Dokument: Stabilization of dendritic spines in an Alzheimer mouse model

Titel:	Stabilization of dendritic spines in an Alzheimer mouse model
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=53560
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200626-103000-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Kartalou, Georgia-Ioanna [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,81 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 26.06.2020 / geändert 26.06.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Gottmann, Kurt [Gutachter] Prof. Dr. rer. nat. Rose, Christine [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Morbus Alzheimer (AD) ist eine durch fortschreitenden Rückgang des Gedächtnisses gekennzeichnete chronische neurodegenerative Erkrankung. Die Fehlfunktionen von Synapsen und die kognitive Dysfunktion sind frühere Anzeichen der AD-Pathogenese. Die Funktion des Hippocampus spielt eine zentrale Rolle bei der Gedächtnisbildung und - konsolidierung, und die zugrundeliegenden Mechanismen umfassen die synaptische Plastizität. Die dendritischen Spines bilden die postsynaptischen Anteile exzitatorischer Synapsen im Gehirn und sie stellen damit den Hauptort der synaptische Plastizität dar. Ihr Verlust wirkt sich direkt auf die synaptische Funktion aus und ist dadurch mit Lern- und Gedächtnisstörungen bei AD korreliert. Außerdem sind pathologische Veränderungen bei der Verfügbarkeit und Signalüberleitung des Wachstumsfaktors BDNF (von eng.: „Brain-derived neurotrophic factor“) in AD berichtet worden. Trotzt der wissenschaftlichen Fortschritte exsistieren aktuell keine effektiven therapeutischen Ansätze zur Prävention und Heilung der AD. Daher stellt die Identifikation von der Krankheitspathogenese zugrundeliegenden pathophysiologischen Mechanismen einen zentralen Meilenstein therapeutischer Strategien dar. Mit dem Ziel, mögliche Therapieoptionen zu finden, die die Pathogenese von AD verlangsamen könnten, konzentrierte sich diese Forschungsstudie auf die Entwicklung neuartiger therapeutischer Interventionen, die der im Hippocampus von transgenen APP/PS1- Mäusen (ein Tiermodell für AD) beobachteten AD-ähnlichen dendritischen Spine-Pathologie entgegenwirken können. Aus diesem Grund wurden in dieser Studie therapeutische Ansätze verwendet, die möglicherweise den BDNF-Spiegel im Gehirn erhöhen, z. B. die Verabreichung von „voluntary running“ (VR) oder chronischem Fingolimod (FTY720). Fingolimod ist ein Modulator von Sphingosin-1-Phosphat (S1P)-Rezeptoren, von dem angenommen wird, dass er neuroprotektive Wirkungen hat und Entzündungsreaktionen reguliert. In dieser Arbeit wurden signifikante dendritische Spine-Defizite im Hippocampus sowohl von APP/PS1- als auch von APP/PS1/BDNF+/- (AK-Mäuse mit reduzierten BDNF- Spiegeln) Tieren nach Golgi-Cox-Hirnimprägnierungen beobachtet. Darüber hinaus wurde eine detailliertere Analyse der dendritischen Spines im Zusammenhang mit Amyloid-Plaques durchgeführt, nachdem eine innovative Kombination der Golgi-Cox-Färbung von Neuronen mit der Fluoreszenzmarkierung von Amyloid-Plaques etabliert worden war. Die Verwendung dieser Methode ergab einen signifikanten Verlust der dendritischen Spines in der Nähe und weit entfernt von den Amyloid-Plaques im Hippocampus von APP/PS1-Mäusen, wobei eine stärkere Pathologie der dendritischen Spines bevorzugt in der Nähe der Plaques festgestellt wurde. Interessanterweise zeigte diese Studie, dass sowohl die VR- als auch die FTY720- Behandlung (in einer hohen Dosis von 1 mg/kg jeden 2. Tag sowie in einer niedrigeren Dosis von 0,1 mg/kg jeden 2. Tag) die Pathologie der dendritischen Spines weit entfernt von der Plaquegrenze vollständig rettete und den Verlust dendritischer Spines in der Nähe der Plaques signifikant verbesserte. Darüber hinaus ergab diese Untersuchung, dass FTY720 (1 mg/kg jeden 2. Tag) die robuste Mikrogliose und Astrogliose zusammen mit der Amyloid-Beta- Ablagerung und -Akkumulation im Hippocampus und Cortex von APP/PS1-Mäusen reduzierte. Insgesamt deuten diese Ergebnisse auf eine vorteilhafte Rolle von VR und FTY720 bei der Verhinderung des Fortschreitens der Krankheit in diesem AD-Mausmodell hin. Diese Forschungsstudie untersuchte auch mögliche Beeinträchtigungen der γ- Sekretaseaktivität bei sporadischer AD in Bezug auf den Metabolismus von synaptischen Zelladhäsionsmolekülen (CAMs) von N-Cadherin (Ncad), Neuroligin-1 (NLG1) und Neurexin (NRX). Diese Proteine sind an den prä- oder postsynaptischen Strukturen von Neuronen exprimiert. Diese Moleküle werden proteolytisch ähnlich wie das APP-Protein gespalten und sind wichtige Substrate der γ-Sekretase, sodass sie in AD eine Rolle spielen könnten. Es gibt starke Hinweise darauf, dass bei sporadischer AD eine Fehlfunktion der γ- Sekretase ohne Mutation im Presinilin-1 (PS1) auftreten kann. Diese Arbeit beschreibt, dass die Expression des C-terminalen Fragments (CTF1) von Ncad signifikant erhöht waren, während die Expression von NLG1 CTF1 in post-mortem Gehirnen von Patienten mit sporadischer AD signifikant verringert waren. Die NRX CTF1-Expression zwischen AD- Patienten und nicht dementen Kontrollpersonen war nicht unterschiedlich. Diese Befunde legen nahe, dass γ-Sekretase-Funktionsstörungen bei sporadischer AD zu spezifischen Veränderungen der proteolytischen Spaltung verschiedener Substrate führen können. Zusammenfassend sind die wichtigsten Ergebnisse dieser Dissertation die vorteilhafte Wirkung von VR auf die Pathologie der dendritischen Spine bei AD und die Verwendung von FTY720 als potenzielle Behandlung zur Verbesserung von Störungen der dendritischen Spines bei AD durch antineuroinflammatorische Wirkungen des Arzneimittels auf Mikroglia und Astrozyten. Diese Arbeit legt auch nahe, dass eine mögliche γ-Sekretase-Dysfunktion bei sporadischer AD zu einer veränderten proteolytischen Spaltung spezifischer Substrateühren kann. Alzheimer’s disease (AD) is a chronic neurodegenerative disorder, characterized by a progressive decline in memory. Synaptic failure and cognitive dysfunction have been described as early events in AD pathogenesis. The function of the hippocampus plays a pivotal role in memory formation and consolidation and the mechanisms underlying this process involve synaptic plasticity. Moreover, dendritic spines are postsynaptic sites of excitatory synapses in the brain constituting the most critical players in synaptic plasticity. Their loss directly affects synaptic function, and has also been correlated with learning and memory impairments in AD. In addition, pathological changes in brain-derived neurotrophic factor (BDNF) availability and signaling have also been reported in AD. Despite the current scientific advances, there are no effective therapeutic approaches for the prevention and curing of AD yet. It is clear therefore, that one of the most challenging topics in AD research is the identification of therapeutic strategies, which could potentially target the presumed pathogenic mechanisms that underlie this disorder. Aiming at finding possible options able to slowdown the pathogenesis of AD, this research study focused on the development of novel therapeutic interventions possible to counteract the AD-like spine pathology observed in the hippocampus of APP/PS1 transgenic mice (an animal model of AD). For this reason, this research used therapeutic approaches, which have been suggested to increase BDNF levels in the brain, such as voluntary running (VR) or chronic fingolimod (FTY720) administration. FTY720 is a modulator of sphingosine- 1 phosphate (S1P) receptors, which is thought to have neuroprotective effects and to regulate inflammatory responses. In this work, significant dendritic spine deficits were observed in the hippocampus of both APP/PS1 and APP/PS1/ BDNF+/- (AD mice with reduced BDNF levels) animals after Golgi-Cox brain impregnations. Furthermore, a more detailed spine analysis in correlation to amyloid plaques was performed, after establishing an innovative combination of the Golgi-Cox staining of neurons with the fluorescent labeling of amyloid plaques. The use of this novel method revealed a significant spine loss near and also distant from the amyloid plaques in the hippocampus of APP/PS1 mice. As expected, a stronger spine pathology was detected in the vicinity of the plaques. Most interestingly, this study showed that both VR and FTY720 treatment (in a high dose of 1 mg/kg/2ndday as well as in a lower dose of 0.2 mg/kg/2ndday) completely rescued spine pathology distant from the plaque border, and significantly ameliorated spine loss near the plaques. Moreover, this work revealed that FTY720 (1 mg/kg/2ndday) reduced the observed robust microgliosis and astrogliosis along with the amyloid beta deposition and accumulation in the hippocampus and cortex of APP/PS1 mice. Overall, these findings suggest a beneficial role of VR and FTY720 in preventing progression of the disease in this AD mouse model. This work also investigated potential γ-secretase activity impairments in sporadic AD in relation to the metabolism of N-cadherin (Ncad), neuroligin-1 (NLG1) and neurexin (NRX). These synaptic cell adhesion molecules (CAMs) are well known to be expressed at pre- or postsynaptic sites of neuronal synapses. These molecules are proteolytically cleaved similar to amyloid precursor protein (APP) and are important substrates of γ-secretase. There is strong evidence that misprocessing by γ-secretase [without carrying a mutation in the presinilin-1 (PS1)] can occur in sporadic AD. This work revealed that the level of the C-terminal fragment 1 (CTF1) of Ncad was significantly elevated, whereas the NLG1 CTF1 levels were significantly reduced in post-mortem brains of patients with sporadic AD. Furthermore, the level of NRX CTF1 was not different between AD patients and non-demented controls. These findings showed that potential γ-secretase functional impairments in sporadic AD may result in specific changes in proteolytic cleavage for different substrates. In summary, the major outcomes of this dissertation are the beneficial effect of VR on spine pathology in AD, and the use of FTY720 as a potential treatment for rescuing spine impairments in AD based on the drug’s anti-neuroinflammatory actions on microglia and astrocytes. Furthermore, this work also suggests that potential γ-secretase dysfunction in sporadic AD may lead to altered proteolytic cleavage of specific substrates.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Neuro- und Sinnesphysiologie
Dokument erstellt am:	26.06.2020
Dateien geändert am:	26.06.2020
Promotionsantrag am:	07.05.2020
Datum der Promotion:	25.06.2020