Selective cellular vulnerability and pathology progression patterns in two mouse models of Parkinson’s disease

Die Parkinson-Krankheit ist eine hochgradig einschränkende Erkrankung, die klassischerweise durch die Degeneration dopaminerger Mittelhirnneurone der Substantia nigra gekennzeichnet wird. Der daraus resultierende Mangel an striatonigralem Dopamin wird als ursächlich für das Entstehen der kardinalen Parkinson-Symptomatik – Bradykinesie, Rigidität und Ruhezittern – aufgefasst. Neuere Untersuchungen belegen jedoch, dass es sich bei der Parkinson-Krankheit um eine Multisystemerkrankung handelt. So kommt es nicht nur zur Degeneration im striatonigralen System, sondern auch zu ausgeprägten Zellverlussten in vielen weiteren Hirnregionen. Histopathologisch ist die Parkinson-Krankheit durch das Vorhandensein sogenannter Lewy-Körperchen oder –Neurite gekennzeichnet. Es handelt sich hierbei um intrazytoplasmatische proteinhaltige Einschlüsse, die hauptsächlich aus aggregiertem α-Synuclein bestehen. Zwei neuronale Strukturen, die im Rahmen der Parkinson-Krankheit sowohl eine ausgeprägte Lewy-Pathologie besitzen, wie auch eine prominente Neurodegeneration aufweisen, sind der noradrenerge locus coeruleus und der neurochemisch heterogene pedunculopontine Kern. Bemerkenswerterweise beschränken sich im pedunculopontinen Kern Lewy-Pathologie und Neurodegeneration jedoch überwiegend auf die cholinerge Zellpopulation, so weisen die GABAergen und glutamatergen Zellgruppen kaum Lewy-Pathologie auf und bleiben auch von der neurodegeneration weitestgehend verschont. Die hier vorliegende Dissertation verfolgte zwei Hauptziele. Zum einen sollte untersucht werden, ob das selektive Vulnerabilitätsmuster der cholinergen Subpopulation des pedunculopontinen Kerns in einem Mausmodell, welches auf der intrazerebralen Injektion von präformierten α-Synuclein-Fibrillen basiert, reproduziert werden kann. Zweitens sollte das hirnweite Ausbreitungsmuster von zwei fokal induzierten α-Synucleinopathie-Mausmodellen im Hinblick auf die verwendete Methodik zur Initiierung des Aggregationsprozesses (vektor-vermittelte Überexpression vs. α-Synuclein-Fibrillenmodell) verglichen werden. Im ersten Teil der Studie wurde durch gezielte intrazerebrale Injektion von präformierten α-Synuclein-Fibrillen eine fokale α-Synucleinopathie im pedunculopontinen Kern induziert. Die gewonnenen Daten zeigen, dass es durch die Injektion der α-Synuclein-Fibrillen zu einer Rekrutierung und Fehlfaltung von endogenem α-Synuclein kam, was zu Lewy-Körperchen artigen Aggregaten in neuronalen Perikarya und Axonen führte. Interessanterweise waren die beobachteten Einschlusskörperchen immunreaktiv gegen S129-phosphoryliertes α-Synuclein, p62 positiv und resistent gegen Proteinase K Verdauung. Es konnte hierdurch gezeigt werden, dass die experimentell induzierte α-Synuclein-Pathologie mehrere Schlüsselmerkmale der humanen Lewy-Pathologie besaß. Bemerkenswerterweise war die Hauptlast der Lewy-ähnlichen Pathologie und der quantifizierte Zellverlust auf die cholinerge Subpopulation des pedunculopontinen Kerns beschränkt. Die nicht-cholinergen Neurone blieben größtenteils von der Aggregatbildung verschont und wiesen zu keinem untersuchten Zeitpunkt einen Zellverlust auf. Interessanterweise kam es sowohl bei Fibrillen injezierten als auch bei monomer α-Synuclein (Kontrolle) injizierten Tieren zur Induktion einer reaktiven Mikrogliose, obwohl in der Kontrollgruppe keine α-Synuclein-Pathologie beobachtet wurde. Unsere Analysen zeigten weiterhin, dass die Bildung der α-Synuclein-Pathologie nicht nur auf die unmittelbare Nähe der Injektionsstelle beschränkt war, sondern sich sich über beträchtliche Entfernungen in andere Hirnregionen ausbreitete. Da die Aggregate nur in neuronalen Zellkörpern entfernter Gehirnregionen gefunden wurden, die alle innerhalb des neuronalen Netzwerkes des Pedunculopontinen Kerns lagen, kann aus den Daten geschlossen werden, dass sich die α-Synucleinopathie innerhalb des Konnektoms des Pedunculopontinen Kerns ausbreitet. Im zweiten Teil der Dissertation wurde erstmals eine fokale α-Synucleinopathie im Locus coeruleus durch intrazerebrale Injektion von Adeno-assoziierten viralen Vektoren induziert, die das Gen für humanes mutiertes A53T-α-Synuclein oder Luciferase (Kontrollprotein) enthielten. Die hierdurch gewonnenen Daten zeigten, dass es im Rahmen einer lokalen Überexpression von humanem α-Synuclein zu einer raschen axonalen Ausbreitung des Proteins kommt. Die Analyse des Ausbreitungsmusters konnte aufzeigen, dass die gehirnweite α-Synucleinopathie auf die Outputregionen des noradrenergen locus coeruleus beschränkt war und gleichzeitig keine Hinweise auf eine Zell-zu-Zell-Übertragung von menschlichem α-Synuclein vorlagen. Hieraus schlussfolgerten wir, dass die induzierte Pathologie das noradrenerge locus coeruleus System im untersuchten Zeitrahmen von 9 Wochen nicht verließ. Desweiteren zeigte sich im Rahmen der stereologischen Quantifizierung der dopaminergen Substantia nigra Neurone, in dem relativ kurzen Zeitraum von 9 Wochen, kein signifikanter Zellverlust. Zusammengefasst belegen die hier vorgestellten Studien, dass cholinerge pedunculopontine Neurone signifikant vulnerabler gegenüber einer mittels α-Synuclein-Fibrillen induzierten α-Synucleinopathie sind als nicht-cholinerge Neurone. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass das hirnweite Progressionsmuster der Pathologie in den zwei untersuchten α-Synucleinopathie-Modellen signifikant unterschiedlich ist. Während im Fibrillenmodell das α-Synucleinopathiemuster mit einer Zell-zu-Zell-Übertragung von pathologischen α-Synuclein-Spezies vereinbar war, konnte im überexpressionsbasierten Modell lediglich ein axonaler Transport von α-Synuclein, aber nicht eine Zell-zu-Zell-Übertragung nachgewiesen werden. Die innerhalb dieser Dissertation durchgeführten Studien stellen daher einen wertvollen Ausgangspunkt für die weitere Erforschung von zellulären Vulnerabilitätsfaktoren und Mechanismen des Krankheitsverlaufs dar.