The Na+/K+-ATPase is the single greatest energy consumer of brain cells and accounts for at least 50% of ATP consumption under resting conditions. When Na+/K+-ATPase function is compromised, a neuropathophysiological phenomenon is triggered, known as spreading depolarization (SD). SD is characterized by massive, unparalleled redistribution of ions across cell membranes and widespread, sustained depolarization that propagates as a wave through the gray matter of the central nervous system. SD has been shown to occur abundantly in humans in acute, life threatening medical conditions and it is widely accepted as the cellular mechanism underlying migraine aura. Mutations in ATP1A2, the gene that encodes the α2 isoform of the Na+/K+-ATPase are associated with the occurrence of a severe subtype of migraine with aura: familial hemiplegic migraine type 2 (FHM2). This association suggests a role of the α2 isoform in SD. Despite research on FHM2 knock-in mouse models, the roles in SD of the other two α isoforms that are expressed in the mammalian brain are largely unknown. In my thesis I investigated the role of all three brain-expressed α isoforms employing three distinct knock-out mouse lines. Combining genetic isoform ablation of Na+/K+-ATPase α1 (ubiquitous), α2 (astrocytic) and α3 (neuronal) with pharmacological inhibition we compared the resulting SD phenotypes under similar conditions in the acute brain slice preparation and in vivo. We found that only α2-deficient mice displayed increased SD susceptibility in acute brain slices. Intriguingly, this susceptibility effect was dependent on high baseline [K+]o in the bathing medium and was abolished under normal [K+]o in brain slices and in vivo. Furthermore, we found that the extracellular K+ clearance upon intense neuronal stimulation was surprisingly well compensated in α2 deficient mice. In vivo, we found indications that the Na+/K+-ATPase α2 isoform is implicated in modulation of the vascular tone which was evidenced by a pronounced post-SD hypoemic response that was not reproduced in α1- or α3-deficient mice. By contrast, deficiency of α3 resulted in increased resistance against electrically-induced SD in vivo whereas α1 deficiency did not affect the SD phenotype. These data support a pivotal role of the α2 isoform in SD that is not replicated by α1 or α3 and that suggests specialized function through functional coupling to secondary active transporters. The observed vascular effect is particularly important in the context of migraine and stroke and warrants further research to unravel its mechanistic basis.
Mehr als 50% des ATP-Bedarfs unter Normalbedingungen sind auf die Na+/K+-ATPase zurückzuführen und machen diese damit zum größten Einzel-Energieverbraucher von Zellen im Gehirn. Bei Beeinträchtigung der normalen Na+/K+-ATPase-Funktion kann es im Gehirn zur Ausbildung von sog. Spreading Depolarizations (SD) kommen. Diese Massen-Depolarisationswellen sind gekennzeichnet durch eine außergewöhnlich ausgeprägte Verschiebung von Ionen über die Nervenzellmembran und gehen mit einer starken, anhaltenden Depolarisation einher, welche sich wellenartig in der grauen Substanz ausbreitet. SDs werden regelhaft in vielen akuten Krankheitsbildern des Gehirns angetroffen und gelten allgemein als der zugrunde liegende Mechanismus der Migräne-Aura. Mutationen in ATP1A2, dem humanen Gen, das für die α2-Isoform der Na+/K+-ATPase kodiert, wurden bei Patienten gefunden, die an einer schweren Form der Migräne mit Aura leiden, der familären hemiplegischen Migräne Typ 2 (FHM2). Diese Verbindung weist auf eine mögliche Rolle der α2-Isoform in der Entwicklung von SD hin. Trotz Bemühungen die Funktion der α2-Isoform in Knockin-Mausmodellen zu erforschen, ist nur wenig über die Rolle der anderen beiden α-Isoformen bekannt, die im Gehirn exprimiert werden. In der vorliegenden Arbeit habe ich die Rolle dieser drei Na+/K+-ATPase α-Isoformen mittels dreier verschiedener Knockout-Mauslinien untersucht. Dafür haben wir unter gleichbleibenden Bedingungen die genetische Reduktion von α1 (ubiquitär), α2 (astrozytär) und α3 (neuronal) mit pharmakologischer Hemmung kombiniert und die resultierenden SD-Phänotypen miteinander verglichen. Wir konnten zeigen, dass einzig die Reduktion der α2-Isoform zu einer Erhöhung der Empfänglichkeit für SD führte. Interessanterweise war dieser Effekt abhängig von einer erhöhten extrazellulären K+-Konzentration [K+]o und verschwand unter normalen Bedingungen. Darüber hinaus fanden wir heraus, dass die Fähigkeit zur extrazellulären K+-Pufferung während intensiver neuronaler Stimulation in α2-heterozygoten Mäusen nahezu unberührt blieb. Wir fanden auch Hinweise für eine Modulierung des zerebralen Gefäßtonus durch die Na+/K+-ATPase-α2-Isoform, die in einer verstärkten Ausbildung der Post-SD-Hypoperfusion resultierte und in α1- sowie α3-Heterozygoten nicht nachweisbar war. Im Gegensatz dazu konnten wir nachweisen, dass α3-haploinsuffiziente Tiere eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrisch ausgelöster SD aufwiesen, Tiere mit einem Mangel an α1-Isoform jedoch keinerlei Veränderungen des SD-Phänotyps zeigten. Die vorliegenden Ergebnisse sprechen für eine zentrale Rolle der α2-Isoform in der Modulation von SD-Empfänglichkeit und der assoziierten Blutflussregulation. Diese Spezifität ist am ehesten auf die funktionelle Kopplung mit sekundär aktiven Transportern zurückzuführen. Insbesondere der beobachtete Blutfluss-Effekt ist im Hinblick auf die Krankheitsbilder Migräne und Schlaganfall von Bedeutung und rechtfertigt eine weitere Abklärung zugrundeliegender Mechanismen.
