Establishment of a viral vector-mediated animal model for Parkinson's disease and evaluation of the transduction potential of FGF-2 isoforms in vitro

Morbus Parkinson ist eine neurodegenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems und betrifft vorwiegend die ältere Bevölkerung mit einer stetig steigenden Prävalenz in der heutigen Gesellschaft. Die Krankheit wird von drei prominenten Symptomen geprägt, Tremor, körperliche Steifheit, auch Rigidität genannt, und Bradykinese, eine Langsamkeit der Bewegungen. Die Diagnose basiert jedoch auch auf den histopathologischen Merkmalen. Diese sind eine vermehrte Expression des Proteins alpha-Synuclein (a-syn), welches als hauptsächlicher Bestandteil der typischen Einschlusskörperchen „Lewy Körperchen“ auftritt. Hauptsächlich sind dabei dopaminerge (DA) Neurone betroffen, die sich überwiegend in der Substantia nigra pars compacta (SNpc) befinden und als Folge der Toxizität von a-syn degenerieren. Daraus resultiert der Verlust der dopaminergen Nervenfasern, welche ins Striatum projizieren. Dies lässt sich anhand einer morphometrischen Analyse mittels Faserdichtebestimmung feststellen. Mit dem Verlust der Fasern wird auch weniger Dopamin ausgeschüttet, ein wichtiger Neurotransmitter, der im Regelkreis der Basalganglien für die Initiation von Bewegung notwendig ist. Fällt dieses Signal weg oder ist deutlich reduziert, wie es bei Morbus Parkinson der Fall ist, beginnen sich die typischen motorischen Symptome zu zeigen. Daneben können aber auch eine Reihe nicht motorischer Symptome beobachtet werden (z.B. Konstipation, Depression, Schlafstörungen und reduzierte Geruchswahrnehmung), welche zu der Komplexität der Pathologie beitragen. Die Etablierung von Tiermodellen, die das Krankheitsgeschehen von Parkinson nachahmen, hilft, die Pathomechanismen und die degenerativen Prozesse besser zu verstehen und die Entstehung der motorischen Symptome nachzuvollziehen. Da es bisher nicht gelungen ist, mit einem Tiermodell alle pathologischen Merkmale der Krankheit zufriedenstellend darzustellen, war das Ziel dieser Studie, mit Hilfe des viralen Vektors AAV/DJ die Überexpression von a-syn zu initiieren und somit eine Degeneration von dopaminergen Neuronen und der striatalen Fasern herbeizuführen. Durch histomorphologische Analysen und einer Auswahl an Verhaltenstests (Staircasetest, Steppingtest und Zylindertest) konnte das Ausmaß der Neurodegeneration erfasst und die Schwere des motorischen Phänotyps evaluiert werden. Als Folge der viralen Injektion wurde ein moderater Verlust von dopaminergen Zellen und Fasern erzielt, der zu der Ausprägung von motorischen Symptomen führte, die in zwei der drei Verhaltenstest (Steppingtest und Zylindertest) deutlich nachzuvollziehen waren. Dass es im Staircasetest überraschend zu einer Verbesserung in der auszuführenden Aufgabe kam, lässt sich zum einen durch einen anhaltenden Trainingseffekt, und zum anderen durch eine gewisse Unempfindlichkeit des Tests gegenüber nur geringen Einbußen im nigrostriatalen System erklären. Eine Vielfalt an unterschiedlichen Therapieoptionen steht Patienten heutzutage zur Verfügung, welche die Symptome der Erkrankung lindern und somit die Lebensqualität verbessern können. Die Optionen reichen von medikamentöser Therapie über chirurgische Eingriffe, wie zum Beispiel Tiefenhirnstimulation, bis hin zu Gentherapie. Allerdings gibt es bis heute keine Therapieform, die das Absterben der Neuronen verlangsamt oder aufhält und somit die Heilung von Parkinson herbeiführen kann. Die vielversprechendste Therapieoption, die zurzeit entwickelt wird, ist die Zellersatztherapie. Hierbei werden dem Patienten Transplantate aus mesenchymalen oder induzierten pluripotenten Stammzellen in das Striatum eingesetzt, welche dann die abgestorbenen Fasern ersetzten und selbst Dopamin produzieren. Diese Dopaminsubstitution kann die motorischen Einschränkungen wieder aufheben und soll langfristig zu einer Verlangsamung des Krankheitsprozesses führen. Damit die Zelltransplantate auch über Jahre hinweg ihre Wirksamkeit nicht verlieren, wird in der Forschung daran gearbeitet, die Zellen mit der Zugabe von neurotrophen Faktoren zu modifizieren, und somit das Überleben und das weitere Faserwachstum der Zellen zu verbessern. Ein besonders vielversprechender neuroprotektiver Faktor ist dabei der Fibroblasten Wachstumsfaktor 2 (FGF-2) und seine beiden Isoformen, die sich in ihrem Wirkmechanismus unterscheiden. Im zweiten Teil der Studie wurden dopaminerge Progenitorzellen von Rattenembryonen mit Hilfe des gleichen viralen Vektor Serotyps transduziert, der die beiden Isoformen von FGF-2, hochmolekular und niedermolekular (FGF-2^HMW und FGF-2^LMW), in den Zellen überexprimiert. Die Transduktionsrate beider Isoformen wurde miteinander verglichen, um Klarheit darüber zu erhalten, ob eine der beiden Formen für zukünftige Zelltransplantationstherapien besser geeignet ist. Beide Isoformen des neurotrophen Faktors konnten eine hohe Zahl von dopaminergen Neuronen transduzieren, was sowohl FGF-2^HMW und FGF-2^LMW zu geeigneten Kandidaten macht, in zukünftigen Zelltransplantationen eingesetzt zu werden. Zusammengefasst konnte durch diese Studie ein Tiermodell des Morbus Parkinson etabliert werden, welches ein frühes Stadium der Erkrankung darstellt und zu einem besseren Verständnis über die der Krankheit zugrunde liegenden Pathomechanismen und den daraus resultierenden motorischen Phänotypen führt. Außerdem erwies sich das Tiermodell auf Grund seiner Nachahmung eines frühen Krankheitsstadiums mit einer moderaten Ausprägung an Pathologie und Symptomen als geeignet, für die Erprobung von therapeutischen Ansätzen, wie der Zelltransplantationstherapie, eingesetzt zu werden. Um die Aussichten auf eine erfolgreiche Zelltransplantation in das Striatum zu verbessern, die nicht nur zu einer Verbesserung der Symptomatik, sondern auch zu einer Verlangsamung des neurodegenerativen Prozesses führt, wurden in dieser Studie die Eigenschaften der beiden FGF-2 Isoformen FGF-2^HMW und FGF-2^LMW im Hinblick auf das Transduzieren von dopaminergen Zellen in Zellkultur untersucht und für den zukünftigen therapeutischen Einsatz als geeignet befunden.