Zerebelläre Schnittkulturen zur Darstellung und Beeinflussung des Morbus Niemann-Pick Typ C in-vitro

Abstract

Niemann-Pick Typ C (NPC) ist eine letal verlaufende, hereditäre, lysosomale Speichererkrankung, welche durch Mutationen des NPC1- oder NPC2-Gens verursacht wird. Typischerweise entwickeln Patienten bereits in einem jungen Alter eine schwere Ataxie aufgrund eines massiven Zelltods von Purkinje-Zellen im Kleinhirn. Bislang ist es nicht möglich diesen Zellverlust in-vitro darzustellen. Ziel dieser Studie war es zu untersuchen, ob organotypische zerebelläre Schnittkulturen geeignet sind, den natürlichen Verlauf der Erkrankung darzustellen und ggf. den Einfluss von verschiedenen pharmakologischen Wirkstoffen zu zeigen. Dazu wurden ebensolche Zellkulturen eines bekannten NPC-Maus-Modells über einen Zeitraum von 6 Wochen kultiviert und verschiedene Wirkstoffe getestet. Es konnte gezeigt werden, dass organotypische zerebelläre Schnittkulturen den Verlauf der Purkinje-Zell- Degeneration in NPC zuverlässig darstellen und dass 2-hydroxypropyl- ßcyclodextrin, wie bereits in anderen Tierversuchen gezeigt, das Absterben von Purkinje-Zellen vermindert. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass 3-Methyladenin den Purkinje-Zelltod durch Korrektur des autophagischen Flusses vermindert. Als weiterer potenzieller Wirkstoff wurde Geranylgeranyl- Pyrophosphat (GGPP) untersucht. Verschiedene Studien haben eine mögliche Hypersensitivität von NPC1-Zellen gegenüber zytotoxischen Effekten von Statinen (HMG-CoA Reduktase Inhibitoren) gezeigt und suggerieren einen möglichen Mangel von GGPP. GGPP ist ein nicht-steroidales Isoprenoid, welches essenziell für Zellüberleben und –differenzierung ist. In einem Partnerlabor wurden GGPPKonzentrationen in Zerebella von NPC1-Mäusen und ihren Wildtyp- Wurfgeschwistern gemessen. Hier konnte ein physiologischer Anstieg zwischen dem postnatalen Tag 21 und Tag 49 in Wildtyp-Mäusen festgestellt werden, welcher in NPC1-Mäusen nicht zu entdecken war. Dieses Ergebnis unterstützt die Theorie, wonach die Purkinje- elldegeneration zwischen Tag 21 und Tag 49 durch einen niedrigen GGPP-Spiegel verursacht werden könnte. Um dieser Hypothese weiter nachzugehen, wurde in unserer Arbeitsgruppe der Einfluss von GGPP auf Langzeit-Schnittkulturen von Kleinhirnen von NPC1-Mäusen untersucht. Es konnte jedoch kein positiver Effekt nachgewiesen werden. Diese Studie zeigt, dass organotypische zerebelläre Schnittkulturen von NPC-Tieren ein wirkungsvolles Werkzeug sind, um den Purkinje-Zellverlust zu untersuchen.

Niemann-Pick type C (NPC) disease is a fatal hereditary lysosomal lipid storage disease caused by mutations in NPC1 or NPC2. Typically, patients develop severe cerebellar ataxia due to progressive Purkinje cell loss. Hitherto, in-vitro studies did not allow monitoring this cell loss. Aim of this study was to evaluate whether organotypic slice cultures are usable to monitor the natural process of NPC-associated Purkinje-cell degeneration and if so to show the influence of different pharmacological agents. Therefore organotypic cerebellar slice cultures of a well-established NPC mouse model were cultivated for a time period of 6 weeks. Moreover several therapeutic candidates were evaluated due to their effect on Purkinje-cell survival. In our study it is shown that it is possible to monitor and to prevent NPC- related Purkinje cell death reliably in-vitro. As to be expected from the results of previous animal experiments, 2- hydroxypropyl- -cyclodextrin rescued Purkinje cells. It was discovered that 3-methyladenine preserved Purkinje cell numbers by adjusting the autophagic flux in NPC slices. Moreover geranylgeranyl pyrophosphate (GGPP) was tested because different laboratories pointed to hypersensitivity to cytotoxic effects of statins (HMG-CoA reductase inhibitors) in NPC1 and suggested an underlying lack of GGPP. GGPP is a non- sterol isoprenoid essential for cell survival and differentiation. GGPP levels in cerebella of a NPC1 mouse model and of wildtype littermates were measured and a physiological increase of GGPP levels between post-natal days 21 and 49 in wild-type mice but not in NPC mice was found. This supports the hypothesis that Purkinje cell loss may be due to an extremely low level of GGPP. The progressive Purkinje cell loss in NPC starts between p21 and p49. To prove the hypothesis, organotypic slice cultures of NPC1 mice were cultivated and it was tested if chronic administration of GGPP might prevent Purkinje cell loss. However we did not see a beneficial effect. This study shows that cerebellar slice cultures are a powerful in-vitro tool to study NPCassociated Purkinje cell death in an organotypic setting.