Einfluss von postnatalem Koffein auf das Sauerstoff-geschädigte Kleinhirn der juvenilen Ratte

Abstract

Cerebellar growth and neurogenesis happen especially during the last trimester of pregnancy and may be impaired by preterm birth and early exposition to high oxygen levels. Lately, cerebellar functions have increasingly been associated with non-motoric abilities like cognition, affection, emotion and social behavior which are often impacted by preterm birth and can result in neurodevelopmental disabilities. Caffeine acting as adenosine receptor antagonist has been associated with antioxidant and neuroprotective properties and has been shown to reduce oxygen toxicity and improve clinical outcome in preterm infants. In this study we investigated the effects of hyperoxia and caffeine on the developing cerebellum in rats by exposing newborn Wistar-rats to either 21% (normoxia) or 80% oxygen (hyperoxia) for the first three (P3) or five postnatal days (P5) and treating them with either caffeine (10 mg/kg) or PBS (placebo) every 48 hours. Investigation dates were either at P3 or P5 immediately after exposure or at P15 after recovery to room air. Elevated oxidative stress induced by hyperoxia provoked significant disruption in cerebellar proliferation capacity, migration and differentiation. Caffeine was able to significantly reduce disturbances in the development of Purkinje cells. Quantitative expression of important transcription factors for proliferation, migration and terminal differentiation of granular cell precursors however were hardly influenced by caffeine application. In conclusion, caffeine showed protective effects in the hyperoxia-impaired cerebellar development but affected mostly the developing Purkinje cells and only to a lesser extent the evolution of granular cell precursors. Oxidative stress is unavoidable in preterm infants and is associated with a high risk of neurodevelopmental disorders. The identification of causal relationships between oxidative stress, the development of neurological complications in the developing brain, and the influence of drugs approved for use in neonatal intensive care may lead to the development of new prevention strategies.

Besonders im letzten Trimenon der Schwangerschaft finden wichtige Schritte der zerebellaren Neurogenese und Größenzunahme statt, die durch Frühgeburtlichkeit und die damit verbundene erhöhte Sauerstoffexposition gestört werden. Durch seine zahlreichen Verknüpfungen zu höheren kortikalen Regionen wird dem Kleinhirn immer mehr Einfluss auch auf nicht-motorische Fähigkeiten wie Kognition, Affektion, Sozialverhalten und emotionales Lernen zugeschrieben, welche durch Frühgeburtlichkeit beeinträchtigt werden und in entwicklungsneurologischen Störungen resultieren können. Koffein wirkt als Adenosinrezeptor-Antagonist und vermag durch antioxidative und neuroprotektive Eigenschaften die Auswirkungen der Sauerstofftoxizität bei Frühgeborenen zu reduzieren. In dieser Studie untersuchten wir die Auswirkungen von Hyperoxie und Koffein auf das sich entwickelnde Kleinhirn der Ratte, indem wir neugeborene Wistar-Ratten für die ersten drei (P0-P3) oder fünf (P0-P5) postnatalen Tage entweder 21% (Normoxie) oder 80% Sauerstoff (Hyperoxie) exponierten und alle 48 Stunden entweder mit Koffein (10 mg/kg) oder PBS als Placebolösung behandelten. Die Untersuchungszeitpunkte wurden an P3 und P5 unmittelbar nach Expositionsende oder an P15 nach Erholung an Raumluft definiert. Erhöhter oxidativer Stress, ausgelöst durch Hyperoxie, bewirkte signifikante Verringerungen in der Proliferationskapazität, der Migration und der Differenzierung der zerebellaren Neurone. Koffein konnte der durch Hyperoxie beeinträchtigten Neurogenese der Purkinjezellen erfolgreich entgegenwirken, wohingegen die ebenfalls stark verminderte Expression wichtiger Transkriptionsfaktoren für die Proliferation, die Migration und die Differenzierung der sich entwickelnden Körnerzellen nur teilweise durch Koffein moduliert werden konnte. Zusammenfassend lässt sich ein protektiver Effekt von Koffein auf die durch oxidativen Stress gestörte zerebellare Neurogenese nachweisen, der sich vor allem auf die Entwicklung der Purkinjezellen beschränkt und in geringerem Ausmaß auch die Neurogenese der Körnerzellen positiv beeinflusst. Oxidativer Stress ist bei Frühgeborenen unvermeidbar und geht mit einer hohen Wahrscheinlichkeit von neurologischen Entwicklungsstörungen einher. Die Identifizierung kausaler Zusammenhänge zwischen oxidativem Stress, der Entwicklung von neurologischen Komplikationen im sich entwickelnden Gehirn sowie die Einflussnahme von in der neonatologischen Intensivmedizin zugelassenen Medikamenten können für die Entwicklung neuer Präventionsstrategien wegweisend sein.