Einfluss von Östrogen auf neurodegenerative Prozesse in einem in vitro-Modell für traumatische Hirnschädigung

Abstract

Die vorliegende Arbeit hatte die Zielsetzung, ein in vitro-Modell zum Studium der Folgen traumatischer Hirnschädigung (traumatic brain injury, TBI) zu etablieren und den Einfluss von 17β-Estradiol (E2) auf neurodegenerative Prozesse in diesem Modell zu untersuchen. Der Fokus lag dabei auf durch TBI induzierten Zelltod in der CA1-Region des Hippocampus, der mithilfe einer Propidiumiodid-Auswertung jeweils 12, 24 und 48 h nach in vitro-TBI abgebildet wurde, sowie auf der, diesen Zelltod mutmaßlich begleitenden Mikrogliaaktivierung, die mit Hilfe von Iba1-Immunhistochemie untersucht wurde. Alle Untersuchungen wurden jeweils unter Berücksichtigung des Geschlechts durchgeführt, um gegebenenfalls geschlechtsspezifische Unterschiede ermitteln zu können. Zur Durchführung der Studie wurde eine mechanische Kompression von Hirngewebe (TBI) mit Hilfe der rolling-cylinder-Technik in vitro an organotypischen hippocampalen Gewebekulturen von Mäusen herbeigeführt.

Die in vitro induzierte TBI führte in beiden Geschlechtern zu einer erhöhten PI-Aufnahme insbesondere im Stratum pyramidale der CA1-Region. Diese war 24 h nach in vitro-TBI besonders ausgeprägt und schien nach 48 h bereits wieder abgeklungen zu sein. Begleitend dazu war nach 24 h im Stratum pyramidale auch die Anzahl der Mikrogliazellen erhöht (im männlichen Gewebe signifikant), was auf eine Aktivierung der Mikroglia durch absterbende Zellen rückschließen lässt. Allerdings war bei einer abschließenden Bestimmung der Neuronendichte in der CA1-Region mit Hilfe des neuronenspezifischen Markers NeuN keine reduzierte Neuronendichte nach in vitro-TBI festzustellen. Bemerkenswerterweise reduzierte eine Zugabe von E2 zum Kulturmedium direkt im Anschluss an die TBI sowohl die erhöhte PI-Aufnahme als auch die Mikrogliaaktivierung im Stratum pyramidale, wodurch die Hypothese einer neuroprotektiven Wirkung von E2 unterstützt wird.

Die vorliegenden Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass sich das verwendete in vitro-TBI-Modell zur Untersuchung bestimmter, durch traumatische Hirnschädigung ausgelöste pathologische Prozesse grundsätzlich eignet. Einschränkungen bestehen aufgrund der Altersbeschränktheit (organotypische Gewebekulturen können nur aus sehr jungem Hirngewebe gewonnen werden), sowie der Tatsache, dass wesentliche Aspekte eines Schädel-Hirn-Traumas – wie die mit dem Eindringen peripherer Immunzellen in das Hirngewebe verbundene Eröffnung der Blut-Hirn-Schranke – im Modell nicht berücksichtigt werden. Dennoch können Untersuchungen, wie die hier vorgestellten zur Wirkung von E2, wertvolle Hinweise liefern, die helfen können, Fragestellungen in Tierversuchen präziser zu stellen (refine) und dadurch die Anzahl im Tierversuch verwendeter Tiere zu reduzieren (reduce).

The objective of the present study was to establish an in vitro model for studying the consequences of traumatic brain injury (TBI) and to investigate the influence of estrogen, specifically E2 (17β-estradiol), on neurodegenerative processes in this model. The focus of this study was placed on TBI-induced cell death in the CA1 region, which was assessed using propidium iodide (PI) analysis 12, 24, and 48h after in vitro-TBI. Equally, this study focused on TBI-induced microglia activation, putatively accompanying the cell death, which was assessed using Iba1 immunohistochemistry. All tests were carried out taking gender into account to be able to determine possible gender-specific differences. To conduct the study, mechanical compression of brain tissue (TBI) was induced using the rolling cylinder technique in vitro on organotypic mouse hippocampal tissue cultures.

TBI induced in vitro led to increased PI uptake in both sexes, especially in the stratum pyramidale of the CA1 region. This was particularly pronounced 24 h after in vitro-TBI and seemed to have subsided after 48 h. At the same time, the number of microglial cells in the stratum pyramidale was also increased after 24 h (significant in male tissue), which suggests activation of the microglia by dying cells. However, in a final determination of the neuron density in the CA1 region using the neuron-specific marker NeuN, no reduced neuron density could be determined after in vitro-TBI. Notably, addition of E2 to the culture medium immediately following TBI reduced both increased PI uptake and microglia activation in the stratum pyramidale, supporting the hypothesis of a neuroprotective effect of E2.

The present results allow the conclusion that the in vitro-TBI model used is suitable for investigating certain pathological processes triggered by traumatic brain damage. There are limitations due to age restrictions (organotypic tissue cultures can only be obtained from very young brain tissue) and the fact that essential aspects of a TBI – such as the opening of the blood-brain barrier – cannot be considered in the model. Nevertheless, studies such as those presented here on the effect of E2 can provide valuable information that can help to pose questions in animal experiments more precisely (refine) and thereby reduce the number of animals used in animal experiments (reduce).