Verhaltensbiologische Untersuchungen über die Langzeitauswirkungen von experimentellem Schädel-Hirn-Trauma in der Maus

Pöttker, Bruno (2015): Verhaltensbiologische Untersuchungen über die Langzeitauswirkungen von experimentellem Schädel-Hirn-Trauma in der Maus. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät

Abstract

Ein Schädel-Hirn-Trauma (SHT) kann zu langfristigen neuropathologischen Störungen führen. Diese Veränderungen zeigen sich klinisch u. a. als motorische Ausfälle, kognitive Einschränkungen, erhöhte Neigung zu Krampfleiden, Veränderungen des Sozialverhaltens und vermehrtes Auftreten von neuropsychiatrischen Erkrankungen. Ziel der vorliegenden Studie ist eine verhaltensbiologische, histologische und molekularbiologische Charakterisierung der Langzeitauswirkung eines SHT im Mausmodell. Dabei soll festgestellt werden, welche der etablierten Testverfahren zur Validierung eines SHT nach mehreren Monaten genutzt werden können und wie sich ein verhaltensbiologisches Schadensmuster ohne Behandlung in diesem Zeitraum entwickelt. Histologische und molekularbiologische Analysen sollen erste Erklärungen für beobachtete verhaltensbiologische Effekte liefern. Als Modell für das SHT dient der Controlled Cortical Impact (CCI), Testobjekte sind geschlechtsreife männliche Mäuse vom Stamm C57BL/6, die zu zwei verschiedenen Zeitpunkten (Testbeginn der verhaltensbiologischen Untersuchungen 14 Tage und ca. 6 Monate nach CCI) gemeinsam mit je einer Kontrollgruppe untersucht wurden. Folgende Testverfahren werden in chronologischer Reihenfolge durchgeführt: Elevated Plus Maze (EPM), Open Field (OF), Social Interaction (SI), Prepulse Inhibition (PPI), Rotarod, Morris Water Maze (MWM), Catwalk® XT, Pentylentetrazol-induzierte Krampfanfälle (PTZ) und der Visual Cliff Test (VC). Ergänzt werden diese Untersuchungen durch die Bestimmung des Schadens- und Gehirnvolumens (Nissl-Färbung), der Mikrogliazellaktivierung (Iba-1-Färbung) sowie der Genexpression einer Reihe von Inflammations-, Astrozyten-, Plastizitäts-, Mikroglia- und Neuritenwachstumsmarkergene. Wenige Wochen nach CCI zeigen sich Störungen der kognitiven (MWM) und motorischen (Rotarod; Catwalk) Fähigkeiten sowie eine erhöhte Auslösbarkeit von epileptischen Krämpfen (PTZ). Ein Teil der auf Angststörungen gerichteten Tests (OF; TST) zeigt ebenfalls signifikante Abweichungen zwischen den Testgruppen, wogegen andere Angstindikatoren (EPM; PPI) sowie das Sozialverhalten (SI) unbeeinflusst vom SHT bleiben. Mehrere Monate nach CCI ist keine bzw. nur eine deutlich abgeschwächte motorische Beeinträchtigung nachweisbar (Rotarod; Catwalk). Die erhöhte Krampfneigung (PTZ) und die kognitive Störungen (MWM) bleiben bestehen. Im Vergleich zum frühen Testzeitpunkt zeigt sich nach 6 Monaten eine verminderte Akrophobie (EPM). Demgegenüber können zum späten Testzeitpunkt keine Beeinträchtigung der Angst vor freien Flächen (OF) und depressive Verhaltensmuster (TST) mehr nachgewiesen werden. Lediglich das mit Schizophrenie-assoziierte Verhalten (PPI), die visuelle Wahrnehmung (VC) und das Sozialverhalten (SI) bleiben zu beiden Zeitpunkten ohne Beeinflussung durch das SHT. Die histologischen und molekularbiologischen Untersuchungen zeigen im Schadensbereich eine konstante Atrophie zu beiden Untersuchungszeitpunkten, nachlassende Inflammation, Mikrogliazellaktivierung und Astrogliose mit einem Maximum zum frühen Untersuchungszeitpunkt sowie eine lediglich mehrere Monate nach SHT geringfügig gesteigerte neuronale Plastizität. In der contralateralen Hemisphäre fällt Hypertrophie und Inflammation zum frühen Untersuchungszeitpunkt auf, wogegen mehrere Monate nach CCI keine Abweichung von der Kontrollgruppe mehr feststellbar ist. Die beobachtete Regeneration motorischer Defizite erklärt sich vermutlich mit zunehmender Adaptation an diese Einschränkung und damit verbundener zentralnervöser Plastizität u. a. auch in der contralateralen Hemisphäre. Dagegen wurde keine Rehabilitation der Störungen hippocampaler Funktionen (Beeinträchtigung der Orientierung und Kognition bzw. Neigung zu Krampfleiden) beobachtet, was auf eine eingeschränkte regenerative Plastizität des Hippocampus nach SHT hindeutet. Eine traumatisch bedingte Veränderung der Neurogenese oder der Balance zwischen synaptischer Inhibition und Exzitation können diesem Phänotyp zu Grunde liegen. Die Angst-assoziierten Veränderungen zeigen deutliche Abweichungen zu beiden Testzeitpunkten. Allerdings lässt sich hier festhalten, dass sich die Art der Beeinträchtigung weiterentwickelt und je nach Untersuchungszeitpunkt in einem anderen neuropsychiatrischen Muster sichtbar wird. Eine Einflussnahme bereits bestehender Störungen auf die Entwicklung neuer Defizite könnte dies erklären. Eine Beeinflussung des sozialen und Schizophrenie-ähnlichen Verhaltens, der visuellen Wahrnehmung sowie der klassischen Konditionierung durch das SHT kann nicht festgestellt werden. Zusammenfassend ermöglicht die Studie eine verbesserte Prognose bzgl. der Entwicklung von Verhaltensstörungen nach einem SHT in der kurativen Praxis und liefert zugleich eine Messbasis für die zukünftige Erforschung neuer Behandlungsstrategien des SHT. Die hier erworbenen Erkenntnisse konnten bereits erfolgreich als Grundlage für die Untersuchung von Propofol bzw. Xenon zur Therapie des SHTs genutzt werden.

Abstract

Neurological deficits are a common consequence of traumatic brain injury (TBI). These deficits are characterized clinically by motor and cognitive dysfunctions, seizure disorders, social behavior changes and increased incidence of neuropsychiatric diseases. The aim of the present thesis is to characterize longterm effects of TBI in mice at the behavioral, histological and molecular level. In this thesis controlled cortical impact (CCI) is used as an experimental model for TBI. Adult male C57BL/6 mice were tested at two different post-traumatic time points (starting point 14 days and approximately six months post injury) and compared to sham operated mice. To this end various behavioral tests such as neurological deficit score (NDS), elevated plus maze (EPM), open field (OF), social interaction (SI), prepulse inhibition (PPI), Rotarod (RR), morris water maze (MWM), CatWalk® XT (CW), pentylenetetrazol-induced seizure (PTZ) and visual cliff test (VC) were used in chronological order. Additionally, the brain damage extension, brain volume, the activation of microglia/macrophages and the gene expression of several markers for inflammation, gliosis and neural plasticity were determined. The results demonstrate the presence of cognitive (MWM) and motor deficits (NDS; RR; CW) between two and eight weeks after brain trauma. One anxiety test (OF) and the depressive-like behavior test (TST) revealed differences between the experimental groups, whereas other anxiety indicators (EPM; PPI) and the social behavior (SI) were unchanged. However, traumatized mice showed increased sensitivity towards PTZ-induced seizures compared to sham-operated mice. Several months after CCI motor disabilities were not any longer observed (RR) or less obvious (NDS; CW) compared to sham-operated mice. In contrast, the cognitive dysfunctions (MWM) and increased seizure sensitivity (PTZ) persisted as a long-term consequence. Compared to the earlier post-traumatic time point, acrophobia (EPM) is decreased after six months, whereas the OF task revealed increased anxiety. Furthermore, disturbance of depressive-like behavior disappear several months after brain trauma (TST). Schizophrenia-like behavior (PPI), visual perception (VC) and social behavior (SI) are unaffected at both time points in traumatized compared to sham mice. Histological analysis shows brain atrophy of the injured hemisphere at both time points. While microglia activation, astrogliosis and inflammation marker genes are increased eight weeks after trauma, these effects became largely normalized seven months after trauma. The expression of a plasticity marker gene is increased only several months post CCI in this region. Within the contralateral hemisphere, hypertrophy and inflammation were present in the early time point compared to the later time point where no aberrations between those groups occurred. Histological and molecular results indicate that motor recovery is explained by assimilation to existing disabilities and an increase of neuronal plasticity, also including the contralateral hemisphere. In contrast the persistent hippocampal dysfunctions (inhibited hippocampal cognition and seizure disorders) could be caused by a limited regenerative plasticity of hippocampus after TBI. Reduced neurogenesis and the imbalance of synaptic inhibition and excitation might lead to these alterations. During both time points anxiety show obvious aberrances in a developing manner, whereas a recovery of depressive-like behavior occur. An interaction between existing with newly developed anxiety disorders might lead to further disabilities. An influence of visual perception, social and schizophrenialike behaviors after CCI have not been shown. The obtained findings should enhance the quality of clinical prognosis respective behavioral deficits and psychiatric diseases after TBI and provides a baseline for further treatment studies. Simultaneously, histological and molecular analysis should give explanations for recovery processes in the brain explaining the functional outcome. However, the results were used successful in the investigation of Propofol and Xenon as a therapy of TBI.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Schädel-Hirn-Trauma, controlled cortical impact (CCI), Verhalten, Maus
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Tierärztliche Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 31. Januar 2015
• 1. Bericht­erstatter:in: Potschka, Heidrun