Injuries in the immature hippocampus caused by hyperoxia and its prevention by minocycline

Abstract

Preterm infants of very low birth-weight often suffer from delayed neurological development. Factors affecting immature neural cells are described as inflammation/infection, hypocarbia, and hyperoxia, and the degree of neurological deficits after preterm delivery may vary depending on the type of external stimulus and on the brain region being affected. Whether injury of the hippocampus is responsible for part of neurological sequelae in preterm infants is not clear yet. In my study, I aimed to investigate the mechanisms by which hyperoxia may damage oligodendroglial precursor cells (OPCs) and immature neurons of the hippocampus. I used an established rat pup model providing 24h exposure to 80% O2 from P6 to P7 and analyzed apoptotic cell death, neuronal and oligodendroglial cell proliferation, and microglial activation in the dentate gyrus and in the hilus rat at P7 and after recovery in room air at P9 and P11 by immunohistostaining. To identify pathways for pharmacological protection, I used minocycline in hyperoxic rats because of its known anti-apoptotic, anti-inflammatory, and anti-oxidant properties. Hyperoxia significantly diminished proliferation of immature DCX+ neurons and of NG2+ OPCs and reduced maturation of oligodendroglia to CC1+ stages. Minocycline treatment in rats during hyperoxia improved neural cell proliferation and oligodendroglial maturation, and also chemical factors regulate for development of neurons and oligos, such as SOX2, SOX11and Oligo2 and SOX10. Moreover, increased production of reactive oxygen species (ROS) and nitrotyrosine after hyperoxia was blocked by minocycline. Remarkably, hyperoxia did not cause apoptotic cell death or microglial activation in the hippocampus. Based on our results, hyperoxic injury in the immature hippocampus is characterized by impaired cell proliferation and development of immature neurons and oligodendroglia. These toxic effects were prevented by minocycline. Since neither apoptosis nor microglial activation was found in the hippocampus of hyperoxic rats, the beneficial effects of minocycline can mainly be attributed to its anti-oxidant properties.

Sehr unreife Frühgeborene mit einem Geburtsgewicht von unter 1500 g (= VLBW, very low birth-weight) leiden oft an einer Schädigung der neurologischen Entwicklung. Die unreifen neuralen Zellen können dabei von äußeren Faktoren beeinträchtigt werden, wie etwa perinatale Infektion/Inflammation, Hypokarbämie, und Hyperoxämie. Das Ausmaß der neurologischen Schädigung hängt dabei unter Anderem von der Art des schädigenden Stimulus und von der betroffenen Hirnregion ab. Ob Veränderungen des Hippocampus für einen Teil der neurologischen Folgen bei Frühgeborenen verantwortlich sind, ist bislang unklar. Das Ziel meiner Arbeit war, eine Schädigung von Oligodendroglia und unreifen Neuronen des Hippocampus durch postnatale Hyperoxie zu beschreiben und die beteiligten Mechanismen zu identifizieren. Ich habe zu diesem Zweck ein etabliertes Hyperoxie-Modell verwendet, bei dem neugeborene Ratten an Tag 6 (P6) bis Tag 7 (P7) 24h 80% O2 ausgesetzt waren und danach zur Erholung über zwei bzw. vier Tage an Raumluft gesetzt wurden bis zum Alter P9 bzw. P11. Mittels Immunhostochemie habe ich apoptotischen Zelltod, neuronale und oligodendrogliäre Proliferation und mikrogliäre Aktivierung im Gyrus dentatus und im Hilus des Hipocampus bestimmt. Um Signalwege zu identifizieren, die für die Protektion des Hippocampus zu aktivieren sind, habe ich Minozyklin in hyperoxischen Ratten angewendet und auf dessen anti-apoptotische, anti- inflammatorsiche und anti-oxidative Eigenschaften hin untersucht. Hyperoxie reduzierte die Proliferation von DCX positive Neuronen und von NG2+ oligodendrogliären Vorläuferzellen und verminderte die Reifung von Oligodendroglia hin zum CC1 positiven Stadium. Die Behandlung von Ratten mit Minozyklin während der Hyperoxie-Exposition verbesserte die Proliferation von Neuronen und Oligodendroglia signifikant. Zudem war die Expression von spezifischen neuronalen (Sox2, Sox11) und oligodendrogliären (Olig2, Sox10) Transkriptionsfaktoren durch Minozyklin erhöht. Die Induktion von oxidativem Stress durch Hyperoxie, die ich anhand von ROS (“reactive oxygen species”) und Nitrotyrosin Konzentrationen bestimmt habe, konnte durch Minozyklin aufgehoben werden. Bemerkenswerter Weise hatte Minozyklin keinen Einfluss auf Apoptose oder Mikroglia-Aktivierung. Diese Ergebnisse zeigen, dass Hyperoxie die Proliferation und Reifung neuraler Zellen im postnatalen Hippocampus beeinträchtigt. Darüber hinaus konnten die schädlichen Auswirkungen von Hyperoxie abgeschwächt oder vermieden werden. Da weder Apoptose noch Mikroglia-Aktivierung durch das Medikament beeinflusst wurden, scheint vor allem die anti-oxidative Wirkung von Minozyklin für die Protektion des Hippocampus gegen Hyperoxie relevant zu sein.