Neurobiological investigations of the molecular and biochemical backgrounds of depressive episodes centre on three hypotheses: The dysbalance hypothesis of neurotransmitters (monoamine hypothesis), the hypothesis of activated hypothalamus-pituitary-adrenal axis and the neurotrophin hypothesis. In this context, the hypothesis of activated hypothalamus-pituitary-adrenal axis deals with the dysregulation and over-stimulation of the hypothalamus-pituitary-adrenal axis and the following elevated cortisol-secretion. The monoamine hypothesis of depressive episodes postulates a dysfunction of serotonergic, noradrenergic and dopaminergic systems. The neurotrophin hypothesis refers to the cyclic adenosine monophosphate (cAMP) second messenger system, activated by antidepressants. Cyclic adenosine monophosphate activates the cAMP dependent protein kinase (PKA) that phosphorylates and consequently stimulates the transcription factor cAMP response element binding protein (CREB). Activated CREB enhances the transcription of numerous genes, including the brain derived neurotrophic factor (BDNF) that is among others regulating neurotransmitters and influences neuronal survival, differentiation and plasticity. Astrocytes are part of the macroglia in central nervous system and form the major population of glial cells. They are considered to be responsible for homeostasis of potassium and the regulation of synaptic transmission and neurovascular linkage. Furthermore, astrocytes take part in forming glial cicatrixes, induction of blood-brain-barrier and neuronal survival. In the course of investigating the effects of antidepressants, the centre of interest has focused on astrocytes and their contribution to antidepressant therapy. The aim of this dissertation was to study, if the serotonin transporter (5-HTT), the brain derived neurotrophic factor (BDNF), the dopamin transporter or the nitric oxide synthase III (eNOS) is synthesised in astrocytes and in case of, if their expression is modulated by antidepressants. The astrocyte cultures, gained from rats’ brains, were incubated with the tricyclic antidepressant imipramine, the selective serotonin reuptake-inhibitor escitalopram or sodium chloride solution. After extracting the corresponding mRNA from the astrocyte cultures, it was translated to cDNA and quantified using the quantitative Real-Time PCR. Comparing the expression of the gene of interest with the expression of the housekeeping genes 18s-rRNA, glyceraldehydes phosphate dehydrogenase (GAPDH) and acidic ribosomal phosphoprotein (ARP), equated inexactness of cDNA synthesis and normalised the acquired data. The mathematical evaluation of the qRT-PCR based on the Ct-figures with the assistance of geNORM software. The results show a significantly elevated BDNF expression after imipramine administration. mRNA batches of astrocyte cultures incubated with 100µM imipramine presented more significant results than mRNA batches of astrocyte cultures incubated with 50µM imipramine. Analysing all samples incubated for four hours with the corresponding concentration of imipramine and compared with the sodium chloride solution controls, a significant elevation of BDNF expression is detected in 50µM imipramine samples as well as in 100µM imipramine samples. Escitalopram stimulates the expression of BDNF nominally without showing significant effects. Furthermore, a clear expression of 5-HTT-mRNA in astrocyte cultures could be detected, but none of the antidepressants induced a significant effect on 5-HTT expression. Neither in medicated nor in control samples DAT or NOS-III were detected.

Das Chemokin SDF-1 spielt eine wichtige Rolle bei der Hämatopoese, bei Immunreaktionen sowie bei der Entwicklung des Herzens, der Extremitätenmuskulatur und des zentralen und peripheren Nervensystems. Lange Zeit galt CXCR4 als der einzige Chemokinrezeptor für SDF-1, bis vor wenigen Jahren CXCR7 als ein alternativer Rezeptor für SDF-1 identifiziert wurde. Da alle Zelltypen des zentralen Nervensystems (ZNS) sensitiv für SDF-1 sind, sollte in dieser Arbeit die Funktion der beiden Rezeptoren in primärer Mikroglia und primären Astrozyten untersucht werden. Bisher konnte CXCR7 nur als Scavenger-Rezeptor für SDF-1 oder als atypischer Chemokinrezeptor nachgewiesen werden. Die Untersuchungen ergaben einen mitogenen und chemotaktischen Effekt von SDF-1 auf primäre Mikroglia, wobei sowohl CXCR4 als auch CXCR7 für das SDF-1-Signalverhalten essentiell sind. Nach Aktivierung von Mikroglia in vitro und in vivo wurden beide Rezeptoren verstärkt expremiert. In primären Astrozyten ergab sich ein ligandenabhängiges Signalverhalten von CXCR7. So führte die Bindung von SDF-1 an CXCR7 zu einer Aktivierung von G-Proteinen, während die Kopplung von interferon-inducible T cell alpha chemoattractant (I-TAC), als zweiten Liganden von CXCR7, eine Signalweiterleitung über ß-Arrestin2 zur Folge hatte. Zudem konnte die G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase (Grk)2 als ein positiver Regulator des SDF-1-CXCR7-Signalverhaltens in Astrozyten identifiziert werden.

Die Alzheimer-Demenz drängt immer mehr in den Fokus unserer Gesellschaft, doch ihre Pathophysiologie ist bisher nicht vollständig verstanden. Seit einigen Jahren ist das Enzym Glutaminylzyklase (QC) als wichtiger Katalysator der Bildung von Pyroglutamat-ß-Amyloid Inhalt intensiver Forschung. Zielsetzung dieser Arbeit war es, die Expression der QC, welche bisher nur in Neuronen nachgewiesen wurde, in Astrozyten und Mikrogliazellen zu untersuchen. Da Gliazellen einen wichtigen Faktor der pathologischen Veränderungen neurodegenerativer Erkrankungen ausmachen, stellt sich die Frage nach ihrer kausalen Beteiligung an Prozessen, die zur Entstehung der Alzheimer-Demenz beitragen können. Für diese Studie wurden zwei Modelle gewählt, die zu einer spezifischen Aktivierung von Astrozyten und Mikrogliazellen als Reaktion auf eine Schädigung von Neuronen führten, zum einen nach Schädigung cholinerger Neurone durch das Neurotoxin 192-IgG-Saporin, zum anderen nach temporärer Okklusion der Arteria cerebri media. Die aktivierten Astrozyten zeigten eine deutliche Expression der QC, welche hingegen bei ruhenden Astrozyten im gesunden Gewebe nicht nachweisbar war, so dass von einer Hochregulation der Expression bei Aktivierung der Zellen ausgegangen werden kann. Weiterhin konnte die QC in Mikrogliazellen, die sich im phagozytierenden Stadium befinden, dargestellt werden. Diese Arbeit soll dazu beitragen die Zusammenhänge zwischen einer Aktivierung von Gliazellen nach einem Schädigungsereignis, wie zum Beispiel einer Ischämie bei Verschluss eines cerebralen Gefäßes, und der Entwicklung einer Alzheimer-Demenz aufzuklären.

Astrozyten erfüllen unverzichtbare Aufgaben im ZNS. Sie sorgen im Normalfall unter anderem für eine ausgewogene K+/H2O-Clearence, regulieren den Gefäßdurchmesser, bilden die Blut-/Hirnschranke, betreiben “Transmitter-Recycling” und modulieren die interneuronale Signalweitergabe durch prä- und postsynaptische Mechanismen. Die Funktionen und Einflüsse dieser zentralnervösen Gliazellen unter pathologischen Bedingungen im ZNS sind bei weitem nicht so gut untersucht, aber ebenso vielfältig. Eine ganz entscheidende Frage stellt sowohl unter physiologischen wie auch pathologischen Bedingungen das Vorliegen eines Überlappungsfaktors des von benachbarten Astrozyten okkupierten Areals dar. Betrüge ein solcher Faktor ! 1, könnten mehrere Gliazellen das gleiche Areal auch unter pathologischen Bedingungen durch ihre vielfältigen Funktionen unterstützen. Dahingegen würde das Ausbleiben eines Überlappungsgrades ! 1 bedeuten, dass bestimmte Gebiete im Neuropil anfälliger gegen Noxen oder degenerative Veränderungen wären. Um diesen Überlappungsgrad zu untersuchen, wurden Hirnschnitte von Labormäusen mittels einer geeigneten Methodenkombination untersucht. Dabei wurde das durchschnittliche Volumen der Astrozyten im motorischen Kortex durch Golgi- Färbung, sowie deren Zellzahl pro Volumeneinheit durch immunhistochemische Färbungen untersucht und mittels konfokaler Laserscanning-Mikroskopie dokumentiert. Aus diesen Parametern ließ sich ferner der durchschnittliche Überlappungsfaktor im beschriebenen Areal berechnen. Im Interesse dieser Arbeit standen dabei neben dem Unterschied im Überlappungsfaktor der Astrozyten zwischen Wildtyp- und GFAP-/- VIM-/- Knockout- Mäusen, als Beispiel für ein genetisch bedingtes Fehlen dieser Intermediärfilamente, auch der Einfluss des fortschreitenden Lebensalters, so dass für beide Genotypen sowohl junge- als auch alte Tiere untersucht wurden. Folgende Ergebnisse lassen sich zusammenfassen: 1. Das Vorhandensein der Intermediärfilamente GFAP und Vimentin scheint keinen Einfluss auf das Volumen der Astrozyten im motorischen Kortex zu haben. 2. Das Lebensalter der V ersuchstiere steht mit dem V olumen der Astrozyten signifikant in Zusammenhang. Das von Astrozytenfortsätzen der knapp zwei Jahre alten Tiere okkupierte Volumen betrug mit durchschnittlich ca. 61.000 !m3 gut das Doppelte des Volumens in jungen Mäusen (ca. 28.000 !m3). 3. Die Zellzahl der Astrozyten im motorischen Kortex wird offenbar weder vom Lebensalter, noch vom Vorhandensein der Intermediärfilamente GFAP und Vimentin signifikant beeinflusst. 4. Der Überlappungsfaktor der Astrozyten im motorischen Kortex lag bei den jungen Kontroll-Tieren bei 0,87 und bei den jungen DKO-Tieren bei 0,96. 5. Der Überlappungsfaktor der Astrozyten im motorischen Kortex lag bei den alten Kontroll-Tieren bei 2,22 und bei den alten DKO-Tieren bei 2,10. Die Ergebnisse zeigen, dass das Fehlen der Intermediärfilamente GFAP und Vimentin keinen Einfluss auf den Überlappungsgrad der Astrozyten im motorischen Kortex hat. Die Ursache für phänotypisch manifeste Erkrankungen, wie z.B. der Alexander Krankheit, welche durch ein fehlerhaft exprimiertes GFAP in Astrozyten hervorgerufen wird, ist demnach in anderen Mechanismen zu suchen. Großen Einfluss auf den Überlappungsfaktor der Astrozyten hatte dagegen das Lebensalter der Versuchstiere, was sich mit neueren Erkenntnissen zur Funktion der Astrozyten im Hinblick auf Lernvorgänge, aber auch auf degenerative Prozesse, in Zusammenhang bringen lässt.

Das Chemokin SDF-1 spielt eine wichtige Rolle bei der Hämatopoese, bei Immunreaktionen sowie bei der Entwicklung des Herzens, der Extremitätenmuskulatur und des zentralen und peripheren Nervensystems. Lange Zeit galt CXCR4 als der einzige Chemokinrezeptor für SDF-1, bis vor wenigen Jahren CXCR7 als ein alternativer Rezeptor für SDF-1 identifiziert wurde. Da alle Zelltypen des zentralen Nervensystems (ZNS) sensitiv für SDF-1 sind, sollte in dieser Arbeit die Funktion der beiden Rezeptoren in primärer Mikroglia und primären Astrozyten untersucht werden. Bisher konnte CXCR7 nur als Scavenger-Rezeptor für SDF-1 oder als atypischer Chemokinrezeptor nachgewiesen werden. Die Untersuchungen ergaben einen mitogenen und chemotaktischen Effekt von SDF-1 auf primäre Mikroglia, wobei sowohl CXCR4 als auch CXCR7 für das SDF-1-Signalverhalten essentiell sind. Nach Aktivierung von Mikroglia in vitro und in vivo wurden beide Rezeptoren verstärkt expremiert. In primären Astrozyten ergab sich ein ligandenabhängiges Signalverhalten von CXCR7. So führte die Bindung von SDF-1 an CXCR7 zu einer Aktivierung von G-Proteinen, während die Kopplung von interferon-inducible T cell alpha chemoattractant (I-TAC), als zweiten Liganden von CXCR7, eine Signalweiterleitung über ß-Arrestin2 zur Folge hatte. Zudem konnte die G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase (Grk)2 als ein positiver Regulator des SDF-1-CXCR7-Signalverhaltens in Astrozyten identifiziert werden.

Astrozyten spielen eine essentielle Rolle für den reibungslosen Ablauf der Hirnfunktionen indem sie u.a. Neurone in Abhängigkeit von der synaptischen Aktivität mit Energie in Form von Laktat versorgen. An der Kopplung dieser Prozesse scheinen die Aufnahme von Glutamat, einhergehend mit einer Aktivierung der Na+/K+-ATPase und dem Verbrauch von ATP, beteiligt zu sein (Magistretti und Chatton 2005). Ziel der vorliegenden Arbeit ist die direkte Überprüfung des ATP-Gehalts in einzelnen Astrozyten während der Stimulation mit den Neurotransmittern Glutamat und Dopamin. Hierfür wurden als Modellsystem Astroglia-reiche Primärkulturen (APK) aus dem Cortex neugeborener Mäuse angelegt. Immunhistochemische Färbungen mit dem astrozytären Marker GFAP zeigten, dass es sich bei ca. 98 % der Zellen der APKs um Astrozyten handelte. Mit Hilfe des genetisch kodierten FRET-basierten ATP-Sensors „ATeam“ (Imamura et al. 2009) wurde der relative ATP-Gehalt im Zytosol einzelner Zellen über einen vorgegebenen Zeitraum bei gleichzeitiger Perfusion mit den entsprechenden Lösungen gemessen. Zur Überprüfung der Funktionalität des Sensors im neu etablierten Versuchsaufbau wurden Iodazetat und Natriumazid eingesetzt, welche die Glykolyse bzw. Atmungskette hemmen und dadurch zu einer ATP-Depletion in den Zellen führen. Der gemessene relative ATP-Gehalt zeigte wie erwartet einen starken Abfall. Als Negativkontrolle wurde der Versuch mit einer ATP-bindungsdefiziente Mutante des ATeam-Sensors wiederholt, wobei das erhaltene Signal nahezu konstant blieb. Dieses Ergebnis spricht für ein ATP-spezifisches Signal, welches keinen relevanten Änderungen durch Expressionsgrad oder pH unterliegt. Glutamat fungiert an ca. 80 % der Synapsen des Gehirns als Neurotransmitter und wird über die Na+-abhängigen Transporter GLT-1 und GLAST von Astrozyten wiederaufgenommen, um die Signalübertragung zu beenden und Exzitotoxizität zu verhindern. Da der Na+-Gradient durch die Na+/K+-ATPase wiederhergestellt werden muss, ist dieser Schritt energieaufwändig. Außerdem signalisiert die Glutamatfreisetzung einen erhöhten Energiebedarf der Neurone, auf welchen Astrozyten reagieren müssen. Die hier durchgeführten Experimente in Astrozyten zeigen unter 1 µM Glutamat bereits einen leichten ATP-Abfall, welcher unter 100 µM Glutamat stark zunimmt und in eine Plateauphase übergeht. Dieser ATP-Abfall ist sehr wahrscheinlich transportervermittelt, da unter dem Transporteragonisten D-Aspartat ein ähnlicher sowie bei Blockade der Transporter mit TBOA ein verringerter ATP-Abfall auftraten. Die Beteiligung der Glutamatrezeptoren erscheint auf Grund der Untersuchungen mit dem selektiven Rezeptoragonisten AMPA, welche keine signifikanten Veränderungen des ATP-Gehalts zeigten, unwahrscheinlich. Weiterhin zeigte die Stimulation mit Glutamat bei Blockade der Na+/K+-ATPase mit Ouabain einen eingeschränkten ATP-Abfall. Die Beobachtungen lassen sich sehr gut mit vorhergehenden Studien vereinbaren, welche ebenfalls bei Stimulation mit Glutamat einen am ehesten durch die Na+/K+-ATPase bedingten ATP-Abfall in Astrozyten postulierten (Magistretti und Chatton 2005). Die gesteigerte Aktivität der Na+/K+-ATPase scheint sowohl durch den begleitenden Na+-Einstrom als auch durch direkte Interaktionen mit den Glutamattransportern bedingt zu sein (Chatton et al. 2000; Bauer et al. 2012; Robinson und Jackson 2016). Des Weiteren ist bekannt, dass Glutamat in Astrozyten u.a. zu einer Steigerung der Glukoseaufnahme, Glykolyse und Laktatausschüttung führt (Pellerin und Magistretti 1994). Dieser Mechanismus gewährleistet die aktivitätsabhängige Bereitstellung von Energie in Form von Laktat und wird als Astrozyten-Neuronen-Laktatshuttle bezeichnet. Neben der erhöhten intrazellulären Na+-Konzentration sowie Interaktionen zwischen Glutamattransportern, Na+/K+-ATPase und Enzymen des Glykolysestoffwechsels ist es wahrscheinlich, dass der beobachtete ATP-Abfall unter Glutamat ein weiteres intrazelluläres Signal zur Kopplung dieser Prozesse darstellt. Die Untersuchungen wurden ebenfalls mit dem Neurotransmitter Dopamin durchgeführt, wobei jedoch keine messbaren ATP-Veränderungen auftraten. Zusammenfassend wurde erfolgreich ein ATP-Monitoring in Astrozyten in Echtzeit durchgeführt, welches die mit der Glutamataufnahme verbundene energetische Herausforderung anhand des ATP-Abfalls bestätigen und veranschaulichen konnte. Die Ergebnisse sind gut mit bisherigen Studien vereinbar, jedoch werden Untersuchungen in situ und in vivo notwendig sein, um die Vorgänge unter Einbeziehung der zahlreichen Zellkontakte sowie physiologischen und morphologischen Besonderheiten zu untersuchen. Hierfür bietet der genetisch kodierte Sensor ATeam eine geeignete Grundlage.:Inhaltsverzeichnis II Abkürzungsverzeichnis IV 1 Einleitung 1 1.1 Zellen des zentralen Nervensystems 1 1.1.1 Neurone 1 1.1.2 Gliazellen 2 1.2 Astrozyten 3 1.2.1 Entwicklung und Morphologie 4 1.2.2 Allgemeine Eigenschaften und Funktionen 5 1.2.3 Gliale und neuronale Kommunikation 6 1.2.4 Transmitteraufnahme 8 1.2.5 Nährfunktion und Metabolismus 11 1.2.6 Pathologische Prozesse 12 1.3 Zellkulturen als Modell 13 1.4 Neurotransmitter 14 1.5 FRET-Sensoren 15 1.5.1 ATeam: Ein FRET-basierter Sensor für ATP 18 2 Ziele 21 3 Material und Methoden 22 3.1 Material 22 3.1.1 Lösungen und Medien 22 3.1.2 Plasmide und Reagenzien für Transfektion und Midi 25 3.1.3 Antikörper und Lösungen für die Immunfärbung 25 3.1.4 Geräte 26 3.2 Methoden 26 3.2.1 Zellkulturen 26 3.2.2 Midi-Präparation von Plasmiden 27 3.2.3 Transfektion 28 3.2.4 Immunfärbung 28 3.2.5 Fluoreszensmikroskopie 28 3.2.6 Ablauf der Experimente 30 3.2.7 Auswertung 31 4 Ergebnisse 34 4.1 Etablierung des experimentellen Systems 34 4.1.1 Nachweis der Transfektion von Astrozyten mit Hilfe immunhistochemischer Färbungen 34 4.1.2 Überprüfung der Funktionalität des Sensors ATeam 35 4.2 ATP-Dynamik bei Stimulation mit Neurotransmittern 39 4.2.1 Wirkung der Neurotransmitter Glutamat und Dopamin 40 4.2.2 Beteiligung der Rezeptoren 43 4.2.3 Beteiligung der Glutamattransporter 44 4.2.4 Die Rolle der Na+/K+-ATPase 47 5 Diskussion 49 5.1 Etablierung der ATP-Messung mit ATeam in kultivierten Astrozyten 49 5.2 Stimulation mit Glutamat und Einordnung der Effekte in die Physiologie des Gehirns 53 5.3 Stimulation mit Dopamin 58 5.4 Einschränkungen des Systems und Ausblick 58 6 Zusammenfassung 60 7 Literaturverzeichnis 63 8 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 78

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Die Alzheimer-Demenz drängt immer mehr in den Fokus unserer Gesellschaft, doch ihre Pathophysiologie ist bisher nicht vollständig verstanden. Seit einigen Jahren ist das Enzym Glutaminylzyklase (QC) als wichtiger Katalysator der Bildung von Pyroglutamat-ß-Amyloid Inhalt intensiver Forschung. Zielsetzung dieser Arbeit war es, die Expression der QC, welche bisher nur in Neuronen nachgewiesen wurde, in Astrozyten und Mikrogliazellen zu untersuchen. Da Gliazellen einen wichtigen Faktor der pathologischen Veränderungen neurodegenerativer Erkrankungen ausmachen, stellt sich die Frage nach ihrer kausalen Beteiligung an Prozessen, die zur Entstehung der Alzheimer-Demenz beitragen können. Für diese Studie wurden zwei Modelle gewählt, die zu einer spezifischen Aktivierung von Astrozyten und Mikrogliazellen als Reaktion auf eine Schädigung von Neuronen führten, zum einen nach Schädigung cholinerger Neurone durch das Neurotoxin 192-IgG-Saporin, zum anderen nach temporärer Okklusion der Arteria cerebri media. Die aktivierten Astrozyten zeigten eine deutliche Expression der QC, welche hingegen bei ruhenden Astrozyten im gesunden Gewebe nicht nachweisbar war, so dass von einer Hochregulation der Expression bei Aktivierung der Zellen ausgegangen werden kann. Weiterhin konnte die QC in Mikrogliazellen, die sich im phagozytierenden Stadium befinden, dargestellt werden. Diese Arbeit soll dazu beitragen die Zusammenhänge zwischen einer Aktivierung von Gliazellen nach einem Schädigungsereignis, wie zum Beispiel einer Ischämie bei Verschluss eines cerebralen Gefäßes, und der Entwicklung einer Alzheimer-Demenz aufzuklären.

Bibliographische Beschreibung Fabian Pelkner Titel der Dissertationsschrift: Die Expression der Chemokinrezeptoren CXCR7 und CXCR4 in Astrozyten während der Entwicklung und unter pathologischen Bedingungen Universität Leipzig, Publikationspromotion 53 Seiten, 94 Literaturangaben, 1 Publikation Referat Das Chemokin SDF-1/CXCL12 und seine Rezeptoren CXCR4 und CXCR7 sind entscheidend an der normalen Hirnentwicklung, der Aufrechterhaltung der Hirnhomoöstase und an diversen Pathologien des zentralen Nervensystems (ZNS) beteiligt. In dieser Arbeit sollte das Expressionsmuster der beiden Chemokinrezeptoren CXCR4 und CXCR7 in Astrozyten während der Hirnentwicklung und in unterschiedlichen ZNS Erkrankungen analysiert und verglichen werden. Des Weiteren sollte untersucht werden, welche unter pathologischen Bedingungen freigesetzten Mediatoren bzw. assoziierten Prozesse an der Regulation der Rezeptorexpression beteiligt sind. Die Rezeptorexpression wurde mittels Immunhistochemie charakterisiert und verglichen. Astrozyten wurden durch Detektion des sauren Gliafaserproteins (GFAP) identifiziert. Die Analyse erfolgte an ZNS-Gewebeschnitten von Sprague-Dawley-Ratten unterschiedlicher Entwicklungsstadien, sowie von Tieren mit induziertem Hirninfarkt, induzierter Rückenmarksquetschung und experimenteller Autoimmun-Encephalomyelitis. Als humane Pathologien standen ZNS-Gewebeproben von Verstorbenen mit Morbus Alzheimer und ischämischem Hirninfarkt zu Verfügung. Der Einfluss pathologieassoziierter Faktoren auf die Regulation des astrozytären Rezeptorstatus wurde an kultivierten primären Astrozyten mittels Western Blot Analyse untersucht. Am Embryonaltag 18 (E18) zeigten sich CXCR7+/GFAP+-Zellen in der ventrikulären/subventrikulären Zone, während CXCR4 in GFAP+-Zellen nicht nachweisbar war. Im frühen postnatalen (P2) und im adulten Gehirn waren sowohl CXCR7+- als auch CXCR4+-Astrozyten vor allem auf die Membrana glialis limitans superficialis beschränkt. Alle untersuchten Hirnpathologien waren durch eine deutliche Zunahme der astrozytären Expression von CXCR7, nicht aber von CXCR4 charakterisiert. Als expressionsregulierende Faktoren konnten das anti inflammatorische Zytokin Interferon-β (IFN-β), das pro inflammatorische Zytokin Interferon-γ (IFN-γ) und Hypoxie identifiziert werden. Dabei nahm die Expression von CXCR7 in kultivierten Astrozyten nach Behandlung mit IFN γ sowie unter hypoxischen Bedingungen zu, nach Behandlung mit IFN-β jedoch ab. Die astrozytäre CXCR4 Expression blieb unter allen untersuchten experimentellen Bedingungen unbeeinflusst. Die erhaltenen Befunde unterstützen die zuvor aufgrund von in-vitro-Befunden formulierte Hypothese, wonach das SDF-1-Signal in Astrozyten ausschließlich über CXCR7 vermittelt wird. Weiterhin legen die Befunde die Vermutung nahe, dass die astrozytäre CXCR7 Expression eine zentrale Rolle bei der Astrogliose spielen könnte und damit auch modulierend auf den Verlauf verschiedener Hirnerkrankungen wirkt.

Astrozyten erfüllen unverzichtbare Aufgaben im ZNS. Sie sorgen im Normalfall unter anderem für eine ausgewogene K+/H2O-Clearence, regulieren den Gefäßdurchmesser, bilden die Blut-/Hirnschranke, betreiben “Transmitter-Recycling” und modulieren die interneuronale Signalweitergabe durch prä- und postsynaptische Mechanismen. Die Funktionen und Einflüsse dieser zentralnervösen Gliazellen unter pathologischen Bedingungen im ZNS sind bei weitem nicht so gut untersucht, aber ebenso vielfältig. Eine ganz entscheidende Frage stellt sowohl unter physiologischen wie auch pathologischen Bedingungen das Vorliegen eines Überlappungsfaktors des von benachbarten Astrozyten okkupierten Areals dar. Betrüge ein solcher Faktor ! 1, könnten mehrere Gliazellen das gleiche Areal auch unter pathologischen Bedingungen durch ihre vielfältigen Funktionen unterstützen. Dahingegen würde das Ausbleiben eines Überlappungsgrades ! 1 bedeuten, dass bestimmte Gebiete im Neuropil anfälliger gegen Noxen oder degenerative Veränderungen wären. Um diesen Überlappungsgrad zu untersuchen, wurden Hirnschnitte von Labormäusen mittels einer geeigneten Methodenkombination untersucht. Dabei wurde das durchschnittliche Volumen der Astrozyten im motorischen Kortex durch Golgi- Färbung, sowie deren Zellzahl pro Volumeneinheit durch immunhistochemische Färbungen untersucht und mittels konfokaler Laserscanning-Mikroskopie dokumentiert. Aus diesen Parametern ließ sich ferner der durchschnittliche Überlappungsfaktor im beschriebenen Areal berechnen. Im Interesse dieser Arbeit standen dabei neben dem Unterschied im Überlappungsfaktor der Astrozyten zwischen Wildtyp- und GFAP-/- VIM-/- Knockout- Mäusen, als Beispiel für ein genetisch bedingtes Fehlen dieser Intermediärfilamente, auch der Einfluss des fortschreitenden Lebensalters, so dass für beide Genotypen sowohl junge- als auch alte Tiere untersucht wurden. Folgende Ergebnisse lassen sich zusammenfassen: 1. Das Vorhandensein der Intermediärfilamente GFAP und Vimentin scheint keinen Einfluss auf das Volumen der Astrozyten im motorischen Kortex zu haben. 2. Das Lebensalter der V ersuchstiere steht mit dem V olumen der Astrozyten signifikant in Zusammenhang. Das von Astrozytenfortsätzen der knapp zwei Jahre alten Tiere okkupierte Volumen betrug mit durchschnittlich ca. 61.000 !m3 gut das Doppelte des Volumens in jungen Mäusen (ca. 28.000 !m3). 3. Die Zellzahl der Astrozyten im motorischen Kortex wird offenbar weder vom Lebensalter, noch vom Vorhandensein der Intermediärfilamente GFAP und Vimentin signifikant beeinflusst. 4. Der Überlappungsfaktor der Astrozyten im motorischen Kortex lag bei den jungen Kontroll-Tieren bei 0,87 und bei den jungen DKO-Tieren bei 0,96. 5. Der Überlappungsfaktor der Astrozyten im motorischen Kortex lag bei den alten Kontroll-Tieren bei 2,22 und bei den alten DKO-Tieren bei 2,10. Die Ergebnisse zeigen, dass das Fehlen der Intermediärfilamente GFAP und Vimentin keinen Einfluss auf den Überlappungsgrad der Astrozyten im motorischen Kortex hat. Die Ursache für phänotypisch manifeste Erkrankungen, wie z.B. der Alexander Krankheit, welche durch ein fehlerhaft exprimiertes GFAP in Astrozyten hervorgerufen wird, ist demnach in anderen Mechanismen zu suchen. Großen Einfluss auf den Überlappungsfaktor der Astrozyten hatte dagegen das Lebensalter der Versuchstiere, was sich mit neueren Erkenntnissen zur Funktion der Astrozyten im Hinblick auf Lernvorgänge, aber auch auf degenerative Prozesse, in Zusammenhang bringen lässt.:BIBLIOGRAPHISCHE BESCHREIBUNG 1 INHALTSVERZEICHNIS 2 VERZEICHNIS DER ABKÜRZUNGEN 5 1. EINLEITUNG UND FRAGESTELLUNG 6 1.1 Das ZNS / Der Kortex 6 1.2 Gliazellen 9 1.2.1 Astrozyten 10 1.2.1.1 Morphologie / Morphometrie 10 1.2.1.2 Funktionen 12 1.2.1.3 reaktive Astrozyten 13 1.3 Intermediärfilamente 14 1.3.1 Funktionen 17 1.3.2 Intermediärfilamente und Zellwachstum 18 1.4 Ziel der Arbeit 19 2. MATERIAL UND METHODEN 24 2.1 Die Versuchstiere 24 2.2 Golgi-Färbungen 25 2.3 Immunhistochemische Färbungen 26 2.3.1 Die indirekte Nachweismethode 27 2.4 Das konfokale Mikroskop 28 2.5 Mikroskopische Untersuchung 30 2.5.1 Untersuchung der Volumina 30 2.5.2 Untersuchung der Zellzahlen 32 2.6 Bildauswertung 34 2.6.1 Volumenmessung / Golgi-Präparate 34 2.6.2 Zellzahl / Immunhistochemie 37 2.7 Berechnungen / Überlappungsfaktor / Statistische Auswertung 38 3. ERGEBNISSE 40 3.1 Volumina der Astrozyten 40 3.2 Zellzahl der Astrozyten 45 3.3 Der Überlappungsfaktor 48 3.4 Zusammenfassung 51 4. DISKUSSION 52 4.1 Kritik an der Methodik 52 4.1.1 Golgi-Färbungen zur Volumenmessung 52 4.1.2 S100-ß als Marker zur Zellzahl-Bestimmung 53 4.1.3 Schrumpfung der Präparate 54 4.2 Einordnung der Ergebnisse in die Literatur / Schlussfolgerungen 56 5. ZUSAMMENFASSUNG 60 6. LITERATUR 64 SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 68 LEBENSLAUF 69 DANKSAGUNG 71