Spurenelemente und ihre potentielle Rolle bei Neurodegeneration

Abstract

Spurenelemente sind im menschlichen Organsimus von essentieller Bedeutung und unterliegen einer hochpräzisen Homöostase. Während zu hohe Blut- bzw. Gewebekonzentrationen toxisch wirken, ist eine Grundversorgung in geringsten Mengen essentiell für die Synthese lebenswichtiger Enzyme. Im neurowissenschaftlichen Bereich mehrten sich in den letzten Jahren die Hinweise für einen Zusammenhang zwischen neurodegenerativen Erkrankungen und der Dysregulation einiger Spurenelemente. Ein ursächlicher Zusammenhang konnte jedoch bis auf wenige, genetisch determinierte Erkrankungen nicht aufgedeckt werden. Um die Rolle der Spurenelemente bei neuronalem Zelluntergang näher zu charakterisieren, wurde die räumliche Verteilung dieser an einem Tiermodell für oxidativen Stress und Neurodegeneration (Lurcher) dargestellt. Hierfür kamen zwei verschiedene Ansätze zur Anwendung, die die wichtigsten in Frage kommenden Elemente schon in geringsten Konzentrationen bei subzellulärer, räumlicher Auflösung im Gewebe darstellen können. Mit Hilfe der Timm-AMG Methode, die auf den Nachweis von Zn begrenzt ist, wurde zunächst der Konzentrationsverlauf und das Verteilungsmuster von Zn während der postnatalen Entwicklung des Kleinhirns im Wildtyp untersucht. Es wurde deutlich, dass die cytosolische Zinkkonzentration am Endpunkt der Purkinjezellentwicklung (p22) kurz ansteigt, um sich danach im adulten Tier unterhalb des maximalen Niveaus zu stabilisieren. Diese Dynamik während der Entwicklung indiziert eine funktionelle Beteiligung des Zn während der Migrations- und Reifungsphase des Kleinhirns, die etwa in diesem Alter beendet ist. Im Vergleich zwischen Wildtyp und Lurcher-Kleinhirn ließen sich durch Timm-AMG keine relevanten Abweichungen der Zinkkonzentration zeigen. Mit Hilfe der Röntgen-Fluoreszenz- Spektroskopie (SXRF) konnten in Pilotmessungen erstmals in Gewebeschnitten die subzellulären Verteilungsmuster der Elemente Cu, Fe, Mn und Zn mit einer Ortsauflösung von 150 nm Pixeldurchmesser grafisch dargestellt werden. Hier zeigte sich, dass es im Lurcher-Kleinhirn nicht nur zu einer Dislokation (Cu, Fe, Mn) sondern auch zu einem deutlichen Konzentrationsanstieg auf das bis zu 2.7-fache dieser Metalle in vom Zelluntergang betroffenen Purkinjezellen kommt. Darüberhinaus stellten bislang unbeschriebene Eisenspeicher in der Wildtyp-Purkinjezelle einen überraschenden Fund dar. Deren Genese und Beschaffenheit muss jedoch noch in zukunftigen Untersuchungen geklart werden. Der in dieser Arbeit auf völlig neue Weise gemessene und beobachtete Konzentrationsanstieg der untersuchten Elemente ist vereinbar mit den Ergebnissen eingangs besprochener, aktueller Literatur und repräsentiert wohl eher eine primäre Schutzreaktion gegen oxidativen Stress. Erst in zweiter Linie, wenn die verstärkte Abwehrreaktion unzureichend wird, um das Überleben der Zelle zu sichern, wirken diese Elemente durch Umverteilung und vermehrte Freisetzung aus enzym-gebundenen Formen möglicherweise selbst zytotoxisch und beschleunigen durch ihre Redoxaktivität den Abbauvorgang.

Trace elements and their precise homeostasis are an essential part of human physiology. While hyperemia in blood and tissues leads to toxic effects, the lack of trace elements prevents synthesis of important enzymes. Increasing numbers of neuroscientific publications over the last decade connected neurodegenerative disorders with abnormal levels of metals like Copper or Zinc. However, except from some rare genetic disorders no direct link between neuronal cell death and trace elements has been established so far. To gain new insights into the role of trace elements in neuronal death, two methods were selected and refined. Key prerequisite for both was high sensitivity for the elements of interest and the possibility to perform 2D-imaging on a subcellular level. The Lurcher mouse was chosen as a model for oxidative stress and neuronal cell death. Using the Zn-limited Timm-AMG technique, both concentration and distribution time patterns were analyzed in postnatal Wildtype cerebella. After a short increase at the endpoint of Purkinje cell (PC) development (p22) Zinc levels decreased to a lower level than seen before this point. These findings indicate an involvement of Zn in the ceasing cerebellar migration and maturation processes. Concerning the Lurcher cerebellum, no significant changes in Zinc levels or distribution were found using Timm-AMG. By using Synchrotron X-ray Fluorescence spectroscopy (SXRF) we were able to visualize subcellular distribution of Cu, Fe, Mn and Zn in brain slices for the first time. With a spatial resolution of 150 nm it could be shown that those elements (Cu, Fe, Mn) dislocate in Lurcher-PCs. Additionally, the concentrations of all four metals increased up to 2.7-fold. Surprisingly, we found a new type of Iron storage in Wildtype-PCs. However, its origin and properties have to be elucidated in future investigations. Taking current literature into account our findings suggest that the increasing levels of trace elements are rather an action of self-defense against oxidative stress than the cause of it. Only as a consequence of this (unsuccessful) attempt those elements dislocate, could possibly become cytotoxic and accelerate the degenerative process.