Der Effekt von Erythropoetin auf das Überleben von Gehirnnervenzellen der Locusta migratoria nach Schädigung durch UV-Strahlung

The Effect of Erythropoietin on the Survival of Brain Neurons of Locusta migratoria after Damage by UV Radiation

by Merle Kathrin Grau-Beil
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-05-07
Date of issue:2025-05-08
Advisor:Prof. Dr. Michael Werner Sereda
Referee:Prof. Dr. Ralf Heinrich
Referee:Prof. Dr. Margarete Schön
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11248

 

 

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Abstract

English

Erythropoietin (Epo) is a well-known candidate for neuroprotection due to its anti-apoptotic properties. One limiting factor in previous studies has been thromboembolic side effects. Various receptors and signaling pathways have been identified through which erythropoietin and its naturally occurring splice variant EV-3 (partially selectively) mediate cell protection. One of these receptors is the CRLF3 receptor, which has been scarcely characterized to date. The erythropoietin/CRLF3 signaling system is presumed to be a phylogenetically ancient, well-conserved, and broadly cytoprotective pathway, which was examined in this study using brain neurons of Locusta migratoria. Erythropoietin reliably exhibits anti-apoptotic effects under hypoxic conditions. A few studies in mammalian cells have shown that erythropoietin may also exert cytoprotective effects in UV-damaged cells. This study is the first to investigate the anti-apoptotic potential of the Epo/CRLF3 signaling system following damage induced by UVC radiation. Since UVC primarily induces apoptosis through DNA damage, this mechanism is fundamentally different from hypoxia-induced cellular damage. As such, the study may provide new insights into the underlying mechanisms of Epo/CRLF3-mediated cell protection. In addition, the anti-apoptotic effects of AChE inhibitors in the context of UVC-induced damage were investigated for the first time. In both insects and mammals, AChE inhibitors act via different mechanisms than erythropoietin, and their protective effects have so far been studied mostly in relation to hypoxia-induced cell damage. Experiments were conducted using primary neuronal cultures from the brains of L. migratoria. After culturing, cells were treated with recombinant human Epo (rhEpo) and AChE inhibitors (NSB and TRB), then exposed to UVC radiation. Following post-stimulus incubation, the cells were stained with DAPI, and cell viability was assessed in a blinded manner based on nuclear morphology. Neither erythropoietin nor the AChE inhibitors showed anti-apoptotic or cytoprotective effects on cell survival after UVC-induced damage (p < 0.05). In the erythropoietin experiments, both long (30 min) and short (3 and 5 min) UVC exposure durations, as well as different post-stimulus incubation times (5 and 24 hours), were tested. None of these conditions revealed an anti-apoptotic effect on insect neurons. Whether the absence of a protective effect is due to the DNA-damaging nature of UVC exposure, the specific cell type, or the intracellular signaling pathways activated by CRLF3 remains unclear and requires further investigation.
Keywords: Erythropoietin (Epo); CRLF3 receptor; Neuroprotection; UVC-induced apoptosis; DNA damage; Insect neurons; Locusta migratoria; AChE inhibitors; Anti-apoptotic signaling

German

Erythropoetin ist aufgrund seines anti-apoptotischen Potenzials ein vielversprechender Kandidat für Neuroprotektion. Ein limitierender Faktor in Studien sind bisher unter anderem thromboembolische Nebenwirkungen. Es wurden verschiedene Rezeptoren und Signalwege identifiziert, über die Erythropoetin und seine natürliche Splice-Variante EV-3 (teilweise selektiv) Zellprotektion vermitteln. Einer dieser Rezeptoren ist der bisher kaum charakterisierte CRLF3 Rezeptor. Das Erythropoetin/CRLF3 Signalsystem ist ein vermutlich phylogenetisch sehr altes, gut konserviertes und allgemein zellprotektives Signalsystem, das in dieser Studie an Hirnnervenzellen der L. migratoria näher untersucht wurde. Erythropoetin wirkt bei Hypoxie zuverlässig anti-apoptotisch. Wenige Studien an Säugetierzellen zeigen, dass Erythropoetin bei UV-geschädigten Zellen zellprotektiv wirken kann. Diese Arbeit hat das anti-apoptotische Potential des Epo/CRLF3 Signalsystems erstmals bei einer Schädigung durch UVC-Strahlung getestet. UVC-Strahlung induziert vor allem über eine DNA-Schädigung Apoptose, unterscheidet sich demnach grundlegend von einer Zellschädigung durch Hypoxie. Dadurch lassen sich potenzielle Anhaltspunkte zum Wirkmechanismus des Epo/CRLF3 Zellschutz gewinnen. Zudem wurde erstmalig die anti-apoptotische Wirkung AChE-Inhibitoren bei einer UVC- Schädigung untersucht. AChE-Inhibitoren wirken bei Insekten und Säugetieren über andere Mechanismen als Epo anti-apoptotisch, was bisher überwiegend im Zusammenhang mit Hypoxie-bedingten Zellschäden untersucht wurde. Die Experimente wurden an primären Nervenzellkulturen aus Gehirnen der Wanderheuschrecke L. migratoria durchgeführt. Nach Kultivierung, Behandlung mit rhEpo und AChE-Inhibitoren (NSB und TRB), anschließender Schädigung mit UVC-Strahlung wurden die Zellen erneut inkubiert (Post-Stimulus-Inkubationsdauer) und dann mit DAPI gefärbt. Abschließend wurde die Zellviabilität verblindet anhand der Zellkernmorphologie bestimmt. Weder Erythropoetin noch AChE-Inhibitoren hatten einen anti-apoptotischen oder zellprotektiven Effekt auf das Überleben der Zellen nach einer Zellschädigung durch UVC- Bestrahlung (p < 0,05). In den Experimenten mit Erythropoetin wurden sowohl lange (30 min) als auch kurze (3 und 5 min) UV-Bestrahlungszeiten getestet, sowie unterschiedlich lange Post-Stimulus-Inkubationszeiten (5 und 24 h). Bei allen Experimenten konnte kein anti-apoptotischer Effekt auf die Insektenneuronen gezeigt werden. Ob das Ausbleiben des protektiven Effekts an der DNA-schädigenden UVC-Bestrahlung, an der Zellart oder den intrazellulären Signalwegen welche durch CRLF3 angeschaltet werden liegt, bleibt bisher unbeantwortet und bedarf weiterer Untersuchungen.
Schlagwörter: Erythropoetin (Epo); CRLF3-Rezeptor; Neuroprotektion; UVC-induzierte Apoptose; DNA-Schädigung; Locusta migratoria; AChE-Inhibitoren; Insektenneuronen; Anti-apoptotische Signalwege