Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Julia Kauder

Electrophysiological characterization

of murine models of

amyotrophic lateral sclerosis

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-108163

title (ger.)

Elektrophysiologische Charakterisierung von Mausmodellen der Amyotrophen Lateralsklerose

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kauderj_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine unheilbare neurodegenerative Erkrankung, die vornehmlich das motorische Nervensystem betrifft. Hierbei kommt es zur fortschreitenden und irreversiblen Degeneration der Motoneurone im Gehirn und Rückenmark, welche wiederum zu einer Schädigung und zu Verlust von motorischen Axonen und schließlich motorischen Einheiten innerhalb des Muskels führt. Diese Prozesse können mittels elektrophysiologischer Methoden zur Schätzung der Anzahl motorischer Einheiten innerhalb eines Muskels (Motor Unit Number Estimation, MUNE) quantifiziert werden. Zum derzeitigen Zeitpunkt stehen keine Biomarker oder spezielle diagnostische Methoden zu einer Früherkennung der ALS zur Verfügung. Frühere Studien in transgenen Mausmodellen der ALS haben jedoch vielversprechende Ergebnisse präsentiert, die zeigen, dass MUNE Abweichungen der Anzahl motorischer Einheiten eines Muskels bereits im klinisch inapparenten Stadium der ALS detektieren kann. Das erklärte Ziel dieser Studie war somit eine vergleichende Untersuchung zweier transgener Mausmodelle der ALS mittels der sogenannten Inkrement-Methode. Dabei wurden zum einen das ausführlich beschriebene SOD1G93A  und zum anderen ein bisher nicht mittels MUNE untersuchtes, mutantes TDP-43M337V Mausmodell untersucht. Zusätzlich wurden phänotypische Untersuchungen, kombiniert mit Verhaltenstudien, angewendet um den Zeitpunkt des Auftretens klinischer Symptome der Tiere zu erfassen und den weiteren Krankheitsverlauf zu evaluieren. Die transgenen SOD1G93A Mäuse zeigten deutlich veränderte MUNE- Ergebnisse bereits vor dem Auftreten erster klinischer Symptome. Im Einzelnen handelte es sich dabei um eine signifikante Reduzierung des Muskelsummenaktionspotentials (CMAP) des kranialen Tibialismuskels sowie eine signifikante Abnahme der Anzahl motorischer Einheiten innerhalb dieses Muskels. Das mittlere Potential einer einzelnen motorischen Einheit (mittleres SMUP) zeigte hingegen während der gesamten Untersuchung keine signifikante Erhöhung, was auf fehlende Regenerationsprozesse in Form von kollateraler Reinnervation in transgenen SOD1G93A Mäusen schließen lässt.         
Es wurden verschiedene Altersgruppen der TDP-43M337V Mäuse untersucht, da transgene Tiere des hier verwendeten Stammes keine klinisch sichtbaren Symptome entwickeln und histologische Auffälligkeiten zuvor erst ab einem Alter von 18 Monaten nachgewiesen wurden. Die transgenen Tiere der jüngsten Gruppe (im Alter von 4 bis 18 Wochen) zeigten keine signifikanten Abweichungen in der Anzahl motorischer Einheiten, CMAP und mittlerem SMUP im kranialen Tibialismuskel. Die Untersuchung der älteren Tiere verschiedener Gruppen (im Alter von 12 bis 26 Monaten) ergab jedoch teilweise eine signifikante Erhöhung des mittleren SMUP im kranialen Tibialismuskel und/ oder im Gastrocnemiusmuskel. Während das CMAP in allen Gruppen unverändert blieb, konnte innerhalb einer Gruppe eine signifikante Reduzierung der Anzahl motorischer Einheiten im Gastrocnemiusmuskel nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass transgene TDP-43M337V Mäuse des hier verwendeten Stammes, im Gegensatz zu den SOD1G93A Mäusen, eine Kapazität für Regenerationsprozesse in Form von kollateraler Reinnervation besitzen. In dieser Studie wurde gezeigt, dass subklinische Veränderungen in beiden Mausmodellen mittels MUNE detektiert werden konnten.  Nur histologische Untersuchungen von Rückenmark und Muskeln können jedoch eindeutig bestätigen oder widerlegen, dass effektive Regenerationsprozesse in transgenen TDP-43M337V Mäusen auftreten, daher sind zukünftige Studien dazu angehalten, diese durchzuführen und darüber hinaus auch andere TDP-43 Mausmodelle mit schnellerem Krankheitsverlauf zu evaluieren.

Da neurodegenerative Erkrankungen auch in der Veterinärmedizin, vor allem beim Hund, eine große Rolle spielen und MUNE bisher kaum in der Veterinärmedizin angewendet wurde, war es ein weiteres Ziel der Studie, zu überprüfen ob die Inkrement-Methode für eine Anwendung am Hund geeignet ist und ein potentieller Nutzen für die Beurteilung neurologischer Erkrankungen vorliegt. Alle Hunde konnten erfolgreich mittels MUNE untersucht werden und es gibt vielversprechende Ansätze für Anwendungsmöglichkeiten von MUNE in der Kleintierneurologie. Jedoch sind weitere Studien von Nöten, um das diagnostische und prognostische Potential dieser Methode für die Evaluierung caniner neurologischer Patienten zu ermitteln. Hierbei wird vorrangig die Untersuchung homogener Patientengruppen mit Fokus auf intra- und interindividuelle Variabilität empfohlen. Aufgrund technischer Schwierigkeiten, die dieser Methode innewohnen wie Subjektivität und intra- und interindividuelle Variabilität, ist es fraglich inwieweit MUNE verlässliche Ergebnisse zur Früherkennung der ALS und anderen neurodegenerativen Erkrankungen liefern kann, was wiederum die dringende Notwendigkeit zur weiteren Verbesserung der bekannten und die Entwicklung neuer MUNE Methoden verdeutlicht.

 

abstract (englisch)

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an incurable neurodegenerative disease affecting the motor system. The selective loss of upper and lower motor neurons leads to axonal loss and degeneration of motor units within the skeletal muscles that may be quantified by an electrodiagnostic technique named Motor Unit Number Estimation (MUNE). Previous studies using MUNE presented promising results about this technique being a diagnostic tool to aid early diagnosis of ALS. Therefore, two transgenic murine models of ALS, the well- known SOD1G93A and a mutant TDP-43M337V model, have been comparatively analyzed using the incremental MUNE technique combined with behavioral tests to determine visible disease onset and to evaluate disease progression. MUNE was able to dectect electrophysiological abnormalities before onset of clinical symptoms in both murine models. Furthermore, it was useful to adequately monitor disease progression of SOD1G93A mice. In detail, transgenic SOD1G93A mice showed progressive decrease in motor unit number and compound muscle action potential (CMAP) within the cranial tibial muscle compared to their wildtype littermates. The mean single motor unit potential (SMUP), however, did not significantly increase. Hence, it might be concluded that no collateral reinnervation in SOD1G93A mice was present as previously reported in the literature. In order to study MUNE within the TDP-43M337V mice, various groups of different ages have been examined due to the fact that these mice do not develop any visible disease phenotype and only mild histological abnormalities were found from 18 months of age. The outcome revealed no significant changes in MUNE, CMAP and mean SMUP in the youngest group (4 – 18 weeks of age). Within the elder groups (12- 26 months of age), significant increases in the mean SMUP within the cranial tibial and/ or gastrocnemius muscle could be dectected which might indicate compensatory processes in terms of collateral reinnervation. Motor unit number and CMAP in TDP-43M337V mice mostly remained unaffected.    
Detailed histological analyses of muscles and spinal cord should be pursued in future studies to further strengthen the assumption of collateral reinnervation in this TDP-43 as well as in other mutant TDP-43 mouse models.    
Since neurodegenerative diseases are also common in veterinary medicine and MUNE has rarely been used for veterinary purposes, the incremental technique was applied to two groups of dogs. Even though all dogs could be examined successfully, further studies including homogenous groups with regard to breeds and body weights, are warranted to evaluate its potential value for canine neurology.       
Inherent to the MUNE techniques are disruptive factors such as subjectivity, intra- and inter- individual variability. It therefore remains doubtful whether MUNE might be considered a reliable diagnostic aid to confirm early diagnosis of neurodegenerative diseases accentuating the need for further improvement of the existing as well as search for new MUNE techniques.

keywords

Elektrophysiologie, Mausmodell, Amyotrophe, Lasteralsklerose, electrophysiology, murine models, amyotrophic lateral sclerosis

kb

49.173