Rolle der Perizyten in der Modulation des kapillären Blutflusses im zerebralen Kortex der Maus

Abstract

Einleitung: Perizyten sind murale Zellen in den Kapillaren, die im zentralen Nervensystem die Endothelzellen umfassen und die zunehmend als wichtige zelluläre Bestandteile der neurovaskulären Funktionseinheit anerkannt werden. Sie sind an der Bildung und Regulation der Bluthirnschranke beteiligt. Perizyten sind kontraktile Zellen, und reagieren in organotypischen Hirnpräparaten auf Neurotransmitter mit Konstriktionen und Dilatationen. Somit sind diese Zellen grundsätzlich in der Lage, die stete Kopplung des zerebralen Blutflusses an die neuronale Aktivität zu bewirken. Diese Funktion der Perizyten ist jedoch noch nicht eindeutig in vivo geklärt worden. Es ist ebenfalls weitgehend unbekannt, wie diese Zellen im Rahmen von pathologischen Veränderungen im zentralen Nervensystem reagieren. Methoden: Wir haben mittels eines transgenen Tiermodells (die β-actin eGFP Maus) und intravitaler Zwei- Photonen Mikroskopie die kontraktilen Eigenschaften der Perizyten im zerebralen Kortex untersucht. Um einen weiteren Einblick in die Rolle von Perizyten in pathologischen Szenarien zu gewinnen, haben wir in einem Schlaganfallmodell und in humanem post-mortem Gewebe aus Patienten mit der neuropathologischen Diagnose eines Schlaganfalls die Reaktion von Perizyten histologisch charakterisiert. Ergebnisse: Perizyten in Kapillaren der β-actin eGFP Maus zeigten im Präparat des akuten Hirnschnitts oder in vivo kontraktile Fähigkeiten und modulierten in vivo wirksam den Blutfluss in einzelnen Kapillaren. Jedoch konnten wir in einem Modell von funktioneller Hyperämie keine Durchmesserveränderungen durch kapilläre Perizyten detektieren. Im experimentellen Schlaganfallmodell wie auch im humanen Schlaganfall konnten wir zeigen, dass kapilläre Perizyten im Kern des Infarktes akut dezimiert werden, während Zellen um große Gefäße im Kern des Infarktes proliferieren und mit der Ablagerung von fibrotischer extrazellulärer Matrix assoziiert sind. Schlussfolgerung: Unsere Arbeit suggeriert, dass Perizyten in Kapillaren nicht Mediatoren der funktionellen Hyperämie während neuronaler Aktivierung sind. Jedoch sind sie in der Lage, den Blutfluss in Kapillaren durch Kontraktion zu beeinflussen, was während pathologischer Zustände des zentralen Nervensystems von Bedeutung sein könnte. Perizyten werden in Rahmen von Ischämie beschädigt und sterben im Kern des Infarktes akut ab. Murale Zellen in großen Gefäßen, die auch Perizytenmarker exprimieren, generieren im ischämischen Parenchym eine bisher unbekannte Population von stromalen Zellen, die zur Transformation des ischämischen Kerns in fibrotisches Narbengewebe beitragen. Das stromale Narbengewebe unterscheidet sich von der klassischen astroglialen Narbe und bietet möglicherweise einen neuen therapeutischen Angriffspunkt, um das Regenerationspotential vom ischämischen Gewebe zu verbessern.

Introduction: Pericytes, the mural cells of capillaries, are most abundant in the central nervous system, where they regulate the blood-brain barrier. They are contractile in vitro and respond to neurotransmitters in organ preparations. Therefore, it has been proposed that they may mediate the coupling of blood flow to neuronal activity, and further provoke impairment to blood flow after ischemic lesions to the central nervous system. However, their ability to modulate blood flow in the brain in vivo has not been demonstrated and it is largely unknown how lesions to the neural tissue may affect pericytes over time. Methods: We used two-photon microscopy to study pericytes and the dynamic changes of capillary diameter and blood flow in the cortex of anesthetized β-actin eGFP mice in real time, as well as in brain slices. In order to determine the reaction of pericytes at different time points after cerebral ischemia, we have used histological samples obtained from an experimental stroke model or from human post-mortem stroke tissue. Results: Pericytes caused localized decreases in capillary diameter in acute brain slices and in the brain of anaesthetized mice, where they effected changes in capillary red blood cell flow. In contrast, during brief bursts of neuronal activity, capillary red blood cell flow increased without pericyte- induced capillary diameter changes. The analysis of immunohistological stains of murine or human ischemic tissue demonstrated an acute loss of capillary pericytes. At the same time, cells in larger vessels, sharing common cell markers with pericytes, proliferate and give rise to a stromal cell population associated to the deposition of fibrous extracellular matrix. Conclusions: Our data suggest that mural cells in precapillary and penetrating arterioles, rather than pericytes in capillaries, are responsible for the blood flow increase induced by neural activity. However, we also show that pericytes can modulate capillary blood flow in the brain in vivo, which may be important under pathological conditions. In an experimental stroke model as well as in humans, the immunohistological analysis suggests that capillary pericytes are affected and succumb largely after brain ischemia. Vascular cells of large vessels expressing pericyte markers participate in the generation of previously unrecognized stromal scar tissue, which is distinct from the classic astroglial scar. The stromal scar tissue represents a novel potential target for therapies aimed at increasing the regenerative potential of brain tissue after stroke.