Experimental Stroke and Neurotrophins: Regulation, function and gene transfer of neurotrophins in rat and mouse models of focal cerebral ischemia

Abstract

Stroke caused by focal cerebral ischemia is a major cause of death and neurological disability in humans. The forebrain region most commonly affected by ischemic incidents is that supplied by the middle cerebral artery. In this thesis, neuronal cell death has been investigated using immunohistochemistry for identification of specific neurons and unbiased counting methods after transient occlusion of the middle cerebral artery (MCAO). Our studies show that striatal projection neurons and parvalbumin-containing interneurons are vulnerable, whereas cholinergic and NOS-containing interneurons are highly resistant to MCAO.



The high potency of the neurotrophin family of neurotrophic factors to inhibit neuronal death in immature cell systems and the widespread expression of these factors throughout the adult brain, suggest that the neurotrophins might be critical regulators of neuronal survival. Rapid and profound increase of BDNF gene expression has been shown in the frontal and cingulate cortices after MCAO. We show here that also the BDNF protein levels are elevated in the same cortical regions after the ischemic insult, but also further dynamic changes in subcortical regions strongly suggesting anterograde transport of BDNF in forebrain neurons.



In our further studies, the ability of the neurotrophins to change the vulnerability of striatal neurons to ischemic damage was investigated in the MCAO model. First, the resistant cholinergic interneurons in striatum respond to MCAO with expression of the p75 neurotrophin receptor (p75NTR). However, the vulnerability of the cholinergic interneurons to MCAO was not increased in a mice strain mutant for the P75NTR, which strongly argue against a major role of this receptor for the prominent resistance of these interneurons to ischemic insults.



In order to directly investigate the neuroprotective properties of the neurotrophins, the vulnerability of striatal neurons to focal cerebral ischemia was determined after increasing the levels of BDNF and NGF by gene transfer to the striatum. Increased survival of striatal projection neurons was found after intrastriatal grafting of NGF-secreting genetically modified neural stem cells and after direct transfer of the BDNF gene to striatal cells using an adenoassociated viral (AAV) vector. Furthermore, viral transfer of the BDNF or NGF gene to striatal cells increased survival of parvalbumin-containing interneurons after MCAO. Our data support a role for the neurotrophins as a protective factor against ischemic damage.



To assess the functional significance of increased neuronal survival in striatum after focal cerebral ischemia, we utilized different behavioral tests for striatal motor function. We found a strong correlation between scores from these behavioral tests and the extent of striatal damage, and in particular skilled forelimb use in the staircase paradigm was the best predictor of damage. Viral delivery of the neurotrophins lead to improvements in ischemia-induced motor impairments, which appeared to be due to increase in the survival of striatal neurons treated with BDNF.



In conclusion, this thesis shows that focal cerebral ischemia causes dynamic changes of the BDNF and p75NTR levels. Gene transfer-induced elevation of neurotrophin levels increases the survival of striatal neurons to ischemic damage, which indicates a neuroprotective role for these factors in the mature brain.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Stroke är den tredje vanligaste dödsorsaken och den vanligaste orsaken till neurologiskt handikapp. Idag är möjligheten att motverka skadeutvecklingen vid stroke begränsad. Experimentella modeller för stroke innebär att vi kan studera mekanismer för nervcellsskada vid patologiskt sänkta blodflödesnivåer (ischemi). I våra studier har mellersta hjärnartären på ena sidan tillfälligt stängts av (MCAO) på råtta och mus. Detta är det blodkärl i hjärnan som oftast drabbas av blodpropp hos människa. Nervcellsspecifika infärgningsmetoder, i huvudsak med immunhistokemisk teknik, har tillsammans med kvantifieringsprinciper som är s.k. unbiased, använts vid våra studier av nervcellsdegeneration efter MCAO, vilket är nytt inom experimentell strokeforskning. Vi visar att immunhistokemi kan användas för korrekt bedömning av ischemiskt betingad nervcellsskada och att olika nervcellspopulationer i striatum är olika känsliga för fokal cerebral ischemi. Striatala projektionsneuron, vilken är den dominerande striatala nervcellstypen, samt parvalbumin-innehållande interneuron är mycket vulnerabla, medan kolinerga och kväveoxidsyntas-innehållande interneuron uppvisar hög resistens mot ischemisk skada.



Vi studerade vidare neurotrofiners reglering och funktion vid fokal cerebral ischemi. Denna familj av nervtillväxtfaktorer kan med hög potential motverka nervcellsdöd i omogna cellsystem och med tanke på neurotrofinernas utbredda förekomst i hjärnan, skulle de kunna vara viktiga för nervcellers överlevnad även i den utmogna hjärnan. Patologiska tillstånd i hjärnan, så som ischemi och epilepsi, leder till kraftigt förändrade nivåer av neurotrofinernas uttryck, vilket föreslagits vara en inneboende förmåga att motverka nervcellsdöd. I tidigare studier har genuttrycket för neurotrofinen brain-derived neurotrophic factor (BDNF) visat hastigt och kraftigt ökade nivåerna i frontal och cingulatum kortex. Vi undersökte därför om även proteinnivåerna av BDNF förändrades och fann kraftigt förhöjda nivåer av denna neurotrofin i samma kortikala områden. Dessutom indikerade de dynamiska förändringarna av BDNF i kortikala och subkortikala regioner tydligt att denna neurotrofin transporteras i anterograd riktning i kortikala nervceller. Dessa kraftiga förändringar av BDNF under det akuta skedet av den ischemiska processen, i de överlevande regionerna av hjärnan, kan passa med en neuroprotektiv roll för BDNF, men skulle även kunna vara av betydelse för en plastisk omställning.



Vidare studerade vi neurotrofinernas förmåga att öka specifika nervcellspopulationernas resistens mot ischemisk skada i striatum. Först visade vi att de kolinerga interneuronen i striatum börjar uttrycka låg-affinitetsreceptorn för samtliga neurotrofiner, p75 neurotrophin receptorn (p75NTR), efter MCAO. Detta ischemi-inducerade receptoruttryck skulle kunna bidra till dessa interneurons höga resistens mot ischemisk skada. Emellertid var de kolinerga interneuronen ej mer vulnerabla för MCAO hos möss med en homozygot genmutation för p75NTR, vilket talar emot att receptorn har någon avgörande neuroprotektiv roll för dessa nervceller vid ischemi.



För att undersöka neurotrofinernas mer direkta neuroprotektiva egenskaper, fastställdes striatala nervcellers vulnerabilitet vid fokal cerebral ischemi, efter det att nivåerna av BDNF och nerve growth factor (NGF) ökats med hjälp av genöverföring. De mycket vulnerabla striala projektionsneuronen överlevde i större utsträckning när NGF-producerande, genetiskt modifierade stamceller transplanterades till striatum och efter direkt överföring av BDNF-genen till striatal celler med en adenoassocierad viral (AAV) vektor. Dessutom ledde viral överföring av NGF eller BDNF genen till celler i striatum till ökad överlevnad av parvalbumin-innehållande interneuron. Våra data för neurotrofinbehandling, talar starkt för att neurotrofinerna har en neuroprotektiv roll vid fokal cerebral ischemi.



För att utvärderade den funktionella betydelsen av ökad nervcellsöverlevnad vid fokal cerebral ischemi, nyttjade vi ett flertal olika beteendetest för striatal motorisk funktion efter MCAO. Vi fann en stark korrelation mellan poäng i dessa beteendetester och den striatala skadans storlek, varav det test som värderade råttans förmåga till precis användning av frambenen, i det sk staircase testet, visade sig bäst kunna predicera antal överlevande nervceller i striatum. Behandling med BDNF genom direkt genöverföring till striatum ledde till något förbättrad prestation i dessa beteende tester, vilket var i överensstämmelse med en något förbättrad överlevnad av striatala nervceller. Att innefatta både histologiska och relevanta beteendetest är inte bara viktigt för att validera en neuroprotektiv strategi utan gör även denna behandling mer kliniskt relevant.



Sammanfattningsvis visar denna avhandling att fokal cerebral ischemi ger upphov till dynamiska förändringar av BDNF och p75NTR. Ökade nivåer av neurotrofiner med hjälp av genöverföring leder till att striatala nervcellers vulnerabilitet minskar vid ischemi, vilket indikerar att neurotrofinerna har en neuroprotektiv roll i den utmogna hjärnan.

• author: Andsberg, Gunnar
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Zimmer, Jens, Syddansk Universitet, Odense, Denmark
• organization: Neurology, Lund
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: neuropsychology, Neurology, animal behaviour, striatum, stereology, immunohistochemistry, focal cerebral ischemia, nerve growth factors, neurophysiology, Neurologi, neuropsykologi, neurofysiologi
• pages: 168 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neuroscience Center, Lund
• defense date: 2001-03-17 10:15:00
• ISBN: 91-628-4662-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 75da6c4a-fdaf-45ec-8159-c55992ce14f2 (old id 41289)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:11:33
• date last changed: 2018-11-21 21:09:32