The transient receptor potential vanilloid type 1 (TRPV1) has a well investigated role in pain signal detection and transduction. There are multiple clinical studies trying TRPV1 agonists to desensitize or antagonists to block the receptor for pain relief. The presence of TRPV1 in the brain is now well established but the functions remain mostly unclear. Due to this fact and to avoid unnecessary side effects of drug application, the expression and role of TRPV1 needs to be further studied. Since the discovery of neurogenesis in the brain in 1965 by Altman and Das, many endogenous and environmental influencing factors have been identified. In the recent years, the endovanilloid system has come into focus as a novel intrinsic modulator system of neurogenesis. Here, I have identified a previously unknown function of TRPV1 in the central nervous system. I show that TRPV1 is expressed in the stem cell niches in neural precursor cells (NPCs) in vitro and in vivo, when neurogenesis is triggered. Loss of the receptor in TRPV1 knockout mice leads to an increase in proliferation in the stem cell niches and in cultured NPCs. Functionality of the receptor is further shown by calcium imaging in NPC cultures. After differentiation, TRPV1 knockout NPCs show an increased expression of stem cell genes and a reduced expression of differentiation markers. In conclusion, TRPV1 knockout animals have a larger stem cell pool available. The hippocampus-dependent performance in the Morris water maze task reveals phenotype differences between TRPV1 wildtype and knockout mice. TRPV1 knockout animals show a faster task acquisition and better reference memory. However, they show a lower cognitive flexibility. Also, the search strategy differs from wildtype mice. In conclusion, I can show that TRPV1 expression in the stem cell niches is important to control proliferation when neurogenesis is active. This is demonstrated during postnatal neurogenesis as well as after physiological stimulation of neurogenesis by a spatial learning task (Morris water maze). NPCs are also involved in pathological contexts. They migrate to astrocytomas of high histopathological grade (high-grade astrocytomas) and reduce glioma expansion, thereby prolonging survival. However, the anti- tumorigenic response of NPCs is lost with aging and primary high grade- astrocytomas are largely restricted to older patients and are almost invariably fatal despite multimodal therapy. In a second approach, the anti- tumorigenic action of NPCs should be investigated. Here, I show that the young brain has an endogenous defense mechanism against high-grade astrocytomas. The present study is the first to identify NPCs as a cellular source for tumor suppressive fatty-acid ethanolamides that have agonistic activity on TRPV1 channels. TRPV1 expression is higher in human primary high-grade astrocytoma cells than in human NPCs. Activation of TRPV1 leads to an increase in cytotoxicity and endoplasmic reticulum (ER) size in human glioma cells, indicating cell death via the ER-stress pathway. The NPC-induced cell death is TRPV1-dependent in vitro and in vivo since TRPV1 knockdown or selective TRPV1 antagonists neutralize the cell death-promoting effect. NPC-mediated tumor suppression can be mimicked in the old brain by systemic administration of the synthetic vanilloid arvanil as shown by prolonged survival, indicating that TRPV1 agonists hold potential as new high-grade astrocytoma therapeutics.
Teile der Schmerzsignal-Erkennung und -Weiterleitung finden unter Beteiligung des „transient receptor potential vanilloid Typ 1“ (TRPV1)-Kanals statt. Es gibt mehrere klinische Studien, in denen TRPV1-Agonisten eingesetzt werden, um den Rezeptor zu desensibilisieren. Aber auch Antagonisten werden verwendet, um den Rezeptor zu blockieren und Schmerzlinderung zu erwirken. Die Expression von TRPV1 im Gehirn ist ebenfalls etabliert, aber die Funktionen sind größtenteils unverstanden. Aufgrund dieser Tatsache und um unnötige Nebenwirkungen von Medikamenten zu vermeiden, müssen die Expression und Funktion von TRPV1 im Gehirn weiter untersucht werden. Seit der Entdeckung der Neurogenese im Gehirn im Jahr 1965 von Altman und Das, wurden viele endogene und exogene Faktoren identifiziert, die den Prozess beeinflussen. In den letzten Jahren rückte das Endovanilloid-System, zu dem der TRPV1-Kanal gehört, als ein neuer endogener Modulator der Neurogenese in den Fokus der Aufmerksamkeit. In meiner Arbeit habe ich eine bisher unbekannte Funktion von TRPV1 im zentralen Nervensystem identifiziert. Ich zeige, dass TRPV1 in den Stammzellnischen in neuralen Vorläuferzellen (NPCs) in vitro und in vivo exprimiert ist, wenn die Neurogenese physiologisch aktiviert wird. Der Verlust des Rezeptors in TRPV1-Knockout-Mäusen führt zu einer Erhöhung der Proliferation in den Stammzellnischen und in kultivierten NPCs. Die Funktionalität des Rezeptors habe ich durch Kalzium-Imaging in NPC-Kulturen gezeigt. Unter Differenzierungsbedingungen weisen TRPV1-Knockout-NPCs eine erhöhte Expression von Stammzellgenen und eine reduzierte Expression von Differenzierungsmarkern auf. TRPV1-Knockout-Tieren steht daher ein größerer Stammzell-Pool zur Verfügung. Bei einem Test für räumliches Lernen, welcher Hippokampus-abhängig ist, zeigen sich Unterschiede zwischen TRPV1-Wildtyp und -Knockout-Mäusen. TRPV1-Knockout-Tiere erlernen die Aufgabe schneller und haben ein besseres Bezugsgedächtnis. Allerdings zeigen sie eine geringere kognitive Flexibilität. Weiterhin gibt es Unterschiede in der angewandten Suchstrategie. Zusammenfassend kann ich sagen, dass TRPV1-Expression in den Stammzellnischen wichtig ist, um die Proliferation zu steuern wenn die Neurogenese aktiv ist. Dies kann ich während der postnatalen Neurogenese sowie nach physiologischer Stimulation der Neurogenese durch eine räumliche Lernaufgabe (Morris-Wasserlabyrinth) zeigen. NPCs sind aber auch an pathologischen Zusammenhängen beteiligt. Sie migrieren zu Astrozytomen mit hohem histopathologischem Grad, reduzieren die Expansion dieses Glioms und erhöhen somit die Überlebenszeit. Allerdings geht die anti-tumorigene Wirkung der NPCs mit zunehmendem Lebensalter verloren. Primäre hochgradige Astrozytome sind weitgehend mit einem höheren Lebensalter des Patienten assoziiert und enden trotz einer multimodalen Therapie fast ausnahmslos tödlich. In einem zweiten Ansatz sollte daher die anti-tumorigene Wirkung von NPCs untersucht werden. In meiner Arbeit zeige ich, dass das junge Gehirn über einen endogenen Abwehrmechanismus gegen hochgradige Astrozytome verfügt. Die vorliegende Studie ist die erste, die NPCs als zelluläre Quelle für tumorsuppressive Fettsäure-Ethanolamide identifiziert, die agonistische Wirkung an TRPV1-Kanälen haben. Die TRPV1-Expression in humanen primären hochgradigen Astrozytomzellen ist höher als in humanen NPCs. Eine Aktivierung von TRPV1 führt zu einer Erhöhung der Zytotoxizität sowie einer Vergrößerung des endoplasmatischen Retikulums (ER) in humanen Gliomzellen, welches auf Zelltod über den ER-Stress-Weg hindeutet. Der NPC-induzierte Zelltod ist in vitro und in vivo TRPV1-abhängig, da TRPV1-Knockdown oder selektive TRPV1-Antagonisten die Zelltod-fördernde Wirkung neutralisieren können. Weiterhin kann die NPC- vermittelte Tumorsuppression im alten Gehirn durch systemische Verabreichung des synthetischen Vanilloids Arvanil nachgeahmt werden und die Überlebenszeit verlängern, was darauf hindeutet, dass TRPV1-Agonisten therapeutisches Potential als neue Therapeutika gegen hochgradige Astrozytome besitzen.
