Neuroprotektion nach Schlaganfall: die Rolle intravenöser Statine, PACAP und CD39

Abstract

In unseren Studien charakterisierten wir neuroprotektive Mechanismen anhand von in vivo und in vitro Modellen für neuronalen Zelltod. Dabei arbeiteten wir mit einem Mausmodell der fokalen zerebralen Ischämie sowie in vitro mit primären neuronalen Kulturen der Maus und der Ratte. Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Applikation eines HMG-CoA-Reduktase Inhibitors als Akuttherapie der fokalen zerebralen Ischämie im Mausmodell. HMG-CoA-Reduktase Inhibitoren, sogenannte Statine, vermitteln direkte vasoprotektive Effekte, die unabhängig von einer signifikanten Senkung des Cholesterinspiegels auftreten. In unseren Studien untersuchten wir zunächst den Einfluss einer intravenösen Akuttherapie mit Rosuvastatin auf das Schlaganfalloutcome. Darüber hinaus bestimmten wir das therapeutische Zeitfenster, die Dosis-Wirkungs-Beziehung sowie den Effekt auf die Expression von eNOS und Akt im peripheren und zerebralen Gefäßbett. Im Weiteren charakterisierten wir endogene Signalkaskaden der mikroglialen Inflammation. Als wesentliches mikrogliales Ektoenzym spaltet die Ektonukleotidase CD39 Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat (ADP). Die Aktivierung mikroglialer Zellen durch ATP wurde bereits in vitro gezeigt. Die Auswirkungen einer fehlenden Expression von CD39 auf die mikrogliale Aktivierung waren bis dato nicht untersucht. Zuletzt sollten neuroprotektive Mechanismen des hypophysären Adenylatzyklase aktivierenden Polypeptids (PACAP) unter hypoxisch/ischämischen Bedingungen in vivo und in vitro untersucht werden. Die intravenöse Applikation von Rosuvastatin in einer klinisch relevanten Dosierung war mit einem signifikant reduzierten Läsionsvolumen sowie einem verbesserten funktionellen Outcome assoziiert. Dabei konnte der neuroprotektive Effekt von Rosuvastatin in einem Zeitfenster von bis zu 4h nach Induktion der Ischämie nachgewiesen werden. Neuroprotektion war assoziiert mit erhöhten Expressionsleveln von Akt Kinase und eNOS. In unseren Untersuchungen anhand einer cd39 Knockout Maus (cd39-/-) führte die fehlende Expression von CD39 in vitro zu einer Hemmung der mikroglialen Aktivierung. Die Aktivierung konnte durch Kostimulation mit ADP als auch durch die Zugabe einer löslichen Ektonukleotidase wiederhergestellt werden. In verschiedenen Modellen für neuronalen Zellschaden zeigten cd39-/- Mäuse eine verringerte Akkumulation mikroglialer Zellen. Hierbei zeigten cd39-/- Mäuse eine geringere Läsionsgröße im experimentellen Schlaganfallmodell. Nach fokaler zerebraler Ischämie zeigte sich eine massive Hochregulation von PACAP in kortikalen Projektionsneuronen. In vitro führte PACAP zu einer dosisabhängigen Aktivierung von Erk1/2 und MAP Kinase. Neuroprotektion vermittelte PACAP im Modell der milden Sauerstoff-Glukose-Deprivation. Aus klinischer Sicht ist die Entwicklung einer intravenösen Statinmedikation zur Akuttherapie des ischämischen Schlaganfalls ein viel versprechender therapeutischer Ansatz. Unsere Ergebnisse zur Bedeutung von CD39 zeigen, dass das Gleichgewicht von ATP und ADP Voraussetzung für die mikrogliale Aktivierung ist und CD39, als wesentliche mikrogliale Ektonukleotidase, hier eine wichtige Rolle spielt. Weiterhin konnten wir nachweisen, dass PACAP nach fokaler zerebraler Ischämie in kortikalen Projektionsneuronen hoch reguliert wird und via des Erk1/2 Signalweges in vitro Neuroprotektion vermittelt. Die Charakterisierung von Signalkaskaden und Expressionsmustern von PACAP wie auch das Verständnis der Funktion von Mikroglia unter physiologischen sowie pathologischen Bedingungen sind von Bedeutung für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien.

In our studies we characterized neuroprotective mechanisms, using in vivo and in vitro models of neuronal cell death. HMG-CoA reductase inhibitors, so called statins, exert rapid cholesterol-independent effects. In our studies we tested whether postevent treatment with intravenously (i.v.) administered rosuvastatin improves stroke outcome in mice. In addition we characterized the therapeutic time window, dose-response as well as the impact on levels of phosphorylated endothlelial nitric oxide (eNOS) and Akt kinase. Furthermore we investigated signaling cascades of microglial inflammation. As a dominant cellular ectonucleotidase, CD39 degrades ATP to ADP. In vitro studies have shown, that microglia is activated by ATP. Here we tested the impact of CD39 for microglial activation, using cd39 knockout mice (cd39-/-). In the third part of our studies, we investigated neuroprotective effects of pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide (PACAP). PACAP confers protection in models of cerebral ischemia. However the mechanisms are poorly understood. In our studies rosuvastatin, administerd i.v., significantly reduced lesion size and improved functional outcome, when given up to 4 hours after induction of focal cerebral ischemia. Neuroprotection was associated with increased levels of phosphorylated eNOS and Akt kinase. Regarding CD39, ATP failed to stimulate puringergic receptor 2 mediated migration in cd39-/- microglia. However, the effects of ATP on migration in cd39-/- microglia was restored by addition of a soluble ectonucleotidase or co-stimulation with ADP. In different in vivo models of neuronal cell death, cd39-/- mice showed reduced accumulation of microglia at the pathological sites. Following focal cerebral ischemia the infarct size was increased in cd39-/- mice. PACAP expression was up regulated in cortical pyramidal cells, following focal cerebral ischemia. PACAP conferred protection to ischemic neurons via maintaining Erk1/2 signaling.