title: The influence of N-acetyl-cysteine and deferoxamine on hemin-induced axonal degeneration in primary cortical neurons
Creators: name: Fastner, Julia Sigrid
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Eine intrazerebrale Blutung (ICB) ist die zweithäufigste Form eines Schlaganfalls und eine häufige neurologische Störung, die zum Tod oder einem schlechten klinischen Ergebnis mit langfristigen neurologischen Defiziten führt. Axonale Degeneration (AxD) tritt nach einer ICB auf und korreliert mit dem Schweregrad der langfristigen neurologischen Beeinträchtigung sowie mit einer schlechten Erholungsrate nach ICH. Obwohl in letzter Zeit bedeutende Fortschritte im Verständnis der Zelltodmechanismen nach ICB gemacht wurden, ist über die Mechanismen, die AxD zugrunde liegen, wenig bekannt. Trotz des enormen medizinischen Bedarfs gibt es nach wie vor einen Mangel an therapeutischen Strategien, um das Zellsterben oder die Degeneration von Axonen nach ICB zu verhindern. Ziel meiner Arbeit war es, ein in-vitro-Modell von AxD nach ICB zu etablieren und mögliche Wirkstoffkandidaten zu bewerten. Ich stellte die Hypothese auf, dass das Cystein-Prodrug N-Acetyl-Cystein (NAC) und der Eisenchelator sowie Hypoxie-induzierbare Faktor-Prolylhydroxylase-Inhibitor Deferoxamin (DFO) AxD in einem in-vitro-Modell von ICB verringern können. Zu diesem Zweck etablierte ich ein Mikrofluidik-System, in dem primäre kortikale Neurone von Mäusen kultiviert wurden. Zunächst untersuchte ich, welche Konzentration von Hämin, einem Blutabbauprodukt, das zur Modellierung von ICB verwendet wird, AxD auslöst. Ich stellte fest, dass nach 24 Stunden eine Konzentration von 150 µM Hämin zu einer Verringerung der Axonenlänge sowie zu vermehrter axonaler Fragmentierung und Schwellung führte, welche zwei Merkmale von AxD sind. Anschließend führte ich im Kompartiment der Zellkörper und jener der Axone eine 24-stündige Vorbehandlung mit NAC oder DFO durch, bevor AxD induziert wurde durch die 24-stündige Inkubation des axonalen Kompartments mit Hämin. Axone, die mit NAC vorbehandelt wurden, waren im Vergleich zur Hämin-behandelten Gruppe länger und zeigten weniger axonale Fragmentierung, während die Änderung an axonalen Schwellungen in den Gruppen nur wenig abwich. Bei den DFO-behandelten Axonen wurden im Vergleich zur Hämin-Gruppe keine Unterschiede festgestellt. Zusammenfassend konnte ich ein in-vitro-Modell für Hämin-induzierte AxD etablieren und nachweisen, dass NAC in diesem Modell das Potenzial hat, einige Merkmale von AxD zu lindern. Dies ist ein großer Schritt, unser Verständnis für AxD als sekundärer Verletzungsmechanismus nach ICB zu verbessern und weitere Wirkstoffkandidaten zu bewerten.
description: Intracerebral hemorrhage (ICH) is the second most frequent type of stroke and a common neurological disorder resulting in death or poor clinical outcome with long-term neurological deficits. Axonal degeneration (AxD) occurs after ICH and correlates with the severity of long-term neurological impairment and poor recovery rate after ICH. Although significant advances have been made recently towards understanding the cell death mechanisms occurring after ICH, not much is known about the mechanisms underlying AxD. Despite the tremendous medical need, there is still a lack of therapeutic strategies to reduce or hinder axons from degenerating after ICH. The aim of my thesis was to establish an in vitro model of AxD after ICH and to assess putative drug candidates. I hypothesized that the cysteine prodrug N-acetyl-cysteine (NAC) and the iron chelator and hypoxia-inducible factor prolyl hydroxylase inhibitor deferoxamine (DFO) can reduce AxD in an in-vitro model of ICH. Therefore, I established microfluidic devices in which primary cortical neurons of mice were cultivated. In a first step, I investigated which concentration of hemin, a blood breakdown product used to model ICH, induced AxD. I observed that, after 24 hours, a concentration of 150 µM hemin led to decreased axonal length and increased axonal fragmentation and swellings, two features of AxD. Next, I performed a 24-hour pretreatment with NAC or DFO of both the cell bodies and axons before inducing AxD by hemin to the axons for 24 hours. In axons pretreated with NAC, the axonal length was increased and the axonal fragmentation decreased as compared to the hemin-treated group. Swellings remained relatively unchanged. For DFO-treated axons, no differences compared to the hemin group were observed. Taken together, I was able to establish the in vitro model hemin-induced AxD and demonstrated that NAC has the potential to alleviate some features of AxD in this model. This will help improve our understanding of AxD as a secondary injury mechanism after ICH and to assess further drug candidates.