Einfluss von Indomethazin auf die adulte hippocampale Neurogenese und viskoelastische Eigenschaften des Gehirns im MPTP-Mausmodell für Dopamindepletion

Abstract

Die Neurogenese im Gyrus dentatus (DG) des Hippocampus kann durch diverse Faktoren wie eine modulierte Transmitterhomöostase oder Entzündung beeinflusst werden und ist auch in neurodegenerativen Erkrankungen verändert. Mediatoren einer Entzündung sind zum Beispiel Zytokine oder Prostaglandine, wobei letztere durch das Enzym Cyclooxygenase (COX) erzeugt werden. Ob eine COX-Hemmung und dadurch modulierte Entzündungsreaktionen die adulte Neurogenese im DG in neurodegenerativen Erkrankungen beeinflussen, ist bisher unklar. Eine veränderte Neurogenese oder ein neuronaler Zellverlust in neurodegenerativen Erkrankungen könnte außerdem zu einer modifizierten Zusammensetzung des zellulären Netzwerks führen und sich in den viskoelastischen Eigenschaften widerspiegeln, welche durch die Messparameter des neuen bildgebenden Verfahrens Magnetresonanz-Elastographie (MRE) ermittelt werden könnten. Veränderte viskoelastische Parameter des Gehirns wurden bereits in Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet, aber bisher gibt es nur wenige Studien zur Untersuchung der zugrundeliegenden zellulären Mechanismen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Veränderungen viskoelastischer Eigenschaften mittels MRE und mögliche basierende zelluläre Mechanismen im Hippocampus (Studie 1) und in der SN (Studie 2) im 1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP)-Mausmodell für Neurodegeneration mit resultierender Dopamindepletion untersucht. Des Weiteren wurde der Einfluss des nichtselektiven COX-Hemmers Indomethazin auf die adulte hippocampale Neurogenese und deren regulatorische Signalwege sowie die Entzündungsreaktionen im DG und SN eruiert (Studie 3). Die hippocampale Neurogenese und zelluläre Entzündungsreaktion wurden unter Zuhilfenahme immunhistochemischer Färbungen beurteilt. Ferner wurden Veränderungen neurogeneserelevanter Signalwege mit Hilfe der quantitativen Polymerase-Kettenreaktion und in Zytokinkonzentrationen mittels enzymatischen Immunadsorptionsverfahrens bestimmt. Nach MPTP-Behandlung zeigte sich im Hippocampus eine transient höhere Anzahl neuer Vorläuferzellen, welche in einem kurzfristig gesteigerten prozentualen Anteil neuer Neurone resultierte und somit zu einer transient höheren Viskoelastizität führte. In der SN hatte der Verlust dopaminerger Neurone eine Verringerung viskoelastischer Eigenschaften zur Folge. Die Anzahl neuer reifer Neurone im DG war zu einem späteren Zeitpunkt nach MPTP-Gabe vermindert, welches durch Indomethazinbehandlung, unterstützt durch hochregulierte proneurogene Signalwege, verhindert werden konnte. Dies war zudem mit einer verringerten zellulären Entzündungsreaktion assoziiert. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass Neurone zu den biomechanischen Eigenschaften eines Gewebes beitragen. Daher könnte die MRE durch Erfassung verminderter viskoelastischer Eigenschaften bei neurodegenerativen Erkrankungen ein mögliches klinisch diagnostisches Werkzeug sein. Ferner verhinderte der COX-Hemmer Indomethazin eine geschädigte Neurogenese und Entzündung nach Dopamindepletion. Dies trägt dazu bei nichtselektive COX-Hemmer als mögliche Medikamente zur Verbesserung der Neurogenese in neurodegenerativen Erkrankungen in Betracht zu ziehen.

Neurogenesis in the dentate gyrus (DG) of the hippocampus can be influenced by diverse factors, such as altered transmitter homeostasis or inflammation, and is also changed in neurodegenerative diseases. Mediators of inflammation are, for example, cytokines or prostaglandins. Last-mentioned mediators are catalyzed by the enzyme cyclooxygenase (COX). However, it is still not clear if COX inhibition and thus modulated inflammatory reactions influence adult neurogenesis in the DG in neurodegenerative diseases. In neurodegenerative diseases, altered neurogenesis or the loss of neurons could also lead to a changed composition of the cellular network and could be displayed in viscoelastic properties, which could be detected by parameters of the novel imaging technique magnetic resonance elastography (MRE). Altered viscoelastic parameters of the brain have already been observed in patients with neurodegenerative diseases, but to date only a few studies have researched the underlying cellular mechanisms. Here, we investigated the alterations of viscoelastic properties using MRE and possible underlying cellular mechanism in the hippocampus (study 1) and in the SN (study 2) by applying the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) mouse model of dopamine depletion. Moreover, we evaluated the influence of the nonselective COX inhibitor indomethacin on adult hippocampal neurogenesis and neurogenic signaling pathways as well as inflammation in the DG and SN (study 3). Hippocampal neurogenesis and cellular inflammation were investigated using immunohistochemical stainings. Furthermore, alterations in neurogenesis-relevant signaling pathways were analyzed using quantitative polymerase chain reaction, and concentrations of cytokines were quantified by enzyme-linked immunosorbent assay. In the hippocampus, MPTP treatment caused a transiently increased amount of new progenitor cells resulting in a transiently increased percentage of new neurons leading to a temporarily higher viscoelasticity. In the SN, the loss of dopaminergic neurons led to a decrease of viscoelastic properties. At a later time point after MPTP administration, the number of new mature neurons was decreased in the DG. This could be prevented by indomethacin treatment, which was supported by upregulated proneurogenic signaling pathways, and was associated with a decreased cellular inflammation. In conclusion, the MRE and histological results show that neurons contribute to the biomechanical tissue characteristics. Thus, decreased viscoelastic properties in neurodegenerative diseases observed by MRE may be a potential approach for clinical diagnosis. Furthermore, the COX inhibitor indomethacin prevented impaired adult neurogenesis and inflammation after dopamine depletion. This contributes to the validation of nonselective COX inhibitors as a potential therapeutic drug to restore neurogenesis in neurodegenerative diseases.