Neurologische Klinik und Poliklinik
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- Wurzburg Fabry Center for Interdisciplinary Therapy (FAZIT), Wurzburg, Germany (1)
- Würzburg Fabry Center for Interdisciplinary Therapy (FAZIT), University of Würzburg, Würzburg, Germany (1)
Autoantikörper gegen nodo-paranodale Proteine des Ranvier’schen Schnürrings wie
Neurofascin-155 (NF-155), Contactin-1 und Caspr wurden in der Literatur bei
Patienten/Patientinnen mit Immunneuropathien beschrieben. Bei zwei bis zehn Prozent
der Patienten/Patientinnen mit Immunneuropathien können Autoantikörper gegen
Isoformen des Neurofascin detektiert werden. Patienten/Patientinnen mit
Autoantikörpern gegen NF-155 weisen gemeinsame klinische Merkmale auf, unter
anderem einen schweren Verlauf mit subakutem Beginn, vorwiegend motorischen
Defiziten, Tremor und einem schlechten Ansprechen auf eine Therapie mit intravenösen
Immunglobulinen (IVIG). Ein Grund für Letzteres könnte sein, dass es sich überwiegend
um Autoantikörper der Subklasse IgG4 handelt, die als anti-inflammatorisch gelten und
kein Komplement aktivieren. Neben der IgG4-Subklasse können bei manchen
Erkrankten auch die proinflammatorischen IgG-Subklassen 1 bis 3 nachgewiesen
werden. Bei der Anti-Pan-Neurofascin (155/140/186) Polyneuropathie zeigt sich klinisch
häufig ein fulminanter Phänotyp mit IgG3 Prädominanz. Das Ziel dieser Studie war, die
Autoantikörper-induzierte Komplementablagerung zu detektieren, sowie die Rolle der
IgG Subklasse und die Effekte von IVIG auf Antikörperbindung, Komplementaktivierung
und Effektorfunktionen zu untersuchen.
Hierzu wurde das Serum von 212 Probanden/-innen mit der Verdachtsdiagnose einer
entzündlichen Neuropathie auf Autoantikörper gegen NF-155 mittels ELISA und
Bindungsversuchen an Mäusezupfnerven gescreent. Im Fall eines positiven
Ergebnisses dienten zellbasierte Bindungsversuche mit NF-155-transfizierten HEK-293-
Zellen als Bestätigungstest. Die Effekte unterschiedlicher IVIG Konzentrationen auf die
Antikörperbindung und Komplementablagerung wurden in ELISA,
Komplementbindungsassays und zellbasierten Verfahren getestet. Außerdem wurde
mithilfe von LDH-Zytotoxizitätsmessungen die Komplement-induzierte Zelllyse sowie die
Effekte von IVIG untersucht. Klinische Daten wurden retrospektiv ausgewertet.
Fünf Patienten/Patientinnen mit hohen Autoantikörpertitern gegen NF-155 und ein
Patient mit Anti-Pan-Neurofascin Autoantikörpern konnten in der Studie detektiert
werden. Der Patient mit Autoantikörpern gegen alle drei Isoformen des Neurofascins und
IgG3-Prädominanz zeigte die deutlichste Komplementablagerung. Bei drei
Patienten/Patientinnen, die IgG1, IgG2 und IgG4 aufwiesen, war eine Aktivierung des
Komplementsystems zu beobachten, während bei zwei Patienten mit prädominanter
IgG4-Antikörpersubklasse keine Komplementablagerung nachweisbar war. Bei
Letzteren war eine Therapie mit IVIG in der Vorgeschichte erfolglos, während es bei zwei
der Patienten/Patientinnen mit anderen IgG-Subklassen und Komplementbindung unter
IVIG Therapie zu einer mäßigen bis deutlichen Symptombesserung in der Akutphase
kam. Eine Koinkubation mit IVIG führte in den ELISA basierten und zellbasierten
Versuchen zu keinem Effekt auf die Autoantikörperbindung an das Zielantigen, jedoch
zu einer deutlichen Reduktion der Antikörper-vermittelten Komplementbindung. Diese
Reduktion war sowohl bei Koinkuabtion von IVIG mit dem Komplementfaktor C1q als
auch bei Präinkubation von IVIG vor C1q Gabe zu sehen. Bei zwei der
Patienten/Patientinnen mit hohen Komplementablagerungen konnte eine erhöhte
Zytotoxizität nachgewiesen werden, welche bei Zugabe von IVIG verringert wurde.
Schlussfolgernd ist die Autoantikörper-induzierte Komplementablagerung abhängig von
der prädominanten IgG Subklasse. IVIG führt zu einer deutlichen,
konzentrationsabhängigen Reduktion der Komplementablagerung, sowie möglicher
zytotoxischer Effektorfunktionen wie die Zytolyse myelinisierter Schwannzellen oder
Nervenaxonen. Darüber hinaus könnte die Subklassenanalyse von Erkrankten das
Therapieansprechen auf IVIG vorhersagen und sollte daher eine wichtige Rolle in der
Diagnostik der Nodo-Paranodopathie spielen. IVIG sowie andere über das
Komplementsystem wirkende Therapeutika können in der Behandlung der schwer
betroffenen Patienten/Patientinnen, insbesondere bei Anti-Pan-Neurofascin positiver
Neuropathie, in Betracht gezogen werden.
Both nerve injury and complex regional pain syndrome (CRPS) can result in chronic pain. In traumatic neuropathy, the blood nerve barrier (BNB) shielding the nerve is impaired—partly due to dysregulated microRNAs (miRNAs). Upregulation of microRNA-21-5p (miR-21) has previously been documented in neuropathic pain, predominantly due to its proinflammatory features. However, little is known about other functions. Here, we characterized miR-21 in neuropathic pain and its impact on the BNB in a human-murine back translational approach. MiR-21 expression was elevated in plasma of patients with CRPS as well as in nerves of mice after transient and persistent nerve injury. Mice presented with BNB leakage, as well as loss of claudin-1 in both injured and spared nerves. Moreover, the putative miR-21 target RECK was decreased and downstream Mmp9 upregulated, as was Tgfb. In vitro experiments in human epithelial cells confirmed a downregulation of CLDN1 by miR-21 mimics via inhibition of the RECK/MMP9 pathway but not TGFB. Perineurial miR-21 mimic application in mice elicited mechanical hypersensitivity, while local inhibition of miR-21 after nerve injury reversed it. In summary, the data support a novel role for miR-21, independent of prior inflammation, in elicitation of pain and impairment of the BNB via RECK/MMP9.
Inflammatory mechanisms in the pathophysiology of diabetic peripheral neuropathy (DN) — new aspects
(2021)
The pathogenesis of diabetic neuropathy is complex, and various pathogenic pathways have been proposed. A better understanding of the pathophysiology is warranted for developing novel therapeutic strategies. Here, we summarize recent evidence from experiments using animal models of type 1 and type 2 diabetes showing that low-grade intraneural inflammation is a facet of diabetic neuropathy. Our experimental data suggest that these mild inflammatory processes are a likely common terminal pathway in diabetic neuropathy associated with the degeneration of intraepidermal nerve fibers. In contrast to earlier reports claiming toxic effects of high-iron content, we found the opposite, i.e., nutritional iron deficiency caused low-grade inflammation and fiber degeneration while in normal or high non-heme iron nutrition no or only extremely mild inflammatory signs were identified in nerve tissue. Obesity and dyslipidemia also appear to trigger mild inflammation of peripheral nerves, associated with neuropathy even in the absence of overt diabetes mellitus. Our finding may be the experimental analog of recent observations identifying systemic proinflammatory activity in human sensorimotor diabetic neuropathy. In a rat model of type 1 diabetes, a mild neuropathy with inflammatory components could be induced by insulin treatment causing an abrupt reduction in HbA1c. This is in line with observations in patients with severe diabetes developing a small fiber neuropathy upon treatment-induced rapid HbA1c reduction. If the inflammatory pathogenesis could be further substantiated by data from human tissues and intervention studies, anti-inflammatory compounds with different modes of action may become candidates for the treatment or prevention of diabetic neuropathy.
Patients with atrial fibrillation and previous ischemic stroke (IS) are at increased risk of cerebrovascular events despite anticoagulation. In these patients, treatment with non-vitamin K oral anticoagulants (NOAC) such as edoxaban reduced the probability and severity of further IS without increasing the risk of major bleeding. However, the detailed protective mechanism of edoxaban has not yet been investigated in a model of ischemia/reperfusion injury. Therefore, in the current study we aimed to assess in a clinically relevant setting whether treatment with edoxaban attenuates stroke severity, and whether edoxaban has an impact on the local cerebral inflammatory response and blood–brain barrier (BBB) function after experimental IS in mice. Focal cerebral ischemia was induced by transient middle cerebral artery occlusion in male mice receiving edoxaban, phenprocoumon or vehicle. Infarct volumes, functional outcome and the occurrence of intracerebral hemorrhage were assessed. BBB damage and the extent of local inflammatory response were determined. Treatment with edoxaban significantly reduced infarct volumes and improved neurological outcome and BBB function on day 1 and attenuated brain tissue inflammation. In summary, our study provides evidence that edoxaban might exert its protective effect in human IS by modulating different key steps of IS pathophysiology, but further studies are warranted.
It remains unclear if principal components of the local cerebral stroke immune response can be reliably and reproducibly observed in patients with acute large-vessel-occlusion (LVO) stroke. We prospectively studied a large independent cohort of n = 318 consecutive LVO stroke patients undergoing mechanical thrombectomy during which cerebral blood samples from within the occluded anterior circulation and systemic control samples from the ipsilateral cervical internal carotid artery were obtained. An extensive protocol was applied to homogenize the patient cohort and to standardize the procedural steps of endovascular sample collection, sample processing, and laboratory analyses. N = 58 patients met all inclusion criteria. (1) Mean total leukocyte counts were significantly higher within the occluded ischemic cerebral vasculature (I) vs. intraindividual systemic controls (S): +9.6%, I: 8114/µL ± 529 vs. S: 7406/µL ± 468, p = 0.0125. (2) This increase was driven by neutrophils: +12.1%, I: 7197/µL ± 510 vs. S: 6420/µL ± 438, p = 0.0022. Leukocyte influx was associated with (3) reduced retrograde collateral flow (R\(^2\) = 0.09696, p = 0.0373) and (4) greater infarct extent (R\(^2\) = 0.08382, p = 0.032). Despite LVO, leukocytes invade the occluded territory via retrograde collateral pathways early during ischemia, likely compromising cerebral hemodynamics and tissue integrity. This inflammatory response can be reliably observed in human stroke by harvesting immune cells from the occluded cerebral vascular compartment.
Based on recent findings that show that depletion of factor XII (FXII) leads to better posttraumatic neurological recovery, we studied the effect of FXII-deficiency on post-traumatic cognitive and behavioral outcomes in female and male mice. In agreement with our previous findings, neurological deficits on day 7 after weight-drop traumatic brain injury (TBI) were significantly reduced in FXII\(^{−/−}\) mice compared to wild type (WT) mice. Also, glycoprotein Ib (GPIb)-positive platelet aggregates were more frequent in brain microvasculature of WT than FXII\(^{−/−}\) mice 3 months after TBI. Six weeks after TBI, memory for novel object was significantly reduced in both female and male WT but not in FXII\(^{−/−}\) mice compared to sham-operated mice. In the setting of automated home-cage monitoring of socially housed mice in IntelliCages, female WT mice but not FXII\(^{−/−}\) mice showed decreased exploration and reacted negatively to reward extinction one month after TBI. Since neuroendocrine stress after TBI might contribute to trauma-induced cognitive dysfunction and negative emotional contrast reactions, we measured peripheral corticosterone levels and the ration of heart, lung, and spleen weight to bodyweight. Three months after TBI, plasma corticosterone levels were significantly suppressed in both female and male WT but not in FXII\(^{−/−}\) mice, while the relative heart weight increased in males but not in females of both phenotypes when compared to sham-operated mice. Our results indicate that FXII deficiency is associated with efficient post-traumatic behavioral and neuroendocrine recovery.
Treatment-induced neuropathy in diabetes (TIND) — Developing a disease model in type 1 diabetic rats
(2021)
Treatment-induced neuropathy in diabetes (TIND) is defined by the occurrence of an acute neuropathy within 8 weeks of an abrupt decrease in glycated hemoglobin-A1c (HbA1c). The underlying pathogenic mechanisms are still incompletely understood with only one mouse model being explored to date. The aim of this study was to further explore the hypothesis that an abrupt insulin-induced fall in HbA1c may be the prime causal factor of developing TIND. BB/OKL (bio breeding/OKL, Ottawa Karlsburg Leipzig) diabetic rats were randomized in three groups, receiving insulin treatment by implanted subcutaneous osmotic insulin pumps for 3 months, as follows: Group one received 2 units per day; group two 1 unit per day: and group three 1 unit per day in the first month, followed by 2 units per day in the last two months. We serially examined blood glucose and HbA1c levels, motor- and sensory/mixed afferent conduction velocities (mNCV and csNCV) and peripheral nerve morphology, including intraepidermal nerve fiber density and numbers of Iba-1 (ionized calcium binding adaptor molecule 1) positive macrophages in the sciatic nerve. Only in BB/OKL rats of group three, with a rapid decrease in HbA1c of more than 2%, did we find a significant decrease in mNCV in sciatic nerves (81% of initial values) after three months of treatment as compared to those group three rats with a less marked decrease in HbA1c <2% (mNCV 106% of initial values, p ≤ 0.01). A similar trend was observed for sensory/mixed afferent nerve conduction velocities: csNCV were reduced in BB/OKL rats with a rapid decrease in HbA1c >2% (csNCV 90% of initial values), compared to those rats with a mild decrease <2% (csNCV 112% of initial values, p ≤ 0.01). Moreover, BB/OKL rats of group three with a decrease in HbA1c >2% showed significantly greater infiltration of macrophages by about 50% (p ≤ 0.01) and a decreased amount of calcitonin gene related peptide (CGRP) positive nerve fibers as compared to the animals with a milder decrease in HbA1c. We conclude that a mild acute neuropathy with inflammatory components was induced in BB/OKL rats as a consequence of an abrupt decrease in HbA1c caused by high-dose insulin treatment. This experimentally induced neuropathy shares some features with TIND in humans and may be further explored in studies into the pathogenesis and treatment of TIND.
Diabetic peripheral neuropathy (DPN) is a common complication of diabetes with potential severe consequences. Its pathogenesis involves hyperglycemia-linked mechanisms, which may include changes in the expression of neurotrophic growth factors. We analyzed the expression of 29 factors potentially related to nerve degeneration and regeneration in skin biopsies from 13 type 1 diabetic pancreas and kidney recipients with severe DPN including severe depletion of intraepidermal nerve fibers (IENF) in lower limb skin biopsies (group Tx1 1st examination). The investigation was repeated after a median 28-month period of normoglycemia achieved by pancreas transplantation (group Tx1 2nd examination). The same tests were performed in 13 stable normoglycemic pancreas and kidney recipients 6-12 years posttransplantation (group Tx2), in 12 matched healthy controls (group HC), and in 12 type 1 diabetic subjects without severe DPN (group DM). Compared to DM and HC groups, we found a significantly higher (p < 0.05-0.001) expression of NGF (nerve growth factor), NGFR (NGF receptor), NTRK1 (neurotrophic receptor tyrosine kinase 1), GDNF (glial cell-derived neurotrophic factor), GFRA1 (GDNF family receptor alpha 1), and GFAP (glial fibrillary acidic protein) in both transplant groups (Tx1 and Tx2). Enhanced expression of these factors was not normalized following the median 28-month period of normoglycemia (Tx1 2nd examination) and negatively correlated with IENF density and with electrophysiological indices of DPN (vibration perception threshold, electromyography, and autonomic tests). In contrast to our expectation, the expression of most of 29 selected factors related to neural regeneration was comparable in subjects with severe peripheral nerve fiber depletion and healthy controls and the expression of six factors was significantly upregulated. These findings may be important for better understanding the pathophysiology of nerve regeneration and for the development of intervention strategies.
Mesenchymal stem cell (MSC)-secreted factors have been shown to significantly promote oligodendrogenesis from cultured primary adult neural stem cells (aNSCs) and oligodendroglial precursor cells (OPCs). Revealing underlying mechanisms of how aNSCs can be fostered to differentiate into a specific cell lineage could provide important insights for the establishment of novel neuroregenerative treatment approaches aiming at myelin repair. However, the nature of MSC-derived differentiation and maturation factors acting on the oligodendroglial lineage has not been identified thus far. In addition to missing information on active ingredients, the degree to which MSC-dependent lineage instruction is functional in vivo also remains to be established. We here demonstrate that MSC-derived factors can indeed stimulate oligodendrogenesis and myelin sheath generation of aNSCs transplanted into different rodent central nervous system (CNS) regions, and furthermore, we provide insights into the underlying mechanism on the basis of a comparative mass spectrometry secretome analysis. We identified a number of secreted proteins known to act on oligodendroglia lineage differentiation. Among them, the tissue inhibitor of metalloproteinase type 1 (TIMP-1) was revealed to be an active component of the MSC-conditioned medium, thus validating our chosen secretome approach.
Sowohl neurologische Erkrankungen als auch der natürliche Alterungsprozess gehen regelhaft mit einem Untergang von Neuronen einher und bedingen neurologische Funktionsverluste. Diese mit Hilfe nicht-invasiver Techniken, beispielsweise tDCS, zu reduzieren, stellt ein wichtiges Ziel der neurowissenschaftlichen Forschung dar. Neben Arbeiten, die tDCS-Effekte auf das motorische Lernen bei Stimulation des motorischen Kortex nachweisen konnten, gibt es auch Hinweise für solche Effekte bei Stimulation des Kleinhirns. Allerdings besteht derzeit noch eine hohe Variabilität und damit einhergehend eine schlechte Vergleichbarkeit der Studien bezüglich ihrer Stimulationsbedingungen. Das Ansprechen unterschiedlicher Altersgruppen bleibt unklar.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Effekte zerebellärer a-tDCS auf das motorische Lernen bei gesunden älteren Probanden untersucht. Im Cross-over-Design wurde zu unterschiedlichen Zeitpunkten (vor bzw. nach der motorischen Aufgabe) stimuliert und im 24-Stunden-Verlauf die Langzeitwirkung evaluiert. Gruppe A erhielt vor einer motorischen Übungsaufgabe eine zerebelläre Stimulation, entweder als a-tDCS oder Scheinstimulation, Gruppe B nach der Übungsaufgabe. Zur Überprüfung der Effekte auf das Sequenzlernen diente der Finger-Tapping-Task. Der Lernerfolg wurde anhand der Genauigkeit, der Sequenzdauer und des Skill-Index gemessen.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine zerebelläre a-tDCS vor einer Übungsaufgabe zu einer Verbesserung der Konsolidierung der Fähigkeit, eine Zahlenfolge möglichst schnell und gleichzeitig genau einzutippen, führt, während die Stimulation nach einer Übungsaufgabe das motorische Lernen nicht zu beeinflussen scheint. Insgesamt stützen die Ergebnisse zum Teil die bisherigen Hinweise, dass eine zerebellär applizierte a-tDCS das motorische Lernen verbessern kann. Aufgrund einiger Limitationen, besonders der geringen Gruppengröße, verbleibt dieses Ergebnis jedoch vorläufig und bedarf einer Bestätigung in größeren Probandengruppen. Es bleibt von hohem Interesse, die optimalen Bedingungen für die Anwendung von tDCS am Kleinhirn zu definieren, um motorische Lernprozesse positiv zu beeinflussen. Dies ist die Voraussetzung dafür, zerebelläre tDCS mittelfristig auch zu therapeutischen Zwecken anwenden zu können.