Einfluss von Erythropoietin und Erythropoietin-Isoformen auf die murine Neurogenese

Abstract

Das Zytokin Erythropoietin (EPO) fungiert in zahlreichen Geweben als Wachstums- und Überlebensfaktor. So werden EPO und sein Rezeptor (EPOR) von Zellen des sich entwickelnden und des reifen zentralen Nervensystems (ZNS) exprimiert, wo sie das Überleben neuronaler Zellen sowie ihre Reifung fördern. In tierexperimentellen Studien des Schlaganfalls, des Schädelhirntraumas oder der Alzheimer-Krankheit konnte nachgewiesen werden, dass systemisch verabreichtes rekombinantes EPO die Neurogenese fördert und zu einer Abmilderung neurologischer Beeinträchtigungen führt. Klinische Studien zeigten jedoch, dass multiple Verabreichungen und hohe Mengen an rekombinantem EPO notwendig sind, um ausreichende therapeutische Level im ZNS zu erhalten. Systemisch verabreichtes EPO eignet sich jedoch nicht für eine Langzeitbehandlung aufgrund des erhöhten Risikos für gefährliche Hämatokrit- assoziierte Nebeneffekte wie beispielsweise Schlaganfälle oder Thrombosen. Vor Kurzem im Labor für Molekulare Psychiatrie entdeckte endogen exprimierte jedoch nicht-hämatopoetisch wirkende EPO-Isoformen (vEPOs) konnten in vitro als zyto- und neuroprotektiv beschrieben werden. In dieser Arbeit ist der Nachweis von murinem vEPO in ex vivo kultivierten neuronalen Stamm- und Vorläuferzellen (NSCs/NPCs) gelungen, was auf eine funktionelle Beteiligung von vEPO in der Regulation der Neurogenese hindeutet. Unter Verwendung von rekombinantem EPO/vEPO konnte nachgewiesen werden, dass vEPO ebenso wie EPO das Überleben und Reifung von ex vivo kultivierten NSCs/NPCs unterstützt. Um den Kurzzeit- und Langzeiteffekt von humanem EPO (hEPO) und vEPO auf die murine Neurogenese in vivo zu evaluieren, erhielten Wildtyp-Mäuse eine unilaterale intraventrikuläre Injektion an hEPO-/vEPO-kodierenden lentiviralen Partikeln (LV-hEPO, LV-vEPO). Dabei zeigte sich, dass die Überexpression von murinem vEPO die Differenzierung von Neuroblasten sowie die Proliferation von Stamm- und Vorläuferzellen der subventrikulären Zone (SVZ) fördert, wohingegen überexprimiertes humanes vEPO vorrangig einen Effekt auf neuronale Vorläuferzellen vermittelte. Diese Ergebnisse suggerieren, dass vEPO als potenter Modulator der adulten Neurogenese fungiert. Abschließend wurde das therapeutische Potenzial von LV-hEPO im transgenen R6/2 Mausmodell der Huntington-Krankheit (HD) evaluiert. Dazu erhielten R6/2 Mäuse bei Krankheitseintritt eine bilaterale intraventrikuläre Injektion von LV-hEPO. Über einen Zeitraum von 4 Wochen nach Injektion lentiviraler Partikel konnte eine weitreichende Expression von hEPO im ZNS nachgewiesen werden. Interessanterweise zeigten hEPO-behandelte R6/2 Mäuse eine verbesserte räumliche Arbeitsgedächtnisleistung. Die Verbesserung der kognitiven Leistungsfähigkeit korrelierte mit einer Abnahme der hippocampalen Atrophie und einer verstärkten Reifung von Neuroblasten im Gyrus dentatus. Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass hEPO als ein vielversprechendes Zytokin in der Behandlung kognitiver Leistungseinschränkungen der Huntington-Krankheit zu sehen ist.

The cytokine erythropoietin acts as a growth and survival factor for multiple tissues. EPO and its receptor (EPOR) are expressed in the developing and mature central nervous system (CNS) where they are involved in maintaining neuronal survival and neural cell maturation. Systemically administered EPO has been shown to increase neurogenesis and to reduce neurological impairments in several animal models of stroke, traumatic brain injury and Alzheimer’s disease. Results obtained from clinical trials showed that multiple applications and large amounts of recombinant EPO are required to achieve therapeutic benefits in the CNS. However, long-term application of EPO is problematic due to the elevated risk for serious hematocrit-associated side- effects such as stroke or thrombosis. Recently, in the laboratory of molecular psychiatry, endogenous non-erythropoietic EPO-isoforms (vEPOs) were identified and proven to exert cyto- and neuroprotective effects in vitro. In this study, murine vEPO was detected in murine neuronal stem- and precursor cells (NSCs/NPCs) ex vivo, implying its functional role in the regulation of neurogenesis. The treatment of ex vivo cultured murine NSCs/NPCs with recombinant EPO/vEPO revealed that similarly to EPO, vEPO supports the survival and maturation of these cells. To study the short- and long-term effects of stably expressed vEPO and human EPO (hEPO) on murine neurogenesis in vivo, wild-type mice received a unilateral intraventricular injection of lentivirus encoding hEPO/vEPO (LV-hEPO/LV-vEPO). The overexpression of murine vEPO resulted in a strong induction of neuronal differentiation and proliferation of neuronal stem- and precursor cells in the subventricular zone (SVZ), whereas overexpressed human vEPO mediated a preferential effect on neuronal precursor cells. These results suggest that vEPO is a potent modulator of adult neurogenesis. Lastly, the therapeutic potential of LV-hEPO was evaluated in R6/2 transgenic mice, a mouse model of Huntington’s disease (HD). R6/2 mice received a bilateral intraventricular injection of LV-hEPO. A stable expression of hEPO was observed in the CNS for 4 weeks after virus administration. Notably, R6/2 mice injected with LV-hEPO showed improved spatial working memory. This finding correlated with a long-term deceleration of hippocampal atrophy and the enhancement of neuroblast maturation in the dentate gyrus. Taken together, these results suggest hEPO as a promising cytokine for the treatment of cognitive impairment in HD.