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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-42378
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2009/4237/


Regeneration in peripheral and central nervous systems after injury and application of glycomimetics - Study in Mus musculus (Linnaeus, 1758)

Regeneration im peripheren und zentralen Nervensystem nach Verletzung und Applikation von Glykomimetika - Studie in Mus musculus

Mehanna, Ali

Originalveröffentlichung: (2009) Simova O, Irintchev A, Mehanna A, Liu J, Dihne M, Bächle D, Sewald N, Loers G, Schachner M. Carbohydrate mimics promote functional recovery after peripheral nerve repair. Ann Neurol 2006; 60: 430-437.
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SWD-Schlagwörter: Zentralnervensystem , Peripheres Nervensystem
Freie Schlagwörter (Deutsch): Regeneration , Glykomimetika , Funktionelle Erholung
Freie Schlagwörter (Englisch): Regeneration , Glycomimetics , Functional recovery
Basisklassifikation: 44.90
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Medizin, Gesundheit
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schachner, Melitta (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.07.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 06.08.2009
Kurzfassung auf Englisch: In adult mammals, regeneration after injury of the central nervous system is hindered by the abundance of molecules inhibiting axonal growth which severely restrict functional recovery. In contrast to the central nervous system, peripheral nerves regenerate after injury and this ability is attributed to the growth-permissive environment provided by Schwann cells and their basal lamina. Despite this regenerative potential, however, functional recovery is often limited.
Here we pursued to promote regeneration in two models of nervous system injuries in mice, femoral nerve transection and spinal cord compression, using peptides which functionally mimic polysialic acid (PSA) and human natural killer antigen-1 (HNK-1) glycan, carbohydrate epitopes on cell recognition molecules known to promote neurite outgrowth in vitro.
In the femoral nerve injury paradigm, functional HNK-1 or PSA mimicking peptides or a control peptide were applied in a polyethylene tube used to surgically reconnect the severed stumps of the femoral nerve before it bifurcates into the motor and sensory branches. Using video-based motion analysis to monitor motor recovery over a 3-month post-operative period, we observed a better functional outcome in the HNK-1 and PSA mimetic-treated than in control mice receiving a control peptide or phosphate buffered saline. Retrograde tracing of regenerated motoneurons and morphometric analyses showed that accuracy of reinnervation, motoneuron survival and motoneuron soma size were enhanced with the HNK-1 mimetic treatment but not with the PSA mimetic. However, the PSA mimetic enhances remyelination of the regenerated axons distal to the injury site, indicating that effects on Schwann cells in the denervated nerve may underlie the improved motor recovery. In line with this notion was the observation that the PSA mimetic enhanced the elongation of Schwann cell processes and Schwann cell proliferation in vitro, when compared with the control peptide. Moreover, Schwann cell proliferation in vivo was enhanced in both motor and sensory branches of the femoral nerve by application of the PSA mimetic. These effects were likely mediated by NCAM through its interaction with the fibroblast growth factor receptor (FGFR) since they were not observed when the PSA mimetic was applied to NCAM-deficient Schwann cells, and since application of two different FGFR inhibitors reduced process elongation from Schwann cells in vitro.
In the spinal cord injury paradigm, subdural infusions were performed with an osmotic pump over a two-week time period after low thoracic compression injury in young adult C57BL/6J mice. When applied immediately after injury, the PSA mimetic and the combination of PSA and HNK-1 mimetics, but not the HNK-1 mimetic alone, improved functional recovery as assessed by locomotor rating and video-based motion analysis over a 6-week observation period. Better outcome in PSA mimetic treated mice was associated with increased, as compared with control mice, number of cholinergic terminals on lumbar motoneurons, higher numbers of glutamatergic terminals and monaminergic axons in the lumbar spinal cord, and increased degree of axonal myelination proximal to the injury site. Scar formation, extent of de- and re-myelination and numbers of lumbar motoneurons were not affected by the PSA or HNK-1 mimetic treatment. In contrast to immediate post-traumatic application, the PSA mimetic treatment was ineffective when initiated 3 weeks after spinal cord injury. Our results suggest that PSA and HNK-1 mimetic peptides can be efficient therapeutic tools to promote motor recovery after peripheral and central nervous systems injuries.
Kurzfassung auf Deutsch: In adulten Säugtieren wird die Regeneration nach Verletzung des zentralen Nervensystems durch das Vorhandensein von Molekülen, die das Auswachsen von Axonen inhibieren, stark eingeschränkt. Im Gegensatz zum zentralen Nervensystem ist das periphere Nervensystem in der Lage, nach Verletzung zu regenerieren. Diese Fähigkeit wird auf die wachstumsfördernden Eigenschaften der Umgebung zurückgeführt, die von den Schwannzellen und ihrer Basallamina bereitgestellt werden. Trotz dieses regenerativen Potentials des peripheren Nervensystems ist die funktionelle Regeneration meist unvollständig.
In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Modelle zur Untersuchung der Regeneration des Nervensystems herangezogen: 1.) die Verletzung des Femoralnervs und 2.) die Rückenmarksläsion.
Nach der Verletzung des Femoralnervs oder des Rückenmarks wurden an der Läsionsstelle lokal Peptide eingesetzt, die funktionell Polysialinsäure (PSA) und das „human natural killer cell antigen 1“ (HNK-1) mimikrieren. Hierbei handelt es sich um Kohlenhydrat-Epitope auf Zelladhäsionsmolekülen, welche das Neuritenwachstum in vitro stimulieren.
In Experimenten zur Regeneration des Femoralnervs wurde entweder funktionelles HNK-1 Peptid, PSA mimikrierendes Peptid oder ein Kontrollpeptid in ein Polyethylene-Röhrchen appliziert, welches die beiden Stümpfen des zuvor verletzten Femoralnervs verbindet. Die Verletzung des Femoralnervs erfolgte vor der Verzweigung des Nervs in den motorischen und sensorischen Ast. Es wurden auf Video-Aufzeichnungen basierende Bewegungsstudien an den operierten Mäusen durchgeführt, mit deren Hilfe die Regeneration der Tiere anhand ihrer motorischen Fähigkeiten über einen Zeitraum von 3 Monaten post-operativ untersucht werden konnte. Diese Analysen zeigten, dass Mäuse, denen das HNK-1 und das PSA Mimetikum verabreicht wurde, wesentlich besser regenerierten als solche, die das Kontrollpeptid oder gepufferte Salzlösung erhielten. Retrograde Färbung der regenerierten Motoneurone und deren morphometrische Analysen zeigten, dass in der mit HNK-1 Mimetikum behandelten Gruppe im Vergleich zum PSA Mimetikum die korrekte Reinnervierung verbessert ist, das Überleben der Motoneurone erhöht ist und die Somata von Motoneuronen vergrößert sind. Obwohl das PSA-Mimetikum keinen Effekt auf die korrekte Reinnervierung hatte, wurde durch das PSA-Mimetikum die Remyelinisierung der regenerierten Axone distal zur Verletzung deutlich verbessert. Dies weist darauf hin, dass PSA einen Einfluß auf die Remyelinisierung durch Schwannzellen im durchtrennten Nerv hat. Diese Annahme konnte durch die Beobachtung gestützt werden, dass das PSA-Mimetikum verglichen mit dem Kontroll-Peptid das Auswachsen von Schwannzell-Fortsätzen und die Schwannzell-Proliferation in vitro verstärkt. Darüber hinaus war die Schwannzell-Proliferation auch in vivo sowohl im motorischen als auch im sensorischen Teil des Femoralnervs durch das PSA-Mimetikum erhöht. Diese Effekte könnten möglicherweise durch das neurale Zelladhäsionsmolekül (NCAM) und seine Interaktion mit dem Fibroblasten-Wachstumsfaktor-Rezeptor (FGFR) vermittelt werden, da die Effekte ausblieben, wenn NCAM-defiziente Schwannzellen mit dem PSA Mimetikum behandelt werden. Darüber hinaus verminderte die Zugabe von FGFR-Inhibitoren in vitro die Elongation der Schwannzell-Fortsätze.
In den Experimenten zur Verletzung des Rückenmarks wurde das Rückenmark junger adulter C57BL/6J Mäuse auf der Höhe der unteren Brustwirbel durch Kompression verletzt und Peptide über einen Zeitraum von zwei Wochen mittels einer osmotischen Pumpe subdural zugeführt. Über einen Zeitraum von 6 Wochen wurde die funktionelle Regeneration mittels Beobachtungen des Laufverhaltens und über auf Video-Aufnahmen basierenden Bewegungsanalysen determiniert. Wenn das PSA Mimetikum oder die Kombination aus PSA und HNK-1 Mimetikum direkt nach der Verletzung appliziert wurden, konnten diese einen positiven Effekt auf die funktionelle Regeneration ausüben. Das HNK-1 Mimetikum alleine vermittelte diesen Effekt nicht. Verglichen mit Kontrolltieren wiesen PSA Peptid behandelte Tiere eine erhöhte Anzahl von cholinergen Endungen der lumbalen Motoneurone, eine erhöhte Anzahl der glutamatergen Endungen und der monoaminergen Axone im lumbalen Rückenmark, sowie eine erhöhte Rate axonaler Myelinisierung proximal zur Verletzungsstelle auf. Die Narbenbildung, das Ausmaß an De- und Remyelinisierung und die Anzahl der lumbalen Motoneurone wurden durch die Zugabe des PSA oder HNK-1 Mimetikums nicht beeinflusst. Im Gegensatz zur Applikation direkt nach der Verletzung, hatte das PSA Mimetikum drei Wochen nach der Rückenmarksverletzung keinen Effekt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das PSA und das HNK-1 Mimetikum ein effizientes therapeutisches Hilfsmittel sind, welches positiv auf die funktionelle Regeneration nach Verletzung des peripheren als auch des zentralen Nervensystems wirkt.

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