Search

Im Gegensatz zum peripheren Nervensystem (PNS) ist die Regenerationsfähigkeit im adulten zentralen Nervensystem (ZNS) von Vertebraten sehr eingeschränkt. Diese eingeschrängte Regenerationsfähigkeit wird im Wesentlichen durch das Vorhandensein von Myelin im adulten ZNS determiniert. Einerseits ist dieses Lipid für die Stabilisierung und Ernährung von Axonen sowie für die schnelle Reizweiterleitung unbedingt notwendig, andererseits stellt es den größten Inhibitor axonaler Regeneration dar. Myelin ist außerdem Zielstruktur diverser ZNS Pathologien, wie z.B. der Multiplen Sklerose. Für das Verständnis dieser Pathologien sowie der auswachsinhibitorischen Wirkung von Myelin wurde der Hippocampus als eine der plastischten ZNS Regionen gewählt. Dazu waren genaue Kenntnisse der Myeloarchitektur dieses Gebietes notwendig. Nach Etablierung einer zuverlässigen Detektierung für Myelin konnten in der vorliegenden Arbeit detailliert Myelinisierungsvorgänge im sich entwickelnden, im adulten und im deafferenzierten Hippocampus der Ratte analysiert werden. Während der Entwicklung erreichen die ersten entorhinale Axone den Hippocampus bereits am embryonal Tag 17 (E17); Myelin kann jedoch erst am postnatal Tag 17 (P17) lichtmikrokopisch nachgewiesen werden. Die Anzahl myelinisierter Fasern erreicht um den P25 ein Verteilungsmuster, welches dem von adulten Tieren gleicht. Nach Entorhinaler Cortex Läsion (ECL), bei der die Durchtrennung des Tractus perforans (PP) eine Denervation des Hippocampus bewirkt, kommt es zu einem langanhaltenden Verlust von Myelin. Zehn Tage nach Läsion (10 dal), also zum Zeitpunkt maximaler Aussprossung (Sprouting), kommt es zu einem Wiederkehren myelinisierter Fasern. Mehrere myelin-assoziierte Proteine, mit wachstumshemmenden Eigenschaften sind bekannt, wie z.B. die Familie der Nogo Gene (Nogo; englisch, kein Durchkommen). Diese werden ganz entschieden für den Verlust der Regenerationsfähigkeit des adulten ZNS verantwortlich gemacht. In der vorliegenden Arbeit wird die Expression der drei Nogo Gene (Nogo-A, -B, - C) und deren Rezeptor (Ng66R) während der postnatalen Entwicklung, im adulten ZNS sowie nach Läsion beschrieben. Ein erster überraschender Befund war die neuronale Expression der Nogos, die bisher nur in Oligodendrocyten nachgewiesen worden war. Zu einem Zeitpunkt, an dem entorhinale Fasern bereits in den Hippocampus eingewachsen, aber noch nicht myelinisiert sind (P0), wird Nogo-A, -B und Ng66R mRNA mit Ausnahme der Körnerzellschicht des Gyrus dentatus in allen Zellschichten des sich entwickelnden Hippocampus detektiert. Nogo-C und myelin basic protein (MBP) mRNA, werden erst am P15 expremiert, zu einem Zeitpunkt also, an dem myelinisierte Fasern erstmalig im Hippocampus auftreten. MBP wird ausschließlich in glialen, Nogo-C hingegen hauptsächlich in neuronalen Zellen exprimiert. Nach Deafferenzierung zeigt sich eine dynamische und Isoform- spezifische Regulation aller Nogo Transkripte. So zeigen die als erste von der Deafferenzierung betroffenen Körnerzellen zu Beginn der Waller`schen Degeneration sowie der neuronalen und glialen Antwort, eine starke Erhöhung aller Nogo Transkripte. Zum Zeitpunkt der maximalen Aussprossung kam es zu einem signifikanten Abfall der Nogo-C und Ng66R mRNA Expression, währendessen Nogo-A und Nogo-B bereits wieder das Kontrollniveau erreicht hatten. Vor allem im contralateralen Hippocampus, dem Hauptquellgebiet sproutender Fasern, imponierte die Runterregulation von Ng66R mRNA und zeigte erst nach Abschluß von axonalen Sproutingprozessen und der Synapsenformation wieder vergleichbare Werte mit den Kontrolltieren. Diese Korrelation der erniedrigten Ng66R Expression im contralateralen Hippocampus und dem axonalen Einwachsen in den deafferenzierten Hippocampus, läßt eine reduzierte axonale Ansprechbarkeit auf den Neuriten-Auswachshemmer Nogo-A vermuten, da bekannt ist, dass Axone, die kein Ng66R exprimieren, nicht durch die Nogo Gene im Wachstum gehemmt werden. Zusammenfassend kommt es während der Entwicklung und in der Reorganisationsphase zu einer spezifischen und geordneten Myelinisierung im Hippocampus. Die neuronale Expression von Nogo- A, -B und -C in einer so plastischen ZNS- Region unterstützt die Hypothese, dass den Nogo- Genen neben der reinen Hemmung von axonalen Auswachsen weitere Funktionen zuzuordnen sind. So scheinen sie vor allem während der Entwicklung und während der Stabilisierungsphase der hippocampalen Reorganisation eine wichtige Rolle einzunehmen. Die hier dargestellten Daten zeigen auf, dass vor einem therapeutischen Einsatz von Nogo- Antagonisten nach Schädigung deren Verträglichkeit bzw. unerwünschte Nebeneffekte ausgeschlossen werden müssen. Compared to the peripheral neuronal system (PNS) the reorganisation capacity in the adult central neuronal system (CNS) is highly restricted. One important reason for the lack of reorganisation is the existence of myelin in the CNS. Myelin is crucial for the stabilization of axonal projections in the developing and adult mammalian brain. However, myelin components also act as a non-permissive and repellent substrate of outgrowing axons. In these thesis the appearance of mature, fully myelinated axons during hippocampal development and following entorhinal cortex lesion with the myelin-specific marker Black Gold is reported. Althrough entorhinal axons enter the hippocampal formation at the embryonic day 17, light and ultrastructural analysis revealed that mature myelinated fibres in the hippocampus occur in the second postnatal week. During postnatal development, increasing numbers of myelinated fibers appear and the distribution of myelinated fibers at postnatal day 25 was similar to that found in the adult. After entorhinal cortex lesion, a specific anterograde denervation in the hippocampus takes place, accompanied by a long- lasting loss of myelin. Quantitative analysis of myelin and myelin breakdown products at different time points after lesion revealed a temporally close correlation to the degeneration and reorganisation phases in the hippocampus. In conclusion, it could be shown that the appearance of mature axons in the hippocampus is temporally regulated during development. Reappearing mature axons were found in the hippocampus following axonal sprouting. Various myelin-associated proteins, with neurite inhibition properties are known. One is the family of Nogo genes (no go). They are distinctly responsible for the lack of reorganisation. In these thesis the expression pattern of Nogo-A, Nogo-B, Nogo-C and Nogo-66 receptor (Ng66R) mRNA during hippocampal development and lesion induced axonal sprouting is reported. The first surprising result was the neuronal expression of all Nogos, who were supposed to be only expressed by oligodendrocytes. Nogo-A, Nogo-B and Ng66R transcrips preceded the process of myelination and were highly expressed at postnatal day zero (P0) in all principal hippocampal cell layers, with the exception of dentate granule cells. Only a slight Nogo-C expression was found at P0 in the principal cell layers of the hippocampus. During adulthood, all Nogo splice variants and their receptor were expressed in the neuronal cell layers of the hippocampus, in contrast to the myelin basic protein mRNA expression pattern, which revealed a neuronal source of Nogo gene expression in addition to oligodendrocytes. After hippocampal denervation, the Nogo genes showed an isoform-specific temporal regulation. All Nogo genes were strongly regulated in the hippocampal cell layers, wheras the Ng66R transcrips showed a significant increase in the contralateral cortex. These data could be confirmed on protein levels. Futhermore, Nogo-A expression was up-regulated after kainat- induced seizure. These data show that neurons express Nogo genes with a clearly distinguishable pattern during development. This expression is further dynamically and isoform-specifically altered after lesioning during the early phase of structural rearrangements. Thus, these results indicate a role for Nogo-A, -B and –C during development and during stabilisation phase of hippocampal reorganization. Taken together with these data, the findings that neurons in a highly plastic brain region express Nogo genes supports the hypothesis that Nogo may function beyond its known neuronal growth inhibition activity in shaping neuronal circuits.

Die vorliegende Arbeit behandelte den Einfluss von membran-assoziierten Faktoren im Hippocampus auf das axonale Wachstum, zum einen während der Entwicklung des entorhino-hippocampalen Systems und zum anderen nach Deafferenzierung des adulten Hippocampus. Mit Hilfe des Streifenassays und des Längenauswachsassays wurden zuerst die maturationsabhängigen Eigenschaften von membran-assoziierten Faktoren im Hippocampus getestet. Es zeigte sich, dass entorhinale Axone zwischen ihrem normotypischen Zielgebiet und Kontrollregionen diskrimieren können und bevorzugt auf Membranen ihres Zielgebiets wachsen. Im Folgenden wurden dann Axonen hippocampale Membranen unterschiedlicher Entwicklungsstadien im Streifenassay angeboten. In diesem experimentellen Ansatz wuchsen entorhinale Axone präferenziell auf jenen hippocampalen Membranen, die aus dem Entwicklungsstadium stammen, in den die entorhinalen Fasern in vivo in den Hippocampus einwachsen. Diese Experimente ergaben, dass das in vivo zeitlich genau regulierte Einwachsen entorhinaler Fasern in den Hippocampus von membran-assoziierten Faktoren determiniert ist und ein Zeitfenster für das Vorhandensein dieser Faktoren im Hippocampus existiert. Eines der wesentlichen Charakteristika der Maturation des zentralen Nervensystem ist die Bildung von Myelin und die Myelinisierung von Fasertrakten. Immunozytochemische Analysen mit Myelin-spezifischen Markern ergaben, dass dieses maturationsabhängige Auswachsverhalten zeitlich gut mit der Myelinisierung dieser Hirnregion korreliert. Eine Reihe von in vivo und in vitro Experimenten verschiedener Arbeitsgruppen demonstrierten, dass Myelin starke auswachsinhibitorische Eigenschaften hat, die sogar den Kollaps von Wachstumskolben induzieren können. In Längenauswachsassays zeigte sich, dass Myelin einen starken inhibitorischen Effekt auf das Längenwachstum von entorhinalen Axonen hat. Mit physikalischen Separationstechniken und unter Verwendung des funktionellen Antikörpers gegen inhibitorische Myelinproteine (IN-1) konnte dieser Effekt neutralisiert werden und das neuronale Längenwachstum war wieder vergleichbar zur Kontrollsituation. Untersuchungen im Streifenassay ergaben zusätzlich, dass das wachstumsinhibitorische Myelin und seine Komponenten keine axonalen Lenkungseigenschaften hatte und die gerichtete Zielfindung axonalen Auswachsens nicht beeinflusst. In weiteren Experimenten wurden die membran-assoziierten Faktoren im deafferenzierten Hippocampus untersucht. Dabei zeigte sich, dass nach einer Läsion wachstumsfördernde Faktoren in hippocampalen Membranen vorliegen. Zusätzlich liegen in einem engen Zeitfenster axonale Lenkungsmoleküle vor mit vergleichbarer Attraktivität für entorhinale Axone, wie sie aus entsprechenden Entwicklungsstadien bekannt sind. Die Experimente lassen den Schluss zu, dass im deafferenzierten Hippocampus Faktoren läsionsinduziert werden, und dass diese Faktoren membran-assoziiert sind. Es wird seit langem angenommen, dass das ZNS von adulten Vertebraten in seinem zellulären Zustand determiniert ist und zu keinen grösseren plastischen Veränderungen fähig ist. Gerade nach einer Schädigung von adultem ZNS ist die Regenerationsfähigkeit im Unterschied zu jungen, postnatalen ZNS sehr eingeschränkt. Die beschränkte Regenerationsfähigkeit des adulten ZNS ist wesentlich determiniert durch die Präsenz des auswachsinhibitorischen Myelins. Nichtsdestotrotz gibt es kompensatorisches Sprouting im Hippocampus, die verlorengegangene synaptische Kontakte ersetzen. Die Identifizierung der Faktoren, die das schichten-spezifische Einwachsen aussprossender Axone kontrollieren, trägt wesentlich zum Verständnis dieses Phänomens bei. Weiterhin wird die Aufklärung der zugrundeliegenden molekularen Faktoren für die spezifische Zielerkennung und deren Charakterisierung uns helfen, das Potential und die Limitation der Regeneration im ZNS besser zu verstehen und die Möglichkeit eröffnen, einmal verlorengegangene neuronale Verbindungen durch therapeutische Intervention wieder spezifisch aufzubauen. In this study, the impact of membrane-associated factors on axonal outgrowth during development and following lesion was examined. We studied the maturation-dependent features of membrane-associated molecules in the hippocampus with the stripe assay for guidance activity and with the outgrowth assay for outgrowth-supporting activity. We could show that entorhinal axons discriminate between their proper target area, the hippocampus, and control regions which do not receive synaptic connections from the entorhinal cortex, and preferred to grow on hippocampal membranes. Further, we examined guidance preferences of entorhinal neurites on hippocampal membranes in different developmental stages. The choice behavior of entorhinal neurites for hippocampal membranes temporally correlates with the ingrowth of the perforant path into the hippocampus and with the stabilization of this brain area in vivo, and further indicate the transient presence of membrane-associated guidance cues in the hippocampus. One of the characteristics of maturational processes in the central nervous system is the developmentally regulated myelination of fiber tracts. Comparison of the stripe assay data with immunohistochemical analysis for MBP and MAG as representative myelin markers revealed a correlation between the changes in axonal choice behavior and increasing myelination. It is known that myelin itself is a strong axonal outgrowth inhibitor and that myelin can also induce growth cone collapse. In outgrowth assays, we could show that myelin has a strong outgrowth inhibitory influence on entorhinal axons which can be neutralized by the monoclonal antibody IN-1. However, in the stripe assay, myelin did not influence the choice behavior of outgrowing axons and this indicates that myelin does not govern information for directed growth. Furthermore, stripe assays were performed with membranes obtained from deafferented hippocampi at various lesion stages. In these experiments, we could show that outgrowth-promoting factors are present in the lesioned hippocampus. Moreover, data from the stripe assay revealed the timely restricted presence of membrane-bound guidance factors which are equally as attractive as neonatal hippocampal membranes. These experiments indicate the lesion-induced expression of outgrowth-promoting factors in the hippocampus, which correlates temporally with the sprouting reaction in vivo. It is suggested that the central nervous system of adult vertebrates is determined in its cellular condition and not capable of structural changes. This is most evident following lesion of adult brain, where the ability for regeneration is highly restricted in comparison to young, postnatal neural tissue. This restricted ability for regeneration in the adult brain is essentially determined by the presence of outgrowth-inhibitory myelin. However, a compensatory sprouting response exists in the adult hippocampus following lesion, which leads to a layer-specific replacement of lost synaptic contacts. The identification of these factors will lead to a deeper understanding of layer-specific axonal sprouting and synaptic replacement. Further, the identification and characterization of the underlying factors will help us to understand the potential and limitations of regeneration in the central nervous system.

Die Infiltration von T Zellen in das Zentrale Nervensystem (ZNS) ist ein Charakteristikum neuroinflammatorischer Erkrankungen wie der Multiplen Sklerose (MS) und ihrem Tiermodell der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), und führt zur Aktivierung intrinsischer Hirnmakrophagen, den Mikrogliazellen, zu axonaler Schädigung sowie zum Zusammenbruch der Blut-Hirnschranke. Die T Zellen, welche als erste im Gehirn erscheinen, sind vom Subtyp Th1, spezifisch für Bestandteile der Myelinscheide, wie das myelinbasische Protein (MBP), produzieren inflammatorische Zytokine und rekrutieren andere unspezifische T Zellen und Makrophagen. Da sich diese Zellen des Immunsystems gegen körpereigene Bestandteile richten, spricht man von autoreaktiven T Zellen und einer autoimmunen Erkrankung. Im ersten Teil meiner Dissertation habe ich den Einfluss dieser autoreaktiven T Zellen auf den Aktivierungszustand von Mikrogliazellen mit Hilfe muriner Schnittkulturpräparate von Hippocampus und entorhinalem Kortex untersucht, welche den myelinisierten Fasertrakt Tractus perforans mit seinen Ursprungsneuronen und Zielzellen enthielten. Gering aktivierte MBP-spezifische T Zellen induzierten die Expression der Aktivitätsmarker MHC-II und ICAM-1 auf den Mikroglia und die damit verbundene axonale Schädigung (Phagozytose) im gleichen Maße wie hochaktivierte unspezifische T Zellen. Nur Th1 Zellen konnten Mikroglia aktivieren. MBP-spezifische Th2 Zellen hingegen reduzieren die Th1 induzierte Mikrogliaaktivierung (ICAM-1) auf Kontrollniveau. MBP-spezifische Th1 Zellen konnten die Expression von B7 auf Mikrogliazellen modulieren, während die MBP-spezifischen Th2 Zellen diese Eigenschaft nicht besaßen. Durch diese Befunde kann die prominente Rolle von autoreaktiven Th1 Zellen beim Auslösen neuroinflammatorischer Prozesse auf ihre einmalige Fähigkeit, Mikrogliazellen zu aktivieren und deren kostimulatorische Moleküle zu modulieren, zurückgeführt werden. Gleichzeitig bieten die Daten eine mögliche Erklärung für die protektive Rolle von Th2 Zellen bei MS und EAE. Es ist bekannt, dass autoreaktive T Zellen, wie die MBP-spezifischen Th1 Zellen, auch im gesunden Zustand im humanen und murinen T-Zell-Repertoire vorhanden sind. Die physiologische Funktion dieser Zellen ist unklar. Untersuchungen am Nervus opticus sowie im Rückenmark in vivo belegen, dass autoreaktive T Zellen und Makrophagen die Reorganisationsprozesse im ZNS nach traumatischer Schädigung positiv beeinflussen. Diese bei neuroinflammatorischen Erkrankungen so destruktiv wirkenden autoreaktiven T Zellen verhindern nach einem experimentell gesetzten Primärschaden im ZNS das Fortschreiten der Schädigung und es kommt zu einer fast vollständigen Regeneration des Gewebes. Im zweiten Teil meiner Promotionsarbeit habe ich versucht, die Mechanismen, welche hinter dieser Protektion stecken aufzuspüren. Dazu habe ich ebenfalls das in vitro Hirnschnittmodell benutzt. Für diese Fragestellungen wurden Akutschnitte verwendet, die ein Modell für primäre Schädigung im ZNS darstellen. MBP-spezifische Th2 Zellen hatten ein größeres protektives Potential als MBP-spezifische Th1 Zellen. Die nicht ZNS-spezifischen Th1 und Th2 Zellen benötigten ihr Antigen (OVA-Peptid), um signifikant protektiv zu wirken. Durch eine Superstimulation der OVA- und MBP-spezifischen T Zellen wurde eine Neuroprotektion auf gleichem Niveau erreicht. Die Neuroprotektion nach primärer Schädigung von ZNS Gewebe ist somit antigen- und stimulationsabhängig und wird hauptsächlich von Th2 Zellen unterstützt. The invasion of T cells into the central nervous system (CNS) is a hallmark of neuro inflammatory diseases like multiple sclerosis (MS) and its rodent model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), leading to activation of intrinsic macrophages, the microglia, axonal damage and break down of the blood brain barrier. The initial invading T cells are of the Th1 subtype and specific for parts of the myelin sheet like myelin basic protein (MBP). They produce inflammatory cytokines and recruit peripheral non-specific T cells and macrophages. Because these T cells are directed against a self antigen, they are called auto reactive T cells and the phenomenon an autoimmune disease. In the first part of my study I investigated the influence of auto reactive T cells on microglial cells' utilizing an organotypic slice culture system of hippocampus and entorhinal cortex. The slice culture contains a myelinated fibre tract - the tractus perforans - with its original and target neurons. Low activated MBP-specific T cells induced the expression of the activation markers ICAM-1 and MHC-II on microglia as well as microglial phagocytosis in the same manner as highly activated non-specific T cells. Only Th1 cells were able to activate microglia, while Th2 cells reduced the Th1 induced activation (ICAM-1 expression). MBP-specific Th1 cells could modulate the expression of co-stimulatory molecules B7-1 and B7-2, whereas MBP-specific Th2 cells could not. These findings could show why Th1 cells are responsible for EAE induction while Th2 cells can be protective. Auto reactive T cells like MBP-specific T cells have been found in the normal human and murine T cell repertoire. The physiological function of these cells is still unclear. Studies using the models of optic nerve crush or spinal cord crush have shown that macrophages and auto reactive T cells are involved in reorganisation and regeneration after CNS trauma. These auto reactive T cells, which are usually known to be destructive, could prevent CNS tissue from secondary degeneration. In the second part of my study I tried to identify the mechanisms involved in this phenomenon. I also used the organotypic slice culture system. Immediately after preparation causing the primary injury the slices were cultivated with T cells. Th2 cells were found to be more potent to prevent form secondary damage than Th1 cells. The non-CNS specific OVA Th1 and Th2 cells required their antigen to be fully protective. When over stimulated, MBP- and OVA-specific Th1 and Th2 cells proved to be protective to the same extend. Neuroprotection after primary injury depends on the T cell s state of activation and their antigen specificity. Among the cells examined I found Th2 cells were most effective in preventing CNS tissue from secondary injury.

Die Semaphorine Sema3A und Sema3C sowie Netrin-1 und deren Rezeptoren, die Neuropiline und DCC wurden in der vorliegenden Arbeit hinsichtlich ihrer Expression und auf ihre funktionellen Eigenschaften bezüglich des Auswachsens von Axonen, die die intrinsischen und afferenten hippokampalen Projektionen bilden, untersucht. Während die Expressionsmuster von Sema3A schon gut bekannt waren, wurde in der hier vorliegenden Arbeit die Expression des Rezeptors von Sema3A, Neuropilin-1 (NP-1), untersucht. NP-1 wird von Embryonaltag E17 an im entorhinalen Kortex, dem Subiculum und der hippokampalen Anlage exprimiert. Es konnte eine starke postnatale Expression von NP-1 in der CA3-Region und eine schwächere Expression in der CA1-Region, dem Gyrus dentatus und dem entorhinalen Kortex gezeigt werden. Außerdem wurden in dieser Arbeit die Expressionsmuster von Sema3C und Neuropilin-2 (NP-2) genauer analysiert. Etwa zum Zeitpunkt der Geburt (P0) wurde Sema3C im Gyrus dentatus und in der Cornu ammonis Region exprimiert. Der Sema3C-Rezeptor Neuropilin-2 wurde zu diesem Zeitpunkt ebenso im Gyrus dentatus und CA3-Region, schwächer auch in der CA1-Region exprimiert. Es wurde keine Expression dieser beiden Faktoren im entorhinalen Kortex detektiert. In Kokulturstudien zwischen mit Sema3A bzw. Sema3C transfizierten Zellaggregaten und Explantaten aus den hippokampalen Subregionen wurden für spezifische Explantate ein funktioneller Zusammenhang zwischen der Sekretion der Semaphorine und dem Auswachsen der jeweiligen Explantate in einer drei-dimensionalen Kollagenmatrix deutlich. Sema3A besitzt repulsive Eigenschaften auf Explantate vom Gyrus dentatus, der CA1- und der CA3-Region sowie dem entorhinalen Kortex. Die Interaktion zwischen Sema3A und NP1 beeinflußt das Einwachsen bzw. die Terminierung entorhinaler Fasern in der Molekularschicht des Gyrus dentatus, indem Sema3A eine repulsive Barriere für einwachsende Fasern und Moosfasern, die in Richtung der CA3-Region auswachsen, darstellt. Sema3C besitzt repulsive Eigenschaften auf Fasern des medialen Septums und beeinflußt dadurch das Einwachsen dieser Fasern entlang der Cornu ammonis Region in den Hippokampus. Weiterhin wurden in dieser Arbeit die Expressionsmuster von Netrin-1 und DCC im Hippokampus sowie die funktionellen Eigenschaften von Netrin-1 untersucht. Netrin-1 wird bereits zum Zeitpunkt E17 im Neokortex exprimiert, konnte im Hippokampus jedoch erst ab dem postnatalen Entwicklungsstadium P1 detektiert werden. Während im Gyrus dentatus nur ein schwaches und im entorhinalen Kortex kein Signal gefunden werden konnte, wird Netrin-1 stark in der Cornu ammonis Region exprimiert. Der Rezeptor DCC wird dagegen schon früher in der Embryonalentwicklung, ab E15, diffus in der hippokampalen Anlage exprimiert. Ab P1 lassen sich diese Signale im Gyrus dentatus und in den CA1-CA3-Regionen unterscheiden. Von den untersuchten Explantaten der hippokampalen Region zeigte Netrin-1 nur auf die Fasern von Gyrus dentatus und CA3, welche die hippokampale Kommissur bilden, einen attraktiven Wachstumseffekt. Dies bestätigt Befunde aus Netrin-1- und DCC-defizienten Tieren, in denen die hippokampale Kommissur aufgrund des fehlenden axonalen Leitmoleküls bzw. seines Rezeptors nicht ausgebildet wird. In this work, the semaphorins Sema3A and Sema3C as well as Netrin-1 and their receptors, the neuropilins and DCC, were investigated regarding their expression and functional properties on outgrowing axons, which are forming the intrinsic and afferent hippocampal projections. Because of the already well known expression patterns of Sema3A, this work focused on the expression of the receptor of Sema3A, NP-1. From embryonic stage E17 on, NP-1 is expressed in the entorhinal cortex, the subiculum and the hippocampal Anlage. A strong postnatal expression of NP-1 in the CA3-region could be detected, while the expression pattern in the CA1-region, the dentate gyrus and the entorhinal cortex was weaker. Additionally, the expression patterns of Sema3C and NP-2 were investigated in greater detail. At birth (P0), Sema3C was expressed in the dentate gyrus and the cornu ammonis region. The expression of its receptor NP-2 could be detected at the same timepoint P0 in the dentate gyrus and the CA3-region and, less pronounced, in the CA1-region.There could not be detected any expression of Sema3C or NP-2 in the entorhinal cortex. In functional coculture studies between with Sema3A or Sema3C transfected cell clusters and neuronal explants from subregions of the hippocampal formation, these factors were investigated for their influence on axonal outgrowth within a three-dimensional collagen gel matrix. Sema3A has repulsive properties on explants from the dentate gyrus, the CA1- and CA3- regions and the entorhinal cortex. I the resulting model, the interaction between Sema3A and NP-1 influences the ingrowth and/or the termination of entorhinal fibers into the molecular layer of the dentate gyrus by a repulsive barrier formed by Sema3A. The same barrier also acts on mossy fibers to allow them to grow only in direction of the CA3-region. Sema3C has repulsive properties on fibers from the medial septum and shapes the ingrowth of these fibers along the cornu ammonis region into the hippocampus. Additionally, the expression patterns of Netrin-1 and DCC and their functional properties in the hippocampus were investigated. Netrin-1 is already expressed in the cortex at E17, although the onset of expression in the hippocampus is at P1. In the dentate gyrus, a weak signal could be detected, but no signal was found in the entorhinal cortex. In the cornu ammonis region, however, Netrin-1 showed a strong expression signal. The Netrin-1 receptor DCC could be detected as early as E15 with a diffuse distribution in the hippocampal Anlage. From P1 on, these signals could be distinguished in the dentate gyrus and the CA1-CA3-regions. Netrin-1 showed attractive properties only on fibers from explants of the dentate gyrus and the CA3-region, which form the hippocampal commissure. These results confirm previous findings from Netrin-1 and DCC deficient animals in which the absence of the hippocampal commissure was described.

Mikrogliazellen stellen die professionellen Phagozyten des zentralen Nervensystems dar und sind maßgeblich bei der Entfernung apoptotischer Neurone aus dem Gewebe beteiligt. Die Erkennungsmechanismen, die zu einer Erkennung und Phagozytose apoptotischer Neurone durch Mikrogliazellen führen, sind bisher unbekannt. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe eines Kokulturmodells die Erkennungsmechanismen zwischen primären Mikrogliazellen und apoptotischen Kleinhirnneuronen untersucht. Der apoptotische Zelltod, charakterisiert durch Schrumpfung und Fragmentation der Neuron, durch Kondensation des Chromatins, durch Fragmentation der DNA und durch Präsentation von Phosphatidylserin auf der extrazellulären Seite der Plasmamembran, wurde in den Kleinhirnneuronen durch eine Behandlung mit 100 µM S-Nitrosocystein induziert. Es konnte gezeigt werden, daß apoptotische Neurone keine löslichen Substanzen sekretierten, die chemotaktisch auf Mikrogliazellen wirken. Dies zeigt, daß die Erkennung apoptotischer Neurone über Zell-Zell-Kontakte erfolgt. Zur Untersuchung der beteiligten Erkennungsmechanismen wurden Mikrogliazellen zwei Stunden nach der Induktion des apoptotischen Zelltods zu den Neuronen gegeben und für sechs Stunden in Gegenwart oder Abwesenheit von Liganden kultiviert, die mögliche Rezeptoren zur Erkennung von apoptotischen Neuronen inhibieren. Die Bindung/Phagozytose der apoptotischen Kleinhirnneurone durch Mikrogliazellen wurde mit einer kombinierten DAPI/Propidiumjodid (für apoptotische/nekrotische Zellen) und einer Lektin Färbung (für Mikrogliazellen) durch Auszählung bestimmt. Die Aufnahme apoptotischer Neurone durch Mikrogliazellen wurde durch Galaktose und N-Acetylglukosamin reduziert, was auf eine Erkennung apoptotischer Zellen durch Lektine hindeutet. Weiterhin weist der inhibitorische Effekt von RGDS-Peptiden auf die Bindung/Phagozytose von apoptotischen Neuronen durch Mikrogliazellen auf eine Erkennung durch ein Vitronektinrezeptor hin. Da Mikrogliazellen spezifisch Lipidvesikel, die mit Phosphatidylserin angereichert waren, binden und O-Phospho-L-Serin die Aufnahme von apoptotischen Neuronen durch Mikrogliazellen deutlich inhibierte, erfolgte die Erkennung apoptotischer Neurone hauptsächlich durch einen Phosphatidylserin Rezeptor. Die Expression des PS-Rezeptors auf Mikrogliazellen ist unabhängig vom Aktivierungszustand der Mikrogliazellen in vitro. Die Bindung von PS ist mit einem Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration in der Mikrogliazelle verbunden und führt nicht zu einer sekretorischen Aktivierung der Mikrogliazelle. Da Astrozyten ebenfalls einen PS-Rezeptor exprimieren, könnten sie als semiprofessionelle Phagozyten ebenfalls eine Bedeutung bei der Aufnahme apoptotischer Neurone einnehmen. Diese Ergebnisse zeigen, daß apoptotische Neurone ein komplexes Oberflächenmuster exprimieren, welches durch unterschiedliche Rezeptorsysteme der Mikrogliazelle erkannt werden kann. Die Erkennung von PS auf apoptotischen Neuronen durch Mikroglia scheint bei diesen untersuchten Rezeptorsystemen die wichtigste Rolle zu spielen., Microglia are the professional phagocytes of the central nervous system and play a crucial role in removal of apoptotic neurons out offrom the tissue. The recognition mechanisms leading to the recognition and phagocytosis of these apoptotic neurons by microglia are not yet characterized. Here IIn the present work established a co-culture model was established to examine the receptor systems involved in the recognition of apoptotic cerebellar neurons by primary microglia. Treatment with 100 µM S-nitrosocysteine induced apoptosis of cerebellar neurons as indicated by condensation and fragmentation of the neurons, condensation of the chromatin, fragmentation of the DNA and phosphatidylserine exposure to the exoplasmic leaflet of the plasma membrane. It was shown that apoptotic neurons do not release soluble signals that serve to attract microglia. Consequently, contact-dependent interaction between the microglial cell and the apoptotic neuron is required for recognition. For the examination of the receptor systems involved in recognition, microglial cells were added to neurons 2 h after induction of apoptosis induction and co-cultured for 6 h in the presence of ligands that inhibit recognition by binding to their respective receptors. Binding/phagocytosis was determined after combined DAPI/propidium iodide (for apoptotic/necrotic neurons) and lectin staining (for microglia). Uptake of neurons was reduced by galactose or N-acetylglucosamine, suggesting that recognition involves lectins. Furthermore, the inhibition of microglial binding/uptake of apoptotic neurons by RGDS peptide suggesteds a rolethe involvement of a microglial vitronectin receptor. The selective Binding of phosphatidylserine-enriched lipid vesicles on microglial cells and the strong interference of O-phospho-L-serine with the uptake of apoptotic neurons was indicative of an important role for the phosphatidylserine receptor (PS-receptor)As microglia selectively bind lipid vesicles enriches in phosphatidylserine and O-phospho-L-serine interfered in a strong way with the uptake of apoptotic neurons, the recognition of apoptotic neurons is manly dependent on a phosphatidylserine receptor. The expression of the PS-receptor is independent of the activation state of the microglial cell in vitro. The bindigbinding of PS induces an elevation of the intracellular calcium concentration in the microglia but doesid not induce an activationsectretion of (Liste der getesteten Zytokine einsetzen) of the microglial cell in an secretory way. Because of the expression of a PS-receptor, Astrocytes could also play a role in the uptake of apoptotic neurons as semiprofessional phagocytes. In summaryCollectively, these results suggest that apoptotic neurons generate a complex surface signal recognized by different receptor systems on microglia. The recognition of PS on the surface of apoptotic neurons by microglial cells seems to play a major role in the recognition of these apoptotic neuronscells..

Die Läsion des entorhinalen Kortex bei adulten Ratten induziert in der deafferenzierten Molekularschicht des Gyrus dentatus eine Gliaaktivierung und -proliferation. Histochemische Doppelfärbungen auf das astrozytenspezifische Antigen Glial fibrillary acidic protein oder den Mikrogliamarker Griffonia simplicifolia isolectin B4 und Bromodeoxyuridin haben gezeigt, daß die Mikrogliazellzahlen in der Molekularschicht des Gyrus dentatus 3 Tage nach Läsion (dpl) ein Maximum erreichten und 30 dpl auf Kontrollwerte zurückgingen. Die Astrozytenzahlen im ipsilateralen Gyrus dentatus erreichten 30 dpl ein Maximum, ihre größte Proliferationsaktivität war 7 dpl zu beobachten. 100 dpl waren die Astrozytenzahlen auf Kontrollwerte zurückgegangen. Die Gliaproliferation war nicht auf die ipsilaterale Molekularschicht beschränkt, sondern trat auch zu einem bestimmten Grad in der Körnerzellschicht und im kontralateralen Gyrus dentatus auf. Somit ruft eine entorhinale Kortexläsion eine rasche Mikrogliareaktion und eine langanhaltende Astrozytenaktivierung in der deafferenzierten Terminationszone des Tractus perforans hervor. Schließlich ist zu erwähnen, daß Gliaproliferation nach entorhinaler Läsion einem komplexen zeitlichen und räumlichen Muster folgt, das bei Prozessen der neuronalen und axonalen Reorganisation auftritt. Entorhinal cortex lesion of adult rats induces glial activation and proliferation in the deafferented dentate molecular layer. Double-labelling immunocytochemistry for the astrocyte-specific antigen glial fibrillary acidic protein or the microglial cell marker Griffonia simplicifolia isolectin B4 with bromodexyuridine detection revealed that microglia counts and the proliferation rate in the ipsilateral dentate gyrus reached a maximum in the molecular layer at 3 days post-lesion (dpl) and returned to control levels by 30 dpl. Astrocyte counts in the ipsilateral dentate gyrus peaked at 30 dpl, with maximum proliferation at 7 dpl. At 100 dpl the astrocyte count had reverted to control levels. Glial proliferation was not restricted to the ipsilateral molecular layer but also occurred to some degree in the granule cell layer and the contralateral dentate gyrus. Thus entorhinal cortex lesion induces a rapid microglial reaction and long-lasting astrocyte activation in the deafferented termination zone of the perforant path. To conclude, glial proliferation after entorhinal cortex lesion follows a complex temporal and spatial pattern that coincides with processes of neuronal and axonal reorganization.