Die Untersuchungen zum Überleben neu gebildeter Zellen in der postmitotischen Phase im DG des Hippokampus zeigten signifikante Veränderungen zwischen den experimentellen Versuchsgruppen. Bei den transgenen Tieren war die adulte Neurogenese der im Erwachsenenalter gebildeten Zellen deutlich reduziert. Die Zahl der BrdU-markierten Zellen war um 46% gegenüber der in den Kontrolltieren vermindert. Da sich der prozentuale Anteil der neu gebildeten Neuronen unter den BrdU-positiven Zellen nicht zwischen nicht-transgenen und nicht-transgenen Tieren unterschied, reduzierte sich die Anzahl neuronaler Zellen in BAC aSyn Ratten ungefähr um die Hälfte (siehe Tab. 6).
Analog hierzu wurde in einer transgenen PDGFβ h-Wt aSyn Maus ein deutlicher Effekt von aSyn auf die adulte hippokampale Neurogenese beobachtet (Winner et al., 2004). Die Zahl reifer DCX+ Neuroblasten im DG transgener Tiere war um 64%, der Anteil an BrdU+ Zellen um 54% stark reduziert. Die Änderungen in der Neurogenese traten bei erwachsenen Wt aSyn Mäusen auf, da weniger neuronale Vorläuferzellen in ihren Zielregionen während der Phase der neuronalen Differenzierung und Integration überlebten (Winner et al., 2004).
Eine erheblich eingeschränkte adulte Neurogenese wurde ebenso in transgenen Mäusen mit konditionaler Expression von h-Wt aSyn unter regulatorischer Kontrolle eines CaMKIIα-Promotors gezeigt (Nuber et al., 2008). In diesem Tiermodell konnte bei unveränderter Proliferation ein vermindertes Überleben neuer Zellen von 49% beobachtet werden. In Untersuchungen von A53T aSyn Mäusen mit PDGFβ-Promotor (Kohl et al., 2012) und A30P aSyn Mäusen mit CaMKIIα-Promotor (Marxreiter et al., 2013) wurde ebenfalls eine Beeinträchtigung der adulten Neurogenese um 39 bzw. 46% nachgewiesen.
Zusammenfassend führte die Überexpression von Wt als auch mutiertem aSyn (A53T, A30P) im Vergleich zu nicht-transgenen Tieren zu einer Abnahme von neu gebildeten Zellen. Die Reduktion der Neurogenese war bei A53T Mäusen ausgeprägter als bei Wt aSyn Mäusen (Winner et al., 2008). Eine erhöhte aSyn Toxizität wurde bei den erwachsenen und älteren Tieren mit mutiertem aSyn nachgewiesen. Während Wt aSyn das Überleben der zu integrierenden neuen Neurone beeinträchtigte, hemmte die A53T-Mutante des aSyn gleichzeitig die Bildung neuer Neurone sowie das Überleben dieser Neuronen in einem sehr frühen Stadium. Zudem waren in Wt aSyn Mäusen sowohl die Proliferation als auch der Zelltod in der SVZ nicht verändert, was darauf hinweist, dass der Wt aSyn Einfluss auf das Überleben neu erzeugter Neuroblasten später als bei Mäusen mit mutiertem aSyn auftritt (Winner et al., 2008).
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-Einschränkend in dieser Betrachtung sind allerdings die SVZ als untersuchte Region der Neurogenese und das fortgeschrittene Alter der 15 Monate alten Versuchstiere, das im Vergleich neben unterschiedlichen Parametern der Modelle (Art des Promotors, Wt versus mutiertes aSyn) und methodischen Faktoren (verwendete Marker) berücksichtigt werden muss. Grundsätzlich ist das Alter einer der wichtigsten Einflussfaktoren auf die adulte Neurogenese im Nagetiergehirn (Kuhn et al., 1996, Kempermann et al., 1998). Unter physiologischen Bedingungen führt die zunehmende Alterung zu Veränderungen der neuronalen Vorläuferzellen und ihrer Mikroumgebung, der eine exponentielle Abnahme der adulten Neurogenese im DG zwischen dem ersten und neunten Lebensmonat folgt (Seib and Martin-Villalba, 2015). Zudem wurden spezifische morphologische Veränderungen der Dendriten beobachtet, die zu funktionalen Beeinträchtigungen führten (Livneh and Mizrahi, 2011).
In der frühen postmitotischen Reifungsphase, die eine wichtige Rolle in der Genese einer neuen Nervenzelle darstellt, entwickeln Neuroblasten erste Fortsätze und versuchen durch das Axon- und Dendritenwachstum synaptische Verbindungen zu ihrer Umgebung aufzubauen. Der Einfluss des überexprimierten aSyn auf die adulte Neurogenese in BAC aSyn Ratten spiegelte sich in einer signifikant verringerten Anzahl von DCX+ Neuroblasten wider, die ihre Fortsätze in die Granulärzellschicht ausbildeten (Kohl et al., 2016). Im Gegensatz dazu war die Anzahl früher DCX+ Zellen, die noch proliferationsfähig waren, erhöht. Daher kann eine beeinträchtigte oder verzögerte Dendritogenese zu einem verminderten Überleben neu gebildeter Neuronen führen, was auf einen besonderen Einfluss von aSyn auf junge Neurone deutet (Kohl et al., 2016). Die Überexpression von aSyn zeigte sich ebenfalls in DCX+ Neuroblasten von PDGFβ aSyn Mäusen und führte zu einem reduzierten Anteil an Neuroblasten (Winner et al., 2004). Weiterhin wurde eine signifikant verminderte Zahl an DCX+ Neuroblasten in CaMKIIα aSyn Mäusen beobachtet (Nuber et al., 2008). Die Überexpression von aSyn im Neuroblastenstadium beeinflusste das Überleben der reifenden Neurone, da der beeinträchtigende Effekt auf die adulte Neurogenese durch eine Unterbrechung der aSyn Expression reversibel war (Nuber et al., 2008). Ebenso zeigte ein Vergleich zwischen PDGFβ Wt aSyn, A53T aSyn Mäusen und Kontrolltieren die deutliche Reduktion von DCX+ Neuroblasten in aSyn Tieren (Crews et al., 2008). Dies ging mit einer signifikanten Abnahme (40-50%) der Zahl überlebender BrdU+
Zellen, die in den Tieren mit dem mutierten aSyn stärker als bei Wt aSyn Tieren ausgeprägt war, einher (Crews et al., 2008). Darüber hinaus war der Anteil an BrdU+ Zellen unverändert, der sich zu reifen Neuronen oder Gliazellen entwickelte, was in dieser Studie nahe legt, dass die reduzierte Neurogenese in den aSyn Mäusen mit einer verringerten Überlebensrate der Neuroblasten zusammenhängt. PDGFβ A 3T aSyn Mäuse zeigten
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-Expressionsmuster des transgenen, mutierten aSyn in sich entwickelnden Sox2+ und GFAP+/Sox2+ Vorläuferzellen des DG (Kohl et al., 2012). In unreifen DCX+ Neuroblasten sowie reifen NeuN+ Neuronen wurde eine Immunreaktivität auf humanes aSyn im Gegensatz zu nicht-transgenen Wurfgeschwistern beobachtet. A53T aSyn Mäuse waren von einer stark verminderten Neurogenese im Hippokampus betroffen (Crews et al., 2008, Kohl et al., 2012) und entwickelten progressive motorische Defizite, die mit einer Ansammlung von aSyn in Synapsen und Neuronen assoziiert waren (Hashimoto et al., 2003). Unter der Kontrolle des mThy1 Promotors war aSyn erst nach dem Stadium der migrierenden Neuroblasten nachweisbar, während neu entstandene Zellen in PDGFβ aSyn Tieren ab dem Vorläuferzellstadium kontinuierlich aSyn exprimierten (Schreglmann et al., 2015). Frühere Daten zur Aktivität der beiden Promotorelemente zeigten, dass PDGFβ bereits pränatal aktiv ist, während mThy1 eine stabile Expression ab dem siebten postnatalen Tag erreicht (Sasahara et al., 1991, Luthi et al., 1997). Die Koexpressionsanalyse der Studie von Schreglmann et al. wies einen späteren Beginn der Wt aSyn Expression unter mThy1- als unter PDGF-Promotor-Kontrolle während des Reifungsprozesses eines neu generierten Neurons auf. Sie folgerten, dass neben dem Expressionsniveau der Zeitpunkt der Expression von Wt aSyn in transgenen mThy1- und PDGF-Tieren die adulte Neurogenese auf der Ebene des Überlebens von Neuroblasten und der neuronalen Differenzierung beeinflusst (Schreglmann et al., 2015). Es wird vermutet, dass die frühe, auf niedrigem Niveau verlaufende Akkumulation von aSyn während der kritischen Reifungsphase eine stärkere Wirkung auf das Zellüberleben hat, wohingegen eine später einsetzende aSyn Akkumulation mehr Einfluss auf die neuronale Differenzierung nimmt. Daher ist davon auszugehen, dass der Zeitpunkt der beginnenden Expression und die Gesamtmenge des exprimierten aSyn für unterschiedliche Aspekte der adulten Neurogenese im Hippokampus verantwortlich sind (Schreglmann et al., 2015). Erkenntnisse aus Hefezellen und transgenen Mäusen weisen auf eine dosisabhängige Toxizität von aSyn bzw. seiner Oligomere hin (Outeiro and Lindquist, 2003, Zhou et al., 2008, Singleton et al., 2003). Analysen der mRNA und löslichen Proteinkonzentrationen im Gehirn von Familien mit SNCA Gentriplikation zeigten einen Zusammenhang zwischen der genomischen SNCA Dosis, Wt aSyn Expression sowie Auftreten, Fortschreiten und Schweregrad der familiären PD (Chartier-Harlin et al., 2004).
Detaillierte Untersuchungen von Ratten und Mäusen (Altman and Das, 1965, Kempermann et al., 1997), Reptilien und Amphibien (Chapouton et al., 2007), Singvögeln (Goldman and Nottebohm, 1983) und Affen (Gould et al., 1998) beschrieben die kontinuierliche Neubildung neuronaler Zellen im DG des Hippokampus. Im Jahr 1998 wurde die adulte Neurogenese erstmals beim Menschen dokumentiert (Eriksson et al., 1998). Da sie
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-ethischen und technischen Besonderheiten unterliegen, gibt es bisher nur wenige humane Studien zur adulten Neurogenese bei PD-Patienten. Zwei aktuelle Studien aus dem Jahr 2018 zeigten hierzu widersprüchliche Ergebnisse. Ein Bericht von Sorrells et al. kam zu dem Ergebnis, dass die Neurogenese im menschlichen DG während der Kindheit auf nicht nachweisbare Mengen abfällt und dass sich daher der menschliche Hippokampus grundsätzlich von anderen Spezies unterscheidet, bei denen die adulte Neurogenese erhalten bleibt (Sorrells et al., 2018). Dagegen stellten Boldrini und ihre Kollegen eine beim Menschen unverändert anhaltende Neurogenese fest, indem sie Gehirne von 28 Menschen obduzierten, die im Alter zwischen 14 und 79 Jahren plötzlich verstarben und die keine vorherige Hirnerkrankung aufwiesen. In allen untersuchten humanen Hippokampi fand sich eine ähnlich große Anzahl unreifer Neurone und neuraler Vorläuferzellen (Boldrini et al., 2018). So wurden innerhalb weniger Wochen zwei Studien mit gegensätzlichen Aussagen veröffentlicht, die den Bedarf zusätzlicher Untersuchungen an Tiermodellen offenlegen.
Der Einfluss von aSyn auf die adulte Neurogenese beim Menschen wird ebenfalls kontrovers diskutiert. In post-mortem Untersuchungen von Patienten mit IPS konnte die Akkumulation von aSyn in der SGZ des DG sowie der subventrikulären Zone des OB dargestellt werden. Jedoch ist strittig, ob es durch eine reduzierte Proliferation oder durch einen vermehrten Zelluntergang zur verminderten Neurogenese kommt (Hoglinger et al., 2004, van den Berge et al., 2011). Während zwei Studien die Abnahme der Zellproliferation in der SVZ bei Patienten mit klinisch und pathologisch diagnostizierter PD zeigten (O'Keeffe et al., 2009, Hoglinger et al., 2004), konnte eine andere Arbeitsgruppe keine Veränderung in der Proliferation beobachten (van den Berge et al., 2011). Ebenso sind Daten über die adulte Neurogenese im DG von PD-Patienten begrenzt. Eine um 29,9% reduzierte Zahl an PCNA+ Zellen konnte in post-mortem Untersuchungen von Individuen mit PD gezeigt werden (Hoglinger et al., 2004). Die signifikante Reduktion von Nestin und β-III-Tubulin exprimierenden Zellen ließ zudem auf eine verminderte Anzahl von unreifen Neuronen im DG von drei PD-Patienten und fünf PDD-Patienten (PD-Patienten mit kognitiven Beeinträchtigungen bzw. Demenz) im Vergleich mit drei Kontrollen schließen (Hoglinger et al., 2004). Die PDD Fälle zeigten dabei einen stärkeren Rückgang Nestin-positiven Zellen als PD-Patienten ohne Demenz (50,1% versus 37,7%). In einer weiteren Studie wurde in der SGZ von Patienten mit LBD eine positive aSyn Färbung in LB und LN im Vergleich mit Kontrollen nachgewiesen (Johnson et al. (2011). In der weiteren Analyse der neurogenen Expressionsmarker Musashi 1, PCNA und DCX war die verminderte Aktivität von Musashi 1, einem evolutionär konservierten Marker für die Differenzierung von aNSC, in der SGZ zu sehen. Im Gegensatz dazu kam es zu einer Zunahme von PCNA+ Zellen, einem Marker für die Proliferation, der auf den schnelleren Umsatz von Stammzellen zu unreifen Neuronen
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-und einen nachgewiesenen Anstieg DCX+ Zellen zurückgeführt wurde (Johnson et al., 2011).
Das spiegelte vermutlich eher pathogene als reparative Prozesse wider, wie dies in der Epileptogenese beschrieben wurde (Parent et al., 2002). Zudem werden LBD Patienten häufig mit Cholinesterase-Inhibitoren behandelt und wahrscheinlich hat diese Therapie Auswirkungen auf die Neurogenese (Johnson et al., 2011). Zunehmende Hinweise in Tiermodellen deuten darauf hin, dass das cholinerge System das Überleben der Vorläuferzellen und cholinerge Arzneimittel wie Donepezil die Neurogenese fördern (Kotani et al., 2008). In einer weiteren Studie mit LBD Patienten, die den Einfluss von aSyn auf die adulte Neurogenese und Dendritogenese im Hippokampus untersuchte, war die Expression des endogenem aSyn in der SGZ der LBD Patienten erhöht, während die Anzahl der Sox2+
Zellen in der gleichen Region verringert war (Winner et al., 2012). Der Nachweis von aSyn und die verminderte Vorläuferzellpopulation deuten auf eine Abnahme der adulten Neurogenese in LBD hin.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass sich die Daten aus Nagetiermodellen zu Stammzellnischen und adulter Neurogenese nur in beschränktem Maße auf die Situation in PD-Patienten übertragen lassen. Viele Faktoren regulieren die adulte Neurogenese, was sich in der enormen Komplexität der neurogenen Nische zeigt. In dem in dieser Arbeit analysierten BAC aSyn Rattenmodell der PD ist das Überleben neu gebildeter Neurone im DG stark vermindert. Die Akkumulation von aSyn in neurogenen Regionen ist ein wichtiges pathologisches Ereignis, das im Krankheitsverlauf auftritt. Sie behindert neurogene Prozesse am wahrscheinlichsten durch einen negativen Einfluss auf die Integration der neu generierten Neurone. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu ermitteln, ob die Überexpression von aSyn schon zum Zeitpunkt der Proliferation zu einem starken Zellrückgang führt und welche Beziehung zwischen aSyn und einer hippokampalen Atrophie besteht.
Volumenreduktion des DG in BAC aSyn Ratten
Die vorliegende Arbeit wies in der Analyse des Überlebensparadigmas einen signifikanten Unterschied der stereologisch gemessenen Volumen des DG zwischen den fast vier Monate alten nicht-transgenen Tieren mit 2,18 ± 0,2 mm³ gegenüber den gleichaltrigen aSyn Ratten mit 1,67 ± 0,22 mm³ nach. In der Untersuchung zum Zeitpunkt der Proliferation zeigte sich dagegen keine Differenz in den Volumen beider untersuchter Gruppen.
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-In einer aktuellen neuroradiologischen Publikation konnte eine detaillierte Segmentierung des Hippokampus in Einzelregionen mittels FreeSurfer-Software und 3D T1-gewichteter MRT durchgeführt werden (Xu et al., 2020). Bei 28 PD-Patienten ohne Demenz wurde ein signifikant vermindertes Volumen des rechten DG im Vergleich mit 27 Kontrollprobanden nachgewiesen. Die Beobachtung einer Hippokampusatrophie bei PD-Patienten zeigte sich ebenfalls in einigen vorangegangenen Studien (Pereira et al., 2013, Camicioli et al., 2003, Uribe et al., 2018), während andere Arbeiten diesen Zusammenhang nicht bestätigten (Tam et al., 2005, Melzer et al., 2012). Alle PD-Patienten der Längsschnittstudie von Xu et al.
wurden zwei Jahre später erneut untersucht, mittels MRT gescannt und in eine Patientengruppe ohne kognitive Beeinträchtigung (PD) sowie eine Gruppe mit kognitiver Beeinträchtigung (PDD) unterteilt (Xu et al., 2020). Bei PDD-Patienten war das Volumen des DG signifikant kleiner als bei PD-Patienten. Darüber hinaus wurde neben dem Volumenverlust der hippokampalen Regionen CA2/CA3 und DG ein zunehmender kognitiver Rückgang im zeitlichen Verlauf beobachtet, der mit dem Fortschreiten der PD zusammenhängen könnte. In einer weiteren Studie wurde das hippokampale und extra-hippokampale Volumen zwischen PD, PDD und Kontrollen mittels volumetrischer MRT verglichen (Camicioli et al., 2003). Das Volumen des Hippokampus war in den Patientengruppen mit PD und PDD signifikant kleiner als bei den gesunden Probanden.
Zusätzlich konnte ein progressiver Verlust von Kontroll- über PD- zu PDD-Patienten gezeigt werden (Camicioli et al., 2003, Xu et al., 2020, Kandiah et al., 2014). Die gemessenen Volumen extra-hippokampaler Strukturen wiesen diesen Unterschied nicht auf.
Zusammenfassend ergeben sich hiermit Hinweise, dass eine hippokampale Atrophie im Verlauf der Erkrankung insbesondere bei PD-Patienten mit kognitiven Defiziten auftritt.
Zukünftige Längsschnittstudien müssen größere Stichproben von Probanden untersuchen, um spezifische Schlussfolgerungen zum hippokampalen Volumenverlust als möglichen Indikator für die Konversion von nicht-dementen zu dementen PD-Patienten ziehen zu können. Hierbei wird verstärkt auf den Zusammenhang zwischen hippokampaler Atrophie, kognitiver Beeinträchtigung und erhöhtem aSyn von PD-Patienten einzugehen sein.
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