The mammalian central nervous system (CNS) develops from multipotent neural stem or progenitor cells. During development the cells proliferate actively and differentiate into all the different cell types of the brain. Neurogenesis continues in the adult brain but to a much lesser extent than during development. Adult neurogenesis is influenced by many different factors, including insults to the brain and neurodegenerative disease. Neurotransmitters have been implicated as regulators of neurogenesis. The main excitatory neurotransmitter glutamate is linked to neural progenitor cell proliferation and differentiation as well as migration of newborn neurons. Glutamate is also involved in the pathogenesis of several neurological disorders and other factors linked to brain pathogenesis, such as hypoxia and acidosis, are known to influence neural progenitor cells. Elucidating the mechanisms governing stem/progenitor cell behavior during normal and pathological conditions will aid in the development of cell-based therapies for treating insult or disease within the CNS. The aim of this thesis was to study the role of glutamate receptor agonists and antagonists in differentiation and migration of neural progenitors and their progeny to increase the understanding of how this neurotransmitter influences these cells. In addition, the effects of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and the reactivity of the cells to conditions associated with ischemic stroke (hypoxia/acidosis) were studied.
By utilizing the neurosphere model we found that differentiating neural progenitors initially mainly expressed and responded to stimuli through metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) and that the expression and functional response of the receptor corresponded with the distribution of radial glial cells. Ionotropic alpha-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionic acid (AMPA)/kainate (KA) receptors were also present during early differentiation and expressed mainly by neuron-like cells. The expression of mGluR5 decreased and the expression and functional maturity of AMPA/KA receptors increased with time in culture. Pharmacological blocking studies revealed that radial glial process extension and neuronal motility are regulated through both mGluR5 and AMPA/KA receptors, but that the receptors have opposing effects on these cellular mechanisms. After prolonged differentiation a small subpopulation of neuronal cells responding to stimulation with N-methyl-D-aspartate (NMDA) and gamma amino butyric acid (GABA) appeared. This subpopulation of cells was responsive to motogenic actions mediated by BDNF. In addition, we found that radial glial and neuron-like cells exhibited differences in resting membrane potential and intracellular pH and reacted differently when exposed to hypoxic and acidic conditions.
This study contributes new information regarding neural progenitor cell characteristics and behavior when differentiated in the presence of or challenged with factors influencing neurogenesis, both during normal and pathological conditions. These findings may be useful in developing treatment programs for neurological disorders.Det centrala nervsystemet (CNS) hos mammalier utvecklas utgående från multipotenta neurala stamceller. Under utvecklingen delar sig de neurala stamcellerna aktivt och ger upphov till alla de olika celltyperna i hjärnan. Nybildning av nervceller fortsätter i den vuxna hjärnan men i mycket begränsad mån. Denna nybildning påverkas av många olika faktorer, inklusive hjärnskador och neurodegenerativa sjukdomar. Signalsubstanser i hjärnan har föreslagits påverka nybildningen av nervceller. Glutamat är den huvudsakliga excitatoriska signalsubstansen i hjärnan och har länkats till proliferation och differentiering av neurala stamceller samt migration av nybildade nervceller. Glutamat är också involverad i patogenesen av flera olika neurologiska sjukdomar och andra faktorer länkade till patologiska tillstånd i hjärnan, såsom hypoxi och acidos, har också visats påverka neurala stamceller. Klargörande av de mekanismer som styr stamcellernas beteende under normala och patologiska tillstånd kan bidra till utvecklingen av cellbaserade terapiformer för behandling av skador eller sjukdomar i CNS. Målet med denna avhandling var att studera rollen av glutamatreceptoragonister och -antagonister vid differentiering och migration av neurala stamceller och deras derivat för att öka förståelsen för hur denna signalsubstans påverkar dessa celler. Ytterligare studerades hur cellerna påverkas av den neurotrofa faktorn BDNF och förhållanden associerade med slaganfall (hypoxi/acidos).
Genom att utnyttja den så kallade neurosfärmodellen fann vi att neurala stamceller vid differentiering initialt huvudsakligen uppvisade funktionella svar vid stimulering via den metabotropa glutamatreceptorn mGluR5 och att uttrycket av mGluR5 korrelerade med distributionen av radiala gliaceller. Funktionella jonotropa AMPA/KA-receptorer fanns också vara närvarande tidigt under differentieringsprocessen, främst i neuroner. Uttrycket av mGluR5 minskade medan uttrycket och den funktionella mognaden av AMPA/KA-receptorer ökade med tiden. Farmakologiska studier visade att både mGluR5 och AMPA/KA-receptorer är involverade i regleringen av neuronala cellers motilitet och radiala gliacellers processutväxt men att receptorerna har motsatta effekter på dessa cellulära mekanismer. Efter en längre periods differentiering kunde en liten subpopulation av celler som uppvisade funktionella svar vid stimulering med NMDA och GABA identifieras. BDNF ökade motiliteten av denna subpopulation. Vi fann ytterligare att radiala gliaceller och neuroner uppisade skillnader i vilomembranpotential och intracellulärt pH samt reagerade olika i hypoxiska och sura förhållanden.
Denna studie bidrar med ny information angående neurala stamcellers egenskaper och beteende vid differentiering i närvaro av eller vid stimulering med faktorer som påverkar neurogenes, både under normala och patologiska förhållanden. Dessa upptäckter kan vara av nytta vid utvecklingen av behandlingsprogram för neurologiska skador och sjukdomar
