Prämotorisches Modell der Parkinson-Krankheit: Elektrophysiologische Charakterisierung von Locus coeruleus Neuronen nach α-Synuklein-Überexpression im Mausmodell
Prämotorisches Modell der Parkinson-Krankheit: Elektrophysiologische Charakterisierung von Locus coeruleus Neuronen nach α-Synuklein-Überexpression im Mausmodell
Where did the research take place?
The study site has not been established. Author addresses may differ from where the research occurred.
A plain-language reading has not been prepared for this paper yet.
Original abstract
Die Parkinson-Krankheit ist nach der Alzheimer-Krankheit die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung, deren Prävalenz erwartungsgemäß in den kommenden Jahren weiter steigen wird. Charakteristisch für die Parkinson-Krankheit sind die Lewy-Körperchen, welche aus aggregierten α-Synukleinen bestehen. Die Lewy Pathologie findet sich aufsteigend in verschiedenen Arealen des Nervensystems und beginnt im Dorsalen Motorischen Vaguskern. Im weiteren Verlauf finden sich die intraneuronalen Einschlusskörperchen zusätzlich in den Raphekernen und im Locus Coeruleus. Die Pathologie breitet sich weiter auf die Substantia nigra und Amygdala aus, bis sie schließlich zum zerebralen Kortex aufsteigt. Durch den Untergang dopaminerger Neurone in der Substantia nigra pars compacta kommt es zu den klassischen motorischen Symptomen wie Hypokinesie, Tremor, Rigor und posturale Instabilität. Doch bereits Jahre zuvor zeigen sich häufig Symptome einer prodromalen Parkinson-Krankheit. Zu diesen prämotorischen Symptomen zählen Hyposmie, Obstipation, orthostatische Hypotension und Schlafstörungen. Der Locus Coeruleus besitzt eine möglicherweise unterschätzte Funktion bei der Pathogenese der Parkinson-Krankheit. Er triggert zum einen die motorischen Symptome der Erkrankung und wird zum anderen für einige der nicht-motorischen Symptome – wie Schlafstörungen, Depressionen und Angst - verantwortlich gemacht. Der Locus Coeruleus befindet sich am Rand des Vierten Ventrikels auf Höhe der Pons und ist die größte noradrenerge Quelle im Zentralen Nervensystem. Um eine kontinuierliche Noradrenalin-Ausschüttung zu gewährleisten, besitzen die Neurone des Locus Coeruleus eine intrinsische Schrittmacheraktivität. So wurde in der vorliegenden Arbeit mit einem prämotorischen Mausmodell der Parkinson-Krankheit gearbeitet, bei welchem mit Hilfe von Adeno-assoziierten Viren humanes mutiertes A53T-αSynuklein im Locus Coeruleus überexprimiert wurde. In der Kontrollgruppe wurde Luziferase überexprimiert, um allgemeine Effekte einer Proteinüberexpression auszuschließen und Effekte speziell durch α-Synuklein zu untersuchen. Mit Hilfe des Patch-Clamp-Verfahrens wurden elektrophysiologische Messungen an den Locus Coeruleus Neuronen im akuten Hirnschnitt durchgeführt. Die noradrenergen Neurone waren alle spontan-aktiv und zeigten die charakteristische intrinsische Schrittmacheraktivität mit einer Frequenz von 1-3 Hz. Nach Überexpression von A53T-α-Synuklein stieg die Feuerrate zeitabhängig signifikant an, während die Feuerrate nach Luziferase Überexpression stabil blieb. So wurden die Aktionspotentiale im Einzelnen analysiert und es zeigte sich eine deutlich reduzierte Amplitude der Nachhyperpolarisation nach α-Synuklein Überexpression im Vergleich zur Luziferase Gruppe. Die Aktionspotentialbreite und das Schwellenpotential waren unverändert in beiden Gruppen. Auf der Suche nach dem Mechanismus für die erhöhte Feuerrate und die reduzierte Nachhyperpolarisation wurden verschiedene Kaliumströme untersucht. Kaliumselektive Ionenkanäle haben eine zentrale Bedeutung bei der Aufrechterhaltung des Ruhemembranpotentials, der Repolarisation und der Nachhyperpolarisation der Aktionspotentiale. Zu den Kaliumströmen, welche in der vorliegenden Arbeit untersucht wurden, gehören die transienten Kaliumauswärtsströme, die verzögerten Kaliumgleichrichterströme und die Kalzium-aktivierten Kaliumströme. Die ersten beiden dieser Kaliumströme entstehen durch eine Depolarisation des Membranpotentials, während die Kalzium-aktivierten Kaliumströme durch einen intrazellulären Kalziumanstieg entstehen. Die Stromantworten auf depolarisierende Spannungssprünge zeigten unveränderte transiente Kaliumauswärtsströme und Kaliumgleichrichterströme nach α-Synuklein und Luziferase Überexpression. Die Kalzium-aktivierten Kaliumströme nahmen im Verlauf nach A53T-α-Synuklein Überexpression jedoch signifikant ab, während diese Ströme nach Luziferase Überexpression stabil blieben. Somit ließ sich die erhöhte intrinsische Schrittmacheraktivität und reduzierte Nachhyperpolarisation in der vorliegenden Arbeit durch reduzierte Kalzium-aktivierte Kaliumkanäle erklären. Demzufolge wird die Aktivierung von Kalzium-aktivierten Kaliumkanälen als ein vielversprechender Ansatzpunkt zur Neuroprotektion des Locus Coeruleus während der frühen Stadien der Parkinson-Krankheit postuliert. The Parkinson`s disease is the second most common neurodegenerative disorder after Alzheimer´s disease with an increasing prevalence. The characteristic of the Parkinson´s disease are the Lewy bodies, which mainly contain the aggregated α-synuclein. The Lewy pathology is located in distinct areas of the human nerve system and spreads continuously beginning in the dorsal motor nucleus. In the course of time the intraneuronal inclusion bodies reach the medullary raphe nuclei and the locus coeruleus. After the pathology has spread over the substantia nigra and amygdala, it finally reaches the cerebral cortex. The degeneration of the dopaminergic substantia nigra pars compacta neurons causes the typical motor symptoms of Parkinson´s disease including hypokinesia, tremor, rigor and postural instability. Some years in advance there are often symptoms of a prodromal Parkinson´s disease. These premotor symptoms include hyposmia, constipation, orthostatic hypotension and sleep disorders. The locus coeruleus has a probably underestimated role in the pathogenesis of the Parkinson´s disease. First it provides the motor symptoms of the disease and second it is likely to cause some of the non-motor symptoms like sleep disorders, depression and fear. The locus coeruleus is located next to the fourth ventricle at the level of the pons and it is the major noradrenergic source in the central nervous system. To guarantee a continuous release of norepinephrine the neurons of the locus coeruleus possess an intrinsic pacemaker activity. In my thesis work I focused on a premotors mouse model of the Parkinson´s disease, in which human mutant A53T-α-synuclein was overexpressed in the locus coeruleus through an adeno-associated virus. In the control group luciferase was overexpressed to exclude general effects of the protein overexpression and to examine specially the effects of α-synuclein. Using the patch-clamp-technique I examined electrophysiological changes in the locus coeruleus neurons in acute brain slices. All of the noradrenergic neurons were spontaneously active and showed the characteristic intrinsic pacemaker activity with a frequency of 1-3 Hz. After overexpressing A53T-α-synuclein the firing frequency time-dependently increased significantly, while the firing rate after overexpressing luciferase remained constant. As a next step the action potentials were analysed separately and they showed a significant decrease of the afterhyperpolarisation amplitude post α-synuclein overexpression compared to the luciferase group. There was no difference in the action potential width and the threshold between these two groups. Searching for mechanism behind this increased firing frequency und reduced afterhyperpolarization several potassium currents were examined. Potassium selective ion channels play a central role in maintaining the resting membrane potential, the repolarisation and afterhyperpolarisation of the action potentials. The potassium channels, which were examined in this here present work, include the transient outward potassium channels, the delayed rectifier potassium channels and the calcium-actiated potassium channels. The first two potassium channels are activated by depolarisation of the membrane potential, whereas the calcium-activated potassium channels are activated by an intracellular calcium increase. The current responses to depolarizing voltage steps showed unchanged transient outward potassium channels and delayed rectifier potassium channels post α-synuclein and luciferase overexpression. However the calcium-activated potassium channels significantly decreased after A53T-α-synuclein overexpression, whereas these currents stayed constant after luciferase overexpression. Therefore the increased intrinsic pacemaker activity and the reduced afterhyperpolarization could be explained by reduced calcium-activated potassium currents in this here present work. As a consequence the activation of calcium-activated potassium channels is postulated as a promising approach protecting the neurons of the locus coeruleus during the early stages of Parkinson´s disease.