Doctoral Thesis
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In der Vergangenheit ergaben sich aus zahlreichen Untersuchungen vermehrt Hinweise für eine wichtige Rolle von Insulin-like Growth Factor-1 (IGF-1) für das Überleben, den Erhalt, sowie das Differenzierungsverhalten von verschiedenen Zelltypen. Hierbei wurden Effekte von IGF-1 auf Zellen unterschiedlicher Gewebearten, u. a. auch des Zentralen Nervensystems, festgestellt. Für viele der beobachteten IGF-1-Wirkungen konnte eine Vermittlung über den PI3-Kinase/Akt/NF-κB-Signalweg bestätigt werden. Aber auch der ERK-Signal- weg scheint an der IGF-1-vermittelten Signaltransduktion beteiligt zu sein.
Aus früheren Untersuchungen der eigenen Arbeitsgruppe mit dem auch in der vorliegenden Arbeit verwendeten Zellsystem ist bekannt, dass der PI3-Kinase/Akt/NF-κB-Signalweg die astrogliale Differenzierung der fetalen mesenzephalen neuralen Precursorzellen („fetal mesencephalic precursor cells“ [fmNPCs]) maßgeblich beeinflusst.
Hingegen wird die durch Interleukin-1β (IL-1β) induzierte dopaminerge Differenzierung von fmNPCs über den ERK/MAP-Kinase-Signalweg vermittelt und durch die Hemmung des PI3-Kinase/Akt/NF-κB-Signalweges erleichtert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich vor diesem Hintergrund mit dem Einfluss von IGF-1 auf langzeitexpandierte fmNPCs der Ratte. Dazu wurde das in vitro-Modell der primären Dissoziationskultur aus mesenzephalem Gewebe 14 Tage alter embryonaler Ratten herangezogen. Es wurde der Frage nachgegangen, inwieweit IGF-1 die Überlebensfähigkeit, das Proliferationspotenzial, die Expression des IGF-1-Rezeptors, sowie das neuronale, astrogliale und oligodendrogliale Differenzierungsverhalten dieser fmNPCs der Ratte beeinflussen kann. Weiterhin sollten an der Differenzierung beteiligte intrazelluläre Signaltransduktionsmechanismen näher charakterisiert werden.
Bei der Untersuchung der Überlebensfähigkeit der Zellen zeigte sich, dass die Behandlung mit IGF-1 (50 ng/ml) sowohl während der Expansion als auch während der Differenzierung über 24 h und 72 h im Vergleich zur unbehandelten Kontrollreihe zu einer signifikanten Steigerung der Überlebensrate führte. Dieser überlebenssteigernde Effekt von IGF-1 auf die fmNPCs konnte durch die gleichzeitige Behandlung mit AG 1024 – einem Inhibitor des IGF-1-Rezeptors – während der Differenzierung, nicht jedoch während der Expansion, aufgehoben werden. Dies spricht für eine besondere Rolle von IGF-1 für den Differenzierungsprozess der fmNPCs, welche folglich während ihrer Differenzierung in höherem Maße auf die Expression des IGF-1-Rezeptors angewiesen sind als während der Expansion. Übereinstimmend mit diesem Ergebnis zeigte sich bei den Untersuchungen zur Expression des IGF-1-Rezeptors eine signifikante Hochregulierung der IGF-1-Rezeptor-Expression während der Differenzierung im Vergleich zur Expansion der Zellen. Weiterhin konnte unter IGF-1-Behandlung und Differenzierung der Zellen wiederum eine signifikante Hochregulierung der IGF-1-Rezeptor-Expression im Vergleich zur Differenzierung unter Kontrollbedingungen beobachtet werden.
Bei den Untersuchungen zum Einfluss von IGF-1 auf den Erhalt des Proliferationspotentials der fmNPCs konnte bezüglich der Ki-67-markierten Zellen nach der Expansion über 72 h ein signifikanter Effekt von IGF-1 beobachtet werden, mit einer höheren Anzahl Ki-67-positiver Zellen im Vergleich zur Kontrollreihe. Allerdings konnte dieser, das Proliferationspotential steigernde, Effekt nach der Expansion über 24 h und anschließender Markierung der Zellen mit BrdU nicht beobachtet werden. Trotzdem zeigten sich im Vergleich zur Kontrolle mehr Zellen mit Proliferationspotential (BrdU-positiv) und somit eine Tendenz in Richtung des Ergebnisses nach der Expansion über 72 h.
Ein weiterer Fokus der vorliegenden Arbeit lag auf der Untersuchung des Einflusses von IGF-1 auf das neuronale und gliale Differenzierungsverhalten von fmNPCs. Hierbei zeigte sich, dass die Behandlung der Zellen mit IGF-1 über einen Differenzierungszeitraum von 7 d zu signifikant mehr Zellen mit neuronalem Phänotyp (MAP2-positiv) im Vergleich zur Kontrollreihe führte. Bezüglich der astroglialen und oligodendroglialen Differenzierung der fmNPCs konnte eine Behandlung mit IGF-1 keine signifikanten Ergebnisse zeigen.
Schließlich beschäftigte sich die vorliegende Arbeit auch damit, die an der Differenzierung beteiligten intrazellulären Signaltransduktionsmechanismen näher zu charakterisieren. Dazu wurden ELISA-Experimente durchgeführt, um die Aktivierung ausgewählter Kinasen und Transkriptionsfaktoren in der Frühphase der Differenzierung der fmNPCs zu bestimmen. Hierbei zeigte sich unter IGF-1-Behandlung, im Vergleich zur unbehandelten Kontrollreihe, ein Abfall der Aktivität der PI3-Kinase, Akt und von NF-κB mit signifikanten Werten nach 0 h, 3 h und 6 h für die PI3-Kinase, nach 1 h und 6 h für Akt und nach 0,5 h für NF-κB. Im Gegensatz dazu konnte die Aktivität der ERK unter IGF-1-Behandlung nach 1 h, 3 h und 6 h signifikant gesteigert werden. Für die p38 MAP-Kinase zeigte sich nach 3 h Behandlung mit IGF-1 eine signifikante Reduktion der Aktivität im Vergleich zur Kontrollreihe. Auf die JNK-Aktivität zeigte die Behandlung mit IGF-1 hingegen keinen signifikanten Effekt.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit lassen folgende Schlussfolgerungen zu:
• IGF-1 erhöht die Überlebensrate von fmNPCs während deren Expansion und Differenzierung in vitro über 24 h und 72 h.
• AG 1024 inhibiert diesen überlebenssteigernden Effekt während der Differenzierung von fmNPCs, nicht aber während deren Expansion.
• IGF-1 steigert das Proliferationspotenzial von fmNPCs in vitro.
• IGF-1 induziert die Neurogenese von fmNPCs in vitro.
• Effekte von IGF-1 auf die fmNPCs werden vermittelt über den IGF-1-Rezeptor, welcher während der Differenzierung durch die Behandlung mit IGF-1 hochreguliert wird.
• IGF-1 führt in der weiteren zellulären Signaltransduktion während der Differenzierung von fmNPCs zu einer Herunterregulierung des PI3-Kinase/Akt/NF-κB-Signalwegs und zu einer Hochregulierung von ERK1/2 des MAP-Kinase-Signalwegs.
Der Schlaganfall hat Auswirkungen auf das Immunsystem. Die schlaganfallassoziierte Immunsuppression führt zu einer erhöhten Rate an Infektionen, was das Outcome für die Patienten verschlechtert. Die Abwehrfunktionen von Neutrophilen Granulozyten und Monozyten sind in diesem Zusammenhang beeinträchtigt. Bisher war weitgehend unklar, wie sich rtPA auf die Abwehrfunktionen von Neutrophilen Granulozyten und Monozyten auswirkt. Mithilfe der Blutproben von gesunden Spendern wurden Phagozytose, oxidativer Burst und NETose nach Inkubation mit rtPA untersucht. Während die Phagozytose und der oxidative Burst durch rtPA herabgesetzt waren, zeigte sich bezüglich der NETose kein Einfluss durch rtPA.
MPO und NE tragen entscheidend zur Funktion der Abwehrmechanismen von Neutrophilen Granulozyten und Monozyten bei. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass nach Inkubation mit rtPA die freigesetzte Menge von NE, nicht aber die von MPO zunimmt. rtPA hat keinen Einfluss auf die intrazellulär detektierte Menge beider Enzyme. Die Effekte von rtPA auf Phagozytose und oxidativen Burst scheinen somit NE- und MPO- unabhängig zu sein.
Nach dem Schlaganfall sind der oxidative Burst und die NETose bei Schlaganfallpatienten beeinträchtigt. MPO ist in Neutrophilen Granulozyten von Schlaganfallpatienten vermindert. Im Rahmen der hier durchgeführten Versuche konnte gezeigt werden, dass NE nach dem Schlaganfall intrazellulär nicht vermindert ist. Die Effekte des Schlaganfalls auf oxidativen Burst und NETose sind somit wahrscheinlich nicht abhängig von NE.
MPO und NE sind nach dem Schlaganfall vermehrt im Serum nachweisbar. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass nicht allein die erhöhte Zahl Neutrophiler Granulozyten nach dem Schlaganfall hierfür verantwortlich ist.
Die Frage, ob rtPA in vivo Einfluss auf MPO und NE hat, konnte nicht abschließend beantwortet werden und bedarf weiterer Klärung.
Insgesamt sollte die Rolle von rtPA als Immunmodulator bei der Therapie von Schlaganfallpatienten und in der Auswertung von entsprechenden Studien Berücksichtigung finden. Die Mechanismen der Schlaganfall-assoziierten Immunsuppression bedürfen weiterer Aufklärung.
Die Studie zielte darauf ab, mittels einer inhibitorischen TMS (cTBS-600) rechtshemisphärischer, temporoparietaler und frontaler Hirnareale (TPJ und pMFG) Einfluss auf die visuell-räumliche Wahrnehmungsleistung junger, gesunder Probanden zu nehmen und die Reversibilität potentieller Effekte durch eine konsekutive cTBS der homologen linkshemisphärischen Areale zu untersuchen. Auf Base-Line-Niveau zeigte sich bei den gesunden Probanden ein systematischer Links-Bias, sowohl für perceptiv/visuo-räumliche, als auch für explorativ/visuo-motorische Aufgaben. Das Ausmaß dieses Links-Bias reduzierte sich nach cTBS der rechten TPJ und weniger systematisch auch nach cTBS des rechten pMFGs. Eine konsekutive cTBS der linken TPJ führte zu einer Rückkehr auf das Base-Line-Niveau für perceptiv/visuo-räumliche Aufgaben. Die Ergebnisse sprechen für eine spezifische Beteiligung der rechten TPJ (und weniger konsistent auch des rechten pMFGs) an visuellen Raumwahrnehmungsleistungen. Weiterhin deuten die Ergebnisse darauf hin, dass eine inhibitorische Magnetstimulation der linken TPJ das Potential besitzt, einen Rechts-Bias infolge einer dysfunktionalen rechten TPJ aufzuheben. Diese Erkenntnis könnte für den therapeutischen Einsatz einer inhibitorischen cTBS der linken TPJ bei Patienten mit rechtshemisphärischem Schlaganfall und resultierender Neglectsymptomatik von Bedeutung sein.
Die hier berichteten Ergebnisse wurden in einem Peer-Review Journal publiziert (Platz et al., 2016).
Die zervikale Dystonie ist charakterisiert durch eine gesteigerte Muskelkontraktion, welche zu
einer Fehlstellung des Kopfes führt. Neben den motorischen Auffälligkeiten haben Patienten
auch nicht-motorische Störungen, wie neuropsychologische Defizite oder psychiatrische
Komorbiditäten. Eine genaue Krankheitsursache ist bis heute noch nicht abschließend geklärt.
Unter anderem könnten eine fehlende laterale Hemmung, sensorische Abweichungen oder eine
gestörte neuronale Plastizität in einem Netzwerk unter Einbeziehung von Basalganglien,
sensomotorischen Kortex und Kleinhirn ursächlich für die Bewegungsstörung bei der Dystonie
sein. Diese Strukturen sind auch beim Riechen und Schmecken beteiligt. Daher wurde
angenommen, dass Dystonie-Patienten schlechter riechen und schmecken können als Gesunde
Kontrollpersonen.
Es wurden 40 Patienten und 40 Kontrollpersonen untersucht. Das Riechvermögen wurde mit den Sniffin‘ Sticks beurteilt.
Die Schmecktestung erfolgte mittels Taste-Strips.
Zur neuropsychologischen Testung wurden der MoCA, der Trail-Making-Test, der Digit-Span-Test sowie der F-A-S-Test eingesetzt; zur Erfassung von Ängstlichkeit und Depressionen wurden
Abschnitte aus dem BSI verwendet.
Es fand sich eine Beeinträchtigung der Riechschwelle, der Riechidentifikation und des Gesamtwertes aus Riechschwelle, Diskriminations- und Identifikationsfähigkeit bei Patienten mit
einer zervikalen Dystonie. Dies stimmt mit den Ergebnissen anderer, unabhängiger Arbeiten
überein. Die Beeinträchtigung der Riechfunktion bei der zervikalen Dystonie ist möglicherweise
bedingt durch eine Netzwerkstörung, insbesondere unter Einbeziehung des Kleinhirns. Auch
beim Schmecken zeigten sich schlechtere Werte bei den Patienten als bei den gesunden
Kontrollpersonen, was möglicherweise auf eine Veränderung eines Netzwerks unter
Einbeziehung des sensomotorischen Kortex oder auf die nachgewiesene Riechstörung
zurückzuführen ist. Vergleichbare Publikationen zum Schmecken bei zervikaler Dystonie gibt es
noch nicht. Die Korrelationsanalyse legt nahe, dass das Alter der Patienten und das Ausmaß der
Schmerzen im Rahmen der zervikalen Dystonie das Riechen beeinflusst. Die allgemeine kognitive
Leitungsfähigkeit wie sie im MoCA erfasst wird, beeinflusst demgegenüber das Schmecken bei
den Patienten. Die gefundenen Veränderungen beim Riechen und Schmecken sind nur gering
ausgeprägt, können aber zum besseren Verständnis der Pathophysiologie der zervikalen
Dystonie beitragen. Die Ergebnisse stützen die Annahme, dass die zervikale Dystonie eine
Netzwerkerkrankung ist.
Hintergrund
Migräne ist eine hochprävalente Erkrankung, die bei betroffenen Patient*innen eine hohe Belastung sowohl durch die Kopfschmerzen an sich als auch durch die Einschränkung ihres Sozial- und Berufslebens hervorruft. Die Therapie besteht aus einer Akuttherapie der Kopfschmerzattacken sowie einer prophylaktischen Therapie zur Reduktion der Kopfschmerzfrequenz und -schwere. In der Prophylaxe stehen mit Antikörpern gegen das Calcitonin-gene-related-peptide (CGRP) und dessen Rezeptor erstmalig für die Migräne entwickelte gezielte prophylaktische Therapien zur Verfügung. Es stellt sich jedoch hierbei die Frage, ob CGRP-Antikörper lediglich symptomatisch in der Peripherie des trigemino-vaskulären-Systems wirken oder auch im zentralen Nervensystem die zugrundeliegenden pathophysiologischen Mechanismen beeinflussen, was einer krankheitsmodifizierenden Wirkung entspräche. Ziel unserer Studie war es, die Nullhypothese einer rein symptomatischen Wirkung gegen die Alternativhypothese einer Krankheitsmodifikation und somit zentralnervösen Wirkung, zu prüfen, indem bei Patient*innen mit episodischer Migräne der nozizeptive Blinkreflex vor und nach der Behandlung mit CGRP-Antikörpern untersucht wurde.
Methoden
22 Patient*innen mit episodischer Migräne (21 Frauen, 46,2 ± 13,8 Jahre alt) und 22 alters- und geschlechts-gematchte Kontrollen wurden im Rahmen dieser prospektiven Beobachtungsstudie eingeschlossen. Sie erhielten einen umfassenden Fragebogen zur Erhebung demografischer Charakteristika sowie der Kopfschmerzanamnese. Es erfolgte eine Messung des Blinkreflexes (10 Durchgänge à 6 Stimuli) vor (V0) und 3 Monate (V3) nach der Behandlung mit CGRP-Antikörpern (Kontrollen wurden einmalig gemessen). Im Rahmen der Messung wurden wiederholt schmerzhafte Stimuli supraorbital appliziert, die direkte Rückschlüsse auf die zentralnervöse Erregbarkeit des Hirnstamms als pathophysiologisch zentralen Mechanismus im Rahmen der Migräneentstehung zulassen. Die Area-under-the-curve (AUC) der R2-Komponente der Muskelsummenaktionspotentiale des Blinkreflexes sowie das Habituationsverhalten (Regressionskoeffizient über mehrere Blöcke) der stimulierten sowie nicht-stimulierten Seite wurden über 10 Blöcke hinweg evaluiert (primärer Endpunkt). Es wurde jeweils zuerst ein Test auf globale Veränderungen durchgeführt, der dann durch post-hoc-Analysen weiter spezifiziert wurde.
Ergebnisse
Alle Patient*innen zeigten eine signifikante Reduktion der Kopfschmerztage/Monat (V0: 12,4±3,3, V3: 6,6 ± 4,9) nach Beginn der Behandlung mit einem CGRP-/Rezeptorantikörper. Auf der stimulierten Seite reduzierte sich die AUC signifikant in den Blöcken eins, zwei sowie acht (Fglobal=5,86, p<0,001; block 1: R2a_s: -28%, p<0,001). Auf der nicht-stimulierten Seite zeigten sich Block eins, zwei, drei, acht sowie zehn als signifikant reduziert (Fglobal=8,22, p<0,001, block 1: R2a_ns: -22%, p=0,003). Die Veränderung der Habituation erwies sich in den Blöcken sechs, sieben, acht und zehn auf der nicht-stimulierten Seite als signifikant (Fglobal=3,07, p<0,001; block 6: R2h_ns: r=-1,36, p=0,007). Weder die AUC noch die Habituation des ersten Messtermins (V0) korrelierte mit dem späteren klinischen Ansprechen, sodass kein Prädiktor für das Therapieansprechen detektiert werden konnte (binär logistische Regression; alle Prädiktoren p>0,05).
Diskussion & Zusammenfassung
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die dreimonatige Therapie mit CGRP-Antikörpern die Erregbarkeit des Hirnstamms als Antwort auf wiederholte schmerzhafte Stimuli bei Patient*innen mit Migräne normalisiert und liefert somit Hinweise für ein krankheitsmodifizierendes Potenzial. Veränderungen der Habituation korrelierten signifikant mit der Verringerung der Kopfschmerz-Frequenz, weitere Studien sind jedoch nötig, um zu eruieren, ob Parameter als Prädiktor geeignet sind um eine Voraussage über das Therapieansprechen und das Risiko einer Verschlechterung nach Beendigung der Therapie zu ermöglichen.