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Hoffmann, Nadine Ariane (2014): Synaptische Pathologie in Tau-transgenen Mausmodellen neurodegenerativer Erkrankungen: eine intravitalmikroskopische Studie. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie
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Abstract

In Zeiten des demografischen Wandels erfahren Krankheiten wie die Alzheimer-Demenz, als deren größter Risikofaktor das Alter gilt, einen rasanten Anstieg der Patientenzahl. Die Erforschung der zugrundeliegenden neurodegenerativen Mechanismen und das Einbringen daraus gewonnener Erkenntnisse in die Entwicklung von Therapieansätzen oder gar Präventionsmaßnahmen sind daher von gesamtgesellschaftlicher Bedeutung - nicht zuletzt auch unter ökonomischen Gesichtspunkten, wie den gleichsam wachsenden Kosten für das Gesundheitssystem. In der vorliegenden Arbeit wurden neuropathologische Prozesse in verschiedenen transgenen Tauopathie-Mausmodellen mittels hochauflösender Mikroskopietechniken untersucht. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Analyse synaptischer Veränderungen im lebenden Tier, ermöglicht durch die Zwei-Photonen-Intravitalmikroskopie. Zunächst wurden in Tau P301S-Mäusen die Auswirkungen FTDP-17-mutierten humanen Tau-Proteins auf die strukturelle Plastizität neokortikaler dendritischer Spines analysiert. Dabei wurde eine im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen verminderte Spinedichte gemessen, welche auf eine geringere Ausbildung neuer Spines zurückzuführen war. Die verbliebenen Spines zeigten morphologische Veränderungen wie ein vergrößertes Kopfvolumen - möglicher Weise zur Kompensation des Synapsenverlusts. Ergänzend wurde eine Methode zur immunhistochemischen Synapsendichtemessung an Gehirnschnitten etabliert, welche jedoch keine Effekte der Transgenexpression auf die Dichte prä- oder postsynaptischer Spezialisierungen offenbarte. Um die Rolle inflammatorischer Prozesse in Tauopathien zu analysieren, wurde die Mauslinie Tau x CXCR erzeugt. Partielle oder vollständige genetische Fraktalkinrezeptor-Deletion in diesen Mäusen erlaubte eine gezielte Modifizierung der Kommunikation zwischen Neuronen und Mikrogliazellen. Die resultierende Aktivitätserhöhung der Mikrogliazellen hatte wider Erwarten keinen signifikanten Einfluss auf die Dichte Phospho-Tau enthaltender Zellen in den untersuchten kortikalen Gehirnregionen. Zur Modellierung der Alzheimer-Demenz wurden Tau P301S-Mäuse mit der Linie APP PS1 verpaart. Die Nachkommen wiesen Alzheimer-typische histologische Läsionen wie extrazelluläre Aβ-Plaques und intrazelluläre Tau-Ablagerungen auf. Es konnte jedoch im Vergleich zur Ursprungslinie Tau P301S keine Aβ-induzierte Verstärkung der kortikalen Tau-Pathologie gemessen werden, welche die Amyloid-Kaskaden-Hypothese suggeriert. Eine intravitalmikroskopische Analyse dendritischer Spines in Tau P301S- und Tau x APP PS1-Mäusen in unterschiedlichen Krankheitsstadien sowie in Wildtyp-Wurfgeschwistern sollte die Abgrenzung Tau-bedingter von Aβ-bedingten Effekten ermöglichen. Dabei wurden Veränderungen in der strukturellen Plastizität gefunden, beispielsweise in der Spine-Neuausbildung oder in bestimmten morphologischen Fraktionen, nicht aber in der absoluten Spinedichte. Schließlich erfolgte eine elektronenmikroskopische Untersuchung neuritischer Dystrophien in einem weiteren Alzheimer-Mausmodell, der Linie 3xTg-AD. Durch immunhistochemische Markierung konnten sowohl Aβ- als auch Tau-Ansammlungen in den pathologischen Anschwellungen nachgewiesen werden. Die präsentierten Befunde zeigen u. a. die ersten intravitalmikroskopischen Langzeitstudien dendritischer Spines in Mausmodellen mit reiner Tau-Pathologie sowie damit kombinierter Aβ-Pathologie. Sie bieten grundlegende, durch Patientenuntersuchungen nicht zu gewinnende Informationen über krankhafte synaptische Veränderungen, welche als frühe Ereignisse in der Alzheimer-Demenz betrachtet werden.

Abstract

In times of demographic changes, a rapidly increasing number of people get affected by diseases such as Alzheimer’s disease. For this most common type of dementia, age is the main risk factor. Therefore, it is of great importance for the whole society to illuminate the underlying neurodegenerative mechanisms and to apply the gained knowledge to the development of therapeutic or even preventive procedures – not least for economic reasons, considering the simultaneously growing costs for the health care system. In the presented study, neuropathological processes in different transgenic tauopathy mouse models were investigated by means of high-resolution microscopy. The main focus was set on the analysis of synaptic changes in the living animal, enabled by two-photon in vivo imaging. At first, the effects of FTDP-17 mutated human tau-protein on the structural plasticity of neocortical dendritic spines were analysed in Tau P301S mice. In comparison to wildtype mice, the spine density was found to be reduced, which could be explained by a diminished fraction of newly formed spines. The remaining spines showed morphological changes such as an enlarged head volume, possibly compensating for the loss of synapses. Moreover, a method was established for immunohistochemical determination of synaptic densities on brain slices. However, no effect of transgene expression on the density of pre- or postsynaptic specializations could be measured. For studying the role of inflammatory processes in tauopathies, the mouse line Tau x CXCR was bred. Partial or complete deletion of the fractalkine receptor gene in these mice allowed a selective modification of the communication between neurons and microglia. Unexpectedly, the resulting increase of microglia activity did not have an influence on the density of phospho-tau bearing cells in the analysed brain regions. In order to create a model of Alzheimer’s disease, Tau P301S mice were further crossed with the line APP PS1. The offspring showed histological lesions typical for this kind of dementia, such as extracellular Aβ-plaques and intracellular tau-deposits. However, in comparison to the founder line Tau P301S, no Aβ-induced enhancement of cortical tau pathology could be measured, unlike suggested by the amyloid-cascade-hypothesis. An in vivo analysis of dendritic spines in Tau P301S and Tau x APP PS1 mice at different stages of the disease, as well as in wildtype littermates, allowed to distinguish effects caused by tau from those caused by Aβ. Thereby, changes in structural plasticity such as the emergence of new spines or the distribution of morphological fractions were detected, while the overall spine density was unaffected. Finally, neuritic dystrophies were analysed in another Alzheimer’s disease mouse model, the line 3xTg-AD, applying electron microscopy. By immunohistochemical labelling, Aβ- as well as tau-deposits could be detected inside the pathological swellings. The presented data show the first in vivo long-term study on dendritic spines in mouse models with tau-pathology only as well as in combination with Aβ-pathology. They provide new basic information about synaptic failure, which is considered to be an early event in Alzheimer’s disease and can not be obtained from patient studies likewise.