Zelluläre Plastizität der Substantia nigra im MPTP-Parkinsonmodell der Maus: die Wirkung physiologischer Stimuli in Abhängigkeit von Dopamin

Abstract

Bei Morbus Parkinson kommt es zur Degeneration dopaminerger Neurone in der Substantia nigra (SN) und in Folge zu einem Dopaminmangel. Die Versuche, die dopaminergen Neurone durch adulte Neurogenese zu regenerieren sind bisher gescheitert. Aber es zeigte sich, dass ein kontinuierlicher nigraler Zellumsatz stattfindet. Bei den nigral proliferierenden Zellen handelt sich es sich oftmals um oligodendrozytäre Vorläuferzellen, die das neurale/gliale Antigen 2 (NG2) exprimieren und die in vitro neurogenes Potential haben sollen. Über ihre funktionelle Bedeutung in der SN und ihre Beeinflussbarkeit durch regulatorische Faktoren, die auf Zellproliferation und –differenzierung wirken, besteht noch Unklarheit. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Faktoren Dopamin und physiologischer Stimulation auf die adulte Substantia nigra und deren zelluläre Plastizität zu untersuchen. Es galt, proliferierende Zellpopulationen zu charakterisieren und Differenzierungsvorgänge zu erfassen. Besondere Aufmerksamkeit lag auf der Analyse der Proliferation und Differenzierung von NG2- Zellen und der Detektion neuronaler Vorläuferzellen. Methoden An transgenen Nestin-GFP exprimierenden Mäusen wurde in dieser Arbeit das 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP)- Modell für Morbus Parkinson angewandt, um Proliferationsvorgänge in der SN zu detektieren und ihre Beeinflussung bei Dopamindepletion durch MPTP zu erkennen. In unterschiedlichen Versuchsgruppen wurden die in der SN proliferierten Zellen zu vier Zeitpunkten nach MPTP- Gabe quantifiziert und charakterisiert. Die Einflüsse von reizreicher Umgebung und freiwilliger physischer Aktivität, im Sinne physiologischer Stimuli, auf Zellproliferation und –differenzierung, wurden detektiert, ebenso wie der Effekt von Dopaminsubstitution durch Gabe von L-Dopa + Benserazid. Das neurogene Potential der SN wurde in vitro untersucht. Ergebnisse Es zeigte sich, dass die Zahl NG-2 positiver Zellen, die nigrale Gesamtzellproliferation und das Zellüberleben durch physiologische Stimuli in gesunden Versuchsgruppen gesteigert werden. Bei Dopamindepletion durch MPTP hingegen nicht. Die Substitution von Dopamin ermöglichte die Wiederherstellung des Effekts physiologischer Stimuli auf die nigrale zelluläre Plastizität. Die Untersuchung des neurogenen Potentials in vitro ergab vereinzelte Nestin- GFP- positive Neurosphären, die jedoch nicht weiter expandierbar und differenzierbar waren. Schlussfolgerung Physiologische Stimuli wirken in der SN auf die zelluläre Plastizität, genauer auf NG2- positive Zellen, in Abhängigkeit von Dopamin proliferationsfördernd. Dies könnte einen wichtigen Mechanismus zur Neuroprotektion und –regeneration bei Morbus Parkinson darstellen. Neurogenes Potential der SN in vitro konnte nicht nachgewiesen werden. Diese Arbeit konnte wichtige Hinweise für das Verständnis der Regulation der nigralen Zellproliferation und –differenzierung liefern. Dass die Wirksamkeit physiologischer Stimuli auf die nigrale zelluläre Plastizität in der Maus von Dopamin abhängt, konnte hier erstmals gezeigt werden.

The degeneration of dopaminergic neurons in the substantia nigra (SN) and a depletion of dopamine are a hallmark Parkinson’s disease. So far the attempts to regenerate dopaminergic neurons by adult neurogenesis were unsuccessful. But a continuous turnover of nigral cells has been observed in the SN. Often these cells are oligodendrocyte precursor cells, characterized by expression of the neural/glial antigen-2 (NG2). These cells have shown neurogenic potential in vitro. Little is known about their role in the SN and their reaction to regulatory factors that may influence cell proliferation and cell differentiation in the central nervous system. The objective of this study was to examine the effect of dopamine and physiological stimulation on the adult SN and its cellular plasticity. We focused particularly on the proliferation and differentiation of NG2 cells and the detection of neuronal precursors. Methods Transgenic Nestin-GFP expressing mice were used for the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP)- model for Parkinson’s disease to examine the impact of dopamine depletion caused by MPTP on proliferational processes in the SN. Newborn nigral cell in various experimental groups were quantified and characterized at four different time points after application of MPTP. The influence of environmental enrichment and voluntary physical activity acting as physiological stimulation on cell proliferation and differentiation were examined, as well as the effect of dopamine substitution by treatment with levodopa and benserazide. The neurogenic potential of the SN was examined in vitro. Results An increase in the numbers of NG2-positive cells and in overall nigral cell proliferation and survival induced by physiological stimulation in healthy experimental groups but not after dopamine depletion was observed. Levodopa treatment restored the effect of physiological stimulation on nigral cellular plasticity. In vitro experiments showed sporadic Nestin-GFP-positive neurospheres but numbers were too low for long-term culture and further characterization. Conclusion Physiological stimulation induces nigral cellular plasticity, specifically generation of NG2-positive cells, in a dopamine-dependent manner. This may be a potentially relevant mechanism for neuroprotection and neuroregeneration in Parkinson’s disease. Neurogenic potential in the SN could not be demonstrated. The results of this study promoted further understanding of regulatory mechanisms in nigral cell proliferation and differentiation. It was shown for the first time that the effect of physiological stimulation on nigral cellular plasticity in mice depends on dopamine.