Molecular and cellular preconditiong - powerful strategies for neuroprotection

Neuronale Präkonditionierung beschreibt ein Phänomen, bei dem es durch potentiell toxische Reize zu einer Toleranzentwicklung gegenüber neurodegenerativen Prozessen im Gehirn kommt. Diese Anpassungsfähigkeit der Zellen ist essentiell, um gegen spätere Stresseinwirkungen besser geschützt zu sein. Für die Entwicklung neuer Strategien bei der Behandlung von Erkrankungen, die durch neuronalen Zelltod und dem daraus resultierenden Verlust von funktionsfähigem Hirngewebe gekennzeichnet sind, ist es von größter Bedeutung, diesen Selbstschutz-mechanismus auf molekularer und zellulärer Ebene zu erforschen. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, Effekte der Präkonditionierung sowohl auf molekularer Ebene, als auch auf zellulärer Ebene in einem Modell des neuronalen Zelltods zu untersuchen. Hierzu wurde eine neuronale hippocampale Zelllinie (HT-22 Zellen) verwendet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Schädigung mit Glutamat zu einem kontinuierlichen Abfall der intrazellulären Glutathionspiegel führt und somit oxidativen Stress induziert. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung, ob ein durch AIF-Depletion vermittelter neuroprotektiver Effekt auf mitochondriale Präkonditionierung zurück zu führen ist. Das pro-apoptotische Protein AIF ist ein mitochondriales Protein, das Caspase-unabhängigen Zelltod vermitteln kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine Herunterregulierung von AIF im vorliegenden Modell sowohl die Funktionen als auch die Integrität der Mitochondrien schützt. Eine verringerte Expression von AIF bewahrte die mitochondriale Morphologie, das mitochondriale Membranpotential und die ATP-Spiegel der Zellen unter der Einwirkung von oxidativem Stress. Darüber hinaus verzögerte sich auch der späte Anstieg an Lipidperoxiden, der im Allgemeinen mit einer Schädigung der Mitochondrien und anschließendem Zelltod in diesem Zellmodell einher geht. Des Weiteren führte eine AIF-Depletion zu einer verringerten Expression des Komplex I der Atmungskette. Der Komplex I-Inhibitor Rotenon erzielte in niedriger Dosierung ähnlich protektive Effekte im untersuchten Zellsystem. Diese Untersuchungen zeigten erstmalig, dass AIF-Depletion aufgrund mitochondrialer Präkonditionierungseffekte zum Schutz der Zelle gegen oxidativen Stress führt und nicht, wie bislang angenommen auf einer verringerten DNA-Schädigung im Zellkern beruht. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von konditioniertem Medium (CM), das nach Wachstumsfaktorentzug aus sterbenden neuralen Vorläuferzellen (NPCs) gewonnen wurde. Die Transplantation von Stammzellen und Vorläuferzellen ins Gehirn kann sowohl die motorischen Funktionen, als auch die Gedächtnisfunktion in einer Vielzahl von neurodegenerativen Erkrankungen, sowie nach Schädel-Hirn-Trauma und Schlaganfall verbessern. Jedoch beinhaltet die Stammzell-basierte Therapie noch sehr viele Risiken und offene Fragen bezüglich ihrer Wirkweise und der optimalen Anwendung. Die Entwicklung eines CMs von sterbenden NPCs spiegelt sehr gut die Bedingungen nach der Transplantation von Stammzellen wieder, da nur wenige Zellen diese Transplantation überleben und die meisten Zellen, während sie sterben, eine Vielzahl von Faktoren freisetzen. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigten, dass CM einen starken und lang andauernden neuroprotektiven Effekt vermittelt. Dieser Effekt konnte durch Hitzebehandlung des CMs noch verstärkt werden. Darüber hinaus zeigten die Daten, dass eine Lyse der NPCs notwendig ist, um einen protektiven Effekt zu erzielen. Vermutlich handelt es sich bei der beobachteten Protektion um Schutzsignale der sterbenden Zellen für die benachbarten Zellen und umliegendes Gewebe. Interessanterweise wurde eine Vielzahl von Proteinen im CM identifiziert, die für die Neuroprotektion verantwortlich zu sein scheinen, darunter auch Peroxiredoxin-1 und Galectin-1. Zusätzlich wurde die Beteiligung eines niedermolekularen Cofaktors an der Vermittlung des neuroprotektiven Effekts nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen bilden somit die Grundlage für die Entwicklung eines äußert potenten und standardisierbaren CMs, das für eine therapeutische Anwendung bei neurodegenerativen Erkrankungen, sowie anderen zerebralen Schädigungen vorstellbar ist. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, wie effektiv Präkonditionierungseffekte für das Überleben neuronaler Zellen bei neurodegenerativen Ereignissen sind. Für die Entwicklung neuer Therapieoptionen ist es von größter Bedeutung, die zugrunde liegenden Mechanismen der protektiven Effekte durch molekulare und zelluläre Präkonditionierung zu entschlüsseln.