Experimental Stroke and Neurotrophins: Regulation, function and gene transfer of neurotrophins in rat and mouse models of focal cerebral ischemia

Abstract: Popular Abstract in Swedish Stroke är den tredje vanligaste dödsorsaken och den vanligaste orsaken till neurologiskt handikapp. Idag är möjligheten att motverka skadeutvecklingen vid stroke begränsad. Experimentella modeller för stroke innebär att vi kan studera mekanismer för nervcellsskada vid patologiskt sänkta blodflödesnivåer (ischemi). I våra studier har mellersta hjärnartären på ena sidan tillfälligt stängts av (MCAO) på råtta och mus. Detta är det blodkärl i hjärnan som oftast drabbas av blodpropp hos människa. Nervcellsspecifika infärgningsmetoder, i huvudsak med immunhistokemisk teknik, har tillsammans med kvantifieringsprinciper som är s.k. unbiased, använts vid våra studier av nervcellsdegeneration efter MCAO, vilket är nytt inom experimentell strokeforskning. Vi visar att immunhistokemi kan användas för korrekt bedömning av ischemiskt betingad nervcellsskada och att olika nervcellspopulationer i striatum är olika känsliga för fokal cerebral ischemi. Striatala projektionsneuron, vilken är den dominerande striatala nervcellstypen, samt parvalbumin-innehållande interneuron är mycket vulnerabla, medan kolinerga och kväveoxidsyntas-innehållande interneuron uppvisar hög resistens mot ischemisk skada. Vi studerade vidare neurotrofiners reglering och funktion vid fokal cerebral ischemi. Denna familj av nervtillväxtfaktorer kan med hög potential motverka nervcellsdöd i omogna cellsystem och med tanke på neurotrofinernas utbredda förekomst i hjärnan, skulle de kunna vara viktiga för nervcellers överlevnad även i den utmogna hjärnan. Patologiska tillstånd i hjärnan, så som ischemi och epilepsi, leder till kraftigt förändrade nivåer av neurotrofinernas uttryck, vilket föreslagits vara en inneboende förmåga att motverka nervcellsdöd. I tidigare studier har genuttrycket för neurotrofinen brain-derived neurotrophic factor (BDNF) visat hastigt och kraftigt ökade nivåerna i frontal och cingulatum kortex. Vi undersökte därför om även proteinnivåerna av BDNF förändrades och fann kraftigt förhöjda nivåer av denna neurotrofin i samma kortikala områden. Dessutom indikerade de dynamiska förändringarna av BDNF i kortikala och subkortikala regioner tydligt att denna neurotrofin transporteras i anterograd riktning i kortikala nervceller. Dessa kraftiga förändringar av BDNF under det akuta skedet av den ischemiska processen, i de överlevande regionerna av hjärnan, kan passa med en neuroprotektiv roll för BDNF, men skulle även kunna vara av betydelse för en plastisk omställning. Vidare studerade vi neurotrofinernas förmåga att öka specifika nervcellspopulationernas resistens mot ischemisk skada i striatum. Först visade vi att de kolinerga interneuronen i striatum börjar uttrycka låg-affinitetsreceptorn för samtliga neurotrofiner, p75 neurotrophin receptorn (p75NTR), efter MCAO. Detta ischemi-inducerade receptoruttryck skulle kunna bidra till dessa interneurons höga resistens mot ischemisk skada. Emellertid var de kolinerga interneuronen ej mer vulnerabla för MCAO hos möss med en homozygot genmutation för p75NTR, vilket talar emot att receptorn har någon avgörande neuroprotektiv roll för dessa nervceller vid ischemi. För att undersöka neurotrofinernas mer direkta neuroprotektiva egenskaper, fastställdes striatala nervcellers vulnerabilitet vid fokal cerebral ischemi, efter det att nivåerna av BDNF och nerve growth factor (NGF) ökats med hjälp av genöverföring. De mycket vulnerabla striala projektionsneuronen överlevde i större utsträckning när NGF-producerande, genetiskt modifierade stamceller transplanterades till striatum och efter direkt överföring av BDNF-genen till striatal celler med en adenoassocierad viral (AAV) vektor. Dessutom ledde viral överföring av NGF eller BDNF genen till celler i striatum till ökad överlevnad av parvalbumin-innehållande interneuron. Våra data för neurotrofinbehandling, talar starkt för att neurotrofinerna har en neuroprotektiv roll vid fokal cerebral ischemi. För att utvärderade den funktionella betydelsen av ökad nervcellsöverlevnad vid fokal cerebral ischemi, nyttjade vi ett flertal olika beteendetest för striatal motorisk funktion efter MCAO. Vi fann en stark korrelation mellan poäng i dessa beteendetester och den striatala skadans storlek, varav det test som värderade råttans förmåga till precis användning av frambenen, i det sk staircase testet, visade sig bäst kunna predicera antal överlevande nervceller i striatum. Behandling med BDNF genom direkt genöverföring till striatum ledde till något förbättrad prestation i dessa beteende tester, vilket var i överensstämmelse med en något förbättrad överlevnad av striatala nervceller. Att innefatta både histologiska och relevanta beteendetest är inte bara viktigt för att validera en neuroprotektiv strategi utan gör även denna behandling mer kliniskt relevant. Sammanfattningsvis visar denna avhandling att fokal cerebral ischemi ger upphov till dynamiska förändringar av BDNF och p75NTR. Ökade nivåer av neurotrofiner med hjälp av genöverföring leder till att striatala nervcellers vulnerabilitet minskar vid ischemi, vilket indikerar att neurotrofinerna har en neuroprotektiv roll i den utmogna hjärnan.