title: Molekulare und zelluläre Präkonditionierung - vielversprechende Strategien für die Neuroprotektion
title: Molecular and cellular preconditiong - powerful strategies for neuroprotection
Creators: name: Öxler, Eva-Maria
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: preconditioning, progenitor cell
Präkonditionierung, Vorläuferzellen
Medizin, Gesundheit
neuroprotection
AIF

description: Neuronal preconditioning describes
      a phenomenon that affords robust brain tolerance against
      neurodegenerative insults. This adaptive cytoprotection is a
      fundamental capability of living cells, allowing them to
      survive exposure to potentially recurrent stressors. The
      research of the molecular and cellular signaling during this
      self-protecting process is an important tool to develop novel
      strategies for the treatment of diseases that are
      characterized by neuronal cell death, which causes
      progressive loss of brain tissue and function after acute
      brain injury and in chronic neurodegenerative diseases. The
      major aim of this study was to investigate preconditioning
      effects in a model of neuronal cell death on the molecular
      and cellular level. This issue was addressed in immortalized
      mouse hippocampal HT-22 neurons exposed to glutamate
      toxicity, which selectively induces oxidative stress through
      glutathione depletion. The first part of the present study
      investigates, whether the neuroprotective effect mediated by
      the depletion of the pro-apoptotic protein AIF is attributed
      to mitochondrial preconditioning. AIF is a mitochondrial
      protein that mediates caspase-independent cell death after
      translocation into the nucleus by chromatin condensation and
      large-scale DNA fragmentation. The findings of this study
      demonstrate that AIF gene silencing protects mitochondrial
      function and integrity in a paradigm of lethal oxidative
      stress in the used neural cell line. Depletion of AIF
      preserved mitochondrial morphology, mitochondrial membrane
      potential, and ATP levels after induction of oxidative stress
      in HT-22 cells, and this mitoprotective effect also
      significantly attenuated the secondary increase in lipid
      peroxidation which was associated with mitochondrial damage
      and cell death in this model system. Furthermore, AIF
      depletion was associated with reduced complex I expression
      levels, and similar to protective effects achieved by low
      doses of the complex I inhibitor rotenone. These results
      suggest for the first time that AIF silencing provides
      protection against oxidative cell death at the level of
      mitochondria by preconditioning and not at the level of
      apoptotic DNA damage in the nucleus. The second part of this
      thesis investigated conditioned medium (CM), which was
      generated by neural progenitor cells (NPCs) that undergo
      starvation-induced apoptosis after growth factor withdrawal.
      It is well established that transplantation of
      stem/progenitor cells to the brain improve abnormal motor
      behavior and memory function in a broad spectrum of
      neurodegenerative diseases and after acute brain injury.
      However, stem cell-based therapy still holds many risks and
      unresolved issues regarding the mode of action and the
      optimal application. The validation of a CM from dying NPCs
      reflects the conditions after stem/progenitor cell injection
      since only very few cells survive after the transplantation.
      The findings of the present study clearly demonstrate that CM
      provides very potent, long-lasting, and stable
      neuroprotective effects that can even be further increased by
      heat activation. The data also indicate that cell lysis is
      essential for the generation of protective properties. Thus,
      the release of neuroprotective substances during the cell
      death of stem/progenitor cells seems to be a kind of cellular
      communication that protects neighboring cells and other
      tissues. Interestingly, a variety of proteins were identified
      as potential candidates that mediated the neuroprotective
      effect of CM, such as prdx-1 and gal-1. Further, the
      contribution of a low molecular weight cofactor was found.
      Thus, the results of these investigations are the basis for
      the development of a highly potent, standardized composition
      for the therapy of neurodegenerative diseases and acute brain
      injury. In summary, the data from this thesis highlight the
      neuroprotective potential of preconditioning effects for the
      regulation of cell survival after neurodegenerative insults.
      In addition, they indicate the importance of understanding
      the underlying mechanisms to develop new strategies for the
      therapy of neurodegenerative diseases.
description: Neuronale Präkonditionierung
      beschreibt ein Phänomen, bei dem es durch potentiell toxische
      Reize zu einer Toleranzentwicklung gegenüber
      neurodegenerativen Prozessen im Gehirn kommt. Diese
      Anpassungsfähigkeit der Zellen ist essentiell, um gegen
      spätere Stresseinwirkungen besser geschützt zu sein. Für die
      Entwicklung neuer Strategien bei der Behandlung von
      Erkrankungen, die durch neuronalen Zelltod und dem daraus
      resultierenden Verlust von funktionsfähigem Hirngewebe
      gekennzeichnet sind, ist es von größter Bedeutung, diesen
      Selbstschutz-mechanismus auf molekularer und zellulärer Ebene
      zu erforschen. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, Effekte
      der Präkonditionierung sowohl auf molekularer Ebene, als auch
      auf zellulärer Ebene in einem Modell des neuronalen Zelltods
      zu untersuchen. Hierzu wurde eine neuronale hippocampale
      Zelllinie (HT-22 Zellen) verwendet, die dadurch
      gekennzeichnet ist, dass eine Schädigung mit Glutamat zu
      einem kontinuierlichen Abfall der intrazellulären
      Glutathionspiegel führt und somit oxidativen Stress
      induziert. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt
      sich mit der Fragestellung, ob ein durch AIF-Depletion
      vermittelter neuroprotektiver Effekt auf mitochondriale
      Präkonditionierung zurück zu führen ist. Das pro-apoptotische
      Protein AIF ist ein mitochondriales Protein, das
      Caspase-unabhängigen Zelltod vermitteln kann. Die Ergebnisse
      dieser Arbeit zeigen, dass eine Herunterregulierung von AIF
      im vorliegenden Modell sowohl die Funktionen als auch die
      Integrität der Mitochondrien schützt. Eine verringerte
      Expression von AIF bewahrte die mitochondriale Morphologie,
      das mitochondriale Membranpotential und die ATP-Spiegel der
      Zellen unter der Einwirkung von oxidativem Stress. Darüber
      hinaus verzögerte sich auch der späte Anstieg an
      Lipidperoxiden, der im Allgemeinen mit einer Schädigung der
      Mitochondrien und anschließendem Zelltod in diesem Zellmodell
      einher geht. Des Weiteren führte eine AIF-Depletion zu einer
      verringerten Expression des Komplex I der Atmungskette. Der
      Komplex I-Inhibitor Rotenon erzielte in niedriger Dosierung
      ähnlich protektive Effekte im untersuchten Zellsystem. Diese
      Untersuchungen zeigten erstmalig, dass AIF-Depletion aufgrund
      mitochondrialer Präkonditionierungseffekte zum Schutz der
      Zelle gegen oxidativen Stress führt und nicht, wie bislang
      angenommen auf einer verringerten DNA-Schädigung im Zellkern
      beruht. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der
      Untersuchung von konditioniertem Medium (CM), das nach
      Wachstumsfaktorentzug aus sterbenden neuralen Vorläuferzellen
      (NPCs) gewonnen wurde. Die Transplantation von Stammzellen
      und Vorläuferzellen ins Gehirn kann sowohl die motorischen
      Funktionen, als auch die Gedächtnisfunktion in einer Vielzahl
      von neurodegenerativen Erkrankungen, sowie nach
      Schädel-Hirn-Trauma und Schlaganfall verbessern. Jedoch
      beinhaltet die Stammzell-basierte Therapie noch sehr viele
      Risiken und offene Fragen bezüglich ihrer Wirkweise und der
      optimalen Anwendung. Die Entwicklung eines CMs von sterbenden
      NPCs spiegelt sehr gut die Bedingungen nach der
      Transplantation von Stammzellen wieder, da nur wenige Zellen
      diese Transplantation überleben und die meisten Zellen,
      während sie sterben, eine Vielzahl von Faktoren freisetzen.
      Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigten, dass CM einen
      starken und lang andauernden neuroprotektiven Effekt
      vermittelt. Dieser Effekt konnte durch Hitzebehandlung des
      CMs noch verstärkt werden. Darüber hinaus zeigten die Daten,
      dass eine Lyse der NPCs notwendig ist, um einen protektiven
      Effekt zu erzielen. Vermutlich handelt es sich bei der
      beobachteten Protektion um Schutzsignale der sterbenden
      Zellen für die benachbarten Zellen und umliegendes Gewebe.
      Interessanterweise wurde eine Vielzahl von Proteinen im CM
      identifiziert, die für die Neuroprotektion verantwortlich zu
      sein scheinen, darunter auch Peroxiredoxin-1 und Galectin-1.
      Zusätzlich wurde die Beteiligung eines niedermolekularen
      Cofaktors an der Vermittlung des neuroprotektiven Effekts
      nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen bilden
      somit die Grundlage für die Entwicklung eines äußert potenten
      und standardisierbaren CMs, das für eine therapeutische
      Anwendung bei neurodegenerativen Erkrankungen, sowie anderen
      zerebralen Schädigungen vorstellbar ist. Zusammenfassend
      zeigt diese Arbeit, wie effektiv Präkonditionierungseffekte
      für das Überleben neuronaler Zellen bei neurodegenerativen
      Ereignissen sind. Für die Entwicklung neuer Therapieoptionen
      ist es von größter Bedeutung, die zugrunde liegenden
      Mechanismen der protektiven Effekte durch molekulare und
      zelluläre Präkonditionierung zu entschlüsseln.