Involvement of N-type voltage dependent calcium channels in axon degeneration during experimental autoimmune optic neuritis

Abstract

Der entzündliche Befall des Sehnerven stellt eine der häufigsten klinischen Manifestationen der multiplen Sklerose (MS) dar, einer chronisch entzündlichen Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS). In der Folge einer Optikusneuritis entwickeln etwa 30-50 % der Patienten eine bleibende Sehbehinderung verursacht durch eine Degeneration von Sehnerv-Axonen. In Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass die experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE), ausgelöst durch Immunisierung mit Myelin-Oligodendrozyten Glykoprotein (MOG), in braunen Norweger-(BN)-Ratten in 90 % der Fälle zu einer Optikusneuritis führt. Dieser Sehnervenbefall ist gekennzeichnet durch entzündliche Infiltration, Demyelinisierung und axonale Degeneration. Die genauen Mechanismen der entzündlich-bedingten axonalen Degeneration sind unklar. Es wird jedoch als wahrscheinlich angesehen, dass ein pathologischer Einstrom von Kalziumionen (Ca2+) in Axone eine wesentliche pathophysiologische Rolle spielt. Als mögliche Eintrittspforten für Ca2+ kommen dabei verschiedene Typen von spannungsabhängigen Kalziumkanälen (VDCC) in Betracht. Da Mangan (Mn2+) in Neurone ebenfalls über VDCC aufgenommen wird und eine Signalanhebung bei der Magnetresonanztomographie (MRT) bewirkt, haben wir die Technik des Mn2+-gestützten MRTs genutzt, um die Wirkung von Subtyp-spezifischen Kalziumkanalblockern zu untersuchen. Im Rahmen dieser Experimente führte die Applikation von ω Conotoxin GVIA, einem spezifischen Blocker von N-Typ Kalziumkanälen, zu einer signifikanten Hemmung der Mangan-Aufnahme in den entzündeten Sehnerven. Um parallel die Expression dieses Kanaltyps im Sehnerven zu untersuchen, haben wir immunhistochemische Färbungen für α1B durchgeführt. Dabei handelt es sich um die Untereinheit von N-Typ VDCC, die die Membranpore formt. Diese Färbungen ergaben signifikante Unterschiede in Lokalisation und Expression der Kanaluntereinheit in gesunden im Vergleich zu entzündlich befallenen Sehnerven. Während in gesunden, myelinisierten Sehnerven eine mäßige Expression von α1B nachzuweisen war, zeigte sich eine deutliche Hoch-Regulation in den Sehnerven der MOG-immunisierten Tiere. Ferner fand sich eine Korrelation zwischen der Expression von α1B und dem Ausmaß an Demyelinisierung, welches anhand von Myelin-spezifischen Färbungen quantifiziert wurde. Eine hoch-signifikante negative Korrelation ergab sich zwischen der Anzahl α1B-positiver Stellen im Sehnerven und der Anzahl überlebender Axone. In einem weiteren Schritt wurde dann die Wirksamkeit von ω Conotoxin GVIA mittels in vivo-Kalzium Imaging des Sehnerven überprüft. Dabei zeigte sich eine deutliche Reduktion des depolarisations-abhängigen Kalziumeinstroms in den entzündeten Sehnerven nach topischer Applikation des N-Typ Kalziumkanalblockers im Vergleich zu einer Kontrollgruppe Plazebo-behandelter Tiere. Die Applikation von -Conotoxin GVIA in gesunden Tieren hingegen führte lediglich zu einer leichten Verminderung des Kalziumeinstroms, der sich nicht signifikant von gesunden Kontrolltieren nach topischer Applikation von Kochsalzlösung unterschied. Diese Daten ergänzen die oben beschriebenen Expressionsanalysen des N-Typs spannungsabhängiger Kalziumkanäle und belegen ferner, dass die neu gebildeten Kanäle funktionsfähig sind. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass der pathologische Einstrom von Ca2+ im Rahmen der MOG-induzierten Optikusneuritis wesentlich über den N-Typ spannungsabhängiger Kalziumkanäle erfolgt. Die pathophysiologische Relevanz des gesteigerten Kalziumeinstroms über diesen Kanaltyp wurde ferner im Rahmen einer Therapiestudie mit ω-Conotoxin GVIA gezeigt. Dabei ergab die kontinuierliche zerebroventrikuläre Applikation des N-Typ-Kanalblockers ein signifikant vermindertes Maß an Demyelinisierung und axonalem Schaden. Unsere Daten einer ektopen Expression von N-Typ Kalziumkanälen im Sehnerven von BN- Ratten unter autoimmunen Bedingungen sowie die nachgewiesene Wirksamkeit von ω-Conotoxin GVIA lassen diese Substanz als mögliche neuroprotektive Therapie der autoimmunen Sehnerventzündung erscheinen.