Experimental Traumatic Brain Injury and Cell Death - in vivo and in vitro aspects

Abstract

Traumatic and ischemic brain damage are major causes of disability and death. While much effort has been spent on developing pharmacological treatments for these conditions, no neuroprotective drugs are in clinical use. Neuronal death following trauma and ischemia occurs in selected cell populations of the brain at various time points after the injury, and causes cognitive and behavioral dysfunction. The injury mechanisms are similar in both types of injury. Brain trauma causes ischemia, and mitochondrial dysfunction is an important initiator of both types of cell death. In the first part of the study, a clinically relevant model of traumatic brain injury (TBI) in the rat was used to evaluate the rotating pole test as a test of neuromotor function, as well as the neuroprotective effect of administration of a low dose of prostacyclin following TBI. The rotating pole test was useful to assess outcome and functional improvement following injury, and administration of prostacyclin led to a significantly reduced cortical lesion volume, presumably through an improved microcirculation. Here we show that a low dose of prostacyclin without side effects such as systemic hypotension reduces cell death following experimental TBI. In the second part of the study, the role of mitochondria in cell death following acute brain injury was studied. A flow cytometric method for the analysis of minute samples of isolated brain mitochondria was developed, and applied to compare mitochondria from hippocampal subregions. Cell vulnerability correlated with an increased mitochondrial production of reactive oxygen species and increased sensitivity to calcium-induced mitochondrial permeability transition (mPT). In the final study, we used a functional genomics approach to identify potentially neuroprotective genes that were upregulated following ischemic preconditioning. Increased expression of the mitochondrial protein UCP-2 correlated with cell survival, and overexpression of UCP-2 was neuroprotective both in vivo and in vitro. The results suggest that under basal conditions, UCP-2 may signal through cellular redox systems to upregulate neuroprotective genes. Following injury, UCP-2 inhibits mPT, activation of caspases and cell death. Mitochondrial involvement in ischemic and traumatic brain injury is supported by the strong neuroprotective effect of inhibitors of mPT (e.g. cyclosporin A). The uncoupling proteins have attracted much interest as potential targets for the treatment of obesity, which have led to devlopment of pharmacological inducers of these proteins. The results of this study suggest that such compounds may also be used to induce neuroprotection.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hjärnskador till följd av skallskador (traumatiska hjärnskador) eller otillräckligt blodflöde (cerebral ischemi) är en av de vanligaste orsakerna till död och invaliditet i västvärlden. De vanligaste orsakerna till traumatiska hjärnskador är fordonsolyckor, fall och våldshandlingar. Cerebral ischemi ses vid en rad kliniska tillstånd, såsom slaganfall (stroke), hjärtstillestånd och gravt sänkt blodtryck. Förutom den tragedi och lidande som drabbar den skadade och dennes närstående är också kostnaderna för samhället i form av vård- och rehabilitering samt produktionsbortfall höga. Traumatiska- och ischemiska hjärnskador kallas ofta akuta hjärnskador i motsats till kroniska skador såsom Alzheimers och Parkinsons sjukdomar. Kunskapen om skademekanismerna efter akuta hjärnskador har ökat betydligt under de senaste två decennierna, men tyvärr finns för närvarande ingen etablerad farmakologisk behandling som fungerar kliniskt. Möjligheterna att utveckla en neuroprotektiv behandling har dock ökat betydligt, och fortsätter att öka i takt med forskningsinsatser inom fältet. Skademekanismerna efter akuta hjärnskador är komplexa och i många avseenden lika- t.ex. leder ofta traumatisk skada till en störning i cirkulationen med ischemi som följd. Skadeförloppet brukar delas in i primära och sekundära skador. De primära skadorna uppträder omedelbart vid skadetillfället, och förhindras främst genom preventiva åtgärder (bilbälten, airbags, hjälmar, reducering av riskfaktorer etc.). De primära skadorna leder till en rad förändringar i signalering, metabolism, blodflöde etc. som i sin tur leder till utvecklingen av sekundära skador. De sekundära skadorna uppträder ofta i distinkta regioner av hjärnan (t.ex. i subregioner av hippocampus; s.k. selektiv neuronal celldöd) med en fördröjning efter själva skadetillfället, och fortsätter därefter att utvecklas under en längre period (månader-år). Fördröjningen är intressant ur ett kliniskt perspektiv, eftersom det innebär en möjlighet att farmakologiskt bromsa skadeutvecklingen. Flera olika experimentella neuroprotektiva terapier har testats med gott resultat i djurmodeller, men tyvärr har ingen av dessa visat effekt i kliniska prövningar. Den uteblivna effekten kan bero på att prövningarna varit dåligt upplagda, att skadorna i människa är mer heterogena än i djurmodellerna, eller helt enkelt att viktiga mekanismer för skalltrauma i människa ännu inte identifierats. Akuta hjärnskador leder till förlust av nervceller och därmed förmågor och färdigheter, vilket är orsaken till att någon form av invaliditet är vanligt efter skadan. Funktionsbortfallets art och omfattning beror på skadans lokalisering och storlek, och handikappen delas ofta in i kognitiva och motoriska dito. Då neuroprotektiva strategier testas i djurexperimentella modeller är det viktigt att förutom mätning av skadans storlek även studera funktionell förbättring i form av motoriska och kognitiva förmågor. I delarbete I utvärderas ett test för motorisk koordinationsförmåga i råtta (The rotating pole test) efter experimentell traumatisk skallskada, och resultaten visar att testet är användbart för att utvärdera skada och återhämtning. De sekundära hjärnskadorna är komplexa till sin natur och är en konsekvens av att de primära skadorna orsakat förändringar i cellen och vävnaden. Som tidigare nämndes har traumatisk hjärnskada ofta ett inslag av försämrad cirkulation och därmed ischemi. Det har visat sig att prostacyclin har positiva effekter på genomblödning i en rad kliniska situationer, inklusive traumatisk hjärnskada. Ovanligt nog har inte prostacyclin testats i en djurmodell av traumatisk hjärnskada, vilket vi gjorde i delarbete II. Resultaten visade att prostacyclin ledde till en signifikant minskning av skadevolymen efter experimentell traumatisk hjärnskada, men den motoriska funktionen förbättrades inte. Mitokondrien är en central faktor i utvecklingen av de sekundära skadorna (s.k. mitokondriemedierad celldöd), varvid celldödsinducerande faktorer, t.ex. cytochrome c frisätts. Frisättning av cytochrome c kan ske genom att porer i det inre mitokondriemembranet öppnas, varvid mitokondrien svullnar, och det yttre membranet spricker. Fenomenet kallas mitochondrial permeability transition, och blockeras av cyklosporin A (CsA), vilken också visat sig ha en mycket starkt neuroprotektiv effekt i djurmodeller av akuta hjärnskador. Eftersom celldöden ofta sker i små regioner innebär det att det finns mycket begränsade mängder vävnad tillgängliga för att studera mekanismerna bakom celldöden. Beträffande mitokondrier har detta tidigare varit ett problem, eftersom de flesta etablerade tekniker för att studera mitokondriefysiologi kräver större mängder prov. Mot denna bakgrund utvecklades en flödescytometrisk metod för analys av isolerade hjärnmitokondrier (delarbete III). Med denna metod är det möjligt att mäta membranpotential, produktion av fria radikaler samt morfologiska mått (svullnad) i mycket små prover. Metoden tillämpades därefter för att jämföra mitokondrier från olika subregioner av hippocampus (CA1 och CA3), vilket är intressant eftersom CA1-cellerna är känsligare än CA3-cellerna efter cerebral ishemi. Vi fann att mitokondrier från CA1-celler producerade mer fria radikaler, samt lättare genomgick mitochondrial permeability transition vid ökade calciumnivåer. Vi tror att dessa skillnader i egenskaper hos mitokondrier från de olika subregionerna är en del av förklaringen till varför CA1-cellerna är känsligare än CA3-cellerna efter cerebral ishemi. Man har tidigare trott att hjärnans nervceller inte kan nybildas, och att de nervceller man föds med därför skall utgöra en fungerande hjärna under hela livet. Under senare år har det visats att en viss nybildning av nervceller sker i hjärnan (s.k. neurogenes), men det är ännu oklart i vilken omfattning detta sker och vilket praktisk betydelse det har. Klart är iallafall att hjärnans nervceller i högre grad än de flesta andra celler är beroende av att fungera under långa tidsperioder, vilket innebär att cellerna behöver effektiva system för att skydda sig mot skador. Dessa endogena skyddsmekanismer kan aktiveras om hjärnan utsätts för en stress som i sig inte orsakar någon celldöd (t.ex. en kort period av syrebrist). Fenomenet kallas ishemisk prekonditionering och skyddar hjärnvävnaden mot en längre, och normalt skadlig period av syrebrist. En ökad kunskap om vilka mekanismer som är inblandade i ischemisk prekonditionering kan således ge viktiga ledtrådar för utveckling av nya neuroprotektiva strategier. I delarbete IV studerade vi hur genuttrycket förändras i samband med prekonditionering, och identifierade en rad gener som selektivt uppregleras efter prekonditionering. En av dessa var Uncoupling protein 2 (UCP-2), vilket är ett mitokondriellt protein. För att studera den neuroprotektiva effekten av UCP-2 utsatte vi celler eller möss (transgener) som överuttryckte proteinet för skadligt låga nivåer av syre och glukos (oxygen-glucose deprivation; cellkultur), experimentell fokal ishemi och experimentell traumatisk hjärnskada (transgena möss), och jämförde omfattningen av celldöd med kontrollceller/ kontrolldjur. Vi fann att celldöden minskade väsentligt vid ett ökat uttryck av UCP-2, och dessutom att de transgena djuren visade en förbättrad funktionell återhämtning efter skada. Resultaten visar att UCP-2 är neuroprotektivt genom att sänka mitokondriens membranpotential något i samband med skada, och därmed minska calciumupptag och produktion av fria radikaler, samt minska risken för mitochondrial permeability transition och aktivering av celldödskaskader. Dessutom visar resultaten att UCP-2 kan delta i cellsignaleringen genom att frisätta fria radikaler i cytoplasman. Denna signalering har tidigare visat sig kunna aktivera transkriptionsfaktorer, och därmed öka uttrycket av neuroprotektiva gener. Fynden i de i denna avhandlingen ingående studierna kan ha relevans för utformandet av nya neuroprotektiva terapier. Som tidigare nämnts har prostacyclin redan använts kliniskt, men biverkningar i form av blodtrycksfall har minskat användningen. Vi visar här att en låg dos av prostacyklin som är jämförbar med den endogena produktionen har en neuroprotektiv effekt. Uncoupling-proteiner har tilldragit sig ett stort intresse eftersom de är involverade i fettmetabolism, och därmed ett intressant mål för behandling av fetma. Således finns det farmakologiska substanser som ökar uttrycket av uncoupling-proteiner, vilka därmed även har en neuroprotektiv potential.

• author: Mattiasson, Gustav
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Wester, Per, Umeå University, Sweden
• organization: Section IV
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: neurofysiologi, neuropsychology, Neurology, uncoupling protein, mitochondrial permeability transition, cerebral blood flow, functional outcome, cell death, mitochondria, hippocampus, preconditioning, trauma, Brain, ischemia, neuropsykologi, Neurologi, neurophysiology
• pages: 136 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neuroscience Center, Sölvegatan 17, Lund.
• defense date: 2003-06-07 09:00:00
• ISBN: 91-628-5721-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Mattiasson, G, Philips, M F, Tomasevic, G, Johansson B B, McIntosh T K, Wieloch T; The Rotating pole test: evaluation of its effectiveness in assessing functional motor deficits following experimental head injury in the rat. J Neuroscience Methods 95 (2000), 75-82. Article: Bentzer, P, Mattiasson, G, McIntosh, TK, Wieloch, T, Grände, PO; Infusion of prostacyclin following experimental brain injury in the rat reduces cortical lesion volume. J Neurotrauma 18:3 (2001), 275-285 Article: Gustav Mattiasson, Hans Friberg, Magnus Hansson, Eskil Elmér, Tadeusz Wieloch. Flow cytometric analysis of mitochondria from CA1 and CA3 regions of rat hippocampus reveals differences in permeability transition pore activation. (Submitted to Journal of Neurochemistry) Article: Gustav Mattiasson, Mehrdad Shamloo, Gunilla Gido, Kavitha Mathi, Gregor Tomasevic, Saili Yi, Craig H. Warden, Frank, Roger F. Castilho, Thorsten Melcher, Mirella Gonzalez-Zulueta, Karoly Nikolich, Tadeusz Wieloch. Uncoupling protein-2 prevents neuronal cell death and diminishes brain damage and dysfunction following stroke and trauma (Submitted to Nature Medicine). The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Laboratory for Experimental Brain Research (013041000)
• id: 69f30356-40b6-4333-8b46-5cde78acca60 (old id 465878)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:34:57
• date last changed: 2018-11-21 21:05:47