Mechanisms of Mitochondria-Induced Brain Damage Following Ischemia and Hypoglycemia

Abstract

Mechanisms of Mitochondria-Induced Brain Damage Following Ischemia and Hypoglycemia



Following prolonged disruption of blood flow to the central nervous system (CNS), or energy deprivation by other means, such as hypoglycemia, some cells will inevitably degenerate. It has been, and still is, the subject of considerable debate and intense research on brain ischemia, as to the mode of cell death, i.e. do neurons (and other cells in the CNS) die as the result of a cell death program (apoptosis)? Are there similarities in the mechanisms, which seem to play an important role for executing cell death in apoptosis vs. the mechanisms, which are responsible for ischemic and hypoglycemic cell death? This thesis brings up some of the questions related to this issue. The time course of DNA fragmentation and its relation to morphological signs of cell death was studied. The role of the mitochondrial permeability transition (MPT), which is a state where an increase in permeability of the inner mitochondrial membrane causes mitochondrial swelling, was examined following hypoglycemia. The possible roles of caspase-3, the apoptotic "signature" protease, and calpain, a protease involved in both necrotic and apoptotic cell death, were investigated. We conclude that following hypoglycemia an induction of the MPT occurs and that following hypoglycemia and transient forebrain global ischemia, calpain and caspase-3 are activated. In both cases, caspase-3 activation precedes the development of DNA fragmentation. The activation of caspase-3, calpain, and DNA fragmentation, are processes only seen in degenerated or dying cells and are all prevented by blockade of MPT. In summary, neuronal cell death induced as a result of hypoglycemia and possibly ischemia, can be mediated through mitochondria-dependent cell death mechanisms.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Det finns en rad situationer då celler, företrädesvis nervceller, i hjärnan dör till följd av en kraftigt begränsad eller helt förhindrad blodtillförsel sk. ischemi. Till dessa hör "Stroke" eller slaganfall. Skallskada, drunkningsolyckor eller hjärtstopp med återupplivning, och hypoglykemi vid insulinkoma är ytterligare några fall där energi- eller syrgastillförseln är minskad till kritiska nivåer så att hjärnskador utvecklas.



Celldöd förekommer naturligt under utvecklingen av kroppens alla vävnader och celler. Det sker en intensiv forskning kring mekanismerna för denna fysiologiska celldöd, och man vet numera hel del detaljer kring de mekanismer som är aktiva vid fysiologisk celldöd. Apoptosis är den morfologiska form av celldöd som oftast kännetecknar naturligt förekommande celldöd. Ordet är grekiskt och betyder "faller av" (viket syftar till när löv faller av träd på hösten, såsom beskrivande celler som genomgår dessa typiska förändringar). Dess motsats är nekros, även detta en morfologisk term. Den stora skillnaden mellan apoptosis och nekros anses vara att de morfologiska förändringarna vid apoptosis är stereotypiska, dvs i en given celltyp utvecklas samma förändringar i ett bestämt tidsförlopp varje gång en ny cell dör. De är förutsägbara. Morfologin vid nekros är inte förutsägbar i det enskilda fallet av celldöd.



Trots dessa skillnader tyder data på förekomsten av likheter i de biokemiska reaktionerna vid apoptotisk respektive icke-apoptotisk celldöd.



Syftet med denna avhandling har varit att försöka klarlägga följande: Vilken betydelse har vissa av de mekanismer som bevisligen är viktiga vid celldöd av apoptotisk natur, för celldöd som uppkommer i hjärnan till följd av tex stroke? I första hand har nedanstående mekanismer med koppling till cellens energifabrik, mitokondrien, studerats.



"Mitochondrial Permeability Transition" (MPT)



Vid frånvaro av ATP, cellens energi-substrat, och vid samtidigt kraftigt höjda Ca2+-nivåer, genomgår isolerade mitokondrier en permeabilitets-ökning (MPT). Vid MPT ökar permeabiliteten i mitokondriens innermembran så att molekyler som är mindre än 1500 Da kan passsera, samtidigt som mitokondrien sväller, d.v.s. dess volym ökar. En konsekvens av MPT är att proteiner som är lokaliserade till mitokondriens intermembranrum frisättes. Samtidigt förlorar mitokondrien förmågan att bilda ATP och kontrollera produktionen av s.k. fria radikaler. Data tyder på att MPT spelar en viktig roll vid både apoptotisk och icke-apoptotisk celldöd. Cyclosporin A är en substans som blockerar MPT och som vi har visat minskar cellskadan vid hypoglykemi och stroke.



Caspaser



Vissa av de proteiner som medierar mitokondrieaktiverad celldöd är lokaliserade till utrymmet mellan mitokondriens inner- och yttermembran. Cystein aspartaser (caspaser) är en grupp enzymer, s.k. proteaser, som spjälkar proteiner på ett mycket specifikt sätt så att proteinets egenskaper förändras. Bland annat kan caspaserna aktivera proteiner i reaktioner som leder till apoptos. De tycks även vara av betydelse vid celldöd med icke-apoptotiska förtecken. I avhandlingen visas att cyclosporin A förhindrar aktiveringen av caspase-3 vid hypoglykemi vilket tyder på att mitokondrieaktivering av dessa enzymer sker och att de kan deltaga i celldödsprocessen. Vidare visas att en minskning av hjärntemperaturen till 33 grader, hypotermi, skyddar hjärnan mot syrgasbristskador. Den minskade temperaturen förhindrar även caspase-3 aktiveringen som normalt ses efter syrgasbrist vid normal hjärntemperatur.



Calpainer



En annan grupp proteaser är calpainer. Även calpainer anses vara viktiga vid celldöd men har även betydelsefulla funktioner vid andra viktiga processer. Calpainer är mycket strikt beroende av kalcium för sin aktivitet. Eftersom en ökning av kalciumkoncentrationen sker i cellen efter ischemi, vilket anses vara av betydelse i sjukdomsförloppet, så har calpain och dess roll varit föremål för många studier vid ovan nämnda tillstånd. Vi har beskrivit calpainets aktivering efter hypoglykemi och ischemi för att ytterligare belysa dess funktion. Calpain aktiveras vid återhämtningsfasen både efter hypoglykemi och ischemi, och dess aktivering förhindras efter blockad av MPT med cyclosporin A och efter hypotermi vid ischemi.



DNA fragmentering



Det slutgiltiga tecknet på att en cell ofrånkomligen är död är att olika nedbrytningsprocesser äger rum. Spjälkning, fragmentering av DNA, orsakas av en grupp enzymer, endonukleaser, vilka bryter ned DNA-molekylen på ett regelbundet sätt så att DNA fragment med definierad storlek bildas. DNA fragmentering kan initieras av åtminstone ett enzym i den ovan beskrivna caspas-familjen, caspase-3. DNA fragmentering tycks förekomma vid såväl apoptotisk som icke-apoptotisk celldöd. Vi har kartlagt DNA fragmenteringsmönstret och dess tidsförlopp efter ischemi och hypoglykemi i förhållande till degenerativa morfologiska förändringar. DNA fragmenteringen vid hypoglykemi och ischemi är ett relativt sent förlopp vid celldöd och ses ofta först då cellförändringar, såsom kondensering av cytosol och kärna, har skett. Blockering av MPT med cyclosporin A förhindrar DNA fragmentering vid hypoglykemi, medan hypotermi förhindrar DNA fragmentering vid ischemi.



Slutsats



Efter hypoglykemi påvisades en aktivering av mitokondriens permeabilitets transitionspor i celler som degenerar efter insulin-inducerad hypoglykemi. I dessa celler aktiveras caspase-3 och calpain, tidigt (mindre än 3 timmar) under återhämtningsfasen, medan DNA fragmenteringen sker sent (mer än 6 timmar) under återhämtningsfasen.



Efter ischemi, sker caspase-3 och calpainaktivering i nervceller som dör mellan 36-48 timmar efter det att reperfusion av hjärnan påbörjats. DNA fragmentering sker efter proteasaktiveringen. En sänkning av hjärntemperaturen till 33°C förhindrar proteas-aktivering och DNA fragmentering.



Syntes: Neuronal celldöd som orsakas av ischemi eller hypoglykemi kan i vissa fall medieras av mitokondrie-beroende celldödsmekanismer, som förhindras av hypotermi och blockeras av MPT.

• author: Ferrand-Drake, Michel
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Zhivotovsky, Boris, Institutionen för Miljömedicin, Avdelningen för Toxikologi, Karolinska Institutet, Stockholm
• organization: Wallenberg Neuroscience Centre, Lund
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: cyclosporin A, neuronal death, calpain, caspase, mitochondrial permeability transition, necrosis, apoptosis, cerebral ischemia, hypoglycemia, Neurology, neuropsychology, neurophysiology, Neurologi, neuropsykologi, neurofysiologi
• pages: 176 pages
• defense location: Segerfalkssalen, Wallenberg Neurocenter
• defense date: 2000-02-11 09:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEXB-1023-SE
• ISBN: 91-628-4002-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Experimental Brain Research (0131000120)
• id: 3a8cfeea-9166-496c-9882-f88b78cd7d90 (old id 40218)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:47:17
• date last changed: 2018-11-21 21:00:46