Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6522
Main Title: Die Schädigung des unreifen Kleinhirns durch Hyperoxie in Ratten als Modell der Hirnschädigung bei Frühgeborenen
Translated Title: Hyperoxia induced cerebellar injury in rats as model of brain injury in preterm infants
Author(s): Scheuer, Till
Advisor(s): Rappsilber, Juri
Referee(s): Rappsilber, Juri
Schmitz, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Former preterm infants often suffer from impaired postnatal brain development. In general, brain injury is reported to be caused by hypoxia/ischemia, infection/inflammation and hyperoxia. Due to recent insights, pathologies of the cerebellum can often be found, too. Preterm birth seems to be associated with a reduction of the cerebellar volume and decreased cell density in the cerebellar cortex. However, the mechanisms of cerebellar injuries are poorly understood. Directly after human birth, the arterial oxygen tension of the newborn increases by three- to fourfold. In preterm infants, the rise of oxygen concentration caused by premature birth into room air hits the immature cerebellum at a vulnerable phase of dynamic growth nearly unparalleled elsewhere in the brain with highly increased precursor proliferation. In this study, it was analyzed whether postnatal hyperoxia perturbs cerebellar growth and affects white matter and neuronal development. Newborn rats were exposed to 24 hours 80% O2 from postnatal day 6 (P6) to postnatal day 7 (P7) to mimic the sharp increase of oxygen tension. Cerebellar injury was analyzed by Magnetic Resonance Imaging, quantitative Real-time PCR, Western blot, ELISA and immunohistochemistry at the ages P7, P11 and P30. Hyperoxia resulted in a reduction of cerebellar volume together with long term white matter damage and impaired neuronal development. Decreased proliferation and increased cell death of oligodendroglial precursor cells led to a myelination deficit. A lack in granule cell survival and impaired granule cell precursor proliferation resulted in a long-term injury of cerebellar granule cells. Cerebellar injury was triggered by impaired astrocytic growth factor supply, as indicated by results of cell culture experiments and ex vivo analysis with a reduction of PDGFA and BDNF as important regulating factors. The affection of the cerebellar Purkinje cells by hyperoxia resulted in delayed development including impairment of dendrite growth and neuronal branching. Moreover, Purkinje cell SHH expression and GABA secretion were reduced by postnatal hyperoxia. In the cerebellum postnatal precursor proliferation is regulated by SHH. These results indicate that reduction of SHH expression contributed at least partially to the impaired precursor proliferation and that cerebellar morphogenesis is altered by the lower GABA level. Neonatal injury induced by hyperoxia alters the regulatory program of the postnatal cerebellar development by the inhibition of Purkinje cell function and the impairment of glial and neuronal crosstalk. As a conclusion, the maldevelopment of the cerebellum found in preterm infants can be caused by postnatal oxygen toxicity.
Frühgeborene Kinder leiden im Laufe ihrer Entwicklung häufig an einer Störung der funktionellen und strukturellen Reifung des Gehirns. Diese Defizite werden im Allgemeinen durch Hypoxie/Ischämie, Infektionen und Endzündungen, aber auch durch Hyperoxie verursacht. Bei vielen unreif geborenen Kindern kommt es dabei auch zu einer Beeinträchtigung des Kleinhirns in Form einer Volumenreduktion und einer veränderten Zelldichte in der Kleinhirnrinde. Die Ursachen für diese Entwicklungsstörung sind kaum beschrieben. Als eine mögliche Ursache kommt eine Toxizität oder Dysregulation durch den zu früh eintreffenden Anstieg des arteriellen Sauerstoffpartialdrucks direkt nach der Geburt infrage. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das unreife Kleinhirn des Fötus bzw. von extrem frühgeborenen Kindern in einer Wachstumsphase, die in keiner anderen Hirnregion zu finden ist. Eine hohe Anzahl unreifer Vorläuferzellen zeigt eine hohe Proliferationsaktivität, unreife Vorläuferzellen sind gegenüber drastischen Umweltveränderungen sehr vulnerabel. Um den starken Anstieg des Sauerstoffangebots, der im Fötus bei Frühgeburt unter Raumluft auftreten kann, im experimentellen Modell zu imitieren, wurden neugeborene Ratten von Tag sechs bis Tag sieben nach der Geburt (P6 bis P7) mit 80% Sauerstoff inkubiert. Der sehr unreife Zustand des Gehirns wird in diesem Alter der Tiere oftmals verglichen mit der Unreife der Gehirne von extrem Frühgeborenen. In der aktuellen Studie im Hyperoxiemodell wurde eine Beeinträchtigung der Kleinhirnentwicklung mittels Magnetresonanztomographie, quantitativer Real Time PCR, Western Blot, ELISA und Immunhistochemie zu den Entwicklungszeitpunkten P7, P11 und P30 analysiert. Der Hauptfokus lag hierbei zum einen auf der Entwicklung der weißen Substanz und zum anderen auf der neuronalen Entwicklung der Kleinhirnrinde. Die neonatale Hyperoxie induzierte bei den Ratten eine Verminderung des Kleinhirnvolumens, die von einer andauernden Schädigung der weißen Substanz und einer gestörten Entwicklung der Kleinhirnneurone begleitet wurde. Durch eine verminderte Proliferationsrate und einem erhöhten Zelltod von Vorläuferzellen der für die Myelinisierung verantwortlichen Oligodendrozyten kam es zu einem signifikanten Myelinisierungsdefizit. Die erhöhte Apoptose von unreifen Körnerzellen sowie die verminderte Proliferation der Vorläufer der Körnerzellen führten zu einer dauerhaften Schädigung dieser neuronalen Population. Die gestörte Entwicklung des Kleinhirns wurde durch eine verminderte Expression von astrozytären Wachstumsfaktoren mit induziert. Die in vivo detektierte Reduktion von PDGFA und BDNF konnte in vitro, sowie ex vivo in Astrozyten bestätigt werden. Die zusätzlich verzögerte Reifung der Purkinjezellen, mit einer gestörten neuronalen Verzweigung und einem verzögerten Auswuchs der Dendriten, führte zu einer verminderten Expression von SHH sowie einer reduzierten Sekretion von GABA. Zu diesem Entwicklungszeitpunkt wird die Proliferation von Vorläuferzellen im Kleinhirn von SHH stimuliert. Die verminderte Expression von SHH konnte demnach mit der gestörten Proliferation der Vorläuferzellen in Verbindung gebracht werden. Zusätzlich kann die allgemeine Entwicklung des Kleinhirns durch die reduzierte GABA-Konzentration beeinträchtigt worden sein. Die durch Hyperoxie induzierte Schädigung hemmt die Funktion der Purkinjezellen und stört die Interaktion von Gliazellen und Neuronen. Sauerstoff kann demnach eine Ursache der gestörten Kleinhirnentwicklung bei sehr unreifen Frühgeborenen sein.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7246
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6522
Exam Date: 19-Oct-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 4-Dec-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): Kleinhirn
Frühgeburt
Hyperoxie
cerebellum
preterm birth
hyperoxia
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Appears in Collections:Institut für Biotechnologie » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
scheuer_till.pdf19.49 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons