Dokument: Evaluation of the effects of inhaled nanoparticles on the central nervous system of mice

Titel:	Evaluation of the effects of inhaled nanoparticles on the central nervous system of mice
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=23578
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20130124-130151-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	MSc. Hullmann, Maja [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,87 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 23.01.2013 / geändert 23.01.2013
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	In recent years there has been increasing concern that inhalation exposure to ambient particulate matter (PM) can lead to or exacerbate various diseases, which are not limited to the lung and the cardiovascular system, but also extend to other organs and tissues. Several research groups have shown with rodent inhalation studies that PM, and more specifically the fraction of nanoparticles (NP) (<100 nm) within this mixture, may cause adverse health effects in the brain via the induction of oxidative stress and inflammation. The central focus of in this thesis has been on the hypothesis that inhaled NP play a crucial role in inducing or worsening oxidative stress and inflammation in the CNS, and thereby may contribute to brain pathologies. Oxidative stress and mildly increased inflammation in the brain, which are commonly observed in animal experimental studies, are characteristic for normal brain aging processes. However, they are also featured in various diseases of the CNS including the common neurodegenerative disorders Alzheimer’s disease (AD). The first study addressed the effects of short term (4 h) nose-only inhalation exposure to model carbon NP generated by spark discharge in the lungs and brains of wildtype (WT) and p47phox-/- mice. The p47phox-/- model was used to investigate the role of NADPH oxidase mediated superoxide formation in NP-induced oxidative stress and inflammation. It could be shown that the lungs of p47phox-/- mice are less responsive to NP inhalation than lungs of WT animals. Lung tissue mRNA expression levels of the DNA base excision genes OGG1 and APE-1 were increased upon NP exposure in WT animals but not in the of p47phox-/- mice, reflecting enhanced NADPH oxidase dependent stress and possible DNA damage. However, for the brain, no clear NP-exposure associated contrasts in mRNA or protein marker changes could be detected. The constitutive protein expression of the pro-inflammatory cytokine interleukin-1ß was found to differ between the brain homogenates of the shamexposed wildtype and knockout mice. The second study of the project involves a subchronic (i.e. 3 or 13 week) wholebody inhalation study to DEE in an Alzheimer mouse model. For this investigation it was decided to work with B6SJL-Tg (APPSwFlLon, PSEN1*M146L*L286V)6799VAS mice (also referred to as “5xFAD mice”). The female mice of this strain are characterised by the development of histological, neurological as well as functional impairments which are considered to mimic the development and progression of AD in humans. Our study hypothesis is that a subchronic inhalation exposure to combustion derived NP (DEE) leads to an acceleration of these AD-like effects in this mouse model. Therefore, groups of animals were exposed to diluted DEE or HEPA filtered air for 3 or 13 weeks, each 5 days per week, 6 hours per day. At the end of the 3 weeks and 13 weeks exposures, animals were subjected to a series of behavioural tests, i.e. the Y-maze task and X-maze task (both to assess the spatial working memory of mice reflected by the spontaneous alternation) and the string suspension task (to evaluate motor coordination and grip strength). Following, animals were sacrificed and brains were analyzed using histopathological, biochemical and molecular-biological techniques. The hypothesis of this study was that subchronic exposure to NP leads to an acceleration of the age-related onset of AD-like pathology. The results demonstrated deficits in motor condition and/or grip strength as well as increased brain tissue homogenate protein levels of β-amyloid 42 in the NP-exposed 5xFAD mice. Acceleration of β-amyloid 42 plaque deposition in the cortex and hippocampus was also detected. The results of the behaviour tests and histopathology findings indicate, in line with the expectations, the typically age-dependent behavioural deficits and marked plaque-formation in the 5xFAD mice. In conclusion, the results of this thesis are in support of the central nervous system as a major target of environmental nanoparticles, and indicate that long term inhalation exposure may accelerate the pathogenesis of Alzheimer’s disease. Die Sorge, dass inhalierte Feinstäube aus der Außenluft bereits vorhandene Krankheiten verschlimmern, die nicht nur die Lunge und das kardiovaskuläre System, sondern auch darüber hinaus andere Organe und Gewebe betreffen, ist in den letzten Jahren angestiegen. Verschiedene Forschergruppen konnten mit Hilfe von Inhalationsstudien an Nagetieren zeigen, dass die Nanopartikelfraktionen (<100 nm) von inhaliertem Feinstaub zu einer Induzierung von oxidativen Stress und Entzündungsreaktionen führen und somit auch gesundheitsschädigenden Auswirkungen auf das Gehirn haben können. Der zentrale Fokus dieser Arbeit basiert auf der Hypothese, dass inhalierte Nanopartikel eine kritische Rolle in der Induzierung von oxidativen Stress und Entzündungsreaktionen innerhalb des zentralen Nervensystem spielen und daraufhin zu verschiedenen Gehirnpathologien beisteuern. Oxidativer Stress und ein leichter Anstieg von Entzündungsreaktionen im Gehirn, welche schon häufig in Tierversuchen nachgewiesen werden konnten, sind Charakteristika der normalen Hirnalterung. Des Weiteren sind sie Merkmale für verschiedene Krankheiten des zentralen Nervensystems, wie auch zum Beispiel für die weit verbreitete neurodegenerative Erkrankung Morbus Alzheimer. Die erste Studie untersuchte die Effekte einer 4stündigen „nose only“ Inhalation mit Funken generierten Karbon-Nanopartikeln in Lungen und Gehirnen von Wildtyp (WT) und p47phox-/- Mäusen. Das p47phox-/- Maus Model wurde eingesetzt um die Rolle der NADPH Oxidase vermittelten Superoxid-Formation, in einer durch Nanopartikel induzierten oxidativen Stress- und Endzündungsreaktion, zu ermitteln. Es konnte gezeigt werden, dass Lungen der p47phox-/- Maus weniger Reaktion auf die Inhalation von Nanopartikel zeigten als solche von WT Tieren. Die mRNS Expressionslevel von DNS Basenexzision Genen wie OGG1 und APE/Ref-1 waren in Lungengeweben von WT Mäusen nach Belastung mit NP erhöht, nicht jedoch in den p47phox-/- Mäusen. Dies deutet auf einen NADPH-Oxidase abhängigen Stress und DNS Schädigung hin. Im Gehirn hingegen konnten keine klaren Nanopartikel-assoziierten Unterschiede im mRNS- oder Markerproteinen-Level detektiert werden. Die konstitutive Proteinexpression des proinflammatorischen Zytokins Interleukin-1β in Gehirn-Homogenaten unterschied sich in nicht-belasteten Wildtyp Tieren und p47phox-/- Mäusen. Die zweite Studie umfasste eine subchronische (3 bzw. 13 Wochen Belastung) „whole-body“ Inhalation mit Dieselruß Partikeln in einem Alzheimer Mausmodell. Hierfür wurde eine B6SJL-Tg (APPSwFlLon, PSEN1*M146L*L286V)6799VAS Maus verwendet, auch bezeichnet als 5xFAD Maus. Die weiblichen Mäuse dieser Linie zeichnen sich dadurch aus, dass sie histologische, neurologische und funktionale Auffälligkeiten entwickeln, welche die Entwicklung der Alzheimerschen Erkrankung im Menschen imitieren sollen. Die Hypothese dieser Studie ist, dass eine subchronische Belastung mit Dieselruß Partikeln zu einer Beschleunigung der auftretenden Alzheimer Effekte im Maus Model führen kann. Hierfür wurden die Tiere für 3 bzw. 13 Wochen mit Dieselruß Partikeln oder gefilterter Luft, an 5 Tagen der Woche für jeweils 6 Stunden, belastet. Anschließend erfolgte die Durchführung einer Reihe von Verhaltenstests. Der „Y-maze task“ und „X-maze task“, mit welchen man das räumliche Gedächtnis so wie das Arbeitsgedächtnis testet und der „string suspenstion task“, mit welchem man motorische Fähigkeiten und Muskelkraft misst. Anschließend wurden die Tiere getötet, die Hirne wurden mittels hostopathologischen, biochemischen und molekularbiologischen Methoden analysiert. Die zugrundeliegende Hypothese dieser Studie war, dass eine subchronische Belastung durch Nanopartikel zu einer Beschleunigung der altersabhängigen Alzheimer-Pathologie führt. Die Ergebnisse zeigten Defizite im Bereich der motorischen Fähigkeiten und der Muskelkraft auf. Des Weiteren konnte ein erhöhtes Level an β-Amyloid 42 Protein in Gehirn-Homogenaten in mit Nanopartikel belasteten 5xFAD Mäusen detektiert werden. Eine Beschleunigung der β-Amyloid 42 Plaquedeposition im Cortex und Hippokampus konnte ebenfalls beobachtet werden. Die Ergebnisse der Verhaltenstests und der histopathologischen Untersuchung zeigen die erwarteten und typischen altersabhängigen Defizite und Plaque Formatierungen in den 5xFAD Mäusen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Ergebnisse dieser Thesis darauf hinweisen, dass das Zentrale Nervensystem ein wichtiges Zielorgan für Umweltpartikel darstellt. Belastungen über einen länger anhaltenden Zeitpunkt könnten zu einer Beschleunigung der Alzheimerpathologie führen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	24.01.2013
Dateien geändert am:	24.01.2013
Promotionsantrag am:	15.10.2012
Datum der Promotion:	10.01.2013