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. Nervenheilkunde urn:nbn:de:hebis:04-z2019-04237 adeno-associated viral vectors alpha-Synuclein English Parkinson's disease Medical sciences Medicine Medizin Medizin Parkinson-Krankheit https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0423/cover.png Parkinson's disease is a highly debilitating disorder classically characterized by the degeneration of dopaminergic midbrain neurons of the substantia nigra. The resulting nigrostriatal dopamine deficiency is thought to be responsible for the onset of the cardinal Parkinson's motor symptomtomatology; bradykinesia, rigidity, and resting tremor. However, recent studies show that Parkinson's disease is a multisystem disorder. Thus, it comes not only to degeneration in the nigrostriatal system, but also to pronounced cell loss in many other brain regions. Histopathologically, Parkinson's disease is characterized by the presence of so-called Lewy bodies or neurites. These are intracytoplasmic proteinaceous inclusions consisting mainly of aggregated α-synuclein. Two neuronal structures that both have pronounced Lewy pathology in Parkinson's disease and prominent neurodegeneration are the noradrenergic locus coeruleus and the neurochemically heterogeneous pedunculopontine nucleus. Remarkably, in the pedunculopontine nucleus Lewy pathology and neurodegeneration are predominantly restricted to the cholinergic cell population, while the GABAergic and glutamatergic cell groups exhibit only minor Lewy pathology and are largely spared of neurodegeneration. The present dissertation pursued two main goals. On the one hand, we investigated whether the selective vulnerability pattern of the cholinergic subpopulation of the pedunculopontine nucleus could be reproduced in a mouse model based on the intracerebral injection of preformed α-synuclein fibrils. Second, the brain-spreading pattern of two focal-induced α-synucleinopathy mouse models were compared with respect to the methodology used to initiate the aggregation process (vector-mediated overexpression vs. α-synuclein fibril model). In the first part of the study, we used a targeted intracerebral injection of preformed α-synuclein fibrils to induce a focal α-synucleinopathy in the pedunculopontine nucleus. Our data show that the injection of α-synuclein fibrils resulted in the recruitment and misfolding of endogenous α-synuclein leading to formation of Lewy body-like aggregates in neuronal perikarya and axons. Interestingly, the observed inclusion bodies were immunoreactive for S129-phosphorylated α-synuclein, p62 positive and resistant to proteinase K digestion. We thereby showed that the experimentally induced α-synuclein pathology possessed several key features of human Lewy pathology. Remarkably, the major burden of Lewy-like pathology and quantified cell loss was limited to the cholinergic subpopulation of the pedunculopontine nucleus, while the non-cholinergic neurons were largely spared of Lewy pathology and degeneration at any investigated time-point. Interestingly, in both fibril and monomer-α-synuclein (control) injected animals, induction of reactive microgliosis occurred, although no α-synuclein pathology was observed in the control group. Our analysis also showed that the formation of α-synuclein pathology was not limited to the immediate vicinity of the site of injection, but propageted over considerable distances to other interconnected brain regions. Since α-synuclein positive aggregates were found in neuronal cell bodies of distant brain regions, which lay all within the neuronal network of the pedunculopontine nucleus, it can be concluded that the α-synucleinopathy spread only within the neural network of the pedunculopontine nucleus. In the second part of the thesis, focal α-synucleinopathy was induced in the locus coeruleus by intracerebral injection of adeno-associated viral vectors containing the gene for human mutant A53T-α-synuclein or luciferase (control protein). The obtained data showed that local overexpression of human α-synuclein led to widespread propagation of the protein consistent with anterograde axonal transport. Analysis of the α-synuclein propagation pattern demonstrated that the brain-wide α-synucleinopathy was confined to the output regions of the noradrenergic locus coeruleus. Furthermore, there was no evidence of cell-to-cell transmission of human α-synuclein. Based on these findings we concluded that the induced Lewy-like pathology did not leave the noradrenergic locus coeruleus system in the studied time frame of 9 weeks. In addition, unbiased stereological quantification of the dopaminergic substantia nigra revealed no significant cell loss at the relatively short time-frame of 9 weeks. In conclusion, the studies presented in this dissertation show that cholinergic pedunculopontine neurons are significantly more vulnerable to α-synuclein fibril-induced α-synucleinopathy than non-cholinergic neurons. In addition, we were able to show that the brain-wide progression pattern of Lewy-like pathology is significantly different between the two studied α-synucleinopathy models. While in the fibril model the α-synucleinopathy pattern was consistent with cell-to-cell transmission of pathological α-synuclein species, we only observed axonal transport of α-synuclein but not cell-to-cell transmission in the overexpression-based model. The studies carried out within this dissertation therefore provide a valuable starting point for the further investigation of cellular vulnerability factors and mechanisms of disease progression. Geibl, Fanni Fruzsina Geibl Fanni Fruzsina doctoralThesis 2019-10-09 2019 alpha-synuclein 2020-05-25 ths Prof. Dr. med. Dr. h.c. Oertel Wolfgang H. Oertel, Wolfgang H. (Prof. Dr. med. Dr. h.c.) selektive Vulnerabilit Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg Universitätsbibliothek Marburg 131 application/pdf 2020-05-25 Locus coeruleus opus:8796 selective vulnerab Locus coeruleus Pedunculopontiner Kern Selective cellular vulnerability and pathology progression patterns in two mouse models of Parkinson’s disease Selektive zelluläre Vulnerabilitäts- und Pathologie-Progressionsmuster in zwei Mausmodellen der Parkinson-Krankheit pedunculopontine nucleus adeno-assoziierte Viren https://doi.org/10.17192/z2019.0423 monograph preformed fibrils Philipps-Universität Marburg präformierte Fibrillen