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Effects of dopamine on BDNF / TrkB mediated signaling and plasticity on cortico-striatal synapses
(2021)
Progressive loss of voluntary movement control is the central symptom of Parkinson's disease (PD). Even today, we are not yet able to cure PD. This is mainly due to a lack of understanding the mechanisms of movement control, network activity and plasticity in motor circuits, in particular between the cerebral cortex and the striatum. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has emerged as one of the most important factors for the development and survival of neurons, as well as for synaptic plasticity. It is thus an important target for the development of new therapeutic strategies against neurodegenerative diseases. Together with its receptor, the Tropomyosin receptor kinase B (TrkB), it is critically involved in development and function of the striatum. Nevertheless, little is known about the localization of BDNF within presynaptic terminals in the striatum, as well as the types of neurons that produce BDNF in the cerebral cortex. Furthermore, the influence of midbrain derived dopamine on the control of BDNF / TrkB interaction in striatal medium spiny neurons (MSNs) remains elusive so far. Dopamine, however, appears to play an important role, as its absence leads to drastic changes in striatal synaptic plasticity. This suggests that dopamine could regulate synaptic activity in the striatum via modulation of BDNF / TrkB function. To answer these questions, we have developed a sensitive and reliable protocol for the immunohistochemical detection of endogenous BDNF. We find that the majority of striatal BDNF is provided by glutamatergic, cortex derived afferents and not dopaminergic inputs from the midbrain. In fact, we found BDNF in cell bodies of neurons in layers II-III and V of the primary and secondary motor cortex as well as layer V of the somatosensory cortex. These are the brain areas that send dense projections to the dorsolateral striatum for control of voluntary movement. Furthermore, we could show that these projection neurons significantly downregulate the expression of BDNF during the juvenile development of mice between 3 and 12 weeks.
In parallel, we found a modulatory effect of dopamine on the translocation of TrkB to the cell surface in postsynaptic striatal Medium Spiny Neurons (MSNs). In MSNs of the direct pathway (dMSNs), which express dopamine receptor 1 (DRD1), we observed the formation of TrkB aggregates in the 6-hydroxydopamine (6-OHDA) model of PD. This suggests that DRD1 activity controls TrkB surface expression in these neurons. In contrast, we found that DRD2 activation has opposite effects in MSNs of the indirect pathway (iMSNs). Activation of DRD2 promotes a rapid decrease in TrkB surface expression which was reversible and depended on cAMP. In parallel, stimulation of DRD2 led to induction of phospho-TrkB (pTrkB). This effect was significantly slower than the effect on TrkB surface expression and indicates that TrkB is transactivated by DRD2. Together, our data provide evidence that dopamine triggers dual modes of plasticity on striatal MSNs by acting on TrkB surface expression in DRD1 and DRD2 expressing MSNs. This surface expression of the receptor is crucial for the binding of BDNF, which is released from corticostriatal afferents. This leads to the induction of TrkB-mediated downstream signal transduction cascades and long-term potentiation (LTP). Therefore, the dopamine-mediated translocation of TrkB could be a mediator that modulates the balance between dopaminergic and glutamatergic signaling to allow synaptic plasticity in a spatiotemporal manner. This information and the fact that TrkB is segregated to persistent aggregates in PD could help to improve our understanding of voluntary movement control and to develop new therapeutic strategies beyond those focusing on dopaminergic supply.
Hereditary retinal degenerations like retinitis pigmentosa (RP) are among the leading causes of blindness in younger patients. To enable in vivo investigation of cellular and molecular mechanisms responsible for photoreceptor cell death and to allow testing of therapeutic strategies that could prevent retinal degeneration, animal models have been created. In this study, we deeply characterized the transcriptional profile of mice carrying the transgene rhodopsin V20G/P23H/P27L (VPP), which is a model for autosomal dominant RP. We examined the degree of photoreceptor degeneration and studied the impact of the VPP transgene-induced retinal degeneration on the transcriptome level of the retina using next generation RNA sequencing (RNASeq) analyses followed by weighted correlation network analysis (WGCNA). We furthermore identified cellular subpopulations responsible for some of the observed dysregulations using in situ hybridizations, immunofluorescence staining, and 3D reconstruction. Using RNASeq analysis, we identified 9256 dysregulated genes and six significantly associated gene modules in the subsequently performed WGCNA. Gene ontology enrichment showed, among others, dysregulation of genes involved in TGF-β regulated extracellular matrix organization, the (ocular) immune system/response, and cellular homeostasis. Moreover, heatmaps confirmed clustering of significantly dysregulated genes coding for components of the TGF-β, G-protein activated, and VEGF signaling pathway. 3D reconstructions of immunostained/in situ hybridized sections revealed retinal neurons and Müller cells as the major cellular population expressing representative components of these signaling pathways. The predominant effect of VPP-induced photoreceptor degeneration pointed towards induction of neuroinflammation and the upregulation of neuroprotective pathways like TGF-β, G-protein activated, and VEGF signaling. Thus, modulation of these processes and signaling pathways might represent new therapeutic options to delay the degeneration of photoreceptors in diseases like RP.
Die Rolle von Connexinen und Gap Junction-vermittelter Kommunikation in pluripotenten Stammzellen sowie der frühen Embryonalentwicklung sind bis heute nicht vollständig aufgeklärt. Mutationen in humanen Connexinen verursachen eine Vielzahl von Krankheiten. Connexin-defiziente iPS Zellen stellen eine gute Basis für die Erforschung der Rolle von Connexinen während der Embryonalentwicklung und bei der Krankheitsentstehung dar.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das CRISPR/Cas9-System in pluripotenten Stammzellen erfolgreich anzuwenden und ein Protokoll zur Erstellung verschiedener Cx43-Defektmutanten zu entwerfen. Nach der Etablierung der CRSIPR/Cas9-Methode in HEK293T-Zellen konnte in der vorliegenden Arbeit darüber hinaus erfolgreich eine Cx43-Defizienz in FSiPS-Zellen erzeugt werden. Weiterhin wurden mehrere Cx43-Mutanten geschaffen und initial auf Pluripotenzmarker und ihr Differenzierungspotential untersucht.
Diese Arbeit bildet die Basis für weitere Untersuchungen des Cx43 in iPS-Zellklonen und davon abgeleiteten Zelltypen sowie artifiziellen 3D-Gewebekulturen. Darüber hinaus bildet sie die Grundlage für die Bildung weiterer Connexin-Defektmutanten sowie von iPS-Zellen mit krankheitsrelevanten Mutationen.
Post-fabrication formation of a proper vasculature remains an unresolved challenge in bioprinting. Established strategies focus on the supply of the fabricated structure with nutrients and oxygen and either rely on the mere formation of a channel system using fugitive inks or additionally use mature endothelial cells and/or peri-endothelial cells such as smooth muscle cells for the formation of blood vessels in vitro. Functional vessels, however, exhibit a hierarchical organization and multilayered wall structure that is important for their function. Human induced pluripotent stem cell-derived mesodermal progenitor cells (hiMPCs) have been shown to possess the capacity to form blood vessels in vitro, but have so far not been assessed for their applicability in bioprinting processes. Here, we demonstrate that hiMPCs, after formulation into an alginate/collagen type I bioink and subsequent extrusion, retain their ability to give rise to the formation of complex vessels that display a hierarchical network in a process that mimics the embryonic steps of vessel formation during vasculogenesis. Histological evaluations at different time points of extrusion revealed the initial formation of spheres, followed by lumen formation and further structural maturation as evidenced by building a multilayered vessel wall and a vascular network. These findings are supported by immunostainings for endothelial and peri-endothelial cell markers as well as electron microscopic analyses at the ultrastructural level. Moreover, endothelial cells in capillary-like vessel structures deposited a basement membrane-like matrix at the basal side between the vessel wall and the alginate-collagen matrix. After transplantation of the printed constructs into the chicken chorioallantoic membrane (CAM) the printed vessels connected to the CAM blood vessels and get perfused in vivo. These results evidence the applicability and great potential of hiMPCs for the bioprinting of vascular structures mimicking the basic morphogenetic steps of de novo vessel formation during embryogenesis.
Bis zum Jahr 2100 prognostiziert der Weltklimarat (IPCC 2021) einen Anstieg des Meeresspiegels von bis zu 63-101 cm gegenüber heutigen Wasserständen. Im Rahmen des Generalplans Küstenschutz Schleswig-Holstein(GKSH) soll als Klimafolgeanpassung eine Erhöhung und Profiländerung der meisten Nordseedeiche und Elbedeiche erfolgen (zusammen 363,3 km mit einer Vegetationsfläche von 3.500 ha). Diese Maßnahmen werden mit einem vollständigen Verlust der alten Deichvegetation einhergehen und zur Freisetzung von großen Mengen an CO₂ aus dem Bodenkohlenstoff führen. Die Seedeiche der Nordseeküste (262 km) zählen zu den artenreichen, semi-natürlichen und von Schafen beweideten Grasländern (Fläche von 2600 ha) in Schleswig-Holstein mit bis zu 18 Gras- und 64 zweikeim-blättrigen Blütenpflanzen und an die Vegetation gebundene 800-1000 Arten von Invertebraten (darunter 200 Käferarten). Auf die Außenböschung dringen Pflanzen der Salzwiesengesellschaften vor. Die steileren, wärmeexponierten (überwiegend nach Osten und Süden ausgerichtet) und durch Vertritt lückigen Innenböschungen der Seedeiche sind wertvolle Refugien wärmeliebender, konkurrenzschwacher Arten von Magerstandorten und Trittgesellschaften wie die folgenden mediterran-subatlantischen Arten: Knotenklettenkerbel (Torilis nodosa), Zwergklee/Armblütiger Klee (Trifolium micranthum) und Vogelfußklee (Trifolium ornithopodioides). Für die Erhaltung beider Kleearten (die aktuelle Verbreitung wird dokumentiert) besitzt Schleswig-Holstein eine nationale und nordwest-europäisch-kontinentale Verantwortlichkeit. Folgende Maßnahmen zum Schutz der reichhaltigen Deichvegetation und Teilen seiner Invertebratenfauna bei der Deichverstärkung im Rahmen des GKSH werden vorgeschlagen: 1. Abheben der Grasnarbe mit Wurzelraum und zeitnahe Wiederverlegung der alten Grasnarbe (Soden) auf das neue Deichprofil; das ist auch wichtig zum Erhalt des Bodenkohlenstoffs (Klimaschutz). 2. Einsaat von neuen Deichprofilen mit Saatgut von artenreichen Deichabschnitten. 3. Aufnahme substanzieller Forschungsprogramme/Forschungsförderung zur Ökologie der Seedeiche. Weiterhin sollte auf den Einsatz von Herbiziden auf Deichen zur Bekämpfung von Disteln verzichtet werden.
Pemphigus vulgaris (PV) ist eine blasenbildende Autoimmunerkrankung, die durch Autoantikörper gegen Dsg1 und Dsg3 gekennzeichnet ist. Der genaue Pathomechanismus, der zu einem PV-IgG vermittelten Verlust der interzellulären Adhäsion führt, ist noch unklar. Die Dsg3-Depletion und die Modulation von Signalkaskaden stellen hierbei kennzeichnende Merkmale der Erkrankung dar. Mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit ist eine bessere Einordnung der Dsg3-Depletion in den pathogenetischen Kontext von Pemphigus vulgaris möglich. Die Experimente zeigen, dass die Dsg3-Depletion von Differenzierungsprozessen abhängig ist und mit einem Adhäsionsverlust einhergehen kann. Die Hemmung der PKC verhindert hierbei sowohl die PV-IgG vermittelten Effekte in der Zellkultur als auch die Blasenbildung im Mausmodell in vivo und in humaner Haut ex vivo. Des Weiteren liefert die Arbeit neue Erkenntnisse, welche für die suprabasale Lokalisation der Blasenbildung bedeutsam sein könnten.
Biofabrication, including printing technologies, has emerged as a powerful approach to the design of disease models, such as in cancer research. In breast cancer, adipose tissue has been acknowledged as an important part of the tumor microenvironment favoring tumor progression. Therefore, in this study, a 3D-printed breast cancer model for facilitating investigations into cancer cell-adipocyte interaction was developed. First, we focused on the printability of human adipose-derived stromal cell (ASC) spheroids in an extrusion-based bioprinting setup and the adipogenic differentiation within printed spheroids into adipose microtissues. The printing process was optimized in terms of spheroid viability and homogeneous spheroid distribution in a hyaluronic acid-based bioink. Adipogenic differentiation after printing was demonstrated by lipid accumulation, expression of adipogenic marker genes, and an adipogenic ECM profile. Subsequently, a breast cancer cell (MDA-MB-231) compartment was printed onto the adipose tissue constructs. After nine days of co-culture, we observed a cancer cell-induced reduction of the lipid content and a remodeling of the ECM within the adipose tissues, with increased fibronectin, collagen I and collagen VI expression. Together, our data demonstrate that 3D-printed breast cancer-adipose tissue models can recapitulate important aspects of the complex cell–cell and cell–matrix interplay within the tumor-stroma microenvironment
Die Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch-entzündliche Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS) und stellt die häufigste Ursache frühzeitiger Behinderung junger Erwachsener dar. Kennzeichnend sind multifokale ZNS-Läsionen, die durch Inflammation, Demyelinisierung und Axonschäden geprägt sind und zu multiplen neurologischen Defiziten führen. Derzeit ist es mithilfe der verlaufsmodifizierenden Therapie möglich, die Immunantwort abzuschwächen und damit die Krankheitsprogression zu verzögern. Geheilt werden kann die Erkrankung jedoch bislang nicht. Dabei ist nicht hinreichend geklärt, ob die neuen Therapieoptionen über die Immunmodulation/-suppression hinaus einen anhaltenden Schutz vor der langfristigen Neurodegeneration bieten.
Basierend auf den vielversprechenden Ergebnissen klinischer Studien zur Therapie der schubförmig-remittierenden MS mit dem Anti-CD52-Antikörper Alemtuzumab, der zu einer Depletion CD52-exprimierender Immunzellen führt, wurden diesbezüglich Analysen in MS-Tiermodellen durchgeführt. Da die Untersuchung der zugrunde liegenden Patho- und Effektormechanismen am Menschen kaum möglich ist, ist die MS-Forschung für ein tiefergehendes Verständnis auf Tiermodelle angewiesen. Die experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) ist hierbei das am weitesten verbreitete Modell der MS, wofür vor allem der C57BL/6 (B6) -Mausstamm verwendet wird, da auf diesem Hintergrund die meisten genmodifizierten Mäuse gezüchtet werden. Jene tierexperimentellen Studien, in denen ein muriner Anti-CD52-Antikörper im frühen Krankheitsstadium der EAE (Auftreten erster paralytischer Symptome) verabreicht wurde, erbrachten den Hinweis einer neuroprotektiven und scheinbar regenerativen Wirkung des Antikörpers.
Über einen neuroprotektiven Effekt von Alemtuzumab im schwer behandelbaren chronisch-progredienten Stadium der MS ist jedoch wenig bekannt. Die vorliegende Arbeit ist die erste detaillierte Untersuchung zum Einfluss des murinen Anti-CD52-Antikörpers auf die Demyelinisierung, den Axonschaden und die Hirnatrophie in der MP4-induzierten EAE der B6-Maus im chronischen Verlauf der Erkrankung (ab stabilem Plateau der klinischen Symptomatik). MP4 ist ein Myelinfusionsprotein aus MBP (Myelin-Basisches-Protein) und PLP (Proteolipidprotein), welches in B6-Mäusen durch aktive Immunisierung eine EAE induziert, die chronisch verläuft und als eines von wenigen Modellen neben der T-Zell-Abhängigkeit die an Bedeutung zunehmende B-Zell-Komponente der MS darstellt. Histopathologisch finden sich in der chronischen MP4-induzierten EAE eine ausgeprägte Rückenmarks- und Kleinhirnschädigung, die vor allem im Kleinhirn durch eine B-Zell-Aggregation charakterisiert ist.
Nachdem die MP4-immunisierten Mäuse im chronischen Stadium der EAE an fünf aufeinanderfolgenden Tagen mit 10 mg/kg Körpergewicht murinem Anti-CD52-spezifischem IgG2a-Isotypantikörper bzw. murinem unspezifischem IgG2a-Isotyp-Kontroll-Antikörper behandelt worden waren, wurde die Lymphozytendepletion im peripheren Blut durchflusszytometrisch ermittelt und deren Einfluss auf MP4-spezifische Antikörper anhand eines indirekten Enzyme-linked Immunosorbent Assays (ELISAs) untersucht. Als Marker für Axonschäden wurde im Serum vorhandenes phosphoryliertes Neurofilament-Heavy (pNF-H) mithilfe eines indirekten Sandwich-ELISAs quantitativ bestimmt. Rückenmark und Kleinhirn wurden ultrastrukturell auf Veränderungen der Myelinisierung (mittels g-Ratio: Axondurchmesser geteilt durch Gesamtdurchmesser der Nervenfaser) und auf Axonpathologien (verringerter Abstand benachbarter Neurofilamente, axolytische Axone, axonaler Verlust) untersucht. Die Hirnatrophie wurde MRT-basiert gemessen und der klinische Verlauf täglich evaluiert.
Durch die Anti-CD52-Antikörperbehandlung wurde die T- und B-Zellzahl zwar drastisch vermindert, die MP4-spezifische Antikörperproduktion blieb davon jedoch unbeeinträchtigt. Ein günstiger Effekt auf die De- und Remyelinisierung war nicht festzustellen. Das Hirnvolumen und die klinische Präsentation der Mäuse blieben ebenfalls unverändert. Während kein Unterschied der pNF-H-Konzentration zu erkennen war, konnte ultrastrukturell jedoch ein geringerer Axonschaden nachgewiesen werden.
Insgesamt legen diese Ergebnisse nahe, dass der Anti-CD52-Antikörper im chronischen Verlauf der EAE/MS wenig Einfluss auf die neurodegenerativen Prozesse nimmt und die Regeneration nicht fördern kann. Die Ursache liegt vermutlich in der Undurchlässigkeit der Bluthirnschranke für Antikörper sowie dem limitierten Verständnis der Antikörperwirkung im ZNS. Die vorliegende Studie regt somit zur Etablierung von ZNS-wirksamen Antikörpern an und unterstreicht die Bedeutung der Entwicklung von selektiveren neuroprotektiven und remyelinisierungsfördernden Behandlungsansätzen, die eine wertvolle Ergänzung zur verlaufsmodifizierenden Therapie darstellen könnten.
Arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM) is characterized by fibro-fatty replacement of the myocardium, heart failure and life-threatening ventricular arrhythmias. Causal mutations were identified in genes encoding for proteins of the desmosomes, predominantly plakophilin-2 (PKP2) and desmoglein-2 (DSG2). We generated gene-edited knock-out iPSC lines for PKP2 (JMUi001-A-2) and DSG2 (JMUi001-A-3) using the CRISPR/Cas9 system in a healthy control iPSC background (JMUi001A). Stem cell-like morphology, robust expression of pluripotency markers, embryoid body formation and normal karyotypes confirmed the generation of high quality iPSCs to provide a novel isogenic human in vitro model system mimicking ACM when differentiated into cardiomyocytes.
Operative treatment of ruptured pubic symphysis by plating is often accompanied by complications. Trans-obturator cable fixation might be a more reliable technique; however, have not yet been tested for stabilization of ruptured pubic symphysis. This study compares symphyseal trans-obturator cable fixation versus plating through biomechanical testing and evaluates safety in a cadaver experiment. APC type II injuries were generated in synthetic pelvic models and subsequently separated into three different groups. The anterior pelvic ring was fixed using a four-hole steel plate in Group A, a stainless steel cable in Group B, and a titan band in Group C. Biomechanical testing was conducted by a single-leg-stance model using a material testing machine under physiological load levels. A cadaver study was carried out to analyze the trans-obturator surgical approach. Peak-to-peak displacement, total displacement, plastic deformation and stiffness revealed a tendency for higher stability for trans-obturator cable/band fixation but no statistical difference to plating was detected. The cadaver study revealed a safe zone for cable passage with sufficient distance to the obturator canal. Trans-obturator cable fixation has the potential to become an alternative for symphyseal fixation with less complications.