Die Parkinson-Krankheit (PD) ist eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen weltweit und betrifft Millionen von Menschen. Sie ist durch den fortschreitenden Verlust dopaminerger Neurone in der Substantia nigra pars compacta (SNpc) gekennzeichnet, was zu einem Dopaminmangel im Striatum führt. Dieser Mangel manifestiert sich in den typischen motorischen Symptomen wie Rigor, Tremor und posturaler Instabilität. Neben den motorischen Beeinträchtigungen leiden viele Patienten auch unter nicht-motorischen Symptomen wie kognitiven Defiziten, Depressionen und Schlafstörungen. Die Forschung an Tiermodellen, insbesondere an Rattenmodellen, spielt eine entscheidende Rolle beim Verständnis der Pathophysiologie der PD und bei der Entwicklung neuer Therapieansätze.
Pathophysiologie der Parkinson-Krankheit
Die Parkinson-Krankheit ist pathologisch durch eine progressive Degeneration dopaminerger Neurone der Substantia nigra pars compacta, sowie kleine zytoplasmatische Einschlusskörperchen, die sogenannten Lewy-Körperchen, gekennzeichnet, deren Hauptbestandteil das präsynaptische Protein alpha-Synuclein (alpha-Syn) ist. Das progressive Absterben nigrostriataler Neurone führt zu einem starken Verlust des Neurotransmitters Dopamin (DA) im Striatum, allerdings treten klinische Symptome erst bei einem DA-Defizit von etwa 80 % auf. Kürzlich veröffentliche Studien konnten zeigen, dass Fehlfunktionen dopaminerger Neurone bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Erkrankung auftreten, bevor diese beginnen abzusterben. Die Frage, ob die Anreicherung von alpha-Syn eine entscheidende Rolle bei der Entstehung präsynaptischer Fehlfunktionen spielt, ist bis heute nicht vollständig geklärt.
Alpha-Synuclein und Lewy-Körperchen
Ein Hauptmerkmal der PD ist die Ansammlung von Lewy-Körperchen (LB) und Lewy Neuriten (LN), deren faserförmiger Hauptbestandteil α-Synuklein (aSyn) ist. Die Überexpression von alpha-Syn in nigrostriatalen Neuronen von Ratten mittels adeno-assozierter viraler (AAV) Vektoren bietet die Möglichkeit frühe funktionelle Änderungen zu untersuchen, da neurodegenerative Veränderungen progressiv über die Zeit auftreten und so frühe und späte Stadien der Erkrankung widerspiegeln.
Frühe funktionelle Änderungen
Hauptziel ist es daher, frühe funktionelle Änderungen der präsynaptischen Neurotransmission in einem Frühstadium der Parkinson-Krankheit mittels simultaner in-vivo PET/BOLD-fMRI Bildgebung zu detektieren. Dazu sollen zunächst Methoden und Protokolle für eine selektive Stimulation und Detektion neuronaler Aktivität in nigrostriatalen Neuronen von gesunden und alpha-Syn überexprimierenden Ratten mittels in vivo Optogenetics etabliert werden. Eine selektive optogenetische Aktivierung von Neuronen soll über die Einbringung licht-sensitiver Kationenkanäle, Channelrhodopsin-2 (ChR-2), in diese Neurone erreicht werden. Um die gemeinsame Expression von ChR-2 und humanem Wildtyp-alpha-Syn in nigrostriatalen Neuronen zu erreichen, sollen verschiedene AAV-Vektorkonstrukte hinsichtlich ihrer Selektivität und Spezifität getestet werden.
Das resultierende striatale Dopamindefizit
Die Degeneration dopaminerger Neurone in der Substantia nigra (SN) führt zu einem striatalen Dopamindefizit. Dieses Defizit ist die Hauptursache für die motorischen Symptome der Parkinson-Krankheit.
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Gastrointestinale Beteiligung
Verschiedene Studien zeigen, dass die Parkinson Erkrankung im Gastrointestinal Trakt beginnt. Während die Rolle der Darmflora (auch Mikrobiom genannt) für die normale Funktion des Darms ausführlich untersucht wurde, ist über ihren Beitrag zur Entwicklung von Erkrankungen nur wenig bekannt. Um diese genauer zu untersuchen werden Laborratten verwendet, welche einer kontrollierten Diät unterliegen und der kontrollierten Exposition von Erregern ausgesetzt sind. Hierdurch wird eine reproduzierbarere und gleichzeitig weniger komplexe Darmflora erreicht als sie im Menschen zu finden ist. Zur Induktion von Parkinson wird ein transgenes Rattenmodell verwendet, welches eine erbliche Form der Parkinson Erkrankung modelliert.
Früherkennungsmerkmale
Ein wichtiges Früherkennungsmerkmal der Erkrankung ist das Erkennen von Veränderungen im Gehirn, bevor die motorischen Symptome auftreten.
Rattenmodelle der Parkinson-Krankheit
Rattenmodelle sind unverzichtbar, um die komplexen Mechanismen der PD zu erforschen und neue Therapieansätze zu entwickeln. Es gibt verschiedene Arten von Rattenmodellen, die jeweils unterschiedliche Aspekte der Erkrankung widerspiegeln.
Chemisch induzierte Modelle
Ein häufig verwendeter Ansatz ist die Induktion von PD durch Neurotoxine wie 6-Hydroxydopamin (6-OHDA) oder Rotenon. 6-OHDA führt zu einer selektiven Zerstörung dopaminerger Neurone, während Rotenon die Mitochondrienfunktion beeinträchtigt und oxidativen Stress verursacht.
In diesem Artikel wird untersucht, wie Fisetin bei Parkinson-Krankheit (PD) wirken kann, die durch oxidativen Stress verursacht wird. Bei Ratten wurde PD durch Injektion von Rotenon induziert. Fisetin wurde in zwei Dosen (10 mg/kg und 20 mg/kg) verabreicht. Die Forscher führten Verhaltenstests durch, um die motorischen Fähigkeiten zu prüfen, und analysierten Gehirngewebe auf wichtige Enzyme und Oxidationsmarker. Die Ergebnisse zeigten, dass Fisetin die motorischen Funktionen verbesserte und die schädlichen Veränderungen, die durch Rotenon verursacht wurden, rückgängig machte. Beide Dosen von Fisetin wirkten positiv, wobei höhere Dosen bessere Ergebnisse lieferten.
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Transgene Rattenmodelle
Transgene Rattenmodelle exprimieren mutierte Gene, die mit der familiären Form der PD in Verbindung stehen, wie z. B. α-Synuclein. Diese Modelle ermöglichen es, die Rolle spezifischer Gene bei der Entstehung und dem Fortschreiten der Erkrankung zu untersuchen.
Verhaltensauffälligkeiten
Die Verwendung von Dopamin-Rezeptor-Agonisten wie Apomorphin kann verwendet werden, um Verhaltensauffälligkeiten in Rattenmodellen der Parkinson-Krankheit zu untersuchen.
Läsionsstudien
Läsionen in bestimmten Hirnregionen können verwendet werden, um die Auswirkungen auf psychiatrische Störungen bei PD zu untersuchen.
Therapieansätze im Tiermodell
Die Forschung an Rattenmodellen hat zu vielversprechenden Therapieansätzen für die PD geführt.
Tiefe Hirnstimulation (THS)
Die tiefe Hirnstimulation (engl. deep brain stimulation (DBS)) des Nucleus subthalamicus (STN) oder des Globus pallidus internus ist eine etablierte Behandlungsmethode für Patienten mit fortgeschrittener PD. Die STN-THS beeinflusst die DA-vermittelte Signalübertragung und kann zur Verbesserung der motorischen Symptome beitragen. Es ist wichtig zu beachten, dass die STN-THS unterschiedliche Auswirkungen auf diese Anteile haben kann.
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Stammzelltherapie
Multipotente mesenchymale Stammzellen (MSC) stellen einen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen dar. Nach der intranasalen Applikation von MSC zeigte sich eine schnelle Biodistribution der Zellen in das ZNS (nach vier Stunden). Nach 4,5-6,7 Monaten konnten das Überleben der INA-MSC und eine läsionsgerichtete Anreicherung in der Substantia nigra (SN) sowie dem Striatum belegt werden. Von den im Gehirn überlebenden MSC zeigten 3,2 % nach 4,5 Monaten eine Proliferation im Läsionsbereich. Die INA-MSC differenzierten sich teilweise, vor allem im Bereich des lädierten Gewebes, in funktionelle, neuronenartige Zellen, welche Tyrosin-Hydroxylase (TH) (Maß für die dopaminerge Aktivität) exprimierten. Parallel dazu zeigte sich eine signifikant größere Menge an TH- positiver Fläche und TH-positiven Zellen in den lädierten SN und im Striatum der mit INA-MSC behandelten Tiere im Vergleich zur Kontrollgruppe. Der zusätzliche neuroprotektive Effekt der INA-MSC wurde durch eine reduzierte Apoptose (TUNEL-Protein) im Bereich der betroffenen Strukturen nach 6-OHDA bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die intranasale Route eine vielversprechende Applikationsart von MSC bei Morbus Parkinson darstellt. Anders als die chirurgische Transplantation ist die intranasale Gabe eine nicht invasive und komplikationsarme Therapiemöglichkeit.
Embryonale Stammzellen (ES Zellen) sind eine vielversprechende Möglichkeit für Zellenerzatztherapie der Parkinson-Erkrankung. Undifferenzierte ES Zellen der Maus differenzieren sich zu funktionellen dopaminergen Neuronen nach der Transplantation in ein experimentellen Rattenmodell der Parkinson-Erkrankung aus, verursachen aber die Ausbildung von Tumoren. Ziel dieser Arbeit war es, die anatomische und funktionelle Integration von differenzierten ES Zellen der Maus in 6-Hydroxydopamin läsionierten Rattengehirnen zu untersuchen. Embryonale Stammzellen der Maus wurden 14 Tage mit PA6-Zellen ko-kultiviert, mit PKH26 markiert und anschließend in 6-Hydroxydopamin läsionierte, mit- oder ohne Cyclosporin A behandelte Ratten transplantiert. Die transplantierten Zellen konnten an ihrer PKH26 Fluoreszenz in allen Empfängergehirnen von ES Zellen bis zu 5 Wochen nach der Transplantation nachgewiesen werden. Die aus den ES Zellen der Maus entstandenen dopaminergen Neuronen überlebten die Transplantation und führten zu einer Verbesserung beim Amphetamin-induzierten Rotationsverhalten. Immunsuppression mit Cyclosporin A verbessert zwar das Überleben der dopaminergen Neuronen, war aber mit einigen Nebenwirkungen einschließlich verschlechterter Motorfunktion und ein erhöhtes Risiko von Tumorausbildung und erhöhte Morbidität verbunden. Morphologische Analysen konnten zeigen dass zwischen ein und 5 Wochen nach der Transplantation ein signifikanter Anteil der dopaminergen Neuronen Fasern verloren. Es konnte kein direktes Verhältnis zwischen der Vaskularisierung von Transplantaten und dem Überleben und der Entwicklung der dopaminergen Neuronen nachgewiesen werden. Die Anzahl der Dopamin-1 Rezeptoren im Striatum wurde durch die 6-Hydroxydopamin Läsion und/oder die Transplantation von Dopamin-produzierenden Zellen nicht beeinflusst. Bei denselben Ratten wiesen Autoradiographie-Experimente einen deutlichen Verlust der Dopamintransporter Bindung im läsionierten Striatum nach. Dieser Verlust wurde durch die Transplantation von differenzierten ES Zellen nicht aufgehoben. Diese Ergebnisse zeigen dass differenzierte ES Zellen das Potential besitzen funktionielle dopaminerge Neurone zu bilden. Um diesen therapeutische Ansatz zu optimieren, sollten neue Strategien für effizientere Differenzierung von ES Zellen entwickelt werden.
MSC haben neuroprotektive Eigenschaften und können eine neuronale Differenzierung induzieren. Die genannten Effekte können jedoch vom Phänotyp der transplantierten MSC abhängen. Studien haben gezeigt, dass die Auswirkungen von MSC aufgeteilt werden können in akute, intermediäre und langfristige Effekte. Die Forscher untersuchten die Funktionalität von dopaminergen Neuronen in 6-OHDA-lädierten Ratten nach drei Tagen, drei Wochen und sechs Monaten. Dabei wurden motorische Symptome und die Gedächtnisleistung gemessen. Die Transplantation von MSC führte zu einer signifikanten Steigerung der hippokampalen und subventrikulären Neurogenese. Dies beeinflusste die SVZ-OB-Achse positiv.
Neuroprotektive Substanzen
Substanzen mit neuroprotektiven Eigenschaften, wie Fisetin, werden in Rattenmodellen auf ihre Wirksamkeit bei der Verlangsamung des Krankheitsverlaufs untersucht.
Neurogenese und Parkinson-Krankheit
Die Neurogenese, die Neubildung von Nervenzellen, findet auch im Erwachsenenalter in bestimmten Hirnregionen statt, insbesondere in der subgranulären Zone (SGZ) des Gyrus dentatus (DG) im Hippokampus und der subventrikulären Zone (SVZ), die sich in der Wand der lateralen Seitenventrikel befindet. Studien untersuchen, wie sich die adulte Neurogenese im Hippokampus von Parkinson-Rattenmodellen verändert.
Auswirkungen von α-Synuclein auf die Neurogenese
Es wurde gezeigt, dass humanes α-Synuclein die adulte Neurogenese im Hippokampus transgener Ratten beeinträchtigen kann, ohne die Zellproliferation zu verändern. Eine Volumenreduktion des DG zeigte sich in transgenen PD-Tiermodellen ebenso wie in Studien mit PD-Patienten. Darüber hinaus wurde neben dem hippokampalen Volumenverlust ein zunehmender kognitiver Rückgang bei PD-Patienten im zeitlichen Verlauf beobachtet (Xu et al., 2020), der mit dem Fortschreiten der Erkrankung zusammenhängen könnte. Die Beeinträchtigung der Neurogenese könnte zu kognitiven Defiziten beitragen, die bei PD-Patienten häufig auftreten.
Nicht-motorische Symptome und Verhaltensauffälligkeiten
Neben den motorischen Symptomen leiden viele PD-Patienten auch unter nicht-motorischen Symptomen wie Depressionen, Angstzuständen und kognitiven Defiziten. Rattenmodelle ermöglichen es, die neuronalen Grundlagen dieser Symptome zu untersuchen.
Präpulsinhibition (PPI) als Indikator
Die Präpulsinhibition (PPI) der akustischen Schreckreaktion kann verwendet werden, um sensorische Verarbeitung und Aufmerksamkeit bei Rattenmodellen der PD zu messen. Veränderungen in der PPI können auf Defizite in der Informationsverarbeitung hinweisen, die mit bestimmten Aspekten psychiatrischer Störungen bei PD in Verbindung stehen.
Motivationale Defizite
Rattenmodelle können verwendet werden, um motivationale Defizite bei PD zu untersuchen.
Rolle des Nucleus subthalamicus (STN)
Studien haben gezeigt, dass der Nucleus subthalamicus (STN) eine wichtige Rolle bei der Pathophysiologie der PD spielt. Kontrollen waren im lateralen STN die neuronale Entladungsrate und Burst-Aktivität im Vergleich zum medialen STN höher. Die Ergebnisse deuten auf eine funktionelle Segregation dieser Region hin.