Redoxmodulation Hippokampaler Neurone

Abstract

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