Pharmakologische und immunhistochemische Untersuchungen zur Bedeutung striataler Fehlfunktionen des glutamatergen Systems in einem Tiermodell für die primäre paroxysmale Dystonie

Abstract

Dystonien gehören zu den häufigsten Bewegungsstörungen beim Menschen und sind charakterisiert durch unwillkürliche Muskelkokontraktionen, die repetitive drehende Bewegungen verursachen. Der dtsz-Hamster repräsentiert heute das einzige etablierte und gut charakterisierte Tiermodell für die sog. primäre paroxysmale non-kinesiogene dystone Choreoathetose (PDC) des Menschen, bei der dystone Attacken u.a. durch Streß ausgelöst werden und mehrere Stunden anhalten können. Wie bei anderen primären Dystonieformen sind keine pathomorphologischen Veränderungen im ZNS durch Standardtechniken nachweisbar, Befunde bei sekundären Dystonieformen lassen jedoch auf biochemische Dysfunktionen innerhalb der Basalganglien, insbesondere des Striatums, schließen. Aufgrund mangelnder Kenntnisse über die Pathophysiologie dieser Erkrankungen fehlen rationale Therapieansätze. Die primäre Dystonie des dtsz- Hamsters hat einen altersabhängigen Verlauf und erlaubt daher vergleichende Untersuchungen zwischen Tieren im Alter der maximalen Ausprägung (30. 42. Lebenstag) und nach der Spontanremission (>90. Lebenstag). Immunhistochemische Untersuchungen zeigten als vermutlichen Primärdefekt eine reduzierte Dichte hemmender striataler GABAerger Parvalbumin-immunreaktiver (PV+) Interneurone, die sich im Alter nach der Spontanremission normalisierte (Richter und Hamann, 2002). Die immunhistochemische Markierung und Zählung der funktionell eng mit dem glutamatergen System verknüpften striatalen Stickoxidsynthetase- immunreaktiven (NOS+) Interneurone sollte klären, ob ein weiterer Interneuronentyp im Striatum des dtsz-Hamsters von einer veränderten Dichte betroffen ist. Den Hinweisen auf die Involvierung einer erhöhten kortikostriatalen glutamatergen Aktivität in die Manifestation dystoner Attacken der Hamstermutante, die sowohl elektrophysiologische, als auch neurochemische und pharmakologische Untersuchungen lieferten, sollte in der vorliegenden Arbeit durch striatale Manipulationen von Glutamat-Rezeptoren nachgegangen werden. Ergänzend sollte die striatale Applikation von Inhibitoren der neuronalen Stickoxid-Synthetase (nNOS) über die Rolle einer möglicherweise abnormen striatalen NMDA-Rezeptor-stimulierten NO-Freisetzung bzw. über die Bedeutung eines hier in nachgewiesenen NOS+-Interneuronenmangels Aufschluß geben. Die Zählung der immunhistochemisch markierten striatalen NOS+-Interneurone im Alter der maximalen Ausprägung der Dystonie ergab beim dtsz-Hamster eine signifikant reduzierte Dichte im Gesamtstriatum (-21%) im Vergleich zu gleichaltrigen Kontrolltieren. Im Alter nach der Spontanremission der Dystonie war dieser Mangel nicht mehr nachweisbar war. Dieses Defizit an NOS+-Interneuronen im Dystonie-relevanten Alter ist aber offenbar nicht kritisch in die Pathophysiologie der PDC des dtsz-Hamsters involviert, weil die intrastriatale Mikroinjektion der nNOS-Inhibitoren 7-NI und NPLA keinen signifikanten Effekt auf den Schweregrad der Dystonie hatte. Im Gegensatz zu der zentralen Bedeutung der reduzierten Dichte der striatalen PV+-Interneurone in der primären Dystonie der Hamstermutante scheint es sich bei der verminderten Dichte der striatalen NOS+-Interneurone daher eher um ein Epiphänomen zu handeln, das auf eine insgesamt verzögerte postnatale Zellmigration striataler Interneuronen bei der dtsz-Mutante beruhen mag. Die in früheren Untersuchungen nachgewiesene antidystone Wirkung systemisch applizierter Glutamatrezeptorantagonisten konnte nach striataler Verabreichung nur mit dem AMPA-Rezeptorantagonisten NBQX in der Dosierung 0,08 µg pro Hemisphäre und in gleicher Dosierung in Kombination mit dem NMDA- Rezeptorantagonisten AP-5 (0,5 µg) erzielt werden. Bei letzterer zeigte sich jedoch keine potenzierende Wirkung auf das Ausmaß der Reduktion des Schweregrades. In den weiteren drei getesteten Dosierungen 0,03 µg, 0,16 µg und 0,25 µg NBQX pro Hemisphäre trat, bei den höheren Konzentrationen vermutlich aufgrund der Hemmung der an sich schon in der Dichte verminderten PV+-Interneurone, keine Reduktion des Schweregrades der dystonen Attacken mehr ein. Keiner der striatal applizierten NMDA-Rezeptorantagonisten konnte einzeln appliziert den Schweregrad der Dystonie vermindern. Diese Befunde deuten in Hinblick auf die systemisch erzielten antidystonen Effekte auf eine Involvierung des glutamatergen Systems anderer Hirnregionen in die Pathophysiologie der primären Dystonie des dtsz-Hamsters hin, was mit früheren neurochemischen Studien übereinstimmt. Insgesamt stützen die Resultate nicht die Hypothese einer kritischen Involvierung des striatalen glutamatergen Systems bei der Manifestation dystoner Attacken des dtsz-Hamsters. Die hier nachgewiesene reduzierte Dichte der striatalen NOS+-Interneurone sollte Anlaß zu Untersuchungen anderer striataler (Inter-)Neuronentypen geben.

Dystonia is one of the most common human movement disorders, characterized by involuntary muscle cocontractions, which cause repetitive twisting movements. At present, the dtsz-hamster represents the only established and thoroughly characterized animal model of the human so called primary paroxysmal non- kinesiogenic dystonic choreoathetosis (PDC), in which dystonic attacks can be induced by stress and last up to several hours. In PDC and other types of primary dystonia, pathomorphological alterations of the CNS are not detectable by using standard techniques. Findings in secondary dystonia point to biochemical dysfunctions within the basal ganglia, especially the striatum. In view of the lack of knowledge about the pathophysiology of this disease, rational therapeutic strategies are missing. The age-dependent character of primary dystonia in the dtsz-hamster allows comparative studies between animals at the age of maximum expression of dystonia (age: 30.- 42. day of life) and at an age after spontaneous remission of dystonic attacks (>90. day of life). Previous immunhistochemical studies demonstrated an ontogenetic deficit of inhibitory striatal GABAergic parvalbumin-immunreactive (PV+) interneurons, which probably represents the primary defect in the dtsz mutant (Richter und Hamann, 2002). In order to clarify if other types of striatal interneurons of the dtsz-hamster also show an altered density, nitric oxide synthase-immunreactive (NOS+) interneurons, which closely interact with the glutamatergic system, were examined by immunhistochemical investigations in the present study. Recent electrophysiological and neurochemical studies pointed to an involvement of an increased corticostriatal glutamatergic activity in the manifestation of dystonic attacks in the dtsz-mutants. Therefore, in the present study, striatal manipulations of glutamate receptors were carried out. In order to clarify the role of an abnormal striatal NMDA- receptor-stimulated NO-release and of a deficit of NOS+-interneurons, as found in the present study, striatal applications of inhibitors of neuronal nitric oxide synthase (nNOS) were performed. The density of the immunhistochemical marked striatal NOS+-interneurons at the age of maximum expression was significantly reduced within the whole striatum (-21%) of mutant hamsters in comparison to age-matched control animals. This deficit disappeared after spontaneous remission of dystonia. The lack of effects of striatal injections of the nNOS-inhibitors 7-nitroindazole and N-propyl-L-arginine on the severity of dystonia indicated that striatal changes in nNOS are not critically involved in the pathophysiology of the PDC of the dtsz-Hamster. In contrast to the central relevance of the reduced density of striatal PV+-interneurons in primary paroxysmal dystonia in the mutant hamster, the decreased density of striatal NOS+-interneurons may be an epiphenomenon, probably caused by an overall retarded postnatal cell migration of striatal interneurons in the dtsz mutant. An antidystonic effect, as observed in previous studies after systemic administration of glutamate receptor antagonists, was only achieved by striatal microinjections of the AMPA receptor antagonist NBQX at the dosage of 0,08 g per hemisphere. Combined treatment of 0,08g NBQX and the NMDA receptor antagonist AP-5 failed to show a potentiation of the antidystonic efficacy in the mutant hamster. Three other doses of 0,03 g, 0,16 g and 0,25 g per hemisphere did not produce any reduction of the severity of dystonic attacks. The lack of antidystonic effects at higher concentrations was possibly due to inhibition of the already deficient PV+-interneurons. None of the NMDA receptor antagonists decreased the severity of dystonia in the dtsz-hamster after single injection in the striatum. With regard to the antidystonic effects of glutamate receptor antagonists after systemic administration, demonstrated in previous studies in the dtsz-mutant, these results suggest an involvement of the glutamatergic system of other brain regions in the pathophysiology of the primary dystonia in the mutant hamster. In conclusion, these results do not support the hypothesis of an involvement of an abnormal activity of the striatal glutamatergic system in the manifestation of dystonic attacks in the dtsz- hamster. The reduced density of striatal NOS+-interneurons should initiate ongoing examinations of other types of striatal (inter-)neurons.