Dokument: Na+ signaling in white matter glial cells

Titel:	Na+ signaling in white matter glial cells
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=48828
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20190327-081742-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Moshrefi, Behrouz [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,83 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.03.2019 / geändert 11.03.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Rose, Christine R. [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	The vertebrate brain consists of so-called grey and white matter regions. While the latter mainly hosts axonal fiber tracts and different macroglial cells, grey matter harbors neuronal somata and dendritic areas on which chemical synapses are located. The most prevalent excitatory transmitter is glutamate, which upon its synaptic release, is taken up by the high-affinity, sodium-dependent transporters GLT-1 and GLAST mainly expressed by astrocytes. As a result, astrocytes in grey matter experience sodium signaling in response to glutamatergic synaptic activity. These intracellular sodium signals have been suggested to serve important functional roles under both physiological as well as pathophysiological conditions. In contrast to grey matter, sodium signaling and possible sodium influx pathways in macroglial cells of white matter were not studied and are thus unknown so far. To address these questions, I analyzed white matter sodium signaling in acute corpus callosum sections taken from juvenile mouse brains. To this end, I adopted the dynamic ion imaging technique, using the sodium indicator SBFI-AM, and stimulated the cells both via focal pressure application of glutamate or by electrical stimulation of corpus callosum fibers to evoke axonal action potentials. Both approaches evoked robust sodium transients in astrocytes, but also in oligodendrocytes and NG2 glia. Blockers of ionotropic glutamate receptors revealed a differential involvement of AMPA and NMDA receptors between the groups, but inhibition of glutamate transporters with TFB-TBOA showed a strong effect across all glial cells. Using a GLT-1 specific antagonist and GLAST-KO animals in combination with studies of specific protein expression indicated that, compared to grey matter regions of the same age group, white matter astrocytes and cells of the oligodendrocyte lineage both display a clear involvement and expression of GLAST as well as GLT-1.To test if sodium signals spread intracellularly via a panglial syncytium, I directly stimulated an astrocyte, resulting in a steep sodium transient not only in the stimulated but also in neighboring glial cells, most likely by passage of sodium through gap-junctions. In summary, the results of this study thus demonstrate for the first time that white matter macroglial cells display activity-related sodium signaling and reveal the different pathways for sodium influx. Moreover, I could show that sodium efficiently spreads in the panglial syncytium. Sodium signals could thus represent a key factor in panglial communication and coordination of physiological processes in white matter. These could include for instance glial metabolism, which is of utmost importance for axonal support or production of myelin, which enables rapid signal conduction along fiber tracts. Das Wirbeltiergehirn besteht aus Regionen grauer und weißer Substanz. Während die weiße Substanz vor allem axonale Faserbahnen und verschieden Makrogliazellen beherbergt, finden sich in der grauen Substanz neuronale Somata und dendritische Bereiche, an denen sich chemische Synapsen befinden. Der häufigste erregende Neurotransmitter Glutamat wird nach synaptischer Freisetzung vor allem von Astrozyten über die hoch-affinen und Natrium-abhängigen Transporter GLT-1 und GLAST aufgenommen. Dadurch entstehen in Astrozyten der grauen Substanz nach glutamaterger synaptischer Aktivität Natriumsignale. Es wird vermutet, dass diese intrazellulären Natriumsignale sowohl unter physiologischen als auch pathophysiologischen Bedingungen wichtige Funktionen erfüllen. Im Gegensatz zur grauen Substanz wurden Natriumsignale und deren mögliche Entstehungswege in Makrogliazellen der weißen Substanz noch nicht erforscht und sind somit unbekannt. Um diesen Fragen nachzugehen, wurden Natriumsignale im Corpus callosum in akuten Hirnschnitten der juvenilen Maus untersucht. Hierfür wurde die Technik des dynamischen Ionenimaging mithilfe des Natriumindikators SBFI-AM angewandt. Zellen wurden sowohl durch lokale Druckapplikation von Glutamat als auch durch elektrische Stimulation von Corpus callosum-Fasern zur Hervorrufung von Aktionspotenzialen angeregt. Durch beide Ansätze wurden robuste Natriumsignale in Astrozyten, sowie in Oligodendrozyten und NG2-Zellen, ausgelöst. Antagonisten ionotropischer Glutamatrezeptoren zeigten, dass AMPA- und NMDA-Rezeptoren in beiden Gruppen unterschiedlich stark involviert sind, während die Inhibition von Glutamattransportern durch TFB-TBOA einen starken Effekt in allen Gliazellen hervorrief. Mithilfe eines GLT-1-spezifischen Antagonisten und unter Verwendung transgener GLAST-knock-out-Tiere, zeigte sich, dass anders als in der grauen Substanz gleichen Alters, sowohl Astrozyten als auch Oligodendrozyten und NG2-Zellen Aktivität beider Transportertypen aufweisen. Diese Resultate wurden durch die Ergebnisse von Studien zur Proteinexpression unterstrichen. Um zu prüfen ob Natriumsignale sich über ein pangliales Netzwerk ausbreiten, wurde ein einzelner Astrozyt direkt stimuliert. Ein so ausgelöstes Natriumsignal war nicht auf diese Zelle beschränkt, sondern konnte auch in benachbarten Gliazellen beobachtet werden, was wahrscheinlich auf die Ausbreitung von Natrium über gap-junctions zurück zu führen ist. Die Ergebnisse der Studie zeigen zum ersten Mal, dass sich in der weißen Substanz aktivitätsabhängige, komplexe Natriumsignale abspielen. Zudem wird gezeigt, dass sich Natrium effektiv über das pangliale Netzwerk ausbreitet. Natriumsignale könnten somit ein Schlüsselfaktor in panglialer Kommunikation und Koordination physiologischer Prozesse in der weißen Substanz sein, wie etwa der gliale Metabolismus, welcher für Axone von größter Bedeutung ist, sowie Myelinproduktion für beschleunigte Signalweiterleitung an Nervenfasern.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Neurobiologie
Dokument erstellt am:	27.03.2019
Dateien geändert am:	27.03.2019
Promotionsantrag am:	14.08.2018
Datum der Promotion:	13.12.2018