Brain-derived neurotrophic factor in cerebral ischemia: a quantitative study on surviving and newly formed neurons

Abstract

This study explores the role of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) for neuronal vulnerability and neurogenesis following cerebral ischemia in the rat. Cerebral ischemia results in selective neuronal cell loss in specific brain regions. We here demonstrate the rank order of vulnerability in two regions affected by global forebrain ischemia, i.e., hippocampus and striatum, by combining specific immunocytochemical markers and stereological quantification methods. Furthermore, we found that the resistant cholinergic striatal interneurons increased their expression of the neurotrophin receptors p75NTR and TrkA, indicating a role for the neurotrophins for the cholinergic interneurons high resistance. By scavenging BDNF from the tissue we demonstrate that endogenous BDNF is neuroprotective for hippocampal CA4 pyramidal cells and NPY-positive hilar interneurons, and for striatal cholinergic interneurons. In contrast, when elevating the striatal BDNF levels by increasing the continuous anterograde transport from substantia nigra, we caused an increased vulnerability of NPY- and parvalbumin-immunoreactive as well as the cholinergic striatal interneurons. To explore the role of BDNF in ischemia-induced neurogenesis in the dentate gyrus, we transduced the hilus with a viral BDNF vector. The increased levels of BDNF resulted in a halted ischemia-induced neuronal differentiation in the dentate gyrus (DG), without affecting the survival of newly formed cells. To study this further, we scavenged BDNF from the hilus. The decreased levels of endogenous BDNF caused an increased number of newly formed neurons following the ischemic insult, demonstrating that both exogenous and endogenous BDNF can counteract the neuronal differentiation step. On the contrary, increasing the levels of BDNF via induced anterograde transport from the substantia nigra promoted stroke-induced neurogenesis in the striatum. Taken together these data reveal a remarkable diversity of BDNF in hippocampal and striatal cellular plasticity following cerebral ischemia.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vår forskningsgrupp har tidigare påvisat kraftiga förändringar i genuttryck för neurotrofiner, en familj av tillväxtfaktorer för nervceller, och deras receptorer i kortikala och hippokampala nervceller vid olika hjärnskador. Det är till stora delar okänt vilken funktion neurotrofiner har efter hjärnskador, men neurotrofinsvaret skulle kunna vara en skyddande mekanism och leda till sprouting och synaptisk omorganisation, eller ha direkta effekter på synaptisk transmission. Målet med denna avhandling har varit att klarlägga rollen för en av neurotrofinerna, brain-derived neurotrophic factor (BDNF), efter ischemi i hjärnan. Ischemi, dvs syre-coh näringsbrist, kan uppstå i hjärnan när ett blodförsörjande kärl stängs av och resulterar då i en lokal skada (fokal ischemi). Hjärtstillestånd eller allvarliga blodtrycksfall leder till en global ischemisk skada, men det är alltid samma grupper av nervceller som drabbas. Varför denna selektiva nervcellsdöd förekommer är än så länge oklart. I den första studien har vi genom att kombinera specifika markörer för olika typer av nervceller (immunocytokemi) och en mycket känslig och opartisk kvantifieringsmetod (stereologi) närmare studerat känsligheten för skadan hos olika grupper av nervceller i hippokampus och striatum. Resultaten bekräftar den tidigare visade fördröjda celldöden av pyramidala nervceller i CA1 området i hippocampus, men visar att de pyramidala nervcellerna i CA3 och CA4 är resistenta mot den globala ischemiska skadan. Av interneuronen i hilus var de NPY-positiva cellerna känsliga för skadan medan de parvalbumin-positiva interneuronen visade en hög resistens. I striatum var projektionsnervcellerna de mest känsliga, följda av de parvalbumin-immunoreaktiva interneuronen, medan de NPY-immunopositiva och kolinerga interneuronen var resistenta mot ischemin. De kolinerga interneuronen började dessutom att uttrycka förhöjda nivåer av både p75NTR och TrkA, två receptorer för neurotrofiner, vilket tyder på att neurotrofiner spelar en viktig roll för överlevnaden av dessa celler. För att undersöka rollen av endogent BDNF i hjärnan efter ischemi utnyttjade vi TrkB-Fc, ett protein som binder upp BDNF i vävnaden och därmed hindrar BDNF från att interagera med sin receptor. De minskade nivåerna av BDNF ledde till att de tidigare resistenta CA4 pyramidalnervcellerna samt de striatala kolinerga interneuronen nu blev känsliga mot den globala ischemiska skadan. Även de NPY-positiva interneuronen i hilus visade en ökad känslighet. Dessa resultat visar att kroppseget, endogent, BDNF har en skyddande roll för specifika grupper av nervceller. För att kunna öka nivåerna av BDNF i hjärnan transducerade vi virala vektorer som bar på genen för BDNF in i hjärnceller. För att höja nivåerna av BDNF i striatum transducerades substantia nigra, som normalt sett producerar delar av det BDNF som finns i striatum. Transduktionen var lyckad och nivåerna av BDNF steg kraftigt i både substantia nigra och striatum. Mot förmodan ledde denna kraftigt höjda nivå till ökade skador efter en fokal ischemisk skada. NPY- och parvalbumin-positiva interneuron, samt de kolinerga interneuronen visade nu alla en ökad känslighet mot den ischemiska skadan. Detta berodde troligen på att BDNF kan inducera frisläppning av neurotransmittorn glutamat, vilket i för höga nivåer är skadligt för nervcellerna. Det är numer bevisat att nybildning av nervceller i hjärnan inte bara sker under fosterutvecklingen, utan även i den vuxna hjärnan. Det finns två vedertagna områden i hjärnan som innehåller celler som kan ge upphov till nya nervceller och det är den subventrikulära zonen (SVZ) som bland annat angränsar till striatum och det subgranulära lagret i gyrus dentatus (DG) i hippokampus. En ischemisk skada leder till ett ökat antal nybildade nervceller. För att undersöka om BDNF kunde påverka även denna process transducerade vi celler i DG, vilket resulterade i förhöjda nivåer av BDNF i DG. Detta ledde till en minskning av antalet nybildade nervceller till följd av ischemin. Det totala antalet nybildade celler var inte påverkat, vilket tyder på att BDNF inte minskade överlevnaden av de nya cellerna, utan snarare förändrade vad cellerna utvecklades till. För att utforska detta vidare minskade vi nivåerna av endogent BDNF i DG, igen genom att utnyttja TrkB-Fc. De lägre nivåerna av BDNF resulterade i en ökning av antalet nybildade hjärnceller, återigen utan att påverka det totala antalet nybildade celler. Vi tittade också på antalet nybildade nervceller som vandrar från SVZ till striatum efter ischemi, efter transduktion av BDNF-vektorn till substantia nigra. De förhöjda nivåerna i striatum resulterade, tvärtemot vad vi såg i DG, i ett ökat antal nybildade nervceller i striatum till följd av fokal ischemi. Sammanfattningsvis visar våra resultat att modesta nivåer av BDNF kan verka skyddande för nervceller, medans kraftigt förhöjda nivåer kan leda till oönskade bieffekter. Vidare stimulerar BDNF ischemi-inducerad nervcellsnybildning i striatum, men styr om den ischemi-inducerade nervcellsnybildningen i gyrus dentatus.

• author: Gustafsson, Elin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Doc Blomgren, Klas, Department of Physiologi, Gothenburg University
• organization: Clinical Physiology (Lund)
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Respiratory Medicine and Allergy; Cardiac and Cardiovascular Systems
• keywords: brain-derived neurotrophic factor, cerebral ischemia, neuronal survival, neurogenesis, hippocampus, striatum, immunocytochemistry, stereology, neuropsykologi, Neurologi, neurophysiology, neuropsychology, neurofysiologi, Neurology
• pages: 148 pages
• defense location: Segerfalksalen, WNC
• defense date: 2002-12-14 10:15:00
• ISBN: 91-628-5496-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Larsson, E., Lindvall, O. and Kokaia, Z. (2001) Stereological assessment of vulnerability of immunocytochemically identified striatal and hippocampal neurons after global cerebral ischemia in rats. Brain Research; 19:1220-1228 Article: II. Larsson, E., Nanobashvili, A., Kokaia, Z. and Lindvall, O. (1999) Evidence for neuroprotective effects of endogenous brain-derived neurotrophic factor after global forebrain ischemia in rats. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism; 19:1220-1228 Article: III. Larsson, E., Mandel, R.J., Klein, R.L., Muzyczka, N., Lindvall, O. and Kokaia, Z. (2002) Suppression of insult-induced neurogenesis in adult rat brain by brain-derived neurotrophic factor. Experimental Neurology; 177:1-8 Article: IV. Gustafsson, E., Andsberg, G., Darsalia, I., Mohapel, P., Mandel, R.J., Kirik, D., Lindvall, O. and Kokaia, Z. (2002) Recombinant adeno-associated virus-mediated anterograde delivery of brain-derived neurotrophic factor to stroke-damaged striatum: exaggeration of neuronal death and promotion of early neurogenic response following stroke. Submitted Article: V. Gustafsson, E., Lindvall, O. and Kokaia, Z. (2002) Intraventricular infusion of TrkB-Fc fusion protein promotes ischemia-induced hippocampal neurogenesis in adult rat dentate gyrus. Manuscript
• id: e78ce053-91a7-4445-8d1e-e14728ba0403 (old id 465214)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:29:47
• date last changed: 2018-11-21 20:59:05