Die Auswirkung von Wachstumsfaktoren auf das neonatale Gehirn am Beispiel Hyperoxie- und MDMA-induzierter Neurotoxizität

Abstract

Einleitung: Trotz erheblicher Fortschritte in der medizinischen Behandlung frühgeborener Kinder gehen die sinkenden Mortalitätsraten noch immer mit einem hohen Anteil neurologischer Folgeschäden einher. Diesbezüglich konnten in der Vergangenheit diverse Schädigungsmechanismen aber auch protektive Faktoren im vulnerablen neonatalen Gehirn exploriert werden. Die nachfolgende Arbeit beschäftigt sich daher mit der weiteren Evaluation zweier relevanter neurotoxischer Faktoren, Hyperoxie und 3,4-Methylendioxy-N-Methamphetamin (MDMA, „Ecstasy“), ihrer potentiellen Abschwächung und der dadurch vermittelten Neuroprotektion durch Wachstumsfaktoren wie Erythropoietin und Neurotrophine. Material und Methoden: Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden die Auswirkungen einer 2- bis 48-stündigen Exposition 6-Tage alter Ratten gegenüber Hyperoxie (80% Sauerstoff) in Verbindung mit der Applikation von 20.000 IE/kg Körpergewicht rekombinantem Erythropoietin (rEPO) evaluiert. Zusätzlich erfolgte die Untersuchung der Auswirkungen von 20, 40 und 60 mg/kg Körpergewicht MDMA auf das unreife Gehirn 6-, 14- und 21-Tage alter Ratten und 6-Tage alter CD1/BDNF Knockout Mäuse. Die Untersuchung der neuronalen Veränderungen erfolgte anhand diverser molekularbiologischer und histologischer Arbeitsmethoden. Ergebnisse: Die durch Hyperoxie ausgelösten Schädigungsmechanismen im unreifen Gehirn beinhalteten die Induktion neuroinflammatorischer Prozesse, die Erzeugung von oxidativem Stress und die Veränderung der Regulation körpereigener antioxidativer Systeme. Durch Applikation des Wachstumsfaktors Erytropoietin konnten sämtliche Hyperoxie- bedingten Störungen signifikant beeinflusst und vermindert werden. Die Gabe von MDMA führte im neonatalen Gehirn zu einer breiten kortikalen Neurodegeneration, welche mit einem Anstieg der Neurotrophine Brain-derived Neurotrophic Factor (BDNF) und Neurotrophin-3 (NT-3) vergesellschaftet war. Die Exploration 6-Tage alter CD1/BDNF Knockout Mäuse ergab im Gegensatz zu den Kontrolltieren eine erhöhte Sensitivität gegenüber MDMA. Diskussion: Die vorgestellten Ergebnisse lassen vermuten, dass rekombinantes Erythropoietin seinen neuroprotektiven Effekt durch eine Reduktion von proinflammatorischen Prozessen und oxidativem Stress, sowie der Reduktion der stressinduzierten Veränderung antioxidativer Systeme vermittelt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Neurotrophine BDNF und NT-3 vermutlich wichtige kompensatorische Mechanismen bezüglich des Überlebens neuronaler Zellen im Rahmen der MDMA-induzierten Neurodegeneration im neonatalen Gehirn von Ratte und Maus darstellen.

Introduction: Despite the considerable improvement in medical treatment of preterm-born children the decreasing mortality rates are accompanied by a high frequency of long-term neurological deficits. Several mechanisms of damage but also protective factors in the vulnerable neonatal brain have been verified in the past. This present work focuses on the further evaluation of two relevant neurotoxic factors, hyperoxia and 3,4-Methylenedioxy-N-methamphetamine (MDMA, „Ecstasy“), their potential attenuation and on the neuroprotection through growth factors like erythropoietin and neurotrophins. Material and Methods: In this work the consequences of a 2 to 48 hours lasting exposure of 6 day old rats to hyperoxia (80% oxygen) in combination with the application of 20.000 IE/kg recombinant erythropoietin (rEPO) were determined. Additionally, the effect of 20, 40 and 60 mg/kg MDMA on the immature brain of 6, 14 or 21 day old rats and 6-day old CD1/BDNF knockout mice were explored. The examination of the neuronal changes was achieved using different molecular biological and histological work methods. Results: The mechanisms of damage induced by hyperoxia in the immature brain include the induction of neuroninflammatory processes, the creation of oxidative stress and an alteration in the regulation of antioxidative systems of the body. Throught application of the growth factor erythropoietin all of the hyperoxia-induced disturbances could be significantly changed and reduced. The application of MDMA created a broad cortical neurodegeneration with an increase of the growth factors brain- derived neurotrophic factor (BDNF) und neurotrophin-3 (NT-3). The exploration of 6 day old CD1/BDNF knockout mice showed a higher sensitivity to MDMA. Discussion: The described results lead to the assumption that recombinant erythropoietin performs its neuroprotective effects through a reduction of proinflammatory processes and oxidative stress and through stress-induced changes of antioxidant systems. Additionally it was shown that the neurotrophins BDNF and NT-3 seem to include important compensatory mechanisms for the survival of neuronal cells in the modell of MDMA-induced neurodegeneration in the neonatal brain of rats and mice.