Zytosolisches Calcium in murinen Hirnstamm-Motoneuronen wird differenziert von Mitochondrien reguliert

Abstract

Bei an Amyotrophische Lateralsklerose (ALS) erkrankten Patienten werden bestimmte Motoneurongruppen in Hirnstamm und Rückenmark teilweise beschädigt. Dies wird mit einem gestörten Kalzium-Metabolismus und mitochondrialen Schäden in Verbindung gebracht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden diese Pathomechanismen mithilfe von patch-clamp Messungen und Calcium imaging untersucht, dies an selektiv vulnerablen und resistenten Motoneuronen in Scheiben des Maushirnstamms. Bei facial motoneurons (FMNs), die vulnerabel gegen ALS sind, bewirkten Störungen des mitochondrialen elektrochemischen Potentials durch bath application des mitochondrialen uncoupler FCCP (Carbonyl cyanide 4-trifluromethoxyphenylhydrazone) eine signifikante Verzögerung der zytosolischen Kalziumentfernung sowie eine substantielle Kalziumfreisetzung aus Mitochondrien. Diese Ergebnisse ähnelten den Beobachtungen von vulnerablen hypoglossalen Motoneuronen (HMNs), unterschieden sich jedoch signifikant von Untersuchungen, die an selektiv resistenten okulomotorischen Neuronen (OMNs) und trochlearen Motoneuronen (TMNs) durchgeführt wurden. Sowohl OMNs als auch TMNs zeigten nur eine schwache Kalziumfreisetzung nach FCCP-Anwendung, wobei die höchste Amplitude um ein Vierfaches niedriger lag als bei FMNs und HMNs gemessenen Werten. FCCP hatte auch keinen signifikanten Einfluss auf die zytosolische Kalziumentfernung in TMNs und OMNs. Eine ausführliche Untersuchung der FMNs und TMNs offenbarte deren unterschiedliche Pufferkapazität von Kalzium, wobei FMNs den niedrigen Wert von 46, TMNs jedoch einen Wert von 392 hatten. Weitere Messungen des Kalziummetabolismus von facial motoneurons bewiesen, dass sich die niedrige Kalzium-Pufferkapazität von facial motoneurons in den allerersten Tagen der postnatalen Entwicklung entwickelt. Dementsprechend zeigten facial motoneurons von P0-Tieren den relativ hohen Wert von 132 bei der Kalzium-Pufferkapazität. Im Gegensatz hierzu hatten die FMNs von Tieren in P4 und P10 den wesentlich niedrigeren Ks von 46.Im Ganzen weisen diese Untersuchungen darauf hin, dass ALS-vulnerable Motoneuronen durch eine niedrige Kalzium-Pufferkapazität charakterisiert sind. Dies bedingt eine enge Interaktion von Mitochondrien und intrazellulärem Kalzium, die eine Verbindung der metabolischen und elektrischen Aktivitäten optimiert. Unter pathophysiologischen Bedingungen führt diese Spezialisierung zu einem Anstieg der zellulären Energie und beschleunigt die Verschlechterung des schon geschwächten Metabolismus.