Mechanisms underlying neuronal dysfunction in a mouse model of Alzheimer's disease

Morbus Alzheimer (Alzheimer’s disease = AD) ist eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, welche zu einer langsamen Degeneration von Neuronen und einem Verlust kognitiver Fähigkeiten führt. Die familiäre Form der Erkrankung lässt sich auf vor allem auf Mutationen in den Genen für das Amyloid Vorläufer Protein (amyloid precursor protein = APP) oder Präsenilin 1 bzw. Präsenilin 2 (PS1, PS2) zurückführen. Verschiedene Studien zeigen, dass Mutationen in PS1 bzw. PS2 zu Störungen der intrazellulären Ca2+-Homöostase führen, welche vorrangig das Endoplasmatische Retikulum (ER) betreffen. In vitro resultieren diese beispielsweise in einem Anstieg der Ca2+-Beladung des ER und einer Reduktion des kapazitiven Ca2+-Einstroms über die Plasmamembran. Auf welche Art und Weise intrazelluläre Ca2+-Speicher die neuronale Netzwerkaktivität in vivo beeinflussen und welche Rolle sie für AD-assoziierte neuronale Fehlfunktionen spielen ist bisher unklar. In dieser Arbeit untersuchten wir die funktionellen Eigenschaften intrazellulärer Ca2+-Speicher in kortikalen Neuronen mittels in vivo Zwei-Photonen-Mikroskopie in 10-14 Monate alten transgenen APPswe/PS1 G384A (AD), PS1 G384A (PS45) und gleichaltrigen Wildtyp (WT) Mäusen. Zunächst ermittelten wir die spontane Aktivität von Schicht 2/3 Neuronen im frontalen Kortex und klassifizierten die einzelnen Zellen entsprechend der Häufigkeit ihrer Ca2+-Transienten als ruhig, normal oder hyperaktiv [Busche et al., 2008]. Bestimmt man die Anteile dieser drei Kategorien innerhalb der Zellpopulation, lässt sich im Vergleich zu jüngeren adulten Tieren ein deutlicher Anstieg des Anteils hyperaktiver Neuronen nachweisen. Dieser altersvermittelte Anstieg neuronaler Aktivität war in allen drei untersuchten Mausstämmen zu beobachten. Anschließend untersuchten wir die Koffein-evozierte Ca2+-Freisetzung aus neuronalen intrazellulären Ca2+-Speichern im intakten Gehirn von WT und AD Mäusen nach Stimulation von Ryanodinrezeptoren (RyR). Die speichervermittelten Ca2+-Signale in AD Mäusen waren im Vergleich zu denen in WT Tieren verstärkt. Darüber hinaus zeigten diese Versuche, dass der N-methyl-D-aspartat Rezeptor (NMDAR)-vermittelte Ca2+-Einstrom über die Plasmamembran in vivo eine Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung aus den intrazellulären Ca2+-Speichern hervorruft. Interessanterweise war dieser Effekt in hyperaktiven Neuronen stärker als in normalen Neuronen, was auf eine stärkere Beladung der intrazellulären Ca2+-Speicher dieser Zellen schließen lässt. Um die Bedeutung der intrazellulären Ca2+-Speicher für die spontane Netzwerkaktivität von kortikalen Neuronen zu charakterisieren, wurden die Speicher durch eine reversible Blockade der SERCA Pumpe mittels Cyclopiazonsäure (CPA) entleert. Badapplikation von CPA normalisierte die pathologische Netzwerkaktivität selektiv in AD Mäusen, ohne die Aktivität in WT Mäusen zu verändern. Um herauszufinden, ob eine Mutation des PS-Gens ausreichend ist, um die erhöhte Netzwerkaktivität auszulösen, untersuchten wir auch Mäuse, welche lediglich die mutierte Variante des PS1 (G384A) exprimieren. Diese Versuche zeigten, dass das Vorhandensein dieser PS1-Mutation ausreicht, um eine neuronale Hyperaktivität auszulösen. Dieser Effekt ist unabhängig von der Gendosis, Amyloidablagerungen und Entzündungsprozessen. Außerdem lässt sich das Phänomen bereits in jungen adulten Tieren (6-7 Monate) nachweisen. Interessanterweise reduzierte eine Entleerung der intrazellulären Ca2+-Speicher die neuronale Hyperaktivität in PS45 Mäusen in der gleichen Weise wie in AD Mäusen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die beobachteten pathologischen Aktivitätsmuster in transgenen Mäusen auf funktionelle Veränderungen intrazellulärer Ca2+-Speicher zurückzuführen sind. Als nächstes untersuchten wir die präsynaptische Ca2+-Signalgebung während einer Entleerung intrazellulärer Ca2+-Speicher in PS45 Mäusen. Hierzu wurden Neuronen der kortikalen Schichten 5 und 6 mit einem Ca2+-Sensor markiert und deren Axonterminalen in oberflächlichen kortikalen Schichten untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass intrazelluläre Ca2+-Speicher die Frequenz spontaner Ca2+-Transienten in Axonterminalen modulieren, jedoch keinen Einfluss auf das Muster der Ca2+-Transienten ausüben. Außerdem untersuchten wir den Einfluss der präsynaptischen Glutamatfreisetzung auf die postsynaptische Aktivität unter Verwendung des aktivitätsabhängigen irreversiblen NMDAR Inhibitors MK-801 in PS45 Mäusen. Hyperaktive Zellen wiesen im Vergleich zu normalen Zellen eine höhere Offenwahrscheinlichkeit postsynaptischer NDMA Rezeptoren auf, was sich vermutlich auf eine gesteigerte präsynaptische Glutamatfreisetzung zurückführen lässt. Anschließend untersuchten wir die Rolle der intrazellulären Ca2+-Speicher für die Ca2+-Signalgebung in postsynaptischen Dornfortsätzen in PS45 Mäusen. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass intrazelluläre Ca2+-Speicher in diesem Kompartiment sowohl die Frequenz als auch die Synchronisation spontaner Ca2+-Transienten kontrollieren. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass fortschreitendes Alter eine Steigerung der neuronalen Hyperaktivität hervorruft. In Mäusen mit Amyloidablagerungen ist außerdem die in vivo Funktion intrazellulärer Ca2+-Speicher verändert, wie die Steigerung Koffein-vermittelter somatischer Ca2+-Signale beweist. Intrazelluläre Ca2+-Speicher kontrollieren die Frequenz netzwerkgetriebener spontaner Ca2+-Transienten in AD und PS45 Mäusen. Unsere Ergebnisse legen den Grundstein für die Entwicklung neuer Behandlungskonzepte für AD-Patienten basierend auf einer Normalisierung der Ca2+-Freisetzung aus intrazellulären Ca2+-Speichern

Longitudinal PET-MRI reveals beta-amyloid deposition and rCBF dynamics and connects vascular amyloidosis to quantitative loss of perfusion

The dynamics of beta-amyloid deposition and related second-order physiological effects, such as regional cerebral blood flow (rCBF), are key factors for a deeper understanding of Alzheimer's disease (AD). We present longitudinal in vivo data on the dynamics of beta-amyloid deposition and the decline of rCBF in two different amyloid precursor protein (APP) transgenic mouse models of AD. Using a multiparametric positron emission tomography and magnetic resonance imaging approach, we demonstrate that in the presence of cerebral beta-amyloid angiopathy (CAA), beta-amyloid deposition is accompanied by a decline of rCBF. Loss of perfusion correlates with the growth of beta-amyloid plaque burden but is not related to the number of CAA-induced microhemorrhages. However, in a mouse model of parenchymal beta-amyloidosis and negligible CAA, rCBF is unchanged. Because synaptically driven spontaneous network activity is similar in both transgenic mouse strains, we conclude that the disease-related decline of rCBF is caused by CA