Die Forschung mit induzierten pluripotenten Stammzellen (ipS) wurde in den letzten Jahren ein wichtiger Bestandteil der Stammzellforschung. Bisher sind nur wenige Möglichkeiten bekannt, wie man die unspezifische Proliferation der aus ipS differenzierten pan neuralen Progenitorzellen kontrollieren kann. Um dies weiter zu untersuchen, wurden murine induzierte Stammzellen, die mit den 4 Faktoren Oct4, Klf4, Sox2 und c-Myc reprogrammiert wurden, untersucht. In diversen Forschungsreihen konnte zudem gezeigt werden, dass Erythropoetin (EPO) einen Einfluss auf das Zellüberleben, die Proliferation und die Differenzierung neuronaler Zellen hat. Ob dieser Einfluss auch bei induzierten pan neuralen pluripotenten Progenitorzellen zu beobachten ist, wird in dieser Arbeit untersucht. Anhand eines Zellviabilitätsversuchs (MTT-Assay) wurde untersucht, ob die Stoffwechselaktivität durch EPO (0,1U/ml, 1 U/ml und 10 U/ml) im Vergleich zur Kontrollgruppe gesteigert werden kann. Dabei zeigte sich eine deutliche Zunahme nach 24 Stunden bei 1 und 10 U/ml EPO. Der Einfluss von EPO auf die Proliferation der Zellen wurde an Neurosphären unter Einsatz verschiedener EPO-Konzentrationen (0,1U/ml, 1U/ml und 10U/ml) sowie ohne EPO (Kontrollgruppe) untersucht. Dabei zeigte sich eine Reduzierung der Sphärenanzahl mit einem Durchmesser von >100µm bei zunehmender EPO-Konzentration. Im Gegensatz hierzu stieg die Anzahl der Sphären mit einem Durchmesser von 50-100µm. Die neuronale Differenzierung wurde durch den Zellfortsatz-Versuch mit Tuj1 positiven Zellfortsätzen in einer Monolayer-Kultur beobachtet. Dabei zeigte sich unter EPO eine Zunahme der Zellen mit einem Fortsatz. Ebenso wurde eine Durchflusszytometrie zum Nachweis der Proliferationshemmung durch EPO durchgeführt. Dazu wurden die Zellen mit CFSE markiert und mit einer EPO- oder Kontrolllösung versetzt. Dabei zeigte sich bei zunehmender EPO-Konzentration eine deutliche Zunahme der CFSE-Konzentration nach 48 und 72 Stunden. Der Nachweis, dass die Zellen auf EPO reagieren, wurde durch einen Western Blot erbracht. Dieser zeigte, dass die verwendeten 4F induzierte pan neurale Progenitorzellen (4F ipNP-Zellen) einen funktionellen EPO-Rezeptor besitzen, dessen Expression durch EPO deutlich gesteigert werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass EPO die Proliferation der Zellen vermindert, gleichzeitig aber auch die Zellviabilität und die Zelldifferenzierung erhöht. Diese Ergebnisse sind jedoch von vielen Faktoren abhängig, sodass noch einiges auf diesem Gebiet zu erforschen bleibt.

Gehirntumore stellen die zweithäufigste Tumorart im Kindesalter dar. Trotz zahlreicher medizinischer Fortschritte verstirbt auch heute noch ca. 1/3 der Betroffenen und die Überlebenden leiden häufig unter geistigen und körperlichen Langzeitfolgen. Zwei Entitäten, die auch heute noch zu den großen Herausforderungen der pädiatrischen Onkologie zählen, sind das Glioblastom und das Medulloblastom. Um beide Tumorarten weiter erforschen und neue Therapiekonzepte entwickeln zu können, wurden im Zuge dieser Arbeit zwei orthotope Mausmodelle etabliert: ein syngenes Glioblastom- und ein xenogenes Medulloblastom-Modell: GL261-FLuc Glioblastom-Modell: Das Glioblastom ist ein seltener Tumor im Kindesalter. Die extrem schlechte Prognose macht neue Behandlungsstrategien jedoch dringend erforderlich. Immuntherapien könnten hier ein rationaler Ansatz sein. Durch orthotope Inokulation lentiviral transduzierter GL261-FLuc Zellen wurde im Rahmen dieser Arbeit das syngene GL261 Modell etabliert und hinsichtlich seiner biomorphologischen und immunologischen Eigenschaften evaluiert: Ähnlich wie humane Glioblastome zeigen GL261-FLuc Zellen in vivo ein aggressives Wachstum, welches von einer schnellen Proliferation und deutlichen Invasionsneigung geprägt ist. Histologisch bestehen GL261-FLuc Tumore aus astrozytär differenzierten Zellen, die neben typischen Nekrosen auch eine starke, funktionell pathologische Vaskularisierung zeigen. Interessanterweise offenbarte das in vivo BLI nach orthotoper Inokulation eine Phase der „Tumoradaptation“ (Tag 6-14), die immunologischer Natur zu sein scheint. Die Tatsache, dass das Tumorwachstum wie beim Menschen in einer prinzipiell immunkompetenten Umgebung stattfindet und dass GL261-FLuc Zellen eine konstitutionelle und durch IFN γ stimulierbare MHC Klasse I Expression aufweisen, qualifiziert das Modell für immuntherapeutische Untersuchungen. Insgesamt handelt es sich nicht nur um ein gut voraussag- und reproduzierbares Modell, das die immunologischen und bio-morphologischen Kennzeichen des humanen Vorbildes suffizient rekapituliert, sondern es liefert auch dank der Möglichkeit, das Zellwachstum mittels BLI zu verfolgen, interessante Einblicke in das in vivo Verhalten der Zellen. MB3W1 Medulloblastom-Modell: Das Medulloblastom ist der häufigste maligne Gehirntumor des Kindesalters und kann, wie neue Genexpressionsstudien zeigen, in verschiedene molekulare Subgruppen unterteilt werden. Für Gruppe 3 Medulloblastome, die mit Abstand die schlechteste klinische Prognose besitzen, gibt es aktuell nur limitierte Daten, unter anderem auch deshalb, weil kaum geeignete Mausmodelle existieren. Der außergewöhnliche Fall eines zweijährigen Jungen, der an einem äußerst aggressiven anaplastischen Medulloblastom verstorben war, führte zur Etablierung des zweiten Hirntumormodells. Mit Zellen dieses Tumors (MB3W1 Zellen), die nach extrakranieller Metastasierung aus malignen Pleuraergüssen isoliert werden konnten, wurde ein orthotopes Xenograftmodell etabliert. Erstaunlicherweise ließen die Zellen sowohl Tumorstammzell- als auch Gruppe 3-Charakteristika erkennen: In vitro wachsen MB3W1 Zellen wie für Stammzellen typisch in Form von Neurosphären und zeigen neben der Fähigkeit zur exponentiellen Langzeitproliferation auch eine hohe ALDH Aktivität. Die Expression typischer Oberflächenmarker wie CD15 und CD133 ist ebenfalls suggestiv für Tumorstammzelleigenschaften. Die hohe Tumorigenität von MB3W1 Zellen in immuninkompetenten Mäusen (bereits 500 Zellen führten zu 100 % Tumorraten) ist neben der Tatsache, dass die induzierten Tumore exakt die histopathologischen Eigenschaften des Primärtumors rekapitulierten und eine multilineäre Differenzierung zeigten, als weiteres Stammzell-kennzeichen zu werten. Ergänzend zum genetischen Profil (MYC Amplifikation, Gruppe 3 spezifisches Genexpressionsmuster, Tetraploidie, 17q Zugewinne), das MB3W1 Zellen klar als Gruppe 3 Medulloblastom identifiziert, spiegeln MB3W1 Zellen auch das aggressive und disseminierende Verhalten, welches Gruppe 3 Tumore auszeichnet, wider. Die Xenotransplantate zeigten nicht nur ein rapides invasives Wachstum in vivo, sondern es konnte interessanterweise auch am Versuchsende regelhaft eine Metastasierung der Zellen in den zerebrospinalen Liquor beobachtet werden. Das im Zuge dieser Arbeit etablierte Xenograftmodell komplementiert die beiden einzigen derzeit veröffentlichten syngenen Gruppe 3 Modelle, da es im Gegensatz zu diesen ohne zusätzliche genetische Manipulation auskommt. Die einzige Modifikation der Zellen (die lentivirale Transduktion mit eGFP und FLuc) diente dem besseren in vivo „Monitoring“, war optional und veränderte auch das biologische Verhalten der Zellen nicht. Insgesamt ist es ein einfaches und gut reproduzierbares Tumormodell, das die gleichzeitige Erforschung von Tumorstammzell- und Gruppe 3-Eigenschaften erlaubt. Vor allem vor dem Hintergrund des außergewöhnlichen klinischen Verlaufs des Primärtumors ist es ein extrem wertvolles Werkzeug, das in Zukunft hoffentlich dazu beitragen wird, neue gezielte Therapiestrategien für die Behandlung solch aggressiver Tumore entwickeln zu können.

In Anbetracht der Tatsache, dass das SHT weltweit mit steigender Inzidenz die häufigste Todesursache für junge Erwachsene darstellt, in einer Vielzahl davon mit langfristigen Folgen assoziiert ist und dabei mit großen ökonomischen Kosten verbunden ist, spielt die Erforschung der pathophysiologischen Vorgänge bei einem SHT sowie die Entwicklung effektiver Therapiestrategien akuter und chronischer Natur eine große Rolle. Da sich in den letzten Jahren gezeigt hat, dass die Reaktion des Immunsystems nach akuten Traumata ebenfalls eine bedeutsame Rolle spielt und somit in der Modulation der Immunantwort ein hilfreicher therapeutischer Ansatz liegen könnte, wurde in dieser Arbeit der als MS-Immuntherapeutikum zugelassene S1P Rezeptor Modulator FTY720 auf seine potentiellen neuroprotektiven Effekte im Rahmen eines murinen fokalen SHT-Modell untersucht. So wurde das in unserer Arbeitsgruppe bereits seit langem etablierte Modell der fokalen kortikalen Kälteläsion genutzt um bei jungen adulten männlichen Mäusen die Effekte von FTY720 in Bezug auf die Akutphase 24 h nach lokalen SHT festzustellen. Hierbei konnte kein positiver Einfluss auf das Ausmaß des lokalen Schadens, gemessen anhand von TTC-Läsionsvolumen und neuronalem Zelltod, sowie für die Störung der BHS mit konsekutiver Ödembildung beobachtet werden. Dabei wurden keine funktionellen Parameter als Korrelat für die erhaltenen Ergebnisse getestet. In Bezug auf die Immunzellinfiltration konnte eine signifikante Reduktion der immunhistochemisch untersuchten Zellpopulationen von Neutrophilen, Makrophagen und aktivierten Mikroglia 24 h nach Trauma festgestellt werden und somit zumindest die korrekte Applikation des Medikaments in adäquater Dosierung und die therapeutische Wirkung als Blockierer des Abwehrzell-Ausstroms von den lymphatischen Organen in die Blutbahn belegt werden.

Schädel-Hirn Trauma ist die führende Ursache von Tod und Behinderung unter jungen Erwachsenen in den USA und Europa. Darüber hinaus steigert Schädel-Hirn Trauma das Risiko eine Demenzerkrankung oder andere neurodegenerative Erkrankung zu erleiden. Aus diesem Grund stellt eine bessere Erkenntnis der subakuten und chronischen pathophysiologischen Prozesse eine wichtige Grundlage für eine mögliche zukünftige neuroprotektive Therapie dar. Ziel dieser Arbeit war es daher eine Übersicht von funktionellen Einschränkungen und zellulären Veränderungen in der subakuten Phase innerhalb der ersten drei Monate darzustellen. Dazu wurden Verhaltensexperimente zu kognitiven Leistungen wie räumliches Lernen, kognitive Plastizität, episodisches Gedächtnis, Angstverhalten und allgemeine Lokomotion durchgeführt. Dabei konnten funktionale Einschränkungen der Tiere im Bereich der kognitiven Flexibilität, dem räumlichen Lernen, dem belohnungsmotivierten Verhalten, sowie Hyperaktivität beobachtet werden. Weiterführend erfolgten histologische und immunhistologische Untersuchungen an den Mäusegehirnen. So konnten in unserem Tiermodell sowohl lokale neuroinflammatorische Veränderungen nachgewiesen werden, also auch generalisierte Veränderungen, welche sich auf Isocortex und Hippocampus erstreckten und beide Hemisphären gleichermaßen betrafen. Ebenso konnten demyelinisierende Prozesse im Bereich der Läsion beobachtet werden. Im Bereich des Cortex zeigte sich außerdem eine axonale Schädigung mit begleitender Neuroinflammation, sowie eine Infiltration von B-Zellen. Anschließend wurde eruiert, ob eine Korrelation von funktionalem Outcome und histologischen Veränderungen besteht. Dabei zeigte sich eine signifikante Korrelation neuroinflammatorischer Prozesse mit Einschränkungen im räumlichen Lernen und Umlernen, sowie Auffälligkeiten im Bereich des belohnungsmotivierten Verhaltens. Damit ordnet sich diese Arbeit in die bestehenden Erkenntnisse zur Pathophysiologie des SHTs ein und ergänzt diese weiter.

Chemical synapses are a physically and functionally varied type of cell-cell contact specialized in conducting communication between neurons. They are the smallest "computational" unit of the brain and are often classified as electrical and chemical, and they can be distinguished based on their transmission mechanism. These categories could be further broken into many kinds, each having a specific structure-function repertoire that is hypothesized to provide neural networks with distinct computational capabilities. Heterogeneity refers to the variety of structures and functions present in a particular category of synapses. Contributing factors for this heterogeneity may be the synaptic vesicles, the active zone (AZ), the synaptic cleft, the postsynaptic density, and the glial processes associated with the synaptic contacts. Each of these five structural modules has its own set of functions, and their combination determines the spectrum of functional heterogeneity at mammalian excitatory synapses. This work focused on the changes in AZ protein expression after chemical induction of plasticity with forskolin in synaptic contacts of the hippocampal mossy fibers. With the nanoscopic resolution provided by dSTORM, along with the multicolor SIM imaging capabilities, changes in expression of key presynaptic AZ components were analyzed. Using SIM imaging along with a standardized stimulation protocol in acute brain slices from male 16-week old Thy1-mEGFP (Lsi1) mice, the changes of the key AZ proteins Bassoon, Munc 13-1 and Tomosyn were investigated 30 min after stimulation with forskolin (50 μM for 30 min). Forskolin induced changes in these proteins largely in small synaptic contacts whereas no clear changes were detected in large mossy fiber boutons. However, due to the high variability it cannot be ruled out that forskolin may differentially modify AZ protein composition depending on experimental circumstances such as age and gender of mice or the time point and duration of forskolin stimulation. The dSTORM data demonstrated feasibility to perform single molecule 3D imaging of hippocampal presynaptic AZs and allowed quantitative mapping of molecular changes in AZ proteins after induction of plasticity. The findings suggest high heterogeneity in mossy fiber synaptic contacts that may have an impact on the function of neural networks. These imaging approaches may now be used to identify potential differences in functional molecular rearrangements of synaptic proteins in healthy and diseased brain (e.g. after induction of traumatic brain injury).