Spreading depolarization (SD) is characterized by a sustained neuronal depolarization and near-complete breakdown of the ion gradients across the cellular membranes. The recovery from SD is energy-dependent. Accordingly the local parenchymal ATP concentration falls by 45%. In healthy tissue the increased energy demand is satisfied by a marked rise in cerebral blood flow (CBF), but this hemodynamic response can become inverted under pathologic conditions like subarachnoid hemorrhage, cerebral ischemia or traumatic brain injury. Under this condition SD induces long-lasting vasoconstriction, which spreads together with the depolarization wave in the tissue. In an experimental animal model the resulting spreading ischemia (SI) led to cortical infarcts. SI occurs when SD runs in tissue with increased baseline extracellular potassium ([K+]o) and depletion of nitric oxide (NO). In cell culture chronically increased [K+]o reduces the activity of the sodium- potassium ATPase (NaKA). Therefore, we tested in vivo if direct inhibition of NaKA with ouabain induces SI in rats when the NO concentration is simultaneously decreased. First we confirmed that chronically increased [K+]o also reduces NaKA activity in vivo. Notably the α2/α3 isoforms were selectively affected. We then found that ouabain, in a concentration selectively inhibiting the α2/α3 isoforms, induced SI when NO was simultaneously depleted. What could be the mechanism underlying this effect of α2/α3 NaKA inhibition? The α2/α3 isoforms are colocalized with the Na+/Ca2+-exchanger (NCX) at cell membrane sites adjacent to the (sarco-)endoplasmic reticulum (SER). Inhibition of the α2/α3 isoforms decreases the local sodium gradient across the cell membrane, which consequently reduces the amount of Ca2+ transported out of the cell by the NCX. The surplus Ca2+ is then stored in the SER and might directly increase calcium dependent contractility of vascular smooth muscle cells and pericytes. Their contractility is additionally enhanced by increased Ca2+ release from astrocytic SER and consequent release of vasoconstrictive substances from astrocytes. These processes appear to play a specific role for the duration of SI because thapsigargin, depleting Ca2+ from the SER, significantly shortened SI. These results are clinically relevant because we and others showed that SD and SI occur in patients with the above-mentioned diseases and are associated with unfavorable outcome. Better understanding of the pathomechanisms underlying SI may lead to the development of new diagnostic and therapeutic strategies for clinical conditions associated with SD and SI.
Spreading Depolarization (SD) zeichnet sich durch einen fast vollständigen Zusammenbruch des neuronalen Membranpotentials aus, der durch massive Ionenverschiebungen zwischen Intra- und Extrazellulärraum verursacht wird. Die Wiederherstellung der physiologischen Ionenkonzentrationen führt bereits nach einer einzigen SD zur Reduktion der ATP-Konzentration im betroffenen Hirngewebe auf etwa 55% des Ausgangsniveaus. Dieser erhöh-te Energiebedarf wird im gesunden Hirngewebe durch einen Blutflussanstieg ausgeglichen. Unter pathologischen Umständen, z.B. nach einer Subarachnoidalblutung, einem Hirninfarkt, oder -trauma, kann es zur Umkehr dieser Blutflussantwort kommen. Dann induziert SD eine anhaltende Vasokonstriktion, die zu einer wandernden Mangeldurchblutung führt (englisch = Spreading Ischemia (SI)) und im Tiermodell kortikale Infarkte verursacht. Experimentell wird SI beobachtet, wenn die extrazelluläre Basis-K+-Konzentration ([K+]o) vor der SD erhöht und gleichzeitig die NO-Konzentration ([NO]) erniedrigt ist. In der Zellkultur reduziert chronische Erhöhung der [K+]o die Aktivität der Natrium-Kalium- ATPase (NaKA). Daher haben wir in der vorliegenden Arbeit untersucht, ob eine direkte Hemmung der NaKA mit Ouabain in Kombination mit [NO]-Erniedrigung bei Ratten zu SI führt. Zunächst konnten wir auch in-vivo bestätigen, dass chronisch erhöhte [K+]o die Aktivität der NaKA reduziert, und zwar vorrangig die der α2/α3 Isoformen. Dass dieser Mechanismus zur SI beitragen könnte, belegten wir dadurch, dass wir SI auch durch direkte Inhibition der α2/α3 Isoformen mit Ouabain bei gleichzeitiger [NO]-Verminderung induzieren konnten. Auf welche Weise führt eine Hemmung der α2/α3 NaKA zu verstärkter SD- induzierter Vaso-konstriktion während SI? Die α2/α3 Isoformen der NaKA werden gemeinsam mit dem Na+/Ca2+-Austauscher (NCX) in Bereichen der Plasmamembran exprimiert, die in unmittelba-rer Nachbarschaft zum (sarco-)endoplasmatischen Reticulum (SER) liegen. Inhibition der α2/α3 Isoformen führt zum Abfall des lokalen Na+-Gradienten über die Zellmembran. Dadurch kann der NCX weniger Ca2+ aus der Zelle heraustransportieren, welches stattdessen vermehrt in das SER gepumpt wird. Daraus resultiert eine direkt verstärkte Ca2+-abhängige Kontraktilität von glatten Gefäßmuskelzellen und Perizyten. Außerdem nimmt ihre Kontraktilität auch indirekt als Folge verstärkter Ca2+-Ausschüttung aus dem astrozytären SER mit nachfolgender Freisetzung vasokonstriktiver Substanzen aus Astrozyten zu. Diese Prozesse scheinen in be-sonderer Weise eine Rolle für die Dauer der SI zu spielen. So konnten wir SI deutlich verkür- zen, indem wir mit Thapsigargin die Ca2+-Konzentration im SER vor der SI- Induktion redu-ziert haben. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind klinisch relevant, da wir und andere zeigen konnten, dass SD und SI bei den oben erwähnten neurologischen Krankheitsbildern im Patienten auftreten und mit schlechterem Outcome assoziiert sind. Die Entschlüsselung der zugrundeliegenden Pathomechanismen kann zum besseren Verständnis dieser Krankheiten und zur Entwicklung neuer diagnostischer und therapeutischer Strategien beitragen.