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The blood-brain barrier (BBB) is a highly specialized structure that separates the brain from the blood and allows the exchange of molecules between these two compartments through selective channels. The breakdown of the BBB is implicated in the development of severe neurological diseases, especially stroke and traumatic brain injury. Oxygen-glucose deprivation is used to mimic stroke and traumatic brain injury in vitro. Pathways that trigger BBB dysfunction include an imbalance of oxidative stress, excitotoxicity, iron metabolism, cytokine release, cell injury, and cell death. MicroRNAs are small non-coding RNA molecules that regulate gene expression and are emerging as biomarkers for the diagnosis of central nervous system (CNS) injuries. In this review, the regulatory role of potential microRNA biomarkers and related therapeutic targets on the BBB is discussed. A thorough understanding of the potential role of various cellular and linker proteins, among others, in the BBB will open further therapeutic options for the treatment of neurological diseases.
The blood-brain barrier (BBB), made up of endothelial cells of capillaries in the brain, maintains the microenvironment of the central nervous system. During ischemia and traumatic brain injury (TBI), cellular disruption leading to mechanical insult results to the BBB being compromised. Oxygen glucose deprivation (OGD) is the most commonly used in vitro model for ischemia. On the other hand, stretch injury is currently being used to model TBI in vitro. In this paper, the two methods are used alone or in combination, to assess their effects on cerebrovascular endothelial cells cEND in the presence or absence of astrocytic factors. Applying severe stretch and/or OGD to cEND cells in our experiments resulted to cell swelling and distortion. Damage to the cells induced release of lactate dehydrogenase enzyme (LDH) and nitric oxide (NO) into the cell culture medium. In addition, mRNA expression of inflammatory markers interleukin (I L)-6, IL-1\(\alpha\) chemokine (C-C motif) ligand 2 (CCL2) and tumor necrosis factor (TNF)-\(\alpha\) also increased. These events could lead to the opening of calcium ion channels resulting to excitotoxicity. This could be demonstrated by increased calcium level in OGD-subjected cEND cells incubated with astrocyte-conditioned medium. Furthermore, reduction of cell membrane integrity decreased tight junction proteins claudin-5 and occludin expression. In addition, permeability of the endothelial cell monolayer increased. Also, since cell damage requires an increased uptake of glucose, expression of glucose transporter glut1 was found to increase at the mRNA level after OGD. Overall, the effects of OGD on cEND cells appear to be more prominent than that of stretch with regards to TJ proteins, NO, glutl expression, and calcium level. Astrocytes potentiate these effects on calcium level in cEND cells. Combining both methods to model TBI in vitro shows a promising improvement to currently available models.
Stabilization of the blood-brain barrier during and after stroke can lead to less adverse outcome. For elucidation of underlying mechanisms and development of novel therapeutic strategies validated in vitro disease models of the blood-brain barrier could be very helpful. To mimic in vitro stroke conditions we have established a blood-brain barrier in vitro model based on mouse cell line cerebEND and applied oxygen/glucose deprivation (OGD). The role of astrocytes in this disease model was investigated by using cell line C6. Transwell studies pointed out that addition of astrocytes during OGD increased the barrier damage significantly in comparison to the endothelial monoculture shown by changes of transendothelial electrical resistance as well as fluorescein permeability data. Analysis on mRNA and protein levels by qPCR, western blotting and immunofluorescence microscopy of tight junction molecules claudin-3,-5,-12, occludin and ZO-1 revealed that their regulation and localisation is associated with the functional barrier breakdown. Furthermore, soluble factors of astrocytes, OGD and their combination were able to induce changes of functionality and expression of ABC-transporters Abcb1a (P-gp), Abcg2 (bcrp), and Abcc4 (mrp4). Moreover, the expression of proteases (matrixmetalloproteinases MMP-2, MMP-3, MMP-9, and t-PA) as well as of their endogenous inhibitors (TIMP-1, TIMP-3, PAI-1) was altered by astrocyte factors and OGD which resulted in significant changes of total MMP and t-PA activity. Morphological rearrangements induced by OGD and treatment with astrocyte factors were confirmed at a nanometer scale using atomic force microscopy. In conclusion, astrocytes play a major role in blood-brain barrier breakdown during OGD in vitro.
Laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) waren in Deutschland 2006 akute ischämische Ereignisse des Zentralen Nervensystems (ZNS) die fünfthäufigste Todesursache. Zu diesen ischämischen Ereignissen zählen Schlaganfall, Kardiopulmonale Reanimation, traumatische Hirnverletzungen, sowie perioperative ischämische Komplikationen. Aufgrund der schwerwiegenden Folgen, die ein Verlust von Nervenzellen für den Patienten bedeutet, muss die weitere medizinische Akutversorgung den sekundären neuronalen Schaden verhindern oder ihn reduzieren. Vor dieser Arbeit konnten Glukosetransporter-1 (GLUT-1) und Natrium-Glukose-Kotransporter-1 (SGLT1) an der Blut-Hirn-Schranke (BHS) identifiziert werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Expressionsverhalten der Glukosetransporter nach einem Schädel-Hirn-Trauma (SHT) in vivo und in vitro zu untersuchen, um so den Einfluss und die funktionellen Folgen durch die veränderte Expression der zerebralen Glukosetransporter in der BHS infolge eines SHT zu identifizieren und deren eventuellen Einfluss auf die Entwicklung eines sekundären Hirnödems zu erkennen. Hierfür wurde als in vivo-Modell das Controlled Cortical Impact Injury (CCII) gewählt, da bei diesem Tierversuchsmodell die Aspekte der traumatischen Kontusion und die damit verbundenen intraparenchymalen Blutungen durch ein epidurales oder subdurales Hämatom im Vordergrund stehen. Es wurden Gehirnschnitte zu fest definierten Zeitpunkten angefertigt (kein CCII (Kontrolle), 15 Minuten Überleben nach CCII (Primärschaden), 24 Stunden Überleben nach CCII und 72 Stunden Überleben nach CCII). Die Darstellung des primären Schadens im Mäusehirn erfolgte durch die Immunfluoreszenzmikroskopie. Um einen Gewebeschaden, wie es bei einem Hirntrauma der Fall ist, in vitro zu simulieren, wurde das Modell des Sauerstoff-Glukose-Entzuges (OGD) gewählt, da es bei diesem Modell neben einer Nekrose auch zur Apoptose der Nervenzellen kommt, welche ebenfalls bei einem SHT stattfindet. Als geeignetes Zellkulturmodell wurde die cerebralen Endothelzelllinie (cEND) gewählt. Bei dieser Zelllinie handelte es sich um eine Hirnendothelzelllinie aus der Maus. In den in vivo-Versuchen konnte bei GLUT-1 bereits 15 Minuten nach CCII eine gesteigerte Expression festgestellt werden. Dennoch verminderte GLUT-1 im weiteren Verlauf seine Expression auf ein Minimum, welches unterhalb des Ausgangswertes lag. SGLT1, der auch in der BHS identifiziert wurde, reagierte auf einen Primärschaden erst in den Hirnschnitten, die 24 Stunden nach CCI behandelt wurden. In den Hirnschnitten, die 15 Minuten nach CCII behandelt wurden, veränderte sich die SGLT1-Expression zunächst nicht. Erst 24 Stunden nach CCII konnte eine gesteigerte Expression von SGLT1 erkannt werden, die aber bei 72 Stunden nach CCII wieder abgenommen hatte. Ein weiterer Glukosetransporter konnte erstmals in der BHS identifiziert werden. SGLT2 zeigte erst 72 Stunden nach CCII eine gesteigerte Expression, in den Hirnschnitten ohne CCII, 15 Minuten nach CCII und 24 Stunden nach CCII konnte keine Veränderung der SGLT2-Expression festgestellt werden. Diese Expressionsreaktion, besonders der Expressions-Höhepunkt der einzelnen Glukosetransporter, konnte auch in vitro gezeigt werden. Besonders die Identifizierung von SGLT2 in der BHS und die generelle Steigerung der Expressionsrate von GLUT-1, SGLT1 und SGLT2 könnte neue Ansatzpunkte in der Pathophysiologie des diffusen Hirnödems nach einem SHT ergeben. Die genaue Rolle der Natriumgekoppelten Glukosetransporter in der BHS muss noch weiter erforscht werden. Bestätigen weitere Versuche eine zentrale Rolle der SGLTs bei der Entstehung des sekundären Hirnschadens, speziell SGLT2, als hochpotenter Glukosetransporter, so könnte über neue Therapien nachgedacht werden, durch welche spezifisch die Expression der SGLTs, besonders SGLT2, wie es bei Dapagliflozin, Canagliflozin oder Ipragliflozin der Fall wäre, unterdrücken würden.