Dokument: Intracellular Sodium and Energy Metabolism in Mouse Brain

Titel:	Intracellular Sodium and Energy Metabolism in Mouse Brain
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=47888
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20181126-093837-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Gerkau, Niklas [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,40 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.11.2018 / geändert 22.11.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Christine R. Rose [Gutachter] Prof. Dr. Christoph Fahlke [Gutachter] Prof. Dr. Christian Henneberger [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	In the mammalian central nervous system, a dense network of billions of neuronal connections is responsible for information processing. Despite the brain’s small mass compared to the rest of the body’s weight, it consumes a fifth of the total energy. The major energy consumer of the brain is the sodium potassium ATPase (NKA), which maintains the sodium and potassium gradients across membranes, providing the basis for electrical signaling. As the main extrusion mechanism for sodium ions, the NKA restores the baseline sodium concentration after neural activity and couples the intracellular sodium homeostasis with the cellular energy metabolism. Sodium regulation thus seems to be a critical factor both for signaling as well as for the cellular energy status. In the past, several studies have addressed intracellular sodium changes in cell culture and tissue slice preparations under physiological and pathophysiological conditions. Still, there is a surprising lack of knowledge on how intracellular sodium changes with activity in different brain areas. Moreover, the influence of the cellular energy level on sodium homeostasis is not understood in detail. The present study addressed these questions, aiming to elucidate sodium influx pathways and the dependence of sodium homeostasis on the cellular metabolism in neurons and astrocytes of the mouse brain. To characterize intracellular ion changes, I employed quantitative, fluorescence-based wide-field and two-photon imaging both in acute tissue slices and in the mouse brain in vivo. In addition, whole-cell patch-clamp recordings served to characterize the electrophysiological behavior of the cells under study. Using these tools, I could elucidate and characterize relevant sodium influx pathways into different neuronal compartments such as axons and spiny dendrites as well as into processes of astrocytes. Besides already proposed mechanisms (among them voltage-gated sodium channels), I was able to identify ENaC channels as hitherto unknown pathways for sodium influx into neural stem cells. Furthermore, I could show that depending on the sodium gradient, the NKCC1 work either in sodium influx or efflux mode. Moreover, my work indicated for the first time that sodium signals in perivascular endfeet are directly related to the breakdown of ATP, emphasizing the close interrelation between sodium homeostasis and cellular metabolism. In addition, I could provide the first quantitative data on intracellular sodium elevations in peri-infarct regions in mouse brain in vivo. These propagated in a wavelike manner across the cortex and invaded neurons as well as astrocytes. My data suggested that sodium influx drives reversal of the sodium/calcium exchanger (NCX), triggering a massive secondary calcium elevation while promoting export of sodium. Reported neuroprotective effects of the NCX activity in stroke models might thus be related to its dampening of ischemia-induced sodium loading. Im ZNS von Säugern bilden Neurone ein dichtes Netzwerk von aber Milliarden Verbindungen, die für die Informationsverarbeitung zuständig sind. Trotz der relativ kleinen Masse des Gehirns zur restlichen Masse des Körpers, verbraucht es dennoch ein Fünftel der Gesamtenergie. Der Hauptkonsument ist die NKA, die mit der Aufrechterhaltung der Natrium- und Kaliumgradienten für die Möglichkeit der Erregungsweiterleitung verantwortlich ist. Nach neuronaler Aktivität stellt die NKA die Ruhekonzentration an Natriumionen in den Zellen wieder her und verbindet somit die Natriumhomöostase mit dem zellulären Energiemetabolismus. Die Natriumregulation ist ein entscheidender Faktor für die zelluläre Signalgebung sowie für den Energiehaushalt der Zelle. Bisherige Studien konnten intrazelluläre Natriumveränderung in Zellkulturen und Gewebeschnitten unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen charakterisieren. Trotz dessen, bleiben Fragen über die Natriumänderung bei neuronaler Aktivität in verschiedenen Gehirnregionen ungeklärt. Darüber hinaus, ist der Einfluss des zellulären Energielevels auf die Natriumhomöostase nicht im Detail verstanden. In dieser Studie sollten diese Fragen adressiert werden, mit dem Ziel den Natriumeinstrom und die Abhängigkeit der Natriumhomöostase vom Zellmetabolismus in Neuronen und Astrozyten des Mausgehirns aufzuklären. Zu diesem Zweck, wurde in dieser Studie quantitatives Fluoreszenz-basiertes Weit-feld- und Zwei-Photonen-Imaging an Gewebeschnitten sowie am Mausgehirn in vivo durchgeführt. Diese Messungen wurden mit elektrophysiologischen Messungen mit Hilfe des Patch-Clamp Verfahrens komplementiert. Mit Hilfe dieser Techniken konnten in dieser Studie relevante Natriumeinstromwege in neuronale Axone und Dendriten sowie astrozytäre Ausläufer charakterisiert werden. Neben bereits vorgeschlagenen Mechanismen (unter diesen spannungs-abhängige Natriumkanäle), konnten hier erstmalig ENaC-Kanäle als Natrium-permeable Kanäle in neuronalen Stammzellen charakterisiert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich die Transportrichtung des NKCC1 in Abhängigkeit vom Natriumgradienten ändert. Weiter konnte erstmalig gezeigt werden, dass Natriumsignale in astrozytären Ausläufern direkt mit ATP-Verbrauch verknüpft sind, was die enge Verbindung zwischen der Natriumhomöostase und dem zellulären Energiemetabolismus verdeutlicht. Außerdem, konnten erstmalig Natriummessungen in der ischämischen Penumbra im Mäusegehirn in vivo dargestellt werden. Diese Natriumsignale breiten sich wellenartig über den Kortex aus und betrafen sowohl Neurone als auch Astrozyten. Die erhöhte Natriumkonzentration führte zum Umkehren des NCX und somit zu einem starken Kalziumeinstrom mit einem gleichzeitigen Natriumausstrom. Die schützende Wirkung des NCX während ischämischen Bedingungen ist vor allem auf seine mildernde Wirkung auf den Natriumeinstrom zurück zu führen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Neurobiologie
Dokument erstellt am:	26.11.2018
Dateien geändert am:	26.11.2018
Promotionsantrag am:	08.03.2018
Datum der Promotion:	19.10.2018