Klinik für Neonatologie, Campus Virchow Klinikum
Direktor: Prof. Dr. med. Michael Obladen

DIE BEDEUTUNG APOPTOTISCHER SIGNALTRANSDUKTIONSMECHANISMEN IN KLINISCHEN UND EXPERIMENTELLEN SCHÄDIGUNGSMODELLEN DES UNREIFEN GEHIRNS

HABILITATIONSSCHRIFT

zur Erlangung der Venia Legendi
für das Fach Kinderheilkunde

vorgelegt dem
Fakultätsrat der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt Universität zu Berlin

von
Dr. med. Ursula Felderhoff-Müser

geboren am 23.04.1965 in Bonn

Präsident: Prof. Dr. rer. nat. Jürgen Mlynek

Dekan: Prof. Dr. med. Joachim W. Dudenhausen

eingereicht: im Juni 2003

Öffentlich-wissenschaftlicher Vortrag am: 04. Dezember. 2003

Gutachter:
1. Prof. Dr. Ingeborg Krägeloh-Mann
2. Prof. Dr. Hans-Ulrich Bucher

Meinem lieben Mann

Dr. Christoph Müser

und

In memoriam meinem Vater

Dr. Bernhard Felderhoff


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KURZFASSUNG

Einleitung

Das Wissen um die Schädigungsmechanismen im unreifen Gehirn ist limitiert und gängige Modelle zur Untersuchung von neuronalen Verletzungen des reifen Nervensystems lassen sich nicht einfach auf das unreife übertragen. Programmierter Zelltod oder Apoptose wird im sich entwickelnden Gehirn nicht nur physiologisch zur Reduktion überschüssig angelegter neuronaler Zellen beobachtet, sondern ist auch der vorwiegende Modus des Zelltodes durch einen schädigenden Insult.

In den hier vorliegenden klinischen und experimentellen Arbeiten sollten Mechanismen einer Schädigung des unreifen Gehirns näher charakterisiert werden. Im tierexperimentellen Teil der Studien wurden apoptotische Faktoren und deren Regulation an zwei unterschiedlichen experimentellen Schädigungsmodellen des unreifen Gehirns (Hypoxie, Trauma) untersucht, mit dem Ziel mögliche neuroprotektive Ansätze zu identifizieren. In einem weiteren Teil der Arbeiten ging es darum, die Darstellung der Hirnschädigung von sehr unreifer Frühgeborenen in der Magnetresonanztomographie (MRT) histologisch an Autopsiematerial zu charakterisieren. An Autopsiefällen mit pontosubikulärer Nekrose (PSN) sollten die molekularen Mechanismen einer Hypoxie mittels pro-apoptotischer Marker näher untersucht werden. Der klinische Teil der Arbeiten hatte die Identifizierung Apoptose-regulierender Faktoren im Liquor von Patienten mit Hydrozephalus zum Ziel.

Methodik

Tiermodelle: Am Modell der hypoxisch-ischämischen und der traumatischen Hirnschädigung des unreifen Rattengehirns wurden mittels Immunhistochemie, RT-PCR, ELISA Technik und Western Blotting molekulare Mechanismen der apoptotischen Stoffwechselkaskade untersucht.


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Autopsiematerial: MRT-Bilder des Gehirns von schwer kranken Frühgeborenen wurden kurz vor oder nach ihrem Tod angefertigt und mit histologischen Untersuchungen verglichen. Autopsiefälle nach hypoxischer Hirnschädigung mit dem Bild einer PSN wurden immunhistochemisch auf die Expression des pro-apoptotischen Zelloberflächenrezeptors Fas und seines Liganden untersucht.

Liquor: Im Liquor von Neugeborenen und älteren Kindern mit Hydrozephalus wurden die Apoptose-regulierenden Faktoren lösliches Fas (sFas), löslicher Fas Ligand (sFasL) und aktivierte Caspase 3 mittels ELISA Technik untersucht.

Resultate

Tiermodell der hypoxisch-ischämischen Hirnschädigung des unreifen Rattengehirns

In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß der pro-apoptotische Zelloberflächenrezeptor Fas auf neuronalen Zellen exprimiert wird und als Todesrezeptor wirksam ist. Zudem wurde eine Hochregulation dieses Rezeptors nach hypoxisch-ischämischer Hirnschädigung mit einem Maximum von 6 bis 12 Stunden beobachtet. Mittels pharmakologischer Inhibition der Fas-abhängigen Stoffwechselkaskade mit Caspaseninhibitoren ließ sich in vitro an primären neuronalen Zellkulturen ein neuroprotektiver Effekt nachweisen.

Autopsiematerial nach hypoxischer Hirnschädigung

An Autopsiefällen von asphyktischen Neugeborenen ließ sich eine Hochregulation der Expression von Fas in den pontinen Kerngebieten und im Subiculum des Hippocampus nachweisen. Diese war am stärksten auf Neuronen ausgeprägt, die die histologischen Zeichen eines frühen apoptotischen Stadiums aufwiesen. Fas Ligand Expression zeigte sich überwiegend auf Astrozyten und Mikroglia.

Tiermodell der traumatischen Hirnschädigung des unreifen Rattengehirns

Es konnte gezeigt werden, dass bei der Neurodegeneration nach Trauma auf das unreife Gehirn mindestens zwei verschiedene apoptotische Stoffwechselwege aktiviert werden: Der extrinsische Weg führt über die Aktivierung von Fas zur Hochregulation von
[Seite 9↓] Caspase 8. Der intrinsische Weg beinhaltet die Freisetzung von Cytochrom C in das Zytoplasma mit anschließender Aktivierung von Caspase 9. Zudem war die Expression von Mitgliedern der Bcl-2 Familie erniedrigt. Durch Einsatz eines Caspaseninhibitors als neuroprotektive Maßnahme konnte auch in diesem Modell die apoptotische Schädigung deutlich reduziert werden. Zudem wurde die Expression der neurotrophen Wachstumsfaktoren BDNF und NT-3 durch Trauma moduliert.

MRT des Frühgeborenengehirns und Histologie

Diese Studie konnte mittels der MRT Auffälligkeiten des unreifen Gehirns extrem kleiner Frühgeborener ab einem Gestationsalter von 24 Schwangerschaftswochen demonstrieren, die sehr gut mit den histologischen Befunden korrelierten. Mit den hier verwendeten konventionellen Sequenzen ließen sich die anatomischen Strukturen, Blutungen und Infarkte gut darstellen. Diffuse Veränderungen der Signalintensität der weißen Substanz korrelierten mit apoptotischen und gliösen Arealen in der Histologie.

Apoptose-regulierende Faktoren im Liquor von Kindern mit Hydrozephalus

Es konnte gezeigt werden, daß die anti-apoptotisch wirkende lösliche Form des Zelloberflächenrezeptors Fas (sFas) bei allen untersuchten Patientengruppen von Kindern mit Hydrozephalus (Frühgeborene, Neugeborene, ältere Kinder mit Shuntrevision) signifikant erhöht war. Bei einer Untergruppe von Kindern mit periventrikulärer Leukomalazie (PVL) korrelierte die Höhe von sFas mit dem späteren Auftreten einer PVL. sFasL und aktivierte Caspase 3 fanden sich in keinem Fall im Liquor erhöht.

Schlußfolgerungen

Die in dieser kumulativen Habilitationsschrift aufgeführten Arbeiten haben die weitreichende Rolle apoptotischer Mechanismen in unterschiedlichen klinischen und experimentellen Schädigungsmodellen des unreifen Gehirns demonstriert und weiterführende Fragestellungen aufgezeigt. Im klinischen Umfeld besteht mit neueren bildgebenden Verfahren und der Untersuchung biochemischer Marker die Möglichkeit, Schädigungen des Gehirns näher zu charakterisieren. Mit diesen Untersuchungen wurden Grundlagen zur Identifikation möglicher neuroprotektiver Angriffspunkte erarbeitet.


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Inhaltsverzeichnis

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22.04.2004