Molekulare Mechanismen der Hyperoxie- und Trauma-induzierten Hirnschädigung im sich entwickelnden Gehirn von Maus und Ratte

Abstract

Trotz medizinischer Fortschritte geht die sinkende Mortalität von Frühgeborenen weiter mit einer hohen Rate neurologischer Defizite einher. In der Behandlung von kranken Früh- und Neugeborenen ist Sauerstoff ein bedeutendes Therapeutikum, wobei die Effekte einer Hyperoxie auf das neonatale Gehirn zunehmend das Interesse der Wissenschaft wecken, da diese für entstehende neuronale Schädigungen mitverantwortlich gemacht werden. Die traumatische Hirnschädigung ist ein wesentlicher Grund für den Tod und neurologische Residualsyndrome in der Kindheit. Im Gegensatz zum Trauma des Erwachsenen, sind die dem kindlichen Hirntrauma zugrundeliegenden Pathomechanismen noch weitgehend ungeklärt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neurodegenerative Schädigungen von Hyperoxie bzw. Schädelhirntrauma auf das sich entwickelnde Gehirn von Maus und Ratte histologisch nachgewiesen, wobei sich Neurodegenerationen in verschiedenen Hirnregionen zeigten. Es kam jeweils zu einer Aktivierung von neuroinflammatorischen Prozessen mit einem Anstieg von Caspase-1 und den von Caspase-1 aktivierten proinflammatorischen Zytokinen Interleukin-1ß (IL-1ß) und Interleukin-18 (IL-18). Die intraperitoneale (i.p.) Gabe von rekombinantem Interleukin-18-Bindungsprotein (IL-18BP) führte zu einer Reduzierung des apoptotischen Zelltodes in beiden Schädigungsmodellen. Zudem waren IL-1 receptor-associated kinase-4 (IRAK-4)-defiziente Mäuse weitgehend geschützt gegen den Hyperoxie-induzierten Zelltod und IL-18-defiziente Mäuse gegen den Zelltod nach Schädelhirntrauma. Nach Schädelhirntrauma wurden zusätzlich die beiden Matrixmetalloproteinasen (MMPs) MMP-2 und -9 auf Gen- und Proteinebene hochreguliert und deren Inhibitoren tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs) TIMP-1 und TIMP-2 in der Expression reduziert. Die i.p. Applikation des MMP-Inhibitors GM6001 2 Stunden nach Schädelhirntrauma führte zu einer Verringerung der apoptotischen Neurodegeneration und stellt somit eine mögliche therapeutische Anwendung nach Schädelhirntrauma dar. Im Hyperoxiemodell führte die gleichzeitige i.p. Applikation von rekombinantem Erythropoietin (rEPO) zu einer Abnahme des apoptotischen Zelltodes und des oxidativen Stresses nach Hyperoxie. Der Hyperoxie-induzierte Aktivitätsanstieg von Caspase-2, -3 und -8 wurde durch rEPO-Gabe reduziert. Außerdem wurde der durch Hyperoxie verminderte Gehalt des neurotrophen Faktors brain-derived neurotrophic factor (BDNF) sowie der phosphorylierten, aktiven Formen der Kinasen Akt (Proteinkinase B) und ERK1/2 durch Gabe von rEPO wieder erhöht, so dass die neuroprotektive Eigenschaft von rEPO im Modell der Sauerstofftoxizität und daran beteiligte Mechanismen nachgewiesen werden konnten.

Although the mortality of infants with extremly low birth weight and gestational age decreased markedly because of advances in medical care, long- term neurological deficits continue in a high rate. Oxygen is an important therapeutic agent for the treatment of preterm and term infants whereupon hyperoxic effects to the immature brain awake an increased scientific opinion, because they are responsible for neuronal damages. Traumatic brain injury constitutes a major cause of morbidity and neurological residual syndromes in children. In contrast to trauma in adults the pathophysiology of traumatic brain injury to the developing brain is widely unknown. In this present work hyperoxic and traumatic neurodegenerative damages to different regions of the developing brain of mouse and rat were shown by histology. There was an activation of neuroinflammatory processes with an increase of caspase-1 and the caspase-1-activated proinflammatory cytokines interleukin-1ß (IL-1ß) and interleukin-18 (IL-18). Intraperitoneal injection of recombinant interleukin-18-binding protein (IL-18BP) led to a reduction of apoptotic cell death in both injury models. In addition mice deficient in IL-1 receptor- associated kinase-4 (IRAK-4) were widely protected against hyperoxia-induced cell death and mice deficient in IL-18 were protected against cell death after traumatic brain injury. Furthermore matrix metalloproteinases (MMPs) MMP-2 and -9 were upregulated on mRNA and protein level after traumatic brain injury, whereas expression of the tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs) TIMP-1 and TIMP-2 was reduced. Intraperitoneal injection of GM6001 (Ilomastat), an MMP inhibitor, 2 h after trauma, substantially attenuated apoptotic neurodegeneration and might serve as a therapeutic approach after traumatic brain injury. A decrease of apoptotic cell death and oxidative stress was detected when recombinant erythropoietin (rEPO) was intraperitoneal injected concomitant with the start of hyperoxic conditions. Treatment with rEPO reduces the hyperoxia-induced increase of caspase-2, -3 and -8 activities. Moreover hyperoxia-reduced levels of brain-derived neurotrophic factor (BDNF), phosphorylated, active pAkt (proteinkinase B) and pERK1/2 were ameliorated through rEPO administration. Hence the neuroprotective feature of rEPO in the model of oxygen toxicity was shown and mechanisms which are involved in this context.