Dokument: Auswirkungen von Energiemangel auf die zelluläre Ionenhomöostase im Mausgehirn
| Titel: | Auswirkungen von Energiemangel auf die zelluläre Ionenhomöostase im Mausgehirn | |||||||
| Weiterer Titel: | Effects of energy deprivation on cellular ion homeostasis in the mouse brain | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=64358 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20231218-110245-4 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Pape, Nils [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Christine R. Rose [Gutachter] Jun.-Prof. Dr. rer. nat. Erlenhardt, Nadine [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Das Gehirn von Vertebraten verbraucht trotz seines geringen Anteils an der Körpermasse von
ca. 2% bis zu einem Fünftel der Energie des Körpers. Der Großteil wird dabei von der Na+/K+- ATPase (NKA) zur Aufrechterhaltung des einwärtsgerichteten Na+-Gradienten über die Plasmamembran verwendet. Dieser bietet die Grundlage für synaptische Signaltransduktion wie auch sekundäre Transportprozesse, über welche die Gradienten weiterer Ionen reguliert werden. Dem Na+-Einstrom in Neurone und Astrozyten, der unter physiologischen und pathologischen Bedingungen durch eine Vielzahl von Kanälen und Transportern im Gehirn vermittelt wird, muss die NKA unter Energieverbrauch entgegenwirken. Hierdurch sind der zelluläre Energiemetabolismus und Na+-Homöostase eng aneinandergekoppelt. Unklar bleibt jedoch, welchen genauen Anteil an der Na+-Beladung sowie am zellulären Energieverbrauch diese einzelnen Mechanismen haben. Dieser Fragestellung widmet sich die vorliegende Dissertation. Hierzu wurde der Gehalt des Energieträgers Adenosintriphosphat (ATP) in Neuronen und Astrozyten des somatosensorischen Cortex der Maus mit Hilfe des Zelltyp-spezifisch exprimierten Nanosensors ATeam1.03YEMK in organotypischen Hirnschnittkulturen durchgeführt. Zusätzlich wurden Änderungen der intrazellulären Na+-Konzentration mit Hilfe des Fluoreszenzindikators ION NaTRIUM Green-2 detektiert. Eine kurzzeitige pharmakologische Inhibition der Glykolyse und Atmungskette führte zu einem Na+-Einstrom und gleichzeitigem ATP-Abfall in beiden Zelltypen, wobei Neurone generell stärker auf diese Manipulation reagierten als Astrozyten. Zusätzliche Inhibition verschiedener Na+-Kanäle zeigte deren Einfluss auf den ATP-Gehalt während Energiemangel. So wiesen die an der glutamatergen Signalübertragung beteiligten TTX-sensitiven spannungsabhängigen Na+-Kanäle und NMDA-Rezeptoren den größten Einfluss auf den ATPVerlust auf, während eine Blockade der astrozytären Glutamattransporter keinen Effekt auf Astrozyten und einen verstärkenden auf Neurone zeigte. Auch Glutamat-unabhängige Transporter wie der Na+-Bikarbonat-Cotransporter oder der TRPV4-Kanal wirkten sich substanziell auf den ATP-Verbrauch aus. Obwohl letzterer primär als Ca2+-Kanal bekannt ist, trug er ebenfalls signifikant zum Na+-Einstrom während eingeschränktem Energiemetabolismus bei. Diese Ergebnisse meiner Arbeit zeigen damit deutlich den hohen Energieverbrauch glutamaterger Signalübertragung und die damit verbundene hohe Anfälligkeit von Neuronen gegenüber kurzzeitigem Energiemangel. Außerdem weisen sie erstmals einen unerwartet starken Einfluss von TRPV4-Kanälen auf die Na+-Beladung und damit verbundenen ATPVerlust bei Hemmung des Energiemetabolismus nach. Dies könnte die bereits vorgeschlagene neuroprotektive Wirkung von Antagonisten des TRPV4-Kanals nach einem Schlaganfall mit bedingen.Despite its low mass the vertebrate brain is responsible for up to a fifth of the body’s energy expenditure. The main portion of this energy is used by the Na+/K+ ATPase (NKA) to maintain the inwardly directed Na+ gradient across the plasma membrane, which is the foundation for synaptic signal transduction as for secondary active transport processes, by which the gradients of other ions are maintained. Na+ influx into neurons and astrocytes, which is mediated under physiological and pathological conditions by numerous channels and transporters in the brain, needs to be counteracted by the NKA under energy usage, coupling the cellular energy metabolism closely to Na+ homeostasis. What remains unclear, however, is what exact proportion of Na+ loading and cellular energy consumption these individual mechanisms account for. The present dissertation is dedicated to this question. To this end, the content of the energy carrier adenosine triphosphate (ATP) was measured in neurons and astrocytes of the somatosensory cortex employing the nanosensor ATeam1.03YEMK, which was expressed cell type-specifically in organotypic brain slice cultures. Additionally, changes in the intracellular Na+ concentration were measured using the fluorescent indicator ION NaTRIUM Green-2. A short-term pharmacological inhibition of glycolysis and the respiratory chain lead to a Na+ increase and simultaneous ATP-decrease in both cell types, where neurons generally showed a stronger reaction to this manipulation than astrocytes. Additional inhibition of different Na+ channels revealed their impact on ATP-content during energy deprivation. TTXsensitive voltage-gated Na+ channels and NMDA-receptors, which both play a role in the glutamatergic signal transduction, showed the strongest impact of ATP-loss, while inhibition of astrocytic glutamate transporters had no effect in astrocytes and an aggravating one in neurons. Also, non-glutamatergic transporters like the Na+ bicarbonate cotransporter 1 or the TRPV4 channel affected the ATP-loss substantially. Even though the latter is primarily known as a Ca2+ channel it showed significant influence on the Na+ load during compromised energy metabolism. These results of my work clearly illustrate the high energy demand of glutamatergic signaling und the resulting high vulnerability of neurons to short-term energy loss. Moreover, they show the unexpectedly strong influence of TRPV4 channels on Na+ load and the following loss of ATP during compromised energy metabolism. This could be a contributing factor to the previously proposed neuroprotective effect of antagonists of the TRPV4 channel after a stroke. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Neurobiologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 18.12.2023 | |||||||
| Dateien geändert am: | 18.12.2023 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 20.07.2023 | |||||||
| Datum der Promotion: | 17.11.2023 |
