Neuroprotection and neurogenesis after experimental stroke

Abstract

In this thesis, two potential endogenous mechanisms for neuronal survival and repair have been investigated in a rat model of stroke, middle cerebral artery occlusion (MCAO): signaling of the GDNF family of neurotrophic factors, and neurogenesis from endogenous progenitor cells.



As determined by in situ hybridization for GDNF family ligand and receptor genes, MCAO caused widespread upregulation of both components of the functional GDNF receptor, c-Ret and GFRalpha1, indicating that GDNF may be a survival signal in stroke. However, viral vector-mediated GDNF gene transfer to the striatum prior to MCAO could not alleviate long-term neuronal loss or functional deficits, and actually exacerbated neuronal loss in one experiment. Neurogenesis was evaluated by labeling proliferating cells with the thymidine analogue BrdU, and confirming neuronal identity with double-label immunohistochemistry. In the dentate gyrus of the hippocampus, where neurogenesis is continuously ongoing, MCAO caused a pronounced but transient NMDA receptor-mediated increase in neurogenesis. In addition, neurogenesis was also seen in the striatum. Newly formed, immature neurons could be seen migrating from an expanded SVZ into the injured area of the striatum. Many newly formed cells subsequently expressed a marker of mature striatal projection neurons.



This thesis demonstrates, that the role of GDNF in stroke is more complex than previously believed, and that high levels of this factor can increase ischemic damage. Furthermore, neurogenesis is stimulated by stroke, and a mechanism for neuronal replacement following ischemic damage exists in the brain. If this response can be stimulated, new strategies for treatment of stroke may be developed.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Stroke, som kan orsakas av att en hjärnartär blockeras av en blodpropp, är en av de vanligaste orsakerna till död eller handikapp bland vuxna människor, men få behandlingsalternativ existerar. Två olika potentiella behandlingsstrategier är 1) att skydda nervceller från att dö på grund av stroke och 2) att i efterhand ersätta förlorade celler och nervcellskretsar. Ett sätt att åstadkomma detta kan vara att utnyttja den vuxna hjärnans egna mekanismer för nervcellsöverlevnad och regeneration. I denna avhandling har två sådana mekanismer studerats i en modell av stroke på råtta: signalering med nervväxtfaktorer tillhörande GDNF-familjen av nervväxtfaktorer, samt nybildning av nervceller.



Nervväxtfaktorer är proteiner som styr nervcellsöverlevnad, men även proliferation och utväxt av projektioner, under centrala nervsystemets utveckling. Det har visat sig att nervväxtfaktorer även kan ha liknande roller i det vuxna centrala nervsystemet. GDNF familjens medlemmar kan stimulera överlevnad av ett stort antal olika typer av nervceller och deras roll i stroke är därför av intresse. Genuttryck för medlemmar i GDNF familjen och deras receptorer analyserades med in situ hybridisering efter att stroke inducerats genom ocklusion av mellersta hjärnartären (middle cerebral artery occlusion, MCAO) på råttor, resulterande i infarkt av striatum, och beroende på längden av ocklusionen, även hjärnbarken. MCAO ledde till ökade nivåer av GDNF mRNA i ett mindre antal celler utanför och i gränsområdet av den utvecklande infarkten i striatum eller hjärnbarken, samt kraftigt ökade nivåer av mRNA för de två komponenter som tillsammans utgör den funktionella GDNF receptorn, GFRalpha1 och c-Ret, i samma områden. Det ökade uttrycket av GDNF-receptorer antyder att GDNF har en funktion i den strokedrabbade hjärnan och möjligen skulle kunna fungera som en signal för överlevnad. För att undersöka de neuroprotektiva egenskaperna hos GDNF i stroke, tillfördes GDNF till striatum med hjälp av gentransfer med virala vektorer före MCAO inducerat stroke. GDNF-genen tillfördes direkt till striatala celler, eller alternativt till celler i substantia nigra, som transporterade proteinet till striatum via sina efferenta projektioner. Trots höga nivåer av GDNF, kunde emellertid ingen minskning av nervcellsförlust eller funktionella bortfall detekteras, och GDNF-frisättning från celler i substantia nigra ledde till och med till ökad nervcellsförlust. Detta tyder på att GDNF kan ha andra roller i det ischemiska striatum än att signalera för neuronal överlevnad.



I den vuxna hjärnan bildas nya nervceller kontinuerligt i subventrikulära zonen och den hippocampala regionen gyrus dentatus. Neurogenesen i hjärnan efter MCAO studerades genom inmärkning av nybildade celler med tymidinanalogen BrdU och fastställande av neuronal fenotyp med dubbel-inmärkningsimmunohistokemi. Efter MCAO skedde en kraftig men övergående ökning av nervcellsnybildningen i ipsilaterala gyrus dentatus. Denna ökning förmedlades av aktivering av glutamatreceptorer av NMDA-typ. Dessutom kunde nervcellsnybildning detekteras i striatum, en region där sådan nybildning normalt inte sker. Två veckor efter MCAO kunde omogna, nybildade neuron ses vandra in i det skadade striatum från en expanderad subventrikulärzon. Tre veckor senare hade många av de nybildade cellerna börjat uttrycka en markör för mogna striatala projektionsneuron.



Denna avhandling visar sålunda att både GDNF och neurogenes troligen har betydelsefulla funktioner vid ett stroke, ehuru GDNFs roll i detta sammanhang är mer komplex än vad man tidigare trott. Viktigt att notera är att kraftigt ökade nivåer av GDNF till och med kan leda till mer omfattande ischemisk celldöd efter MCAO. Dessa iakttagelser bör beaktas i samband med vidare utvärdering av GDNFs terapeutiska egenskaper vid stroke. Av stort intresse är att hjärnans nervcellsnybildning stimuleras efter ett stroke, och att en mekanism för ersättning av förlorade nervceller existerar i hjärnan. Om detta regenerativa svar kan förstärkas, skulle nya strategier för behandling av stroke kunna utvecklas.

• author: Arvidsson, Andreas
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Kuhn, Hans-Georg, Klinik für Neurologie der Universität Regensburg, Regensburg, Germany
• organization: Neurology, Lund
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: stereology, rat, Neurology, neuropsychology, neurophysiology, Neurologi, neuropsykologi, neurofysiologi, BrdU, immunohistochemistry, in situ hybridization, subventricular zone, striatum, dentate gyrus, neuronal replacement, neuronal survival, Focal cerebral ischemia, glial cell line-derived neurotrophic factor
• pages: 175 pages
• defense location: GK-salen, Biomedical Center, Lund
• defense date: 2003-04-25 10:15:00
• ISBN: 91-628-5610-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Arvidsson, A., Kokaia, Z., Airaksinen, M.S., Saarma, M. and Lindvall, O. (2001) Stroke induces widespread changes of gene expression for glial cell line-derived neurotrophic factor family receptors in the adult rat brain. Neuroscience 106, 27-41 Article: II. Arvidsson, A., Kirik, D., Lundberg, C., Mandel, R.J., Andsberg, G., Kokaia, Z. and Lindvall, O. (2003) Elevated GDNF levels following viral vector-mediated gene transfer can increase neuronal death after stroke in rats. Submitted Article: III. Arvidsson, A., Kokaia, Z. and Lindvall, O. (2001) N-methyl-D-aspartate receptor mediated increase of neurogenesis in adult rat dentate gyrus following stroke. European Journal of Neuroscience 14, 10-18 Article: IV. Arvidsson, A., Collin, T., Kirik, D., Kokaia, Z. and Lindvall, O. (2002) Neuronal replacement from endogenous precursors in the adult brain after stroke. Nature Medicine 8, 963-970
• id: 55588f57-98d1-4e86-a059-d4ca2eceb256 (old id 465628)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:24:49
• date last changed: 2018-11-21 20:58:37