Auswirkungen von Hyperoxie und Hypoxie auf juvenile organotypische hippokampale Schnittkulturen der Ratte

Abstract

Die Behandlung des perinatalen Sauerstoffmangels mit hohen Sauerstoffspannungen könnte das noch unreife Gehirn des Neugeborenen zusätzlich schädigen. Am Modell der juvenilen hippokampalen organotypischen Hirnschnittkultur (OHSK) wurde die Auswirkung von hohen Sauerstoffspannungen auf Funktion und Struktur von Nervenzellpopulationen unmittelbar nach Hypoxie oder Normoxie untersucht. Störungen der Funktion wurden anhand von Veränderungen reizinduzierter Feldpotentiale elektrophysiologisch gemessen. Strukturelle Zellschäden wurden mittels Messung der Propidium Jodid Fluoreszenzintensität in der Hirnschnittkultur und Bestimmung der Laktatdehydrogenase-Konzentration im Kulturmedium quantifiziert und beschrieben. In einer ersten Versuchreihe konnte ich nachweisen, dass sich Hypoxie-induzierte strukturelle Zellschäden substantiell größer darstellen, wenn die Reoxygenation mit hohen Sauerstoffspannungen durchgeführt wurde. In einer zweiten Versuchreihe konnte ich zeigen, dass Hypoxie Veränderungen der Feldpotentialcharakteristiken in der Area CA1 induziert und die nachfolgende hyperoxische Reoxygenation einen lang andauernden Ausfall der neuronalen Funktion verursacht. In gemeinsamen Untersuchungen mit anderen Mitgliedern der Projektgruppe wurde deutlich, dass (i) erhöhte Sauerstoffspannungen per se (95 % und 60 % im Vergleich zu 20 %) zu reversiblen und irreversiblen Zellschäden in OHSK führen und (ii) eine Behandlung der OHSK mit Erythropoietin die Erhaltung der neuronalen Funktion des juvenilen Hippokampus während Ischämie und hyperoxischer Reoxygenation begünstigt. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf das klinische Szenario wird kritisch diskutiert. Die Aufklärung der Schädigungsmechanismen und des neuroprotektiven Einflusses von Erythropoietin bleibt Gegenstand weiterführender Untersuchungen.

The treatment of perinatal oxygen deprivation with high oxygen tensions could cause additional damage to the still immature brain of the neonate. Using the model of juvenile hippocampale organotypical slice cultures we investigated the effects of high oxygen tensions on neuronal function and structure directly after periods of hypoxia or normoxia. Impairment of neuronal function was electrophysiologically analyzed regarding changes in spontaneously and stimulus evoked field potential characteristics. Cell injury was quantified by propidium iodide (PI) fluorescence and by lactate dehydrogenase (LDH) release into the culture medium. In a first experimental study I could demonstrate that hypoxia induced structural cell injury which was substantially larger if high oxygen tensions were used during reoxygenation. In a second experimental study I could show that hypoxia induced changes in field potential characteristics in area CA1 and that the following hyperoxic reoxygenation caused a long lasting loss of neuronal function. Together with other members of the project group it could be demonstrated that (i) higher oxygen tensions per se (95% and 60% versus 21% oxygen) led to reversible and irreversible cell injury in juvenile hippocampale slice cultures and (ii) that pretreatment with erythropoietin stabilized the neuronal function in the juvenile hippocampus during ischemia and hyperoxic reoxygenation. Whether these results could be transferred into the clinical setting is critically discussed. To elucidate the underlying damage mechanisms of high oxygen treatment and mechanisms of neuroprotection by erythropoietin could be challenging goals for further investigations.