Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Establishment and validation of the AAV2/DJ mediated alpha-synuclein rat model of Parkinson’s disease : Impact of FGF-2 isoforms on the dopaminergic system

Hövel, Friederike Freiin von

Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative synucleinopathic disorder, pathologically characterized by intracytoplasmic alpha-synuclein (α-syn) aggregates in the central nervous system (CNS). These insoluble aggregates are mainly localized within dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra (SN) pars compacta, and together with the progressive loss of affected DA neurons, define the diagnosis. Today, patients can be symptomatically treated temporarily, nevertheless the disease proceeds and healing is not yet possible. Disease modifying gene therapy aims to reverse or slow down disease progression by e.g. supporting remaining DA neurons with neurotrophic factors (NTF). Among these, the fibroblast growth factor 2 (FGF-2) is known to mediate the development, maintenance, and survival of DA neurons in vitro and in vivo, and therefore represents a promising therapeutic target. Since PD is mainly an idiopathic disease with the pathogenesis not fully understood, therapeutic intervention highly depends on comparable research models, with increased face, construct, as well as predictive validity. In study I, we established an early symptomatic rat model of PD, by unilateral overexpression of human α-syn in DA neurons of the SN. This determined overexpression was mediated by the adeno associated viral vector serotype 2/DJ (AAV2/DJ), which was used in the DA system for the first time. In addition, further characterization detailed behavioral and histomorphological evaluations were performed. Mimicking an early phase of PD, with optimized construct validity, this model permits evaluation of therapeutic effects of FGF-2 on remaining as well as α-syn affected DA neurons. With this background, the physiological impact of different FGF-2 isoforms in the developing and mature murine CNS, with special regard to the DA system, was comprehensively analyzed in study II. For this purpose, FGF-2 isoform specific knock out mice, only expressing the low molecular weight FGF-2 (LMW) or high molecular weight FGF-2 (HMW) were examined, and compared to mice lacking both isoforms, as well as their respective wild type littermates. Finally, in study III, we generated an AAV2/DJ mediated doxycycline induced FGF-2 isoform specific expression system, which was analyzed on DA progenitor cells in vitro as well as in the nigrostriatal system of healthy adult rats in vivo. Finally, this PhD project provides a viral vector based α-syn rat model of PD, displaying the essential human pathological characteristics, detailed knowledge of specific FGF-2 isoforms in vivo and novel approaches for therapeutic usage in DA neurons.

Morbus Parkinson ist eine progrediente, neurodegenerative Erkrankung und wird den Synucleinopathien zugeordnet. Diese werden durch intrazytoplasmatische, alphaSynuclein (α-syn) enthaltende Aggregate im zentralen Nervensystem klassifiziert. Das pathologische Korrelat bilden diese unlöslichen Einschlüsse in den dopaminergen (DA) Neuronen der Substantia nigra (SN) pars compacta, einer Region im ventralen Mittelhirn, die mit dem fortschreitenden Verlust der betroffenen Zellen assoziiert sind. Betroffene Patienten können zeitlich begrenzt, gut symptomatisch therapiert werden, die Heilung der Erkrankung ist jedoch bisher nicht möglich. Neue gentherapeutische Ansätze sollen den fortschreitenden Verlauf deutlich verlangsamen und/oder ganz aufhalten. Dazu werden neurotrophe Faktoren (NTF), wie der Fibroblasten Wachstumsfaktor 2 (FGF-2), gezielt in die betroffene Gehirnregion eingebracht. Der protektive Effekt von FGF-2 auf DA Neurone sowie sein Einfluss auf deren Entwicklung konnte bereits in vitro und in vivo bestätigt werden. Wegen der meist idiopathischen Ursache für Morbus Parkinson fehlen bisher jedoch prognosefähige Tiermodelle, mit denen diese Effekte auf den Menschen übertragen werden können. Basierend auf motorischen Symptomen und detaillierten histomorphologischen Untersuchungen wurde in Studie I ein frühsymptomatisches Rattenmodell für Morbus Parkinson etabliert. Dazu wurde humanes α-syn, mit dem Adeno-assozierten viralen Vektor Typ 2/DJ (AAV2/DJ) einseitig in den DA Neuronen der SN überexprimiert. Die charakteristische voranschreitende Pathogenese erlaubt zukünftig die Evaluierung von NTF, wie FGF-2, auf krankheitsvermittelte Effekte. Die physiologischen Einflüsse von unterschiedlichen FGF-2 Isoformen im DA System des Gehirns wurden in Studie II näher charakterisiert. Dazu wurden Mausmutanten untersucht, welche jeweils nur die niedrig molekulare oder hochmolekulare Isoform von FGF-2 exprimieren und die Ergebnisse mit totalen Knockout Mäusen und deren Wildtyp Wurfgeschwistern verglichen. Ergänzend wurde in Studie III ein induzierbarer AAV2/DJ generiert, der jeweils eine der beiden FGF-2 Isoformen enthält, welche nach Doxycyclin Gabe exprimiert werden. Die Funktion dieses Systems wurde auf DA Vorläuferzellen getestet und vorerst im DA System gesunder Ratten evaluiert. Abschließend kann basierend auf dieser Arbeit die therapeutische Effizienz der unterschiedlichen FGF-2 Isoformen im neuen α-syn Morbus Parkinson Rattenmodell evaluiert werden.

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von Hövel, F.F., 2019. Establishment and validation of the AAV2/DJ mediated alpha-synuclein rat model of Parkinson’s disease: Impact of FGF-2 isoforms on the dopaminergic system. DVG, Gießen.
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