Untersuchung von zellulärer Plastizität in der Subventrikulären Zone der gesunden Wistar-Ratte nach chronischer Hochfrequenzstimulation des Nucleus Subthalamicus

Abstract

Einleitung: In den letzten Jahren konnte tierexperimentell eine positive Beeinflussung adulter Neurogenese in der subventrikulären Zone (SVZ) und der subgranulären Zone (SGZ), den sogenannten neurogenen Nischen, durch Dopamin (DA) nachgewiesen werden. Weiter konnte gezeigt werden, dass DA in der SVZ über Kollateralen nigro-striataler Projektionen freigesetzt wird, welche synaptisch mit proliferierenden adulten neuronalen Stammzellen (aNSCs) interagieren. Im Tiermodell konnte gezeigt werden, dass eine Hochfrequenzstimulation (HFS) des Nucleus Subthalamicus (STN) die dopaminerge nigro-striatale Transmission steigern kann. Es wurde schlussfolgernd vermutet, dass sich die STN-HFS stimulierend auf Zellproliferation in der SVZ gesunder Ratten auswirkt. Methodik: Nach Implantation eines Mikrostimulationssystems (mit Insertion einer Stimulationselektrode in den linken STN) wurde nach 7-tägiger postoperativer Erholungsphase mit der STN-HFS begonnen. Parallel zum 10-tägigen Stimulationszeitraum erfolgten tägliche intraperitoneale BrdU (5-Bromo-2-desoxyuridin)-Injektionen. Nach transkardialer Perfusion an Tag 18 folgte die immunhistochemische Detektion von BrdU, einem exogenen Proliferationsmarker, sowie von Ki-67 und PCNA (proliferating cell nuclear antigen), zwei endogenen Proliferationsmarkern in der SVZ von histologisch aufgearbeiteten Schnitten. Nach mikroskopischer Zellzählung innerhalb einer prädefinierten Region (10.000μm) in der SVZ, wurde die mittlere Dichte BrdU-, Ki-67- und PCNA-immunreaktiver Zellkerne der behandelten Seite im Vergleich zur unbehandelten Seite bestimmt. Ergebnisse: Es zeigte sich eine signifikant erhöhte Ratio (behandelte/unbehandelte Seite) BrdU-immunreaktiver Zellen in der SVZ von STN-HFS behandelten Tieren im Vergleich zur Kontrollgruppe. Auch für die endogenen Proliferationsmarker Ki-67 und PCNA zeigte sich ein tendenzieller Anstieg immunreaktiver Zellen in der ipsilateralen SVZ nach STN- HFS. Ferner zeigte sich eine verminderte Dichte BrdU, Ki-67 und PCNA immunreaktiver Zellen in der ipsilatetralen SVZ im Vergleich zur kontralateralen Hemisphäre nach Implantation der Placeboelektrode in den STN. Schlussfolgerung: Diese Studie konnte erstmals einen positiven Einfluss von STN-HFS auf die Zellneubildung in der SVZ der gesunden Ratte zeigen, wobei im Rahmen des gewählten experimentellen Ansatzes nicht abschließend zwischen einer Induktion von Zellproliferation vs. einem gesteigerten Zellüberleben als Ursache der erhöhten subventrikulären Zelldichte differenziert werden konnte. Der gleichzeitige Anstieg Ki-67 und PCNA immunreaktiver Zellen (Proliferationsfraktion) unterstützt jedoch die These einer reel gesteigerten Proliferation von aNSCs durch die STN-HFS. Im Hinblick auf die aktuelle Datenlage ist ein komplexes Zusammenwirken mehrerer ursächlicher Mechanismus wahrscheinlich. Wir vermuten, dass insbesondere eine erhöhte dopaminerge nigro-striatale Transmission sowie erhöhte Level des Wachstumsfaktors BDNF (Brain-derived neurotrophic factor) im benachbarten Striatum eine wichtige Rolle spielen.

Background: In recent years it has been demonstrated that adult neurogenesis in distinct brain areas like the Subventricular Zone (SVZ) and the Subgranular Zone (SGZ) is influenced by Dopamine (DA). In the SVZ the release of DA most likely derives from collaterals of nigro-striatal projections whose synaptic endings contact amplifying adult neuronal stem cells (aNSCs). Since high frequency stimulation (HFS) of the Subthalamic Nucleus (STN) may increase striatal DA levels as shown previously we hypothesized that STN-HFS may facilitate cell proliferation in the SVZ of naïve (healthy) rats. Methods: Either a customized microstimulation system (STN-HFS group) or a dummy microstimulation system (STN-SHAM group) was implanted in the left STN of naïve rats. After a recovery period of 7 days chronic STN-HFS was started. During the stimulation period of 10 days animals were daily injected with BrdU (5-Bromo-2-desoxyuridin). Immunocytochemistry of BrdU (as an exogen marker of proliferation), as well as PCNA (proliferating cell nuclear antigen) and Ki-67 (as endogenous markers of proliferation) was performed in defined striatal sections containing the SVZ. After microscopically assisted cell counting the ratio of the mean cell density of BrdU-, Ki-67- and PCNA-positive cells within a predefined area (10.000μm) inside the SVZ between treated and untreated side was assessed and compared between the groups. Results: As a result, the ratio (treated/untreated side) of BrdU-positive cells was significantly higher in animals of the STN-HFS group compared to controls. Although there were no significant changes in the number of Ki-67 or PCNA positive cells following STN-HFS we could document a higher cell count in the ipsilateral SVZ of animals treated with STN-HFS compared to the untreated side. Furthermore we observed a repressive effect of dummy electrode implantation on BrdU-, Ki-67- and PCNA- positive cells in the SVZ of the affected compared to the unaffected side. Conclusions: These data provide first evidence that chronic STN-HFS may increase the absolute number of newly formed cells in the SVZ of naïve rats. The design of the present study did not allow differentiating whether this effect was due to an enhanced proliferation or a positive effect on cell survival. Nevertheless the increase of Ki-67- and PCNA-positive cells, two markers expressed by proliferating cells in the ipsilateral SVZ of animals treated with STN-HFS underlines the hypothesis of a proliferative capacity of STN-HFS in naïve rats. According to the current state of relevant studies we suppose a complexity of causal mechanisms for the cellproliferative effect of STN-HFS in the SVZ. Enhanced levels of DA and Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in the neighboring Striatum could be the most important mechanisms.