Der Projektteil C beschäftigt sich mit den Mechanismen der Kommunikation zwischen nicht-neuronalen Zellen und Neuronen. Diese Mechanismen werden bei Krankheitsbildern untersucht, wobei Epilepsie und Ischämie im Vordergrund stehen. In diesem Projektteil werden beinahe die meisten nicht-neuronalen Zelltypen einbezogen, Astrozyten und Mikrogliazellen im Projekt C3, Mikrogliazellen im Projekt C3, C7 und C10, neurale Vorläuferzellen im Projekt C11 und Endothelzellen im Projekt C12. Im Projekt C3 wird die Hypothese verfolgt, dass Astrozyten und Mikrogliazellen sehr stark in die Schadenskaskade während Status Epilepticus eingreifen und dass man durch ein Verständnis dieser zellulären Reaktionen den Krankheitsverlauf beeinflussen könnte. Das Projekt C7 hat eine ähnliche Zielrichtung und versucht durch Inhibition der Ionenkanäle die toxische Wirkung der Mikrogliazellen zu beeinflussen. Im Projekt C10 geht es um die Mechanismen der Kommunikation zwischen Mikrogliazellen einerseits und Neuronen und Astrozyten andererseits sowohl im normalen als auch im pathologischen Modell. Im Projekt C12 wird die Konsequenz einer Öffnung der Blut-Hirn-Schranke auf neuronale Aktivität, Synaptogenese und Reorganisation untersucht. Die Projekte eint die These, dass nicht-neuronale Zellen über vielfältige und komplexe Mechanismen pathologische Prozesse beeinflussen.
Die Beteiligung von Gliazellen an transneuronalen Veränderungen nach entorhinaler Läsion
Prof. Dr. med. Uwe
Heinemann
Johannes-Müller-Institut für Physiologie
AG Zelluläre Neurophysiologie und Pathophysiologie
Charité Universitätsmedizin Berlin, Humboldt und Freie Universität
Tucholskystrasse 2, 10117 Berlin
Telefon: (030) 450-528 152
Telefax: (030) 450-528 962
E-Mail: uwe.heinemann@charite.de
Dr. med. Oliver Kann
Johannes-Müller-Institut für Physiologie
AG Zelluläre Neurophysiologie und Pathophysiologie
Charité Universitätsmedizin Berlin, Humboldt und Freie Universität
Tucholskystrasse 2, 10117 Berlin
Telefon: (030) 450-528 357
Telefax: (030) 450-528 962
E-Mail: oliver.kann@charite.de
Mesiale Temporallappenepilepsien (TLE) sind häufig durch Progredienz, Pharmakoresistenz und schwere Folgeschädigungen gekennzeichnet. Das Gewebe zeichnet sich histopathologisch durch Nervenzellverluste, nachfolgende Reorganisation des Netzwerks und fibrilläre Astrogliose aus. Schädigung des Gewebes ist damit ein zentraler Aspekt der Epileptogenese. Wir verfolgen zwei Haupthypothesen:
1. Pathologische, neuronale Aktivität wie bei Status epilepticus ist mit
massiver Akkumulation von Calcium in Zytoplasma und Mitochondrien verbunden.
Die verstärkte mitochondriale Ca2+-Aufnahme führt zu Depolarisation
der inneren Mitochondrienmembran, zu vermehrter Bildung von NO, ROS und toxischen
Folgeprodukten, aber auch zum Verbrauch des intrinsischen Radikalfängers
Glutathion. Es kommt zu Lipidoxidierung, Schädigung mitochondrialer Enzyme
und DNA mit verminderter ATP Produktion und Zelltod.
2. Zusätzlich tragen Astrozyten und Mikrogliazellen sekundär wesentlich
zu erhöhter Vulnerabilität der Nervenzellen bei. Ursache dafür
könnte sein, daß Status epilepticus auch zu funktionellen Änderun-gen
der Eigenschaften der Astrozyten führt, was nachfolgend mit einer gestörten
Bildung von Glutathion bzw. der für Nervenzellen wichtigen Precursor einhergeht
und somit die antioxidative Kapazität im Gewebe vermindert. Dieser negative
Effekt wird durch Freisetzung von ROS und NO der Mikrogliazellen verstärkt,
die nach Status epilepticus aktiviert sind.
Die Untersuchungen sollen an hippocampalen
Hirnschnittkulturen von NO-Synthase (NOS)-defizienten Mäusen und unter
Verwendung von spezifischen NOS Inhibitoren, Radikalfängern und Blockern
der mitochondrialen Ca2+-Aufnahme mit mikrofluorimetrischen, elektrophysiologischen
und "Imaging"-Techniken durchgeführt werden. Zur Induktion eines
Status epilepticus stehen zwei Modelle zur Verfü-gung ("niedrig Mg2+"
und "4-Aminopyridin/Bicucullin"). Die Rolle von aktivierten Mikrogliazellen,
insbesondere als Quelle von NO und ROS, und die Rolle von Astrozyten bei der
Glutathionversorgung von Nervenzellen sollen ebenfalls untersucht werden. Die
Ergebnisse aus in vitro Modellen sollen in Akutschnitten von Gewebe chronisch-epileptischer
Ratten und Menschen erhärtet werden.
In situ Untersuchungen zu physiologischen Mechanismen der Mikrogliaaktivierung unter pathophysiologischen Bedingungene
Dr. Schilling, Tom
PD Dr. Eder, Claudia
Institut für Physiologie der Charité
Tucholskystr. 2
10117 Berlin
Telefon: 030-450528155
Telefax: 030-450528962
E-Mail: tom.schilling@charite,de
claudia.eder@charite.de
Im Verlauf zahlreicher neurologischer Erkrankungen des zentralen Nervensystems erfolgt eine Aktivierung von Mikrogliazellen. Die physiologischen Mechanismen, die den Aktivierungsvorgängen der Mikrogliazellen unterliegen, sind bisher kaum bekannt. Unter Anwendung von Patch-clamp- und Fluoreszenz-Imaging-Verfahren soll deshalb im Rahmen dieses Projektes aufgeklärt werden, welche physiologischen Signale während epileptiformer Aktivität oder infolge einer Hypoxie in Mikrogliazellen die Aktivierung auslösen und an den ausgelösten Aktivierungszuständen beteiligt sind. Es werden die Änderungen des Membranpotentials sowie der intrazellulären Ca2+ Konzentration der Mikrogliazellen verfolgt und die daran beteiligten Ionenkanäle identifiziert. Desweiteren soll die funktionelle Bedeutung der Ionenkanäle aufgeklärt werden. Es soll untersucht werden, ob die spezifische pharmakologische Blockade von Ionenkanälen eine selektive Inhibition einzelner Aktivierungszustände, d.h. der Sauerstoffradikalbildung und morphologischer Veränderungen, der Mikrogliazellen bewirkt. Besonderes Augenmerk wird außerdem auf die durch Mikrogliazellen ausgelösten neuronalen Schädigungen gelegt. Unsere Untersuchungen zielen auf die Möglichkeit, durch spezifische Ionenkanalinhibition die neurotoxischen Effekte der Mikrogliazellen in den untersuchten Epilepsie- und Hypoxiemodellen zu unterbinden.
Kommunikation von Mikrogliazellen mit Astrozyten und Neuronen
Prof. Dr. Helmut
Kettenmann
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC)
Zelluläre Neurowissenschaften
Robert-Rössle-Str. 10
13092 Berlin-Buch
Tel.: 030 9406 3325
FAX: 030 9406 3819
e-mail: kettenmann@mdc-berlin.de
Mikrogliazellen sind Sensoren für pathologische Ereignisse im Gehirn. Sie reagieren auf Verletzungen oder Veränderungen im Gehirngewebe mit einer Aktivierung, die einhergeht mit Migration zur Schadens-stelle, Proliferation, Freisetzung von Zytokinen und Chemokinen und Phagozytose geschädigter zellulärer Elemente. Dieses Aktivierungsprogramm ausgehend von der ruhenden, ramifizierten Mikroglia wird von Neuronen und Astrozyten beeinflusst. In diesem Antrag planen wir, Mechanismen der Kommunikation zwischen Mikrogliazellen auf der einen Seite und Astrozyten und Neuronen auf der anderen Seite zu untersuchen. Wir untersuchen dabei diese Zellen nicht nur in Kultur, sondern auch in akut isolierten Hirnschnitten. Wir wollen wissen, ob und wie Mikrogliazellen neuronale Aktivität detektieren. Da Neuro-transmitterrezeptoren Kandidaten für Neuron Glia Kommunikation sind, planen wir, die funktionelle Expression von Transmitterrezeptoren bei Mikrogliazellen zu charakterisieren. Wir wollen diese Kom-munikation sowohl im normalen als auch auch im pathologischen Gewebe untersuchen. Darüber hinaus untersuchen wir auch die Kommunikation zwischen Mikrogliazellen und Astrozyten. Zudem wollen wir zwei Befunde abklären, die sich auch unseren vorangegangenen Arbeiten ergeben haben: Zum einen wollen wir den Mechanismus des aktivierungsabhängigen, chronischen Kalziumanstieges aufklären, zum anderen die über den Zytokinrezeptor CXCR3 ermittelte Kommunikation zwischen Neuronen und Mikroglia detailliert analysieren. Wir hoffen, mit diesen Untersuchungen die Rolle der Mikrogliazellen im normalen und pathologischen Gewebe besser zu verstehen.
The role of blood-brain barrier disruption in cerebral cortex dysfunction
Alon Friedman, MD,
PhD
Zlotowski Center for Neuroscience
Ben-Gurion University
84105 Beersheva
Israel
(00972- 8) 64 00
893
(00972-8) 64 00 896
alonf@bgumail.bgu.ac.il
Prof. Dr. U. Heinemann
Johannes Müller Inst. für Physiologie
Charité
Tucholskystr. 2
10117 Berlin
(030) 450 52 81
52
(030) 450 52 89 62
Uwe.Heinemann@charite.de
The blood-brain barrier (BBB) is
a complex anatomical and functional machinery designed to maintain a unique
neuronal environment and to limit the penetrance of a wide range of hydrophilic
molecules, proteins and cellular elements. Abnormal BBB structure and function
is documented under numerous diseases of the nervous system, including stroke,
epilepsy, trauma, infectious and degenerative diseases. However, the direct
role of BBB dysfunction in the pathogenesis of brain diseases is not known.
We have recently established a rat model of focal BBB opening using direct bile
salts application. Electrophysiological recordings 4-49 days after treatment
showed lasting focal epileptiform activity i.e. increased excitability and hyper-synchronicity.
Epileptiform activity was limited to the treated region and was rarely recorded
in non-treated cortical regions of the same animal or in sham-operated controls.
The main hypothesis underlying this proposal is that acute BBB disruption acutely
increases neuronal activity, with subsequent activation and dysfunction of astrocytes,
followed by non-specific synaptogenesis and reorganization of the local network
leading to epileptic activity.
This research program involves parallel morphological, electrophysiological
and behavioral studies, to be performed at the Ben-Gurion University in Beersheva,
Israel and at the institute of Physiology, Charite, Berlin. Using these approaches,
we will address four specific hypotheses: That BBB opening: 1. causes acute
enhanced excitability followed by 2. abnormal astrocytic function; 3. altered
synaptic interactions; and 4. partial seizures as well as behavioral/neurological
deficits.