In-vivo- und in-vitro-Untersuchungen zum Einfluss von Brain-derived Neurotrophic Factor auf die Entwicklung serotonerger Neurone im Gehirn der Maus

Abstract

Serotonerge Neurone spielen im zentralen Nervensystem eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle autonomer Funktionen und bei dem Verhalten. Daneben sind viele psychiatrische und neurodegenerative Erkrankungen mit Störungen des serotonergen Systems verbunden. Trophische Faktoren, welche die Entwicklung des serotonergen Systems fördern sollen, sind neben Serotonin Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), ein Neurotrophin und S100ß, ein gliales calciumbindendes Protein. In der vorliegenden Studie sollte mithilfe eines BDNF-gendefizienten Mausmodells geklärt werden, wie sich das Fehlen von BDNF auf das serotonerge System auswirkt. Als weiterer Schwerpunkt wurde der Einfluss von BDNF und S100ß auf serotonerge Raphe- und auf Hippokampus-Neurone aus Primärkulturen untersucht. Bei 16 Tage alten BDNF-gendefizienten Mäusen war die Anzahl der serotonergen Neurone und die Menge der serotonergen Fasern erhöht. Serotonin und 5-Hydroxyindolessigsäure-Konzentrationen waren in wichtigen Zielregionen serotonerger Innervation ebenfalls erhöht. Das überschießend entwickelte serotonerge System der BDNF-gendefizienten Mäuse lässt auf eine Kompensation von BDNF durch einen anderen Faktor schließen. In Primärkulturen der Raphe von NMRI-Mäusen führte die BDNF-Behandlung zu einer Verdopplung der serotonergen Neurone sowie zu einer erhöhten Anzahl der Dendriten in serotonergen Raphe- und Hippokampus-Neuronen. Vermutlich induziert BDNF die Bildung primärer Dendriten. Die gleichzeitige Behandlung mit BDNF und S100ß führte bei beiden Neuronenpopulationen zu einer Hemmung des Dendritenwachstums und zusätzlich spezifisch bei serotonergen Neuronen zu einer verstärkten Axonverzweigung. Das deutet auf eine gegenseitige Beeinflussung von BDNF und S100ß hin. Die Stimulation glialer Primärkulturen mit BDNF zeigte eine vermehrte S100ß-Synthese in den Astrozyten. Ergänzend war bei den BDNF-gendefizienten Mäusen die S100ß-Immunreaktivität in der Raphe- Region reduziert. Beide Befunde deuten auf eine Förderung der Expression oder Synthese von S100ß durch BDNF hin. Im Gehirn der BDNF-gendefizienten Mäuse zeigte sich ein etwa um die Hälfte reduzierter Myelingehalt. Umgekehrt führte die Behandlung von primären Hippokampus-Neuronen mit BDNF zu einer erhöhten Anzahl myelinbildender Oligodendrozyten. Das zeigt, dass BDNF bei der Myelinbildung im Zentralnervensystem ebenfalls wie im peripheren Nervensystem eine wichtige Rolle spielt.

Serotonergic neurons in the central nervous system are crucial in the control of autonomic function and behavior. Major psychiatric and neurodegenerative diseases are linked to altered functions of serotonergic neurons. Beyond Serotonin other trophic factors promoting development of the serotonergic system are brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a member of the neurotrophin family and S100ß, a calciumbinding protein. In the present study the development of the serotonergic system in mice lacking BDNF was investigated. In addition the effects of BDNF and S100ß on mouse raphe and hippocampal primary cultures were tested. In 16 days old mice the number of serotonergic neurons in raphe nucleus and as well as serotonergic fibers in forebrain was increased. Serotonin and its main metabolite 5-hydroxyindolacetic acid revealed a significant increase in important target areas in BDNF -/- compared to BDNF +/+ mice. The more extensive development in mice lacking BDNF indicate that the lack of BDNF is compensated by other factors. In raphe primary cultures of NMRI mice BDNF increased the number of serotonergic neurons of about 2-fold. In addition the number of dendrites in raphe and hippocampal neurons in cultures was enhanced. Presumably, BDNF acts on the formation of primary dendrites. By contrast, simultaneous addition of BDNF and S100ß decreased the extension of dendrites of both raphe and hippocampal neurons. The same treatment, however, promoted axon branching of raphe neurons. This indicates an interaction between BDNF and S100ß. BDNF treatment of glial cell cultures revealed an increased S100ß synthesis in astrocytes. In BDNF gendeficient mice the S100ß immunreactivity was reduced in the raphe region. These findings indicate that BDNF promotes expression or synthesis of S100ß. In brain of BDNF-/- mice a decrease of myelin was observed, determined by immunohistochemistry and Westernblot analysis. Accordingly, treatment of hippocampal primary cultures with BDNF promotes a strong enhancement of oligodendrocytes producing myelin. Thus, BDNF is important for the myelination in the central nervous system.