Präklinische Modelle von Rückenmarksverletzungen und Therapieentwicklung

Schädigungen des Rückenmarks sind schwerwiegende Verletzungen, die in den meisten Fällen lebenslange Konsequenzen für den jeweiligen Betroffenen mit sich bringen.

Die Pathophysiologie des Querschnittsyndroms kann als zweiseitiges Ereignis angesehen werden. Nach dem initialen Trauma per se, welches zur Gewebszerreißung, petechialen Einblutungen und letztlich Zelltod führt, verursachen die Einblutung und Abbauprodukte der Zellen innerhalb des verletzten Rückenmarks eine Reihe von Sekundärschäden, zu denen Ischämie, Exzitotoxizität, Ödemsbildung und eine starke inflammatorische Komponente zählen. Nach einer gewissen Zeit bildet sich – je nach Ausmaß der Verletzung – eine Narbe mit einer Pseudozyste. Dieser Prozess dient zum einen der Eindämmung des pathologischen Prozesses, um eine weitere Ausdehnung zu verhindern, erschwert jedoch zum anderen eine potenzielle Neuroregeneration.

In verschiedenen präklinischen Modellen von Rückenmarksverletzungen untersuchen wir die Wirkung von potenziell neuroprotektiven und neuroregenerativen Therapien. Dazu gehören zum einen die Verabreichung verschiedener Flavonoide, wie dem Prenylflavonoid ENDF1, als auch zellbasierte Therapien. Nach der jeweiligen Therapie werden lokomotorische und sensorische Fortschritte evaluiert, sowie der Einfluss auf inflammatorische Prozesse, Narben-, Zystenbildung und axonale Regeneration untersucht.

Unreife Nervenzellen im adulten zentralen Nervensystem: alternative Form von adulter Neurogenese

Adulte Neurogenese, die Neubildung von Nervenzellen, findet im erwachsenen Säugerhirn in zwei neurogenen Nischen statt, dem Gyrus dentatus im Hippokampus und der subventrikulären Zone entlang der lateralen Ventrikel. Darüber hinaus wurden neuronale vorläuferartige Zellen in weiteren Hirnregionen nachgewiesen. Im Piriformen Kortex, einer Region, welche unter anderem bei der Verarbeitung von Gerüchen beteiligt ist, wurden beispielsweise Zellen gefunden, die unreifen Neuronen gleichen. Bisher ist nur bekannt, dass diese Zellen vor der Geburt entstehen und in einem unreifen Zustand ruhend verbleiben. In älteren Individuen nimmt die Zahl dieser Zellen signifikant ab. Das Schicksal dieser Zellen, ob Zelltod oder Ausreifung zu einem anderen Zelltyp, konnte bisher aufgrund fehlender Methoden nicht ermittelt werden. Wir generierten hierfür kürzlich ein transgenes Modell (DCX-CreERT2/Flox-EGFP), bei dem Doublecortin-exprimierende Zellen durch Gabe von Tamoxifen permanent mit einem grünen Reporter markiert werden können. Diesen unreifen Zellen – ihre Ultrastruktur, ihre elektrophysiologische Aktivität, ihr Schicksal, ihren Ursprung, ihren Einfluss auf das Verhalten und ihr Vorkommen in Mensch und Tier – zu analysieren, ist Ziel dieses Projekts.

Bei der Analyse des Piriformen Kortex konnten wir zeigen, dass die vormals unreifen Zellen nicht sterben, sondern lokal zu glutamatergen Pyramidalzellen ausreifen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Zellen sowohl morphologisch als auch funktionell ausgereift waren. Unreife Neurone des Piriformen Kortex und jene Zellen, zu welchen sie sich entwickeln können, werden am akuten Schnitt mithilfe eines transgenen Modells elektrophysiologisch untersucht. Während der elektrophysiologischen Messungen werden die Zellen mit Biocytin befüllt. Damit kann im Nachhinein die Identität der untersuchten Zellen eindeutig festgestellt und mithilfe von Immunohistochemie und Elektronenmikroskopie weiter beschrieben werden. Um diese Zellen in diversen Spezies, den Menschen eingeschlossen, zu identifizieren, bedienen wir uns ebenfalls der Elektronenmikroskopie. Somit wird dieses Projekt zeigen, ob man die neurogene Kapazität des Menschenhirns stark unterschätzt hat, und ob es ein begrenztes Reservoir an unreifen Nervenzellen gibt, welches zusätzliche neue Neurone bildet und damit das alternde Gehirn plastischer halten kann als bis dato angenommen.

Induzierte Oligodendrogenese erwachsener neuraler Stammzellen durch mesenchymale Stammzellen - Untersuchung des Signalwegs

Stammzellen kommen im erwachsenen Organismus in verschiedensten Geweben vor und können verletztes oder zerstörtes Gewebe wiederaufbauen. Wohlbekannte Beispiele sind mesenchymale Stammzellen (MSCs), die im Knochenmark vorkommen. Aber auch das zentrale Nervensystem (ZNS) beherbergt einen Stammzellpool, so genannte neurale Stammzellen (NSCs), die in die astrogene, oligodendrogene oder neuronale Linie differenzieren können. Demyelinisierende Erkrankungen, wie z.B. Multiple Sklerose, führen zu einer Beschädigung der Myelinschicht, die von den Oligodendrozyten gebildet wird, und im Weiteren zum Verlust der Nervenfunktion. Das Eigenpotenzial der Regeneration nimmt mit zunehmender Krankheitsdauer und dem Alter der Betroffenen ab. Durchschlagende Therapien, die den Krankheitsprozess aufhalten oder die Regeneration verbessern, sind bisher nicht existent.

In vitro-Experimente konnten zeigen, dass lösliche Faktoren, die von MSCs sezerniert werden, NSCs dazu bringen, in eine oligodendrogliale Richtung zu differenzieren. Die molekularen Mechanismen und die Signaltransduktionswege, über die dieser Effekt erwirkt wird, sind jedoch bis jetzt unbekannt. Unser Ziel ist herauszufinden, über welchen Signaltransduktionsweg die von MSCs induzierte Oligodendrogenese vermittelt wird, um einen möglichen Therapieansatz zur Verbesserung der Regeneration zu finden. Mittels NSC-Kulturen werden in vitro verschiedene Signalwege getestet und mittels spezifischer Inhibitoren ausgeschaltet. So wird untersucht, welcher Signalweg einen direkten Einfluss auf die MSCs induzierte Oligodendrogenese hat. Durch die Kenntnis eines Hauptsignalwegs in der Oligodendrogenese könnten neue pharmakologische Ansätze für die Remyelinisierung entwickelt werden.

Flavonoide: Neuroregenerative Substanzen für das beschädigte Nervensystem

Flavonoide, eine Klasse von sekundären Pflanzenmetaboliten, zeigten schon viele positive Wirkungen auf den menschlichen Organismus. So verringerte eine flavonoidreiche Ernährung den Gedächtnisverlust bei Morbus Alzheimer. Außerdem hatten bestimmte Flavonoide in Tierstudien antidepressive und anxiolytische Wirkungen. Humulus lupulus L., allgemein bekannt als echter Hopfen, ist eine Pflanze, die sehr reich an Flavonoiden ist. In verschiedenen in vitro-Experimenten unserer Arbeitsgruppe konnten wir eine erhöhte neuronale Differenzierungsrate nach Behandlung von neuralen Stammzellkulturen mit einzelner dieser Flavonoide nachweisen. Darüber hinaus induzierten einige Flavonoide ein stärkeres Wachstum und Aussprossen der Neuriten und wirkten neuroprotektiv. Aufgrund dieser Ergebnisse werden diese Flavonoide in vivo auf ihre pharmakologische Wirkung und ihren Anwendungsbereich im zentralen Nervensystem untersucht.

In unseren derzeitigen Projekten beschäftigen wir uns mit der Frage, ob ENDF1 das Neuritenwachstum von Neuronen der Spinalganglien sowie die Komplexität dieser Neuriten beeinflusst. In ersten Experimenten konnten wir feststellen, dass ENDF1 einen positiven Einfluss auf Neuritenwachstum zeigt und den wachstumshemmenden Effekt von diversen natürlich vorkommenden Inhibitoren ganz oder teilweise aufhebt. Die molekularen Mechanismen hinter diesem Effekt stellen einen zentralen Punkt unserer Forschung dar.