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Bardehle, Sophia (2013): Heterogeneity in astrocyte responses after acute injury in vitro and in vivo. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät
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Abstract

Astrocytes present a major population of glial cells in the adult mammalian brain. The heterogeneity of astrocytes in different regions of the healthy central nervous system (CNS) and their physiological functions are well understood. In contrast, rather little is known about the diversity of astrocyte reactions under pathological conditions. After CNS injury the reaction of astrocytes, also termed ‘reactive astrogliosis’, is characterized by morphological and molecular changes such as hypertrophy, polarization, migration and up-regulation of intermediate filaments. So far, it was unknown whether all astrocytes undergo these changes, or whether only specific subpopulations of reactive astrocytes possess special plasticity. Since some quiescent, postmitotic astrocytes in the cortical gray matter apparently de-differentiate and re-enter the cell cycle upon injury, reactive astrocytes have the ability to acquire restrictive stem cell potential. However, the mechanisms leading to increased astrocyte numbers after acute injury, e.g. proliferation and migration, had not been investigated live in vivo. For the first time, recently established in vivo imaging using 2-photon laser scanning microscopy (2pLSM) allowed to follow single GFP-labeled astrocytes for days and weeks after cortical stab wound injury. Tracing morphological changes during the transition from a quiescent to reactive state, these live observations revealed a heterogeneous behavior of reactive astrocytes depending on the lesion size. Different subsets of astrocytes either became hypertrophic, polarized and/ or divided, but never migrated towards the injury. Intriguingly, the lack of astrocyte migration was not only contradictory to what had been predicted based on in vitro and in situ studies, but was also in stark contrast to the motility of other glial cells. Additionally, live imaging provided first evidence that only a small subset of reactive astrocytes in juxtavascular positions re-gains proliferative capacity after injury. While astrocyte proliferation was affected by conditional deletion of RhoGTPase Cdc42 – a key regulator of cell polarity –, the vascular niche was preserved, indicating that juxtavascular astrocytes are uniquely suited for proliferation after injury. Following the behavior of cdc42-deficient astrocytes by live imaging using an in vitro scratch wound assay, cell-autonomous effects including disturbed polarity and impaired directional migration confirmed a crucial role of Cdc42 signaling in reactive astrocytes after acute injury in vitro and in vivo. These novel insights revise current concepts of reactive astrocytes involved in glial scar formation by assigning regenerative potential to a minor pool of proliferative, juxtavascular astrocytes, and suggesting specific functions of different astrocyte subsets after CNS trauma.

Abstract

Astrozyten bilden die größte Gruppe von Gliazellen im Gehirn erwachsener Säugetiere. Die Heterogenität von Astrozyten in verschiedenen Regionen des zentralen Nervensystems (ZNS), sowie deren physiologischen Funktionen sind relativ gut untersucht. Hingegen ist die Diversität der astrozytären Reaktion unter pathologischen Bedingungen bis jetzt wenig verstanden. In Folge einer Verletzung des ZNS reagieren Astrozyten mit bestimmten molekularen und morphologischen Veränderungen wie Hypertrophie, Polarisierung, Wanderung und Hochregulation bestimmter Intermediärfilamente. Diese Veränderungen werden insgesamt als „reaktive Gliose“ zusammengefasst. Darüber hinaus scheinen nach akuten Gehirnverletzungen einige reife, postmitotische Astrozyten in der Großhirnrinde zu de-differenzieren, in den Zellzyklus einzutreten und begrenzt Stammzelleigenschaften zu erlangen. Es ist bisher nicht bekannt, ob alle Astrozyten auf Verletzungen reagieren, oder ob Teilpopulationen verschiedener Plastizität existieren. Weiterhin sind die Mechanismen, die zum Anstieg von Astrozyten nach akuter Verletzung führen, z.B. Proliferation und Wanderung, in vivo bislang nicht verstanden. Deshalb wurde hier erstmals das Verhalten von Fluoreszenz-markierten Astrozyten im Gehirn der Maus nach akuter kortikaler Verletzung live über einen längeren Zeitraum mittels 2-Photonenmikroskopie untersucht. Die Beobachtungen zeigten morphologische Veränderungen und heterogene Verhaltensmuster reaktiver Astrozyten, d.h. hypertrophe, polarisierende und sich teilende Astrozyten in Abhängigkeit von der Läsionsgröße. Im Gegensatz zu in vitro und in situ Studien, sowie bekannter Motilität anderer Typen von Gliazellen, wurde die Wanderung von Astrozyten zum Ort der Verletzung in vivo nicht beobachtet. Allerdings wurde entdeckt, dass sich nur eine kleine Teilpopulation von Astrozyten teilt, und diese vorrangig in direktem Kontakt mit Blutgefäßen (juxtavaskulär) liegt. Selbst nach Verlust der RhoGTPase Cdc42 – einem Schlüsselfaktor für Zellpolarität –, der zu einem Proliferationsdefekt der Astrozyten führte, blieb die vaskuläre Nische erhalten. In einem in vitro Verletzungsmodell zeigten cdc42-defizienten Astrozyten Polaritätsdefekte, verbunden mit desorientierter Wanderung und verminderter Zellteilung. Schlussfolgernd, spielen Cdc42-vermittelte Signalwege eine wichtige Rolle für die Reaktion von Astrozyten auf eine akute Verletzung in vitro und in vivo. Die hier präsentierte Studie trägt bedeutend zum Verständnis reaktiver Astrozyten in Bezug auf deren Rolle in der Narbenbildung und Regeneration von geschädigtem Hirngewebe bei. Insbesondere wurden neue Erkenntnisse über verschiedene Teilpopulationen von Astrozyten mit vermutlich unterschiedlichen Funktionen gewonnen. Hierbei konnte vor allem den juxtavaskulär proliferierenden Astrozyten nach einer traumatischen Hirnverletzung hohe Plastizität zugesprochen werden.