Frühgeborene Kinder haben ein deutlich erhöhtes Risiko für psychointellektuelle und kognitive Entwicklungsstörungen. Der massive Anstieg der O2-Konzentration durch die Frühgeburt führt zur relativen Hyperoxie, wodurch die frühe Gehirnentwicklung erheblich gestört werden kann. Für neurologische Entwicklungsstörungen bei Frühgeborenen existiert bislang keine erfolgreiche Therapie. Jedoch zeigte Erythropoetin (EPO) in jüngsten experimentellen Studien neuroprotektive Eigenschaften. Die Hypothese lautet, dass dendritisches und synaptisches Wachstum kortikaler Pyramidenzellen und die absolute Anzahl an Pyramidenzellen durch eine relative neonatale Hyperoxie vermindert wird, was durch die Anwendung von rEPO abgewehrt werden kann. Methoden: Am fünften Lebenstag (P5) wurden gesunde C57BL/6-Mäuse in drei Gruppen eingeteilt: 1) Exposition von 80% O2 über 48 h, 2) gleichzeitig zur Hyperoxie-Exposition 3 Injektionen mit jeweils 5000 I.E./kg KG rEPO s.c. (zu Beginn, nach 24 h und nach 48 h), 3) unbehandelte Kontrollgruppe. Um die dendritische Morphogenese und Anzahl der Spines der kortikalen Pyramidenzellen im cingulären und sensomotorischen Kortex zu analysieren, erfolgte an P23 die Imprägnierung der Gehirne mittels Golgi-Cox-Färbung und darauffolgend die histologische Aufarbeitung für die Sholl-Analyse und Zählung der Spines durch ImageJ Software. Für die Sholl-Analyse wurden 30 konzentrische Kreise im Abstand von 10 µm zentral um das Soma gelegt und die basalen und apikalen Dendriten ausgezählt. Zur Ermittlung der Zellzahl wurden die Pyramidenzellen immunhistochemisch gefärbt und gezählt. Ergebnisse: Hyperoxie führte im cingulären Kortex zu einer signifikanten Reduktion der dendritischen Verzweigung der Basaldendriten der Pyramidenzellen im Radius von 30 und 50 µm (p≤0,05). Gleiches war im motorischen Kortex in oberflächlichen Kortexschichten im Radius von 20-80 µm (p≤0,05) bei Basaldendriten, im Radius von 40 µm (p≤0,05) bei Apikaldendriten und in tieferen Schichten von 30-110, 150, 180-190 µm (p≤0,05) bei Basaldendriten und im Radius von 40-80 und 110-140 µm (p≤0,05) bei Apikaldendriten zu sehen. Im sensorischen Kortex zeigte sich eine signifikante Verzweigungsreduktion in oberflächlichen Schichten im Radius von 10-80 µm (p≤0,05) bei Basaldendriten, im Radius von 30-60 µm (p≤0,05) bei Apikaldendriten und in tieferen Schichten von 10-90 und 110 µm (p≤0,05) bei Basaldendriten und von 90 und 190-200 µm (p≤0,05) bei Apikaldendriten. Die mit rEPO behandelten Pyramidenzellen zeigten in allen untersuchten Kortexbereichen selektiv eine Normalisierung der dendritischen Verzweigung. In der absoluten Zahl von Pyramidenzellen und der Anzahl der Synapsen waren keine Unterschiede unter den Gruppen nachweisbar. Diskussion: Neonatale Hyperoxie führt zur signifikanten Hemmung des dendritischen Wachstums der kortikalen Pyramidenzellen im cingulären und sensomotorischen Kortex. Die Applikation von rEPO verhindert die Schädigung der Dendritogenese, was den Stellenwert von EPO zur Neuroprotektion bei Frühgeborenen bestärkt.
Premature infants have a significantly increased risk for neurological and developmental disorders. Massive increase in O2 concentration due to preterm birth leads to relative hyperoxia, which can disrupt early brain development. To date, no successful therapy exists for neurodevelopmental disorders in preterm infants. However, erythropoietin (EPO) has shown neuroprotective effects in recent experimental studies. The hypothesis is that dendritic and synaptic growth of cortical pyramidal cells and their absolute cell number is reduced by neonatal hyperoxia, which can be averted by application of rEPO. Methods: Five day old healthy C57BL/6 mice were divided into three groups: 1) exposure to 80% O2 for 48 h, 2) concurrent to hyperoxia exposure, 3 injections of 5000 I.U./kg bw rEPO s.c. (at baseline, after 24 and after 48 h), 3) untreated control group. To analyze dendritic morphogenesis and number of spines of cortical pyramidal cells in cingulate and sensorimotor cortex, impregnation of brains by Golgi-Cox staining was performed at P23, followed by histological processing for Sholl analysis and counting of spines by ImageJ software. For Sholl analysis, 30 concentric circles were placed 10 µm apart centrally around the soma and the basal and apical dendrites were counted. Pyramidal cells were immunohistochemically stained and counted to determine cell number. Results: Hyperoxia resulted in significant reduction of dendritic branching of basal dendrites of pyramidal cells in the radius of 30 and 50 µm (p≤0.05) in cingulate cortex. The same was seen in motor cortex in superficial cortex layers in the radius of 20-80 µm (p≤0.05) for basal dendrites, of 40 µm (p≤0.05) for apical dendrites and in deeper layers of 30-110, 150, 180-190 µm (p≤0.05) for basal dendrites and of 40-80 and 110-140 µm (p≤0.05) for apical dendrites. In the sensory cortex, significant branching reduction was seen in superficial layers at the radius of 10-80 µm (p≤0.05) for basal dendrites, of 30-60 µm (p≤0.05) for apical dendrites, and in deeper layers of 10-90 and 110 µm (p≤0.05) for basal dendrites and from 90 and 190-200 µm (p≤0.05) for apical dendrites. Pyramidal cells treated with rEPO selectively showed normalization of dendritic branching in all cortex areas examined. No differences were detectable in the absolute number of pyramidal cells and the number of synapses. Discussion: Neonatal hyperoxia leads to significant inhibition of dendritic growth of cortical pyramidal cells in the cingulate and sensorimotor cortex. Application of rEPO prevents damage to dendritogenesis, reinforcing the value of EPO for neuroprotection in preterm infant.
