Acetylcholinesterase-Inhibitoren reduzieren die Neuroinflammation und -degeneration im Cortex und Hippocampus in einem Operations-Stressmodell der adulten Ratte

Abstract

Im Rahmen eines chirurgischen Eingriffs führt exogener Stress durch Gewebeschaden sowie das Eindringen pathogener Keime zu einer peripheren inflammatorischen Reaktion und kann eine Neuroinflammation induzieren, welche wiederum in einer postoperativen kognitiven Dysfunktion (POCD) münden kann. Der cholinerge anti-inflammatorische Reflex ist ein neurohumoraler Mechanismus und spielt eine bedeutende Rolle bei der Supprimierung der inflammatorischen Reaktion. Die Behandlung mit Acetylcholinesterase-Inhibitoren steigert die cholinerge Wirkung und gilt somit als potentieller Ansatz, um eine Neuroinflammation zu verhindern. Adulte Wistar-Ratten wurden entweder lediglich laparotomiert oder operiert und zusätzlich mit Lipopolysaccharid (LPS) behandelt, wobei einem Teil der Tiere zudem ein Acetylcholinesterase- Inhibitor appliziert wurde. Als Acetylcholinesterase-Inhibitor wurden Physostigmin, welches die Blut-Hirn-Schranke überwindet oder das ausschließlich peripher wirkende Neostigmin eingesetzt. Die Expression pro- und anti-inflammatorischer Zytokine im Kortex, Hippocampus, Milz und Plasma wurde 1 Stunde, 24 Stunden, 3 Tage und 7 Tage nach Behandlung mittels Real- Time PCR, Western Blot Analyse und Cytometric Bead Array (CBA) quantifiziert. Um eine Neurodegeneration zu beschreiben, wurden Hirnschnitte mit Fluoro-Jade B gefärbt. Die Acetylcholinesterase-Aktivität wurde spektrofluorometrisch nachgewiesen. Der operative Eingriff kombiniert mit LPS-Behandlung führte im Kortex sowie im Hippocampus zu einer Hochregulation von IL-1beta auf Gen- und Proteinebene und ließ sich signifikant durch Physostigmin und Neostigmin reduzieren. Darüber hinaus führte die Operation mit LPS-Behandlung zu einer gesteigerten Proteinexpression von IL-1, TNF-alpha und IL-10 in der Milz und im Plasma. Physostigmin und Neostigmin senkten signifikant die gesteigerte Proteinexpression von IL-1 und TNF-alpha. Die neuronale Degeneration und die Acetylcholinesterase-Aktivität waren nach dem operativen Eingriff mit LPS- Behandlung erhöht. Mittels Applikation der Acetylcholinesterase -Inhibitoren lassen sich die pro-inflammatorische Antwort so wie die Neurodegeneration im Kortex und Hippocampus nach Operation kombiniert mit LPS-Behandlung reduzieren. Die Verwendung von Acetylcholinesterase-Inhibitoren könnte somit einen potentiellen Ansatz zur Prävention und Behandlung der POCD darstellen.

Exogenous stress like tissue damage and pathogen invasion during surgical trauma could lead to a peripheral inflammatory response and induce neuroinflammation, which can result in postoperative cognitive dysfunction (POCD). The cholinergic anti-inflammatory pathway is a neurohumoral mechanism that plays a prominent role by suppressing the inflammatory response. Treatments with acetylcholinesterase inhibitors enhance cholinergic transmission and may therefore act as a potential approach to prevent neuroinflammation. In the presence or absence of acetylcholinesterase inhibitors, adult Wistar rats underwent surgery alone or were additionally treated with lipopolysaccharide (LPS). Physostigmine, which can overcome the blood-brain barrier or neostigmine acting only peripheral, served as acetylcholinesterase inhibitors. The expression of pro- and anti-inflammatory cytokines in the cortex, hippocampus, spleen and plasma was measured after 1 h, 24 h, 3 d and 7 d using Real-Time PCR, western blot analysis or cytometric bead array (CBA). Fluoro-Jade B staining of brain slices was employed to elucidate neurodegeneration. The activity of acetylcholinesterase was estimated using a spectrofluorometric method. Surgery accompanied by LPS- treatment led to increased IL-1beta gene and protein upregulation in the cortex and hippocampus but was significantly reduced by physostigmine and neostigmine. Furthermore, surgery in combination with LPS-treatment caused increased protein expression of IL-1, TNF-alpha and IL-10 in the spleen and plasma. Physostigmine and neostigmine significantly decreased the protein expression of IL-1 and TNF-alpha. Neuronal degeneration and the activity of acetylcholinesterase were elevated after surgery with LPS-treatment and reduced by physostigmine and neostigmine. Along with LPS-treatment, acetylcholinesterase inhibitors reduce the pro-inflammatory response as well as neurodegeneration after surgery in the cortex and hippocampus. This combination may represent a tool to break the pathogenesis of POCD.