Glutamattransport im zentralen Nervensystem: Untersuchungen nach traumatischer Schädigung und transienter globaler Ischämie

Abstract

Die vorliegenden Arbeiten zur zellulären Expression von Glutamattransportern zeigen folgende Ergebnisse: • Im normalen Gehirn exprimieren Nervenzellen, Astrozyten und Oligodendrozyten Glutamattransporter, wohingegen ruhende Mikrogliazellen keine Expression von Glutamattransportern zeigen. • Während die Hauptlast der Glutamataufnahme im normalen Gehirn die Astrozyten tragen, können Oligodendrozyten in Satellitenstellung zu Nervenzellen im perineuronalen Mikroenvironment zur Glutamataufnahme beitragen. Nach transienter globaler Ischämie ist eine rasch auftretende, ausgeprägte und länger andauernde Reduktion von Glutamattransporter exprimierenden, perineuronal gelegenen Oligodendrozyten der grauen Substanz zu beobachten. • Posttraumatisch kommt es zu einer raschen und ausgeprägten Reduktion von Glutamattransporter exprimierenden Astrozyten. Die Glutamatkonzentration im Liquor steigt in den ersten 24 Stunden nach Trauma an. • Posttraumatisch zeigen ramifizierte Mikrogliazellen rasch eine de novo-Expression der Glutamattransporter EAAT1 und EAAT2. Die posttraumatische de novo-Expression von Glutamattransportern der Mikrogliazellen ist jedoch offenbar nicht ausreichend, die posttraumatische Reduktion insbesondere der Astrozyten und die damit einhergehende Einschränkung der Aufnahme extrazellulären Glutamats vollständig zu kompensieren – der posttraumatische Glutamatanstieg im Liquor fällt aber mit zunehmender Anzahl aktivierter Mikrogliazellen zunehmend geringer aus. • Reaktive Astrozyten exprimieren in hoher Anzahl die Glutamattransporter EAAT1 und EAAT2. Posttraumatisch wird der Anstieg der Glutamatkonzentration im Liquor nach 24 Stunden abgebremst und nach 48 Stunden ein Plateau erreicht. Die Untersuchungen der zellulären Expression der Peptide PACAP38 und PACAP27 zeigen, dass • im normalen Gehirn Nervenzellen, Astrozyten und Oligodendrozyten beide PACAP-Formen exprimieren • es nach Trauma bzw. nach transienter globaler Ischämie zu einer raschen numerischen Abnahme PACAP27- und PACAP38-exprimierender Astrozyten und Oligodendrozyten kommt • sich perikontusionell im Zuge der reaktiven Gliose rasch eine numerische Zunahme PACAP-exprimierender Astrozyten findet Die posttraumatische reaktive astrozytäre Gliose ist offenbar Teil einer endogenen neuroprotektiven Reaktion nach Trauma, die mit einer vermehrten Expression von Glutamattransportern und der sie regulierenden Peptiden wie PACAP einhergeht. Noradrenalin spielt auch in der Regulation des astrozytären Glutamattransports eine Rolle. Nach kontinuierlicher exogener Applikation von Noradrenalin in verschiedenen Konzentrationen findet sich nach Hirntrauma („Controlled Cortical Impact Injury“ (CCII)-Modell) in der Ratte eine konzentrationsabhängige neuroprotektive Wirkung. Eine Noradrenalin-Infusion in niedriger Dosierung resultiert 48 Stunden nach CCII in einem um 44% reduzierten Kontusionsareal. Eine weiterführende Arbeit soll untersuchen, ob eine Induktion des Glutamattransports durch Noradrenalin zu dieser neuroprotektiven Wirkung beiträgt.

The published projects examine the cellular expression of glutamate transporters and show the following results: • In normal brain neurons, astrocytes and oligodendrocytes express certain types of glutamate transporters whereas resting microglial cells show no expression. • While glutamate uptake by astrocytes is the major mechanism for eliminating glutamate in normal brain, oligodendrocytes in “satellite” position to neurons may contribute to glutamate uptake in this perineuronal microenvironment. Following transient global ischemia there is a rapid and marked, persisting reduction of glutamate transporter expressing oligodendrocytes of gray matter (e.g. in perineuronal position). • Following cortical trauma (contusion) there is a rapid and marked reduction of glutamate transporter expressing astrocytes. The glutamate concentration in the CSF is increased up to 24 hours following contusion. • Following contusion ramified microglial cells present a rapid de novo expression of the glutamate transporters EAAT1 and EAAT2. This posttraumatic de novo expression of glutamate transporters does not completely compensate for the reduction in the uptake of extracellular glutamate due to the posttraumatic loss of astrocytes and/or downregulation of astrocytic glutamate transport as compared with the glutamate concentrations in the CSF. • At 48 hours the glutamate concentration in the CSF reaches maximal values. The observed increase appears attenuated between 24 and 48 hours, in parallel to the beginning of the formation of reactive astrocytic gliosis. A high number of reactive astrocytes expresses the glutamate transporters EAAT1 and EAAT2. The examinations of the cellular expression of the peptides PACAP38 and PACAP27 show that • In normal brain neurons, astrocytes and oligodendrocytes express both forms of PACAP. • Following cortical trauma or transient global ischemia there is a rapid numerical decrease of PACAP27- and PACAP38-expressing astrocytes and oligodendrocytes. • In pericontusional areas PACAP-expressing reactive astrocytes rapidly increase in number. Therefore, the posttraumatic reactive astrocytic gliosis may be a part of an endogenous neuroprotective reaction with an increased expression of glutamate transporters and of peptides involved in the regulation of glutamate uptake. Norepinephrine also plays a role in the regulation of the astrocytic glutamate transport. Following continued exogenous application of norepinephrine in different concentrations a dose-dependent neuroprotective effect can be observed after cortical trauma („Controlled Cortical Impact Injury“ (CCII) model in rats). Low dose norepinephrine reduced the cortical contusion volume by 44% at 48 hours following CCII. Future studies are needed to determine if an induction of the glutamate uptake by norepinephrine contributes to the observed neuroprotective effect of norepinephrine.