Quantitative Untersuchungen zu den Neurotrophinen Nerve Growth Factor und Neurotrophin-3 in einem transgenen Tiermodell der Alzheimer-Demenz

Abstract

Die Neurotrophine nerve growth factor (NGF) und neurotrophin-3 (NT-3) sind neben dem brain-derived neurotrophic factor (BDNF) bekannt für ihre überlebens- und funktionsstützenden Effekte auf Neuronenpopulationen im zentralen und peripheren Nervensystem; sie rückten in den letzten Jahren bei der Erforschung der Alzheimer-Demenz (AD) in den Vordergrund. Dabei werden ihre Wirkungen neurotroph vermittelt über Bindung an hoch- (Trk) und niedrigaffine (p75) Rezeptoren. Es gibt Hinweise darauf, dass die NGF- Konzentration im Rahmen der AD einem zeitlichen Verlauf mit zu Beginn sinkenden und in späteren Stadien der Krankheit steigenden Konzentrationen folgt. Für das wesentlich weniger erforschte NT-3 wurden bis jetzt gleich bleibende oder gesunkene Konzentrationen beobachtet. Den anfänglich beobachteten NGF-Konzentrationsabfall in ZNS-Regionen AD-Erkrankter sah man dabei als Hinweis dafür, die Neurotrophin-Mangel-Hypothese bestätigen zu können, wonach eine anfangs verminderte Neurotrophinkonzentration zu geringeren neurotrophen funktionsstützenden Effekten führt und so negative Effekte auf die cholinergen Neurone des basalen Vorderhirns hat. Dieses Neuronensystem ist bereits in einem frühen Stadium der AD neurodegenerativen Veränderungen unterworfen. Das basale Vorderhirn mit seinen cholinergen Projektionen zum Hippocampus und Cortex wird durch die überlebensstützende neurotrophe Wirkung von NGF beeinflusst, Konzentrationsverminderungen dieses Neurotrophins haben als möglichen Folge eines Verlustes cholinerger Neurone im basalen Vorderhirn. NGF wird physiologischer Weise im Hippocampus und Cortex synthetisiert und retrograd zu den cholinergen Zellkörpern des basalen Vorderhirns transportiert, NT-3 wird vom Hippocampus zu den cholinergen Zellkörpern des basalen Vorderhirns transportiert. Zur Erforschung der AD wurden transgene Tierreihen entwickelt, die lebenslang eine pathologische APP- Überexpression aufzeigen und damit den im Rahmen der Amyloid-Kaskaden- Hypothese vermuteten jahrzehntelangen präklinischen Verlauf der AD modellhaft widerspiegeln. In unserer Studie untersuchten wir die NGF- und NT-3-Konzentrationen in sieben Regionen des ZNS (Hippocampus, Bulbus olfactorius, Cerebellum, Striatum, frontaler Cortex, occipitaler Cortex, Septum) und im Nervus ischiadicus transgener Mäuse der APP-23-Linie, eines der im internationalen Vergleich elaboriertesten transgenen Tiermodelle der AD, und in wildtypen Kontrolltieren. Die untersuchten Tiere waren je vierzehn Tiere jungen (ca. 5 Monate), mittleren (ca. 10,5 Monate) und hohen Alters (ca. 20 Monate). Für die Messungen der Konzentrationen benutzten wir eine Enzyme- linked-immunosorbent-assay (ELISA)-Methode, wobei die NT-3-Methode im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelt wurde. Bei den NT-3-Konzentrationen ergaben sich keine im Rahmen des hier untersuchten Tiermodells der AD signifikanten Ergebnisse. Bei der NGF-Quantifizierung beobachteten wir bei den transgenen Tieren einen NGF-Anstieg von den jungen zu den alten Tieren im frontalen Cortex um 72%, im occipitalen Cortex um 66%. In beiden Hirnarealen war auch ein leichter, nicht statistisch signifikanter Abfall der Konzentration von jung zu alt bei den transgenen Tieren zu beobachten. Auch im Vergleich der Genotypen waren dabei die im Bereich des frontalen (47%) und occipitalen (37%) Cortex der transgenen Tiere verzeichneten NGF-Konzentrationen bei den Alttieren signifikant höher. Da der Cortex bezüglich des cholinergen Systems eine Hauptzielregion darstellt, ist ein gestörter retrograder Abtransport von NGF als Hauptursache wahrscheinlich. Überlegungen, ob zu Beginn der Krankheit eventuell ein NGF-Defizit vorliegen könnte, welches dann später im Sinne eines Kompensationsversuches in einen Überschuss umschlägt, konnten wir nicht bestätigen. Durch diese Studie ist es uns gelungen, Neurotrophinveränderungen im ZNS transgener Tiermodelle der AD nachzuweisen, um damit dem Verständnis der Pathogenese der AD näher zu kommen.

In addition to brain-derived neurotrophic factor (BDNF), the neurotrophins nerve growth factor (NGF) and neurotrophin-3 (NT-3) are essential for the survival and function of specific neuronal populations in the central and peripheral nervous system. In recent years, these proteins have become important in the study of Alzheimer' s disease (AD), since the NGF- and BDNF- dependent cholinergic basal forebrain (CBF) is predominantly affected in AD brain. There is evidence that the NGF concentration in AD follows a temporal course with initially diminished and then increasing concentrations in the later stages of the disease. Consistent or lower concentrations have been observed for the related neurotrophin NT-3. The initially observed decrease in the NGF concentrations in the CBF of AD patients supports the neurotrophin- deficit hypothesis postulated years ago, in which an initially reduced neurotrophin supply of neurotrophin-dependent neurons may be related to the neurodegeneration of the CBF. Both NGF and NT-3 are physiologically synthesized in the hippocampus and cortex and transported retrogradely to the cholinergic cell bodies of the basal forebrain. Their biological effects are mediated by binding to high- (Trk) and low-affine (p75) receptors. To study the pathophysiology of AD, transgenic mice were developed that show a life- long pathological amyloid overexpression, thus exemplifying the decade-long preclinical course of AD according to the widely accepted amyloid cascade hypothesis. We examined the NGF and NT-3 concentrations in 7 regions of the brain (hippocampus, olfactory bulb, cerebellum, striatal body, frontal cortex, occipital cortex, septum) and in the sciatic nerve of transgenic mice of the APP-23 line, one of the most elaborated transgenic animal models of AD, and compared them with those obtained in wild-type control animals. The investigated groups were comprised of 14 young (about 5 months), 14 middle- aged (about 10.5 months) and 14 old animals (about 20 months). For quantification of the extremely low concentrations of neurotrophins in vivo, we used a fluorometric enzyme-linked immunosorbent assay, which was improved for NT-3 within the framework of this study. The measured NT-3 concentrations showed no significant results with regard to the AD animal models studied. Quantification of NGF in the transgenic animals revealed an NGF increase of 72% in the frontal cortex and 66% in the occipital cortex during aging. In both brain regions, there was a slight but not statistically significant decrease in the concentration from young to old in the transgenic animals. Comparing the different genotypes of the same age, NGF concentrations were significantly higher in the old transgenic mice in the frontal (47%) and occipital (37%) cortex as compared to wild-type controls. Since the cortex is a main target area of the CBF, a disturbed retrograde transport may be well responsible for the accumulation of NGF in the cholinergically denervated cortex. This study has shown age-related neurotrophic changes in the brain of a well established transgenic animal model of AD, thus bringing us closer to understanding the pathogenesis of AD.