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Forschungsbericht 2005


Abteilungsname: Abteilung Neuroanatomie
Direktorin: Prof. Dr. rer. nat. Claudia Grothe

 

I. Forschungsprofil

Gegenstand der Forschungsarbeiten in der Abteilung Neuroanatomie ist die Rolle von Wachstumsfaktoren bei der Entwicklung sowie bei degenerativen und regenerativen Prozessen des zentralen und peripheren Nervensystems (Ratte und Mausmutanten). Darüber hinaus werden zellbasierte regenerative Therapieansätze in zwei Modellen der Ratte (periphere Nervenregeneration und Morbus Parkinson) umfassend bearbeitet. Dabei werden Schwann Zellen bzw. neuronale Progenitorzellen transplantiert. Mittels genetischer Modifikation der Zellen werden neuronale Wachstumsfaktoren eingebracht, um das Wiederauswachsen der Axone und das neuronale Überleben zu steigern. Die Untersuchung der Tiermodelle umfasst Verhaltenstests, morphologische und morphometrische Analysen sowie immunologische und elektrophysiologische Charakterisierungen. Zum Spektrum der in vitro Techniken gehören alle üblichen zellbiologischen, molekularbiologischen und biochemischen Methoden. Abhängig vom Zelltyp kommen unterschiedliche nicht-virale Transfektionsmethoden zum Einsatz. Schließlich werden die Wirkungskaskaden von Wachstumsfaktoren an Zelllinien sowie Primärzellen morphologisch, molekular und funktionell untersucht.

II. Forschungsprojekte


Die physiologische Bedeutung von FGF-2 nach peripherer Nervenläsion – Erkenntnisse aus Studien an genetisch veränderten Mäusen


Die Funktion von FGF-2 in den Spinalganglien

FGF-2 und seine Tyrosinkinase-Rezeptoren 1-4 werden in verschiedenen Subpopulationen der Spinalganglienneurone während der Entwicklung und im Erwachsenenalter exprimiert. Im Gegensatz zu den FGF Rezeptoren 1, 2 und 4, wird der FGF Rezeptor (R) 3 nach Läsion des N. ischiadicus zusammen mit FGF-2 hochreguliert, was auf eine physiologische Rolle von FGF-2 und FGFR3 beim Überleben der sensorischen Neurone schließen lässt. Tatsächlich konnte eine neuroprotektive Wirkung von FGF-2 sowohl für sensorische als auch für motorische Neurone nach exogener Applikation gezeigt werden. Neurotrophe Faktoren wie FGFs oder Neurotrophine spielen nicht nur eine Rolle beim Zelltod, sondern regulieren auch den Transmitterphänotyp wie z. B. Neuropeptide der Spinalganglienneurone während der Entwicklung und nach peripherer Nervenläsion. Um die Funktion des endogenen FGF-2 und FGFR3 bei diesen Prozessen weiter zu klären, wurden FGF-2- und FGFR3-defiziente Mäuse zwei Wochen nach Durchtrennung des N. ischiadicus untersucht. Die Quantifizierung des Spinalganglions L5 bei intakten Tieren ergab weder in der Gesamtanzahl der Neurone noch in der Expression des Neuropeptides CGRP einen Unterschied zwischen normalen und genetisch veränderten Tieren. Demnach scheint der neurotrophe Faktor für die Entwicklung der Spinalganglienneurone nicht essentiell zu sein. Allerdings offenbarten sich nach Axotomie deutliche Veränderungen. Während normale Mäuse eine signifikante Abnahme der überlebenden Neuronen und der CGRP-Expression aufwiesen, zeigten die FGF-2- defizienten Tiere keine läsionsinduzierten Veränderungen hinsichtlich Überleben der Neurone und dessen Neuropeptidexpression (Abb. 1). Außerdem war die Anzahl an morphologisch veränderten Neuronen nach Läsion des N. ischiadicus in Abwesenheit von FGF-2 erhöht, was auf eine transiente Protektion von FGF-2 schließen lässt. Somit scheint FGF-2 nicht nur den neuronalen Zelltod zu vermitteln, sondern auch die Expression des Neuropeptides CGRP nach Läsion zu regulieren. Analoge Befunden zeigten sich auch bei FGFR3-defizienten Mäusen, was die Vermutung nahe legt, dass der FGF-2 Effekt über den FGFR3 mediiert wird.

 

Abb. 1. Quantifizierung der Gesamtzellzahl sowie der Anzahl an CGRP-positiven Neuronen im Spinalganglion L5 von normalen (WT, weiße Balken) und FGF-2-defizienten Mäusen (KO, schwarze Balken) vor und nach Läsion.

 

Die Funktion von FGF-2 im peripheren Nerven

FGF-2 wird nicht nur in den sensorischen Neuronen der Spinalganglien, sondern auch in den Schwann Zellen der peripheren Nerven exprimiert und nach Läsion hochreguliert. Somit scheint der neurotrophe Faktor auch eine Rolle bei der Regeneration des peripheren Nervensystems zu spielen. In verschiedenen Studien konnten wir zeigen, dass die exogene Applikation von FGF-2 die periphere Nervenregeneration über lange Distanzen zwischen zwei Nervenstümpfen fördert. Um die physiologische Funktion des endogenen FGF-2 zu klären, wurden transgene Mäuse untersucht, die FGF-2 überexprimieren. Eine Woche nach Nervenquetschung, zeigten die transgenen Tiere doppelt so viele regenerierte myelinisierte Axone verglichen mit den normalen Tieren, jedoch mit signifikant dünneren Myelinscheiden. Diese Ergebnisse bestätigen Befunde aus vorangegangenen Studien unserer Gruppe und anderer, in denen FGF-2 das axonale Wachstum stimuliert und die Myelinisierung inhibiert. Nach einer peripheren Nervenverletzung beginnen Schwann Zellen an der Läsionsstelle und im distalen Stumpf zu proliferieren und bilden die Büngnerschen Bänder aus, die als Leitschienen für die auswachsenden Nervenfasern dienen. In Wildtypen und FGF-2 transgenen Mäusen wurde die Anzahl an proliferierenden Schwann Zellen 5 Tage nach Läsion ermittelt. Während die Anzahl der BrdU-markierten Zellen an der Läsionsstelle bei beiden Tiergruppen gleich war, zeigten die transgenen Tiere signifikant mehr proliferierende Zellen im distalen Bereich (Abb. 2). FGF-2 ist also nicht nur in vitro ein effektiver mitogener Faktor, sondern ist auch in vivo im Regenerationsgeschehen an der Stimulation der Proliferation der Schwann Zellen beteiligt.

Abb. 2. Repräsentativer Fotoausschnitt einer Nerven-Läsionsstelle mit BrdU-markierten Zellen (Pfeile; A). Die Anzahl an proliferierenden Schwann Zellen distal der Läsionsstelle ist in den transgenen Mäusen (Tg) erhöht verglichen mit normalen Tieren (Wt; B).

 

 

 

 

Interaktives Testen und Optimierung von Polysialinsäure-Matrizes und –Gerüsten für das Überleben peripherer und zentraler Neurone und die Proliferation von Gliazellen.

Projektleiter: Prof. Dr. Claudia Grothe, Förderung: DFG-Forschergruppe

 

FGF-2 – Signaltransduktionswege und Regulation durch einen neuen Inhibitor.

Projektleiter: Prof. Dr. Claudia Grothe, Förderung: Niedersächsisch-Israelische Forschungsförderung durch das MWK

 

Neuronale Progenitorzellen – Anreicherung, Charakterisierung, genetische Manipulation und Evaluation in vivo nach intrastriataler Transplantation im Rattenmodell des Morbus Parkinson.

Projektleiter: Prof. Dr. Claudia Grothe, Förderung: Graduiertenförderung des Zentrums für Systemische Neurowissenschaften (ZSN) Hannover

 

Evaluation von Polysialinsäure-Mausmodellen – Entwicklung und Regeneration peripherer Nerven.

Projektleiter: Prof. Dr. Claudia Grothe, Dr. Julia Jungnickel gemeinsam mit Prof. Dr. R. Gerardy-Schahn, Dr. Birgit Weinhold, Abteilung Zelluläre Chemie, MHH und PD Dr. Matthias Eckhardt, Institut für Physiologische Chemie Universität Bonn, Förderung: DFG

 

Funktionelle in vivo-Untersuchungen zur Rolle des FGF-2 Systems bei der Regeneration peripherer Nerven - Einsatz genetisch veränderter neonataler Schwann-Zellen im in vivo-Regenerationsmodell des Nervus ischiadicus der adulten Ratte.
Projektleiter: Prof. Dr. Claudia Grothe, Dr. Kirsten Haastert; Förderung: Internationale Stiftung Neurobionik


Interaktion des survival of motoneuron Proteins SMN mit dem neurotrophen Fibroblastenwachstumsfaktor – 2 (FGF-2): Bedeutung für die molekulare Pathologie der Spinalen Muskelatrophie
Projektleiter: PD Dr. P. Claus ; Förderung: Fritz Thyssen Stiftung

 

Das survival of motoneuron (SMN) Protein und axonales Wachstum

Projektleiter: PD Dr. P. Claus ; Förderung: Fritz Thyssen Stiftung

 

Transplantation physiologischer und genetisch veränderter adulter Schwann-Zellen in rekonstruierte periphere Nerven zur Steigerung der funktionellen Wiederherstellung nach Durchtrennung.
Projektleiter: Dr. Kirsten Haastert; Förderung: Kogge-Stiftung für veterinär-medizinische Forschung Gießen


Zellkulturmodelle zur Untersuchung der zellulären Pathomechanismen der Spinalen Muskelatrophie und der Amyotrophen Lateralsklerose und zur Entwicklung neuer therapeutischer Strategien zur Behandlung dieser Motoneuronerkrankungen

Projektleiter: Dr. Kirsten Haastert; Förderung: Deutsche Gesellschaft für Muskelkranke e.V. (DGM)

 

In vivo- und in vitro-Untersuchungen des Einflusses gesteigerter Bewegungsaktivität auf die axonale Regeneration motorischer Neurone des axotomierten Nervus ischiadicus adulter Ratten.
Projektleiter: Dr. Kirsten Haastert; Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) als Forschungsstipendium an Dr. Haastert, Durchführung im Labor von Prof. Dr. Fernando Gomez-Pinilla an der University of California Los Angeles

 


III.  Publikationen

 

Originalpublikationen

 

Haastert K, Grosskreutz J, Jaeckel M, Laderer C, Bufler J, Grothe C, Claus P. Rat embryonic motoneurons in long-term co-culture with Schwann cells – a system to investigate motoneuron diseases on a cellular level in vitro. J Neurosci Methods 2005; 142: 275-84.

 

Jungnickel J, Klutzny A, Guhr S, Meyer K, Grothe C. Regulation of neuronal death and calcitonin gene-related peptide by fibroblast growth factor-2 and FGFR3 after peripheral nerve injury: evidence from mouse mutants. Neuroscience, 2005; 134:1343-1350.

 

Haastert K., Lipokatic E., Fischer M., Timmer M, Grothe C. Differentially promoted peripheral nerve regenerazion by grafted Schwann cells over-expressing different FGF-2 isoforms. Neurobiol Dis  2005 Aug. 24 Epub ahead of print.

 

Petri S, Schmalbach S, Grosskreutz J, Krampfl K, Grothe C, Dengler R, Van Den Bosch L, Robberecht W, Bufler J. The cellular mRNA expression of GABA and glutamate receptors in spinal motor neurons of SOD1 mice. J Neurol Sci. 2005 Aug 5 Epub ahead of print.

 

Timmer M, Grosskreutz J, Schlesinger F, Krampfl K, Wesemann M, Just L, Bufler J, Grothe C. Dopaminergic properties and function after grafting of attached neural precursor cultures. Neurobiol Dis 2005 Oct. 24 Epub ahead of print.

 

Jungnickel J, Haase K, Konitzer J, Timmer M, Grothe C. Faster nerve regeneration after sciatic nerve injury in mice overexpressing basic fibroblast growth factor. J Neurobiol in press.

 

Haastert K, Mauritz C, Matthies C, Grothe C. Autologous adult human Schwann cells genetically modified to provide alternative cellular transplants in peripheral nerve regeneration. J Neurosurg in press.


Übersichtsarbeiten

 

Grothe C, Haastert K, Jungnickel J. Physiological function and putative therapeutic impact of the FGF-2 system in peripheral nerve regeneration – lessons from in vivo studies in mice and rats. Brain Res Rev in press.

 

Buchbeiträge

 

Berens v. Rautenfeld D, Claus P. Terminale Strombahn, interstitieller Bindegewebsraum, initiale Lymphgefäße und Präkollektoren. In: Földi M, Földi E, Kubik S., Hrsg. Lymphologie. 6. Aufl.München: Elsevier; 2005; p. 151-61.

 

Abstracts

 

2005 wurden 24 Abstracts publiziert.

 

 

IV.  Habilitationen und Promotionen

 

Habilitationen

 

PD Dr. P. Claus: Der intrazelluläre Fibroblastenwachstumsfaktor – 2 (FGF-2): Zelluläre Lokalisation und Interaktionen. („Anatomie“).

 

Promotionen

 

Gringel, Susanne (Dr. med.): Der Fibroblasten-Wachstumsfaktor – 2 (FGF-2) interagiert mit dem Spleiss-Faktor 3a (SF3a).

 

Lipokatic, Esther (Dr. rer. nat.): Funktionelle und histologische Untersuchungen der FGF-2-Isoformen im Regenerationsmodell des Nervus ischiadicus der adulten Ratte

(Rattus norvegicus) - Transplantation genetisch modifizierter Schwann-Zellen.

 

Mauritz, Christina (Dr. med. vet.): Etablierung der Isolierung, selektiven Anreicherung und Transfektion adulter Schwann-Zellen der Ratte und des Menschen zur Überexpression von FGF-2-Isoformen.