Axonwachstum und Regeneration Vorlesung 6 WS 2008-09

Entstehung des Nervensystems 1. Induktion- des Neuroektoderms aus dem Ektoderm Wie wird das Neuroektoderm determiniert und vom restlichen Ektoderm abgetrennt? 2. Zellteilung von 100 000 auf 1012 Nervenzellen und 1013 Gliazellen. Wie wird die Zellteilung im ZNS und PNS kontrolliert? 3. Wanderung Wie wandern Nervenzellen und Gliazellen vom Ort ihrer Entstehung an ihren endgültigen Ort? 4. Musterbildung Wie erhalten verschiedene Bereiche des Nervensystems unterschiedliche regionale Identität? 5. Differenzierung Wie erhalten Neuronen und Gliazellen ihre distinkte Identität - Morphologie und Funktionseigenschaften? 6. Axonwachstum Wie finden Axone ihren Weg zu den Zielregionen und machen korrekte Synapsen?

Der Wachstumskegel Filopodien Lamellopodien kontraktile Filamente (Aktin und Myosin) erkennt komplexes Molekülmuster in seiner Umgebung und kann auf Muster reagieren dadurch gerichtetes Wachstum

Der Wachstumskegel Der Wachstumskegel reagiert unabhängig vom Zellkörper. Die Reaktion wird durch Ver-änderung des Aktin-Cytoskeletts bewirkt; wichtig sind Mitglieder der Rho Familie (Rho, Rac, cdc42) Die Reaktion erfordert auch lokale Proteinbiosynthese im Wachstumskegel

Wachstumskegel zieht Axon Der Wachstumskegel ist sehr motil und übt Kraft auf das Axon aus. Bewegung benötigt Adhäsion zum Substrat Antikörper, die diese Adhäsion hemmen, hemmen auch die Geschwindigkeit der Bewegung

Moleküle, die axonales Wachstum und Navigation im Gewebe beeinflussen Leitsignale mit Fernwirkung - diffusible Moleküle (chemotrope Faktoren; definieren anziehende und abstoßende Bereiche entlang des Wachstumsweges) Leitsignale mit Nahwirkung - Zelladhäsionsmoleküle auf anderen Zellen und Extrazelluläre Matrixmoleküle (sorgen für mechanische Adhäsion des Wachstumskegels an das Substrat und definieren Bereiche, die permissiv sind; Laminin, Integrine, Cadherine, CAMs)

Moleküle, die axonales Wachstum beeinflussen L1, NCAM Eph Liganden

Leitsignale mit positiver Fernwirkung (Chemoattraktion): Netrine Kontrolle Netrin ko

Leitsignale mit negativer Fernwirkung (Chemorepulsion): Semaphorine Semaphor: signalisieren Kokultur von Nervenzellen (hier Hinterwurzelganglion) mit Semaphorin-produzierenden Zellen hemmt Axonwachstum aus dem Ganglion. Wachstumskegel kollabiert (Kollapsin)

Sema3A ‚bremst‘ Wachstum und führt zur dorsoventralen Aufteilung Sema3F hat abstossende Wirkung auf LMCm Axone und führt zur ventralen Projektion dieser Axone

Eine Kombination von verschiedenen Faktoren sorgt für die richtige Orientierung des axonalen Wachstums

homophil oder heterophil Zelladhäsionsmoleküle sind vor allem für die Motilität des Wachstumskegels und für die Axonbündelung, aber nicht für die initiale Wegfindung wichtig Interaktion zwischen Neuronen und anderen Neuronen (Faszikulation) oder zwischen Neuronen und Gliazellen homophil oder heterophil

Zelladhäsionsmoleküle haben Signaltransduktion

Beispiele für die Rolle von Zelladhäsionsmolekülen bei der Axonbündelung/Axontraktbildung

Beispiele für die Rolle von Zelladhäsionsmolekülen bei der Axontraktbildung wt L1 ko L1 ko führt zu gestörtem corticospinalen Trakt

Topographische Verschaltung als Beispiel für spezifische Projektionen und Synapsenbildung: retino-tectale Projektion Benachbarte Punkte in der Peripherie sind in benachbarten Bereichen des ZNS repräsentiert benachbarte Zellen in der Retina verschalten sich mit benachbarten Zellen im Tectum gilt auch für Hören, Riechen, sensorische Informationen

Die Chemoaffinitäts Hypothese R. Sperry (~1960) Optischer Nerv durchtrennt: topographische Projektion wird wiederhergestellt optischer Nerv durchtrennt und Auge um 180° rotiert. Frage: Bildet sich eine Projektion aus, die funktionell normal ist, oder eine Projektion, die der ursprünglichen Verschaltung entspricht? Antwort: letzteres d.h. visuelle Stimuli haben keinen Einfluß auf Projektion Da Auge aber rotiert ist, ist das Bild für den Frosch um 180° gedreht Axone sind in der Lage, orts-spezifische Markierungen im Tectum zu identifizieren (Schlüssel-Schloss; Gradienten)

Retinotektale Projektion: Suche nach Molekülgradienten Es wurde ein Doppelgradient von zwei Molekülen postuliert, die im Tektum und in der Retina exprimiert werden. Temporale Retina erkennt in vitro Unterschied zwischen a/p Tektum.

Retinotektale Projektion: Suche nach Molekülgradienten Eph A3 Rezeptor Ephrin A2/A5 Temporale Wachstumskegel erkennen Gradienten

Ephrine kontrollieren Projektionen von Interneuronen im Rückenmark Im EphrinB3-und EphA4-Knockout projizieren aktivierende Interneurone auch auf die kontralaterale Seite und dadurch werden linke und rechte Motoneuronen/Muskeln nicht mehr alternierend sondern synchron aktiviert.

Ephrine kontrollieren Projektionen von Interneuronen im Rückenmark

Axon-Regeneration Querschnittslähmung 400 neue Fälle pro Jahr/1 Mio. Einwohner 7000 chronische Fälle/1 Mio. Einwohner 1928 Ramon y Cajal: Es gibt keine Plastizität, keine Regeneration im adulten Gehirn

1928 2009 Dass ZNS Neuronen bei Säugern nicht regenerieren, liegt an „once the development was ended, the founts of growth and regeneration of the axons and dendrites dried up irrevocably. In the adult centres the nerve paths are something fixed, ended and immutable. Everything may die, nothing may be regenerated. It is for the science of the future to change, if possible, this harsh decree“. Santiago Ramon y Cajal 2009 Dass ZNS Neuronen bei Säugern nicht regenerieren, liegt an den Bedingungen, nicht an der Unfähigkeit der Neuronen im adulten Gehirn Axone zu regenerieren.

Läsion Regeneration im PNS, nicht im ZNS Glia-Narbe Inhibierendes Myelin

Glianarbe Ungefähr 2 Wochen nach der Verletzung bildet sich eine Narbe Zuerst wandern Makrophagen aus dem Blut ein anschliessend Oligodendrozyten Vorläufer und Astrozyten Oligos und Astros hemmen axonales Wachstum primär über Chondroitinsulfat Proteoglykane wirken als mechanische Barriere

Ad 1. Glianarbe Glianarbe enthält Chondroitisulfat-Proteoglycane und Collagen Enzymatischer Abbau von Chondroitinsulfat ermöglicht Regeneration von corticospinaler Projektion (Pyramidenbahn). Morphologische Evidenz:

Glianarbe enthält Chondroitinsulfat-Proteoglycane und Collagen Blockierung der Collagensynthese oder Anti-Collagen-Antkörper ermöglicht Regeneration. Läsion keine Regeneration Axonwachstum über die Läsion hinweg

Glianarbe enthält Chondroitinsulfat-Proteoglycane und Collagen Enzymatischer Abbau von Chondroitinsulfat ermöglicht Regeneration von corticospinaler Projektion (Pyramidenbahn). Funktionelle Evidenz: Ähnliche Resultate bei Blockierung der Collagensynthese oder durch Anti-Collagen-Antikörper Axonwachstum im adulten ZNS ist möglich wenn keine ‚Glia-Narbe‘ (Silver)

Ad2: Inhibitorisches Myelin Axonwachstum im adulten ZNS nicht möglich (Säugetiere) PNS kann regenerieren - ZNS nicht A. Aguayo Experiment: Transplantation eines Ischias Nerves anstelle des optischen Nerves In diesem Fall regenerieren Axone d. h. ZNS Axone können prinzipiell regenerieren, sofern die Umgebung das zuläßt. ZNS Axone werden aktiv an Regeneration gehindert Die inhibitorischen Moleküle (IN-1, nogo) sind Bestandteile des Myelins.

MAG Myelin Associated Glycoprotein OMgp Oligodendrocyte Myelin Glycoprotein Nogo-A

Nogo Proteinfamilie (Nogo A, B, und C – alternatives Spleißen) 2 TM Bereiche Exprimiert von Oligodendrozyten, nicht von Schwannzellen Exprimiert bei Säugern, NICHT bei Amphibien und Fischen Lokalisiert im ZNS Myelin Besitzt einen Rezeptor auf Axonen (NgR-GPI Anker)

Regeneration im ZNS von Säugern möglich durch Blockierung dieser hemmenden Substanzen: 1. Anti-Nogo-AK Auch funktionelle Erholung bei Verletzung der Pyramidenbahn - wenige Fasern reichen aus.

Regeneration im ZNS von Säugern möglich durch Blockierung dieser hemmenden Substanzen: 2. Nogo-knockout

Regeneration im ZNS von Säugern möglich durch Blockierung dieser hemmenden Substanzen: 3. konditionierende Läsion Keine Regeneration 2. Läsion Regeneration Läsion DRG Neuron RM 1. Läsion (konditionierende L.)

Effekt der konditionierten Läsion entspricht cAMP-Effekt im Wachstumskegel

Klin. Test

Strategien für Reparatur

Läsion Regeneration und Axonwachstum im ZNS wenn keine Glia-Narbe; - wenn die negativen Signale des Myelins blockiert werden durch anti-Nogo oder cAMP Glia-Narbe verhindert Regeneration im ZNS Anti-Nogo und cAMP erlaubt mehr Axonwachstum, Glia-Narbe wird umgangen J. Silver Expt. erklärbar

Warum können wir nicht so wie Fische und Amphibien??? Es gibt a priori keinen Grund warum wir Axone im ZNS nicht regenerieren können, aber: Fische und Frösche wachsen ihr Leben lang – deshalb ist viel größere Plastizität im ZNS notwendig. Sehr viel Energie und Zeit wurde in die Entwicklung des ZNS gesteckt, es ist so schwierig die ganzen spezifischen Verbindungen zu knüpfen, und diese Verbindungen enthalten so viele Informationen, dass das ganze so stabil und unabänderlich gehalten werden muss und somit Regeneration (die eine größere Flexibilität erfordern würde) nicht erlaubt ist.

CRTD Zentrum für Regenerative Therapien Dresden DFG-Forschungszentrum und Exzellenzcluster Das DFG-Forschungszentrum konzentriert sich auf Grundlagen- und medizinische Forschung sowohl an Modellorganismen (Maus, Axolotl, Zebrafisch) als auch Patienten, um...

Deutsches Ärzteblatt