AG Neuroregeneration & Neurotraumatologie

Neurochirurgie

Direktor:
Prof. Dr. med. Michael Buchfelder

Translationale Forschung zu Neuroregeneration und Neurotraumatologie

Grundlagen und Forschungsschwerpunkte:Während im Verlauf der letzten Jahrzehnte die Häufigkeit von schweren Schädel-Hirn-Verletzungen vor allem Dank verbesserter Sicherheitsmaßnahmen deutlich rückläufig war, steigt die Zahl von Patienten mit einem Schlaganfall aufgrund des zunehmenden Durchschnittsalter der Bevölkerung kontinuierlich an. Die resultierenden traumatischen und nicht-traumatischen Hirn­schädigungen haben gemeinsame Pathomechanismen, welche die Freisetzung von neurotrophen Proteinen beinhalten. Diese Neuroproteine unterstützen die Pro­liferation und Differenzierung von neuronalen Stammzellen im Rahmen der Neuro­regeneration und modulieren inflammatorische Prozesse. Die Untersuchung der Freisetzungsdynamik und der spezifischen Effekte dieser Neuroproteine stellt eine wesentliche Voraussetzung für das Verständnis neuronaler Reparaturmechanismen dar.

Unsere Forschungsarbeiten zum glialen Protein und neurotrophen Faktor S100B konnten in vitro neuroprotektive Effekte nachweisen (Willoughby, Kleindienst et al. 2004) und in vivo zeigen, dass die zusätzliche exogene Applikation von S100B nach einem experimentellen Schädel-Hirn-Trauma die hippokampale Neurogenese (McGinn et al. 2005) sowie die kognitive Funktion verbessert (Kleindienst, Harvey et al. 2004; Kleindienst, Grünbeck et al. 2013). Diese Arbeiten bestätigen eine Be­teiligung von S100B an Prozessen der Neuroregeneration und legen die Grundlage für neue therapeutische Ansätze durch Verstärkung endogener neuroreparativer Prozesse.

Experimentelle Studien

Auf einer Membran kultivierte neuronale/gliale Zellkulturen werden einem Dehnungstrauma ausgesetzt. Dies führt zu einer unmittelbaren aber transienten nukleären Aufnahme des fluoreszierenden Farbstoffes Propidiumiodid durch Nervenzellen und zu einer verzögerten Aufnahme durch Glia-Zellen. Die Gabe von S100B reduziert die neuronale Zellschädigung und impliziert eine neuroprotektive Funktion von S100B.

Gemischt neuronale-gliale Zellkulturen werden auf silastischen Membranen kultiviert und durch einen Luftimpuls einem biaxialen Dehnungstrauma ausgesetzt. Anschließend erfolgt eine Fluoreszenzfärbung, in der sich bei geschädigten Zellen eine nukleäre Anreicherung des roten Farbstoffes Propidiumiodid findet.
Die einem Dehnungstrauma von 6,5mm ausgesetzten Zellen, welche Propridiumiodid aufgenommen haben, werden quantifiziert (10-3 pro mg Protein). Die S100B-Behandlung reduziert signifikant die Anzahl geschädigter Neurone zum Zeitpunkt 48 Stunden nach dem Trauma. 10 oder 100nM S100B wurden zu den Zeitpunkten 6, 24 oder 6+24 Stunden gegeben. Die Werte sind angegeben als mean ± SEM. a, p < 0.05 vs. ohne Trauma; b, p < 0.05 vs. Trauma ohne S100B.

In vivo Trauma-Modell

Nach einem experimentellen Schädel-Hirn-Trauma an der Maus wurde der Effekt von exogenem, intraperitoneal verabreichtem S100B auf die Proliferation neuronaler Stammzellen quantifiziert. S100B erhöhte signifikant die Proliferation und Differen­zierung der neuronalen Stammzellen und führte zu einer Verlängerung des Über­lebens.

Bei dem verwendeten experimentellen Modell handelt es sich um eine Kälteläsion, bei der ein Stempel (1mm2) eines mit flüssigem Stickstoff gefüllten Zylinder stereotaktisch geführt auf den Schädelknochen einer 4 Wochen alten Maus aufgesetzt wird. a, die histologisch sichtbare Läsion weist alle Charakteristika einer traumatischen Läsion auf (H&E Färbung); b, sichtbar sind Lymphozyten, Makrophagen, aktivierte Mikroglia und reaktive Astrozyten, dunkelbraun angefärbt sind apoptotische Neurone (BrdU Färbung).
Die Fluoreszenz-Dreifachfärbung mit dem glialen Marker GFAP (blau), dem Mitosemarker Bromdesoxyuridin (BrdU rot) und dem reifen neuronalen Marker NeuN (grün) 4 Wochen nach dem Trauma bestätigt die Differenzierung von adulten Stammzellen überwiegend in Neurone (schwarze Pfeile), selten auch in Glia (weißer Pfeil).

In vivo Tumor-Modell

S100B aktiviert Streß-induzierte Kinase Pathways, führt zu einem Anstieg reaktiver Sauerstoffspezies und zu einer Hochregulation von Aquaporin 4-Wasserkanälen, die in der Hirnödem-Entstehung beteiligt sind. In einem transgenen Maus-Modell (11 Kopien des S100B-Genes) analysierten wir den Effekt von S100B auf das Tumor­wachstum und Hirnödem 15 Tage nach stereotaktischer Implantation von GFP-­markierten GL-261 Gliomzellen in den rechten Frontallappen. Die MR-Tomographie zeigt ein identisches Tumorvolumen 15 Tage nach Implantation, während das peri­fokale Ödem in S100Btg Mäusen signifikant reduziert ist. Zudem zeigt sich eine signifikante Verlängerung des Überlebens der S100Btg Mäusen im Vergleich zu den Kontroll-Tieren.

Ein klinisches MR-System (3T, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany) wurde für die Untersuchungen verwendet. Das Tumorödem (T2-Spin-Echo-Sequenz) bei S100Btg Mäusen im Vergleich zu wild-type Kontroll-Tieren deutlich reduziert, während das Tumorvolumen (T1-Spin-Echo-Sequenz mit Kontrastmittel) identisch ist.

Klinische Studien

Zur Abschätzung des Ausmaßes einer Hirnschädigung und Prognoseabschätzung sowie zur Erfolgskontrolle therapeutischer Interventionen ist die Bestimmung von Neuromarkern wie dem S100B Protein sinnvoll. Wenig ist bisher über die Ver­teilungs­kinetik von Neuroproteinen im Gehirn, Liquor und Blut sowie die renale Elimination bekannt. Unsere laufenden klinischen Studien untersuchen die Wertigkeit von S100B als Neuromarker, also den Zusammenhang zwischen S100B Kon­zen­trationen und dem Outcome nach aneurysmatischer Subarachnoidalblutung oder Schädel-Hirn-Verletzung. Um die regionalen Neuromarker-Konzentrationen im zeit­lichen Profil bewerten zu können, werden die Verteilungsgradienten im ventrikulären und lumbalen und Liquor sowie die anschließende Elimination in Abhängigkeit von zugrundeliegenden pathologischen Prozessen untersucht.

Zukünftige Projekte

  • Es ist eine Translation der experimentellen Arbeiten in die klinische thera­peutischen Anwendung geplant (siehe auch „Cerebrolysin and Recovery After Stroke (CARS) A Randomized, Placebo-Controlled, Double-Blind, Multicenter Trial“)
  • Es sollen die genauen Wirkmechanismen, Applikationsformen und die Eli­minations­kinetik untersucht werden
  • Im Rahmen eines Versorgungsforschungs-Projektes soll die Verbreitung einer Neuro- (oder Bio-)marker-Bestimmung in der klinischen Routine unter Alltagsbedingungen evaluiert werden.

 

 
Ansprechpartner
Prof. Dr. med. Andrea Kleindienst
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PD Dr. med. Sebastian Brandner
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