Mausstudie transplantiert Neuronen, um Gehirnkreise wieder aufzubauen
Mitarbeiter von vier Institutionen - der Harvard University, dem Massachusetts General Hospital, dem Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) und der Harvard Medical School (HMS) - transplantierten normal funktionierende embryonale Neuronen in einem sorgfältig ausgewählten Stadium ihrer Entwicklung in den Hypothalamus von Mäusen, die nicht darauf reagieren konnten Leptin, ein Hormon, das den Stoffwechsel reguliert und das Körpergewicht kontrolliert.
Diese mutierten Mäuse werden normalerweise krankhaft fettleibig, aber die Neuronentransplantationen reparierten defekte Gehirnschaltungen, so dass sie auf Leptin reagieren und viel weniger an Gewicht zunehmen konnten.
Reparaturen auf zellulärer Ebene des Hypothalamus - einer kritischen und komplexen Region des Gehirns, die Phänomene wie Hunger, Stoffwechsel, Körpertemperatur und grundlegende Verhaltensweisen wie Geschlecht und Aggression reguliert - weisen auf die Möglichkeit neuer therapeutischer Ansätze für Erkrankungen wie Wirbelsäule hin Nabelschnurverletzung, Autismus, Epilepsie, ALS (Lou Gehrig-Krankheit), Parkinson-Krankheit und Huntington-Krankheit, sagten Forscher.
„Es gibt nur zwei Bereiche des Gehirns, von denen bekannt ist, dass sie im Erwachsenenalter auf zellulärer Ebene normalerweise einen großflächigen neuronalen Ersatz erfahren - die sogenannte„ Neurogenese “oder die Geburt neuer Neuronen - den Riechkolben und die Subregion des Hippocampus wird als Gyrus dentatus bezeichnet, mit aufkommenden Hinweisen auf eine anhaltende Neurogenese auf niedrigerem Niveau im Hypothalamus “, sagte Jeffrey Macklis, MD, Professor für Stammzellen- und regenerative Biologie an der Harvard University.
„Die Neuronen, die im Erwachsenenalter in beiden Regionen hinzugefügt werden, sind im Allgemeinen kleiner und wirken vermutlich ein bisschen wie Lautstärkeregler für bestimmte Signale. Hier haben wir ein hochrangiges System von Gehirnschaltungen neu verkabelt, das auf natürliche Weise keine Neurogenese erfährt, und dies hat die im Wesentlichen normale Funktion wiederhergestellt. "
Die beiden anderen Autoren des Papiers sind Jeffrey Flier, Dekan der Harvard Medical School, und Matthew Anderson, HMS-Professor für Pathologie an der Beth Israel.
Im Jahr 2005 veröffentlichte Flier eine Studie, die zeigte, dass ein experimentelles Medikament die Zugabe neuer Neuronen in den Hypothalamus anspornte und eine mögliche Behandlung für Fettleibigkeit anbot.
Während der Befund auffällig war, waren sich die Forscher nicht sicher, ob die neuen Zellen wie natürliche Neuronen funktionierten.
Macklis 'Labor hatte Ansätze entwickelt, um sich entwickelnde Neuronen in Schaltkreise der Großhirnrinde von Mäusen mit Neurodegeneration oder neuronaler Verletzung zu transplantieren. In einer Studie aus dem Jahr 2000 zeigten die Forscher die Induktion der Neurogenese in der Großhirnrinde erwachsener Mäuse, wo sie normalerweise nicht auftritt. Während diese und Folgeexperimente die Schaltkreise des Gehirns anatomisch wieder aufzubauen schienen, blieb das Funktionsniveau der neuen Neuronen ungewiss.
Um mehr zu erfahren, arbeitete Flier, ein Experte für die Biologie der Fettleibigkeit, mit Macklis, einem Experten für die Entwicklung und Reparatur des Zentralnervensystems, und Anderson, einem Experten für neuronale Schaltkreise und neurologische Krankheitsmodelle von Mäusen, zusammen.
Die Forscher verwendeten ein Mausmodell, bei dem das Gehirn nicht in der Lage ist, auf Leptin zu reagieren. Flier und sein Labor haben dieses Hormon, das durch den Hypothalamus vermittelt wird, lange untersucht. Diese Mäuse sind für Leptins Signale taub und werden gefährlich übergewichtig.
Frühere Untersuchungen hatten gezeigt, dass vier Hauptklassen von Neuronen es dem Gehirn ermöglichten, Leptinsignale zu verarbeiten. Die Forscher transplantierten und untersuchten die zelluläre Entwicklung und Integration von Vorläuferzellen und sehr unreifen Neuronen aus normalen Embryonen in den Hypothalamus der mutierten Mäuse unter Verwendung mehrerer Arten der zellulären und molekularen Analyse.
Um die transplantierten Zellen genau in der richtigen Region des Hypothalamus zu platzieren, verwendeten sie eine Technik, die als hochauflösende Ultraschallmikroskopie bezeichnet wurde, und erzeugten das, was Macklis als "chimären Hypothalamus" bezeichnete - wie die Tiere mit gemischten Merkmalen aus der griechischen Mythologie.
Anschließend führten die Forscher eine eingehende elektrophysiologische Analyse der transplantierten Neuronen und ihrer Funktion in den Empfängerschaltungen durch, wobei sie die grün leuchtenden Neuronen eines fluoreszierenden Quallenproteins nutzten, das als Marker getragen wurde.
Diese entstehenden Neuronen überlebten den Transplantationsprozess und entwickelten sich strukturell, molekular und elektrophysiologisch zu den vier Arten von Neuronen, die für die Leptinsignalisierung von zentraler Bedeutung sind. Die neuen Neuronen sind funktionell in die Schaltkreise integriert und reagieren auf Leptin, Insulin und Glukose. Behandelte Mäuse reiften und wogen ungefähr 30 Prozent weniger als ihre unbehandelten Geschwister oder Geschwister, die auf mehrere alternative Arten behandelt wurden.
Die Forscher untersuchten dann das Ausmaß, in dem diese neuen Neuronen mit molekularen Assays, Elektronenmikroskopie zur Visualisierung der Details von Schaltkreisen und Patch-Clamp-Elektrophysiologie, einer Technik, bei der Forscher kleine Elektroden verwenden, um die Eigenschaften von zu untersuchen, in die Schaltkreise des Gehirns eingebunden wurden einzelne Neuronen und Neuronenpaare im Detail. Da die neuen Zellen mit fluoreszierenden Markierungen markiert waren, konnten die Forscher sie leicht lokalisieren.
Die Forscher fanden heraus, dass die neu entwickelten Neuronen über normale synaptische Kontakte mit den Empfängerneuronen kommunizierten und dass das Gehirn wiederum zurück signalisierte. Als Reaktion auf Leptin, Insulin und Glukose hatten sich diese Neuronen effektiv dem Netzwerk des Gehirns angeschlossen und die beschädigten Schaltkreise neu verkabelt.
"Es ist interessant festzustellen, dass diese embryonalen Neuronen weniger präzise verkabelt wurden, als man denkt", sagte Flier. "Aber das schien keine Rolle zu spielen. In gewisser Weise sind diese Neuronen wie Antennen, die das Leptinsignal sofort aufnehmen konnten. Aus Sicht der Energiebilanz fällt mir auf, dass eine relativ kleine Anzahl genetisch normaler Neuronen die Schaltkreise so effizient reparieren kann. "
"Die Feststellung, dass diese embryonalen Zellen sich so effizient in die nativen neuronalen Schaltkreise integrieren lassen, macht uns sehr aufgeregt über die Möglichkeit, ähnliche Techniken auf andere neurologische und psychiatrische Erkrankungen anzuwenden, die für unser Labor von besonderem Interesse sind", sagte Anderson.
Die Forscher nennen ihre Ergebnisse einen Proof of Concept für die umfassendere Idee, dass neue Neuronen spezifisch integriert werden können, um komplexe Schaltkreise zu modifizieren, die in einem Gehirn von Säugetieren defekt sind.
"Der nächste Schritt für uns besteht darin, parallele Fragen an andere Teile des Gehirns und des Rückenmarks zu stellen, die an ALS beteiligt sind und Rückenmarksverletzungen haben", sagte Macklis. „Können wir in diesen Fällen Schaltkreise im Gehirn von Säugetieren wieder aufbauen? Ich vermute, dass wir das können. “
Die neue Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.
Quelle: Harvard University
