Neurologische Klinik und Poliklinik
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Fabry Disease (FD) is a genetic lysosomal storage disorder based on mutations in the gene encoding α-Galactosidase A (α-GalA) leading to accumulation of globotriaosylceramide (Gb3). Missense mutations induce an amino acid exchange (AAE) in the α-GalA. Pain is a predominant symptom in FD and the pathophysiology is unclear. Skin punch biopsies were obtained from 40 adult FD patients and ten healthy controls and dermal fibroblast cultures were generated for cell culture experiments to investigate Gb3 load, gene and protein expression patterns and ion channel activity. The 3D-structure of α-GalA was downloaded into Pymol Graphics System and the AAE was depicted and located in order to investigate the correlation between the AAE location type in the α-GalA and the clinical FD phenotype.
FD dermal fibroblasts showed high Gb3 load depending on treatment interval and expressed Kca1.1 channels. Activity was reduced in FD cells at baseline, but increased over-proportionately upon Gb3-cleavage by enzyme replacement therapy. Gene and protein expression of Kca1.1 was increased in FD cells. FD dermal fibroblasts showed higher gene expression of Notch1 and several cytokines. Further, it was shown that three different AAE location types can be differentiated: mutations in the active site (‘active site’), those buried in the core of α-GalA (‘buried’) and those at another location, mostly on the protein surface (‘other’). FD patients carrying active site or buried mutations showed a severe clinical phenotype with multi-organ manifestation and early disease onset. Patients with other mutations were less severely affected with oligo-organ manifestation sparing the nervous system and later disease onset.
These results show that dermal fibroblasts may be involved in FD-associated pain and that stratification of FD patients carrying missense mutations by AAE location type may be an advantageous parameter that can help in the management of FD patients.
M. Fabry ist eine X-chromosomale, lysosomale Speicherkrankheit, die aufgrund einer Mutation im für das Enzym αGalaktosidase A (αGalA)-kodierenden Gen GLA, zu einer vollständig fehlenden oder verminderten Expression von αGalA führt. Aufgrund ubiquitärer Ablagerungen von Globotriaosylceramid 3 (Gb3) kommt es zu einer progressiven Multiorganerkrankung sowie der Entwicklung einer small-fiber Neuropathie (SFN). Der Pathomechanismus des Fabry-assoziierten Schmerzes blieb trotz Entwicklung eines αGalA-defizienten Mausmodells (Fabry-ko-Maus) durch Ohshima et al. bisher weitgehend ungeklärt. Ziel der vorliegenden Arbeit war die systematische Charakterisierung des Fabry-ko-Mausmodells hinsichtlich Schmerz-assoziierten Verhaltens und Expression Schmerz-assoziierter Ionenkanäle in Spinalganglienneuronen. Hierzu wurden insgesamt 42 drei Monate und 41 12 Monate alte männliche und weibliche Fabry-ko-Mäuse und ihre gleichaltrigen Wurfgeschwister untersucht. Die Verhaltenstestungen beinhalteten einen von Frey-, einen Hargreaves- sowie einen „Cold“-Test zur Evaluation der mechanischen und thermischen Rückzugslatenz. Weiterhin erfolgten die Analyse der intraepidermalen Nervenfaserdichte (IENFD) in Fußsohlen der Mäuse sowie eine H.E.-Färbung von Spinalganglien zur Untersuchung morphologischer Veränderungen der Neurone. Zusätzlich folgten immunhistochemische und molekulargenetische Untersuchungen des Gb3-Rezeptors (CD77), des transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1)-Kanals, des spannungsgesteuerten Natrium-Kanals 1.8 (Nav1.8), des Calcitonin Gene related peptide (CGRP), des Neurofilaments 200 (NF200) sowie von Isolectin B4 (IB4) an kryokonservierten und kultivierten Spinalganglienneuronen.
In Verhaltenstestungen konnten eine Überempfindlichkeit gegenüber mechanischen und Hitze-Stimuli sowie ein vermindertes Kälteempfinden festgestellt werden. Es zeigte sich eine reduzierte IENFD in Fußsohlen sowie eine Vergrößerung der neuronalen Fläche in Spinalganglien von Fabry-ko-Mäusen. Die immunhistochemischen Untersuchungen ergaben eine erhöhte CD77- und TRPV1-Immunreaktivität sowie eine erniedrigte NF200-Immunreaktivität in Fabry-ko-Mäusen; Untersuchungen hinsichtlich der Immunreaktivität von Nav1.8 ergaben keine Unterschiede. Molekulargenetisch konnte neben einer verminderten Nav1.8-Expression in jungen Fabry-ko-Mäusen keine Unterschiede festgestellt werden.
Die Ergebnisse der Verhaltenstestungen sowie die verminderte IENFD bei Fabry-ko-Mäusen entsprechen klinischen Befunden bei Fabry-Patienten. Erstmals konnte in dieser Arbeit eine Vergrößerung der Neuronenfläche in Fabry-ko-Mäusen quantitativ nachgewiesen und eine vermehrte Immunreaktivität von TRPV1 und CD77 festgestellt werden. Bei fehlendem Nachweis eines geschlechtsspezifischen Unterschieds der Ergebnisse, konnte ein Einfluss des weiblichen Geschlechts auf den Phänotyp des M. Fabry ausgeschlossen werden.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die von Oshima et al. entwickelte Fabry-ko-Maus ein suffizientes Model zur Erforschung des M. Fabry darstellt. Weiterhin rücken sie TRPV1 und spannungsgesteuerte Natriumkanäle weiter in den Fokus der Untersuchung Fabry-assoziierten Schmerzes und können aufgrund der hohen Anzahl an Versuchstieren und dem Vergleich mit Wurfgeschwistern als Grundlage für weitere Studien dienen.
Polyneuropathien sind eine ätiologisch heterogene Erkrankung des peripheren Nervensystems. In bis zu 30% der Fälle ist eine Zuordnung zu einem bestimmten PNP Subtyp auch nach aufwändiger und zum Teil invasiver Diagnostik nicht möglich. Bislang fehlt ein diagnostischer Biomarker bei PNP, der z.B. bei der Unterscheidung zwischen einzelnen diagnostischen Subgruppen oder entzündlichen und nicht-entzündlichen Erkrankungsformen helfen könnte. In einer prospektiven Studie mit insgesamt 97 Patienten mit Neuropathien verschiedenster Ätiologie und 17 gesunden Kontrollpersonen erstellten wir Genexpressionsprofile von inflammatorischen Markern und Markern der Regeneration peripherer Nerven in Haut- und N. suralis-Biopsaten. Es wurden Inflammationsmarker (TAC1, CRMP2, AIF1, IL-6) und Marker, die in die Regeneration peripherer Nerven involviert sind (SCD, Netrin-1, DCC, UNC5H2, NEO1, Netrin-G1, Netrin-G2), mittels qRT-PCR untersucht. Alle Patienten erhielten eine N. suralis-Biopsie und/oder eine Hautbiopsie von Ober- beziehungsweise Unterschenkel. Weder in den Haut- noch in den N. suralis-Biopsaten konnten Unterschiede in der Genexpression dieser Marker zwischen einzelnen diagnostischen Subgruppen gefunden werden. Der Inflammationsmarker AIF1 war jedoch in Patienten-Hautproben sowohl proximal als auch distal höher exprimiert als bei gesunden Kontrollpersonen (p < 0,05 bzw. p < 0,01). Zudem fand sich in den Hautproben von PNP-Patienten eine deutlich reduzierte Genexpression von Regenerationsmarkern aus der Netrin-Familie verglichen mit den Hautproben gesunder Probanden (Netrin-1, DCC, UNC5H2, NEO1 sowie Netrin-G1 und G2; p < 0,05 bis p < 0,001). Ferner wies Netrin-1 in distalen Hautproben bei Patienten mit einer entzündlichen PNP eine niedrigere Genexpression auf, als bei Patienten mit einer nicht-entzündlichen Erkrankungsform (p < 0,05). Die Genexpression von NEO1 in distalen Hautproben war bei schmerzloser PNP und gesunden Kontrollpersonen höher als bei schmerzhafter PNP (p < 0,05). Sowohl eine Erhöhung bestimmter Inflammationsmarker als auch eine Verminderung von Regenerationsmarkern peripherer Nerven können bei der Pathophysiologie von Polyneuropathien involviert sein. Insbesondere Mitglieder der Netrin-Familie scheinen eine komplexe Rolle für das Axonwachstum, jedoch auch für entzündliche Prozesse zu spielen.
Am Modell des tumorinduzierten Schmerzes der Maus wurden sowohl das Schmerzverhalten der Tiere als auch spezifische morphologische Veränderungen im Hinterhorn des Rückenmarks (Aktivierung von Astrozyten) und im tumorbefallenen Knochen analysiert. Durch Analyse von Mäusen mit Defizienz für TNF-Rezeptor 1, TNF-Rezeptor 2 oder für beide Rezeptoren konnte die Rolle von TNF-α seiner Rezeptoren bei der Entstehung von tumorinduziertem Schmerz untersucht werden. Im Unterschied zu neuropathischen Schmerzmodellen konnte gezeigt werden, dass beide TNF-Rezeptoren ausgeschaltet werden müssen, um eine signifikante Schmerzreduktion zu erzielen. Die systemische Behandlung mit dem TNF-neutralisierenden Fusionsprotein Etanercept konnte die im genetischen Modell gezeigte Reduktion der mechanischen Allodynie teilweise, aber nicht vollständig reproduzieren. Eine Hemmung der Mikrogliaaktivierung mittels Minocyclin erbrachte im Tumor-schmerzmodell keinen Effekt auf das Schmerzverhalten der Tiere. Die histologische Analyse der tumoraffizierten Knochen zeigte eine signifikante Zunahme der Osteoklastenaktivität in tumortragenden Tieren. Die Behandlung mit Minocyclin war ohne erkennbaren Effekt auf die Differenzierung und die Aktivität der Osteoklasten. Es ergaben sich jedoch Hinweise, dass TNF-α einen hemmenden Einfluss auf die Osteoklastenaktivität im Knochentumormodell hat, da sowohl in den TNFR-KO-Tieren als auch unter Gabe von Etanercept eine Steigerung der Osteoklastenaktivität nachgewiesen werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass TNF-α eine wichtige Rolle, sowohl in der Entstehung, als auch in der Aufrechterhaltung von tumorinduziertem Schmerz spielt. Hier liegt der Ansatzpunkt für weitere Studien mit dem Ziel, eine spezifische Pharmakotherapie zu entwickeln mit wirksamer TNF-α Blockade auch bei Patienten mit Tumorschmerzen. Nach den Erkenntnissen dieser Arbeit mit Etanercept sollte ein spezielles Augenmerk auf die ZNS-Gängigkeit dieser Substanzen gelegt werden und die Gefahr der Möglichkeit eines vermehrten Tumorwachstum bedacht werden.
In dieser Arbeit sollte an weiblichen Sprague Dawley Ratten untersucht werden, ob sich durch die Antidepressiva Amitriptylin und Venlafaxin Schmerzverhalten nach Nervenläsion verringern läßt und wenn ja, welche Mechanismen dieser Wirkung zugrunde liegen. Den Tieren wurde einseitig der N. ischiadicus nach dem Nervenläsionsmodell der Chronic-Constriction-Injury (CCI) operiert. Das Schmerzverhalten der mit Antidepressiva behandelten Tiere wurde über zwei bis drei Wochen verblindet im Vergleich mit plazebobehandelten Tieren untersucht. Das Ausmaß von Hitzehyperalgesie und taktiler Allodynie wurde durch die Anwendung etablierter Testverfahren quantifiziert. Amitriptylin hatte in der Dosis von zweimal täglich 10 mg/kg KG i.p. keinen relevanten Effekt auf das Schmerzverhalten der Tiere. Eine akute Gabe von Amitriptylin bei Tieren, die zuvor über 19 Tage chronisch mit Amitriptylin behandelt worden waren, reduzierte die taktile Allodynie geringgradig und hatte keinen Einfluß auf die Hitzehyperalgesie. Venlafaxin in der Dosis von zweimal täglich 25 mg/kg KG p.o. reduzierte in einigen Teilversuchen mäßiggradig die Hitzehyperalgesie und die taktile Allodynie nach CCI. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde versucht, die Wirkung der chronischen Venlafaxin-Medikation durch Kombination mit zusätzlich akut verabreichten alpha-adrenergen- bzw. µ-Opiat-Rezeptor-agonistischen Substanzen zu verstärken. Die Kombination von Venlafaxin mit dem alpha-2A-Rezeptoragonisten Clonidin ergab eine Wirkungsverstärkung in Bezug auf die Reduktion der Hitzehyperalgesie, wobei sich zusätzlich eine Eigenwirkung von Clonidin nachweisen ließ. Der µ-Opiat-Rezeptor-Agonist Morphin führte hingegen zu keiner signifikanten Wirkungsverstärkung in Kombination mit Venlafaxin. Im Anschluß an die jeweilige Testreihe wurde den Tieren Nervengewebe entnommen, welches nach immunhistochemischer Färbung für alpha-2A- und µ-Rezeptoren morphometrisch evaluiert wurde. Dies diente der Untersuchung der Hypothese, daß den o.g. Wirkungen eine Vermehrung der entsprechenden Rezeptoren bei Venlafaxin-behandelten Tieren zugrunde lag. Die chronische postoperative Gabe von Venlafaxin hatte keinen Einfluß auf die Anzahl von alpha-2A-Rezeptor-immunreaktiven Neuronen im Spinalganglion CCI-operierter Ratten. Allerdings ließ sich unter der Medikation die Immunreaktivität für alpha-2A-Rezeptoren vermehrt in großkalibrigen Spinalganglienneuronen nachweisen. Die chronische postoperative Gabe von Venlafaxin führte zudem zu einer Zunahme von µ-Opiat-Rezeptoren im ipsilateralen N. ischiadicus CCI-operierter Ratten. Im Spinalganglion ergab sich nach Venlafaxinbehandlung keine Veränderung der Anzahl der µ-Rezeptor-immunreaktiven Neurone. Allerdings konnte durch chronische Venlafaxin-Medikation eine Phänotyp-Verschiebung mit Auftreten von µ-Rezeptor-Immunreaktivität in großkalibrigen Neuronen, wie sie nach CCI ohne Venlafaxinbehandlung auftrat, verhindert werden. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, daß die chronische, zweimal tägliche Anwendung der Antidepressiva Amitriptylin und Venlafaxin das Schmerz-assoziierte Verhalten von Ratten nach einer peripheren Nervenläsion inkonstant und nur in unzureichendem Ausmaß beeinflussen. Unabhängig davon wurden in den immunhistochemischen Untersuchungen Veränderungen in der Verteilung µ- und alpha-adrenerger Rezeptoren in Spinalganglionzellen und Ischiasnerv beobachtet, die auf eine kontinuierliche Venlafaxin-Medikation zurückzuführen zu sein scheinen. Berücksichtigt man vor diesem Hintergrund die Tatsache, daß sich die Venlafaxinwirkung durch den alpha-2A-Agonisten Clonidin verstärken ließ, so bieten diese Zusammenhänge eine mögliche Erklärung für die zugrundeliegenden Mechanismen der Wirkungsvermittlung von Antidepressiva in der Behandlung einer schmerzhaften Mononeuropathie.
Am Tiermodell einer experimentellen Mononeuropathie (chronic constriction injury, CCI) wurde bei Ratten die Expression von Zytokinen (TNF-α, IL-10), Vanilloidrezeptor 1 (VR1) und Neuropeptiden in Spinalganglienneuronen immunhistochemisch analy-siert. Durch retrograde Anfärbung mit den Tracern Fluorogold (FG) und Fluoruby (FR) konnten intakte von geschädigten Neuronen unterschieden und Muskel- und Hautaffe-renzen getrennt untersucht werden. Nach CCI fand sich ein selektiver Anstieg der TNF-α Immunreaktivität in mittelgroßen und großen Spinalganglienneuronen, welche durch Vergleich mit anderen neuronalen Markern als A-Faser Neurone identifiziert werden konnten. Nicht nur geschädigte, sondern auch intakte Spinalganglienneurone wiesen eine erhöhte TNF-α Immunreaktivität auf und sowohl Muskel- als auch Hautafferenzen trugen zur vermehrten TNF-α Expression bei. IL-10, VR1 und IB4 Immunreaktivität fand sich vor allem in kleinen Neuronen und war nach CCI deutlich reduziert, während die Expression von CGRP in kleinen und mittel-großen Spinalganglienneuronen nachzuweisen war und keine Veränderung zeigte. Die Ergebnisse zeigen, dass intakt gebliebene A-Faser Neurone pathophysiologische Veränderungen im Sinne einer vermehrten Expression des pro-inflammatorischen Zyto-kins TNF-α erfahren. Dieser phänotypische Switch ist möglicherweise mit einer neuen Funktion dieser Neurone im nozizeptiven System verbunden. Die verminderte Expression des anti-inflammatorischen Zytokins IL-10 vier Tage nach CCI korrespondiert mit der frühen Schmerzentstehung nach peripherer Nervenläsion und der noch fehlenden Suppression der pro-inflammatorischen Zytokine zu diesem Zeitpunkt. Dagegen ist der Rückgang der VR1 und IB4 Konzentrationen im Spinal-ganglion am ehesten durch einen läsionsbedingten Mangel an neurotrophen Faktoren zu erklären. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse unterstützen die These, dass pro-inflammatorischen Zytokinen, insbesondere TNF-α, eine besondere Bedeutung bei der Entstehung neuropathischer Schmerzen zukommt. Dies könnte ein Ansatzpunkt für wei-tere Studien sein, die Wirksamkeit TNF-α hemmender Medikamente bei neuropathi-schen Schmerzmodellen im Tierversuch und eventuell später klinisch zu untersuchen.
In der vorliegenden Arbeit wurde mittels der Whole-Cell Patch-Clamp Methode sensible Neurone von transgenen Mäusen untersucht, bei denen das Gen für TRPV1 (transient receptor potential V1) deletiert wurde. Das Ergebniss wurde mit den Daten von Wildtyp Mäusen verglichen. TRPV1 (früher VR1; vanilloid receptor 1) wird nahezu selektiv in sensiblen Neuronen exprimiert und wird im heterologen Expressionssystem durch Vanilloide, Hitze (> 43°C) und Protonen aktiviert. Durch diese Eigenschaften scheint TRPV1 für die rezeptiven Eigenschaften polymodaler Nozizeptoren von großer Bedeutung zu sein. Als ein Model des peripheren afferenten Neurons wurde die Aktivierbarkeit kultivierter Spinalganglienzellen durch Vanilloide, Protonen und Hitze elektrophysiologisch untersucht. Während etwa 35% der Wildtyp-Zellen Vanilloid-sensibel waren, fehlte in Zellen der TRPV1-knockout Maus jegliche Vanilloid-Sensibilität. Auch bei der Protonen-Sensibilität wurde eine signifikante Reduktion in TRPV1-knockout Zellen beobachtet. In Wildtyp-Zellen wurde eine hohe Protonen-Sensibilität fast ausschliesslich in Vanilloid-sensiblen Zellen beobachtet. Hitze-induzierte Einwärtsströme mit einer Aktivierungsschwelle bei 43°C wurden ausschliesslich in Vanilloid-sensiblen Zellen der Wildtyp-Maus beobachtet. Dagegen wurden Hitze-induzierte Einwärtsströme mit einer Aktivierungsschwelle über 53°C in sowohl Wildtyp- als auch in TRPV1-knockout Zellen beobachtet. Im Bezug auf die Bedetung von TRPV1, wurde die Funktionalität zwei distinkter Populationen von Spinalganglienzellen, NGF- bzw. GDNF-abhängigen Neuronen, durch eine Lebendfärbung mit IB4-FITC untersucht. Hinsichtlich Vanilloid-, Protonen-, Hitze-Sensibilitöt wurden jedoch keine Unterschiede zwischen IB4-negative und IB4-positive Neuronen beobachtet. Die vorliegende Studie zeigt damit, dass TRPV1 für Vanilliod-Sensibilität sensibler Neurone essentiell ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass TRPV1 ein wichtiges Transduktionselement für sowohl die Protonen-Sensibilität als auch für die Hitze-Sensibilität in Spinalganglienzellen darstellt. Die Daten dieser zellulären Untersuchungen konnten in weiteren in vitro und in vivo Untersuchungen bestätigt werden (Caterina et al., 2000).
In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in der Aufklärung von Mechanismen der Protonensensibilität auf molekularer Ebene gemacht, die ein wesentliches Element der Nozizeption darstellt. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von den in diesem Zusammenhang entdeckten Kanälen TRPV1 und ASIC3 auf die Protonensensitivität von nativen Spinalganglienneuronen, sowie Unterschiede zwischen der IB4-positiven und der IB4-negativen Population untersucht. Hierzu wurden Patch-Clamp-Studien an isolierten Neuronen von TRPV1-defizienten und ASIC3-defizienten Mäusen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Experimente bestätigen dabei die wesentliche Rolle von TRPV1 für die Protonensensibilität. Insbesondere für nicht desensibilisierende Komponenten von protoneninduzierten Strömen, die für die Transduktion extrazelluärer azidotischer Schmerzzustände in eine anhaltende Erregung des nozizeptiven Systems verantwortlich sind, ist TRPV1 von großer Bedeutung. Diese sind in den TRPV1-defizienten Neuronen stark reduziert. Der Einfluss von ASIC3 auf diese Komponenten ist hingegen gering, auch wenn es Hinweise auf eine Beteiligung dieses Rezeptors an diesen Komponenten gibt. Größere Bedeutung hat ASIC3 für schnell desensibilisierende Komponenten der Reaktion dieser Neurone auf Protonen, die von ASIC3-defizienten seltener als von Wildtyp-Neuronen gezeigt werden. Die Bedeutung dieser transienten Komponenten ist nicht geklärt, wahrscheinlich erfüllen sie eine modulatorische Funktion, nicht nur im nozizeptiven System. Noch wenig ist über die funktionellen Unterschiede der zwei verschiedenen Subpopulationen nozizeptiver Neurone bekannt, die durch die Bindung des Isolektins B4 differenziert werden können. Diese Arbeit gibt Hinweise darauf, dass sich diese auch in ihrer Protonensensitivität unterscheiden. Das könnte Ausdruck dafür sei, dass diese an der Wahrnehmung unterschiedlicher Schmerzzustände beteiligt sind. Die Charakterisierung der Mechanismen des komplexen nozizeptiven Systems auf zellulärer und molekularer Ebene ist Vorraussetzung zur Entwicklung von gezielt wirkenden, analgetischen Pharmaka. Die schon lange bekannte Wirksamkeit von Capsaicin – dem wohl bekanntesten Agonisten von TRPV1 – bei verschiedenen schmerzhaften Zuständen und fortschreitende Erkenntnisse über die Bedeutung dieses und der ASIC-Rezeptoren bei der Wahrnehmung von schmerzassoziierter Gewebsazidose, zeigt Wege auf, über die solche Medikamente ihre Wirkung entfalten könnten.