dc.contributor.author
Major, Stoigniew Sebastian
dc.date.accessioned
2018-06-29T15:09:06Z
dc.date.available
2017-02-24T12:09:02.011Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/22242
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-77
dc.description.abstract
Spreading depolarization (SD) is characterized by a sustained neuronal
depolarization and near-complete breakdown of the ion gradients across the
cellular membranes. The recovery from SD is energy-dependent. Accordingly the
local parenchymal ATP concentration falls by 45%. In healthy tissue the
increased energy demand is satisfied by a marked rise in cerebral blood flow
(CBF), but this hemodynamic response can become inverted under pathologic
conditions like subarachnoid hemorrhage, cerebral ischemia or traumatic brain
injury. Under this condition SD induces long-lasting vasoconstriction, which
spreads together with the depolarization wave in the tissue. In an
experimental animal model the resulting spreading ischemia (SI) led to
cortical infarcts. SI occurs when SD runs in tissue with increased baseline
extracellular potassium ([K+]o) and depletion of nitric oxide (NO). In cell
culture chronically increased [K+]o reduces the activity of the sodium-
potassium ATPase (NaKA). Therefore, we tested in vivo if direct inhibition of
NaKA with ouabain induces SI in rats when the NO concentration is
simultaneously decreased. First we confirmed that chronically increased [K+]o
also reduces NaKA activity in vivo. Notably the α2/α3 isoforms were
selectively affected. We then found that ouabain, in a concentration
selectively inhibiting the α2/α3 isoforms, induced SI when NO was
simultaneously depleted. What could be the mechanism underlying this effect of
α2/α3 NaKA inhibition? The α2/α3 isoforms are colocalized with the
Na+/Ca2+-exchanger (NCX) at cell membrane sites adjacent to the
(sarco-)endoplasmic reticulum (SER). Inhibition of the α2/α3 isoforms
decreases the local sodium gradient across the cell membrane, which
consequently reduces the amount of Ca2+ transported out of the cell by the
NCX. The surplus Ca2+ is then stored in the SER and might directly increase
calcium dependent contractility of vascular smooth muscle cells and pericytes.
Their contractility is additionally enhanced by increased Ca2+ release from
astrocytic SER and consequent release of vasoconstrictive substances from
astrocytes. These processes appear to play a specific role for the duration of
SI because thapsigargin, depleting Ca2+ from the SER, significantly shortened
SI. These results are clinically relevant because we and others showed that SD
and SI occur in patients with the above-mentioned diseases and are associated
with unfavorable outcome. Better understanding of the pathomechanisms
underlying SI may lead to the development of new diagnostic and therapeutic
strategies for clinical conditions associated with SD and SI.
de
dc.description.abstract
Spreading Depolarization (SD) zeichnet sich durch einen fast vollständigen
Zusammenbruch des neuronalen Membranpotentials aus, der durch massive
Ionenverschiebungen zwischen Intra- und Extrazellulärraum verursacht wird. Die
Wiederherstellung der physiologischen Ionenkonzentrationen führt bereits nach
einer einzigen SD zur Reduktion der ATP-Konzentration im betroffenen
Hirngewebe auf etwa 55% des Ausgangsniveaus. Dieser erhöh-te Energiebedarf
wird im gesunden Hirngewebe durch einen Blutflussanstieg ausgeglichen. Unter
pathologischen Umständen, z.B. nach einer Subarachnoidalblutung, einem
Hirninfarkt, oder -trauma, kann es zur Umkehr dieser Blutflussantwort kommen.
Dann induziert SD eine anhaltende Vasokonstriktion, die zu einer wandernden
Mangeldurchblutung führt (englisch = Spreading Ischemia (SI)) und im
Tiermodell kortikale Infarkte verursacht. Experimentell wird SI beobachtet,
wenn die extrazelluläre Basis-K+-Konzentration ([K+]o) vor der SD erhöht und
gleichzeitig die NO-Konzentration ([NO]) erniedrigt ist. In der Zellkultur
reduziert chronische Erhöhung der [K+]o die Aktivität der Natrium-Kalium-
ATPase (NaKA). Daher haben wir in der vorliegenden Arbeit untersucht, ob eine
direkte Hemmung der NaKA mit Ouabain in Kombination mit [NO]-Erniedrigung bei
Ratten zu SI führt. Zunächst konnten wir auch in-vivo bestätigen, dass
chronisch erhöhte [K+]o die Aktivität der NaKA reduziert, und zwar vorrangig
die der α2/α3 Isoformen. Dass dieser Mechanismus zur SI beitragen könnte,
belegten wir dadurch, dass wir SI auch durch direkte Inhibition der α2/α3
Isoformen mit Ouabain bei gleichzeitiger [NO]-Verminderung induzieren konnten.
Auf welche Weise führt eine Hemmung der α2/α3 NaKA zu verstärkter SD-
induzierter Vaso-konstriktion während SI? Die α2/α3 Isoformen der NaKA werden
gemeinsam mit dem Na+/Ca2+-Austauscher (NCX) in Bereichen der Plasmamembran
exprimiert, die in unmittelba-rer Nachbarschaft zum (sarco-)endoplasmatischen
Reticulum (SER) liegen. Inhibition der α2/α3 Isoformen führt zum Abfall des
lokalen Na+-Gradienten über die Zellmembran. Dadurch kann der NCX weniger Ca2+
aus der Zelle heraustransportieren, welches stattdessen vermehrt in das SER
gepumpt wird. Daraus resultiert eine direkt verstärkte Ca2+-abhängige
Kontraktilität von glatten Gefäßmuskelzellen und Perizyten. Außerdem nimmt
ihre Kontraktilität auch indirekt als Folge verstärkter Ca2+-Ausschüttung aus
dem astrozytären SER mit nachfolgender Freisetzung vasokonstriktiver
Substanzen aus Astrozyten zu. Diese Prozesse scheinen in be-sonderer Weise
eine Rolle für die Dauer der SI zu spielen. So konnten wir SI deutlich verkür-
zen, indem wir mit Thapsigargin die Ca2+-Konzentration im SER vor der SI-
Induktion redu-ziert haben. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind klinisch
relevant, da wir und andere zeigen konnten, dass SD und SI bei den oben
erwähnten neurologischen Krankheitsbildern im Patienten auftreten und mit
schlechterem Outcome assoziiert sind. Die Entschlüsselung der
zugrundeliegenden Pathomechanismen kann zum besseren Verständnis dieser
Krankheiten und zur Entwicklung neuer diagnostischer und therapeutischer
Strategien beitragen.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
spreading depolarization
dc.subject
inverse coupling
dc.subject
spreading depression
dc.subject
subarachnoid hemorrhage
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit
dc.title
A possible role of the Na+/K+-ATPase in the pathomechanism of spreading
ischemia
dc.contributor.firstReferee
N.N.
dc.contributor.furtherReferee
N.N.
dc.date.accepted
2017-03-10
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000103992-2
dc.title.translated
Mögliche Rolle der Na+/K+-ATPase im Pathomechanismus der Spreading Ischemia
de
refubium.affiliation
Charité - Universitätsmedizin Berlin
de
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FUDISS_thesis_000000103992
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