Redoxmodulation Hippokampaler Neurone
Redoxmodulation Of Hippocampal Neurons
Florian Gerich
Doctoral thesis
Date of Examination:
2007-10-31
Date of issue:
2007-11-19
Advisor:
Müller, Michael Prof. Dr.
Referee:
Hardeland, Rüdiger Prof. Dr.
Referee:
Heinrich, Ralf Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-ACDF-2
Files in this item
Name:
gerich.pdf
Size:
2,9 MB
Format:
PDF
Description:
Dissertation
Abstract
English
Mitochondria constantly release various amounts of superoxide anions which are usually rapidly converted to H2O2. Especially disturbance of mitochondrial function can lead to an increased production rate of reactive oxygen species (ROS) and the resulting oxidative stress may induce cellular damage and cell death. By affecting the cellular redox state and modifying the activity of cysteine-containing proteins by means of sulfhydryl modulation, physiological and pathophysiological ROS generation is believed to take part in redox signaling. In this thesis the signaling function of cytosolic redox changes and the functional consequences for the intact hippocampal network were analyzed. The experiments were conducted on the network-level (acute hippocampal slices), single-cell-level (cultured neurons) and molecular-level. Extracellular application of H2O2 led to a rise of [Ca2+]i, obviously due to Ca2+ release from the ER via activation of ryanodine receptors. The mitochondrial membrane potential, synaptic function and cellular ATP-levels were however only barely affected. By utilizing the innovative redoxsensitive roGFP, dynamic measurements of the redox-state could be performed on the single-cell-level and the various mitochondrial activity parameters could be correlated systematically with the redox-state. Cytosolic redox state was modified by modulating mitochondrial respiration and this in turn affected the susceptibility of hippocampal slices to hypoxia. A pronounced mitochondrial depolarization by 1 µM FCCP or 1 mM NaCN markedly increased the susceptibility of hippocampal slices to hypoxia and even induced spreading depression (SD) episodes despite the presence of O2. An increase of endogenous superoxide- or hydroxyl radical-production also hastened the onset of a hypoxia-induced spreading depression (HSD). Surprisingly H2O2 (1 - 5 m M) postponed the onset of a HSD - obviously by mediating sulfhydryl ox idation - without impairing the viability of the slices tested, indicating a potential neuroprotective effect. The identification of further redoxsensitive targets involved is still pending. In view of a potential neuroprotection of sulfhydryl oxidation during metabolic disturbances this will be of highest clinical relevance.
Keywords: mitochondria; oxidative stress; ROS; roGFP; spreading depression
Other Languages
Mitochondrien generieren kontinuierlich geringe Mengen Superoxid, welches im Normalfall in H2O2 umgewandelt wird. Bei Störung der mitochondrialen Respiration kann so die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) ansteigen und der daraus resultierende oxidative Stress zu Zellschädigung oder Zelltod führen. Es wird aber auch eine Signalfunktion von ROS vermutet. Sie bestimmen in Abhängigkeit vom mitochondrialen Metabolismus den zellulären Redox-Status, der wiederum durch Sulfhydryl-Modulation die Aktivität cysteinhaltiger Proteine modulieren kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Signalfunktion cytosolischer Redox-Änderungen und die funktionellen Konsequenzen, die sich daraus für das intakte hippokampale Netzwerk ergeben, untersucht. Die Versuche wurden auf der Netzwerkebene (in akuten hippokampalen Hirnschnitten), auf Einzelzellebene (in kultivierten Neuronen) und auf molekularer Ebene durchgeführt. Extrazellulär appliziertes H2O2 (200 µM) führte zu einem Anstieg von [Ca2+]i, offensichtlich durch Freisetzung aus RyR-sensitiven intrazellulären Speichern. Das mitochondriale Membranpotential, die synaptische Funktion sowie der ATP-Gehalt wurden durch H2O2 kaum beeinflusst. Mit einem innovativen redoxsensitiven roGFP konnten dynamische Messungen des Redox-Zustandes auf Zellebene durchgeführt und so die mitochondrialen Aktivitätsparameter systematisch mit dem Redox-Status korreliert werden. Cytosolische Redox-Änderungen konnten auch durch Modulation der mitochondrialen Respiration beeinflusst werden, was sich auf die Hypoxie-Empfindlichkeit der untersuchten Hirnschnitte auswirkte. Insbesondere eine ausgeprägte Depolarisation der Mitochondrien durch z.B. 1 µM FCCP oder 1 mM NaCN erhöhte die Hypoxieempfindlichkeit deutlich und konnte trotz Anwesenheit von O2 zur Auslösung einer spreading depression (SD) führen. Ein Anstieg der endogenen Superoxid- oder Hydroxylradikal-Produktion beschleunigte das Auftreten einer durch Hypoxie induzierten spreading depression (HSD). Überraschenderweise verzögerte H2O2 (1 - 5 mM) das Auftreten einer HSD, ohne die Vitalität der Hirnschnitte zu beeinträchtigen, und wirkte somit potentiell neuroprotektiv. Dieser Effekt wurde offenbar durch eine Sulfhydryloxidation bewirkt. Die Identifikation weiterer beteiligter redoxsensitiver Targets steht noch aus, dürfte aber mit Hinblick auf potentielle Neuroprotektion einer Sulfhydryloxidation bei metabolischen Störungen auch klinisch durchaus bedeutsam sein
Schlagwörter: Mitochondrien; oxidativer Stress; ROS; roGFP; spreading depression
