Verwendung von Zebrafischen zur Untersuchung und Beeinflussung der aktivitätsabhängigen Myelinisierung in vivo
Gefördert durch das Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen sind die folgenden Arbeiten in Kooperation mit der Universität Bonn am Anatomischen Institut geplant. Störungen des »Myelins« der weißen Substanz sind die Ursache für viele häufige neurologische Erkrankungen wie Multiple Sklerose (MS), Charcot-Marie-Tooth (CMT) oder Morbus Pelizaeus-Merzbacher. In jüngster Zeit wurde auch eine Vielzahl psychiatrischer Erkrankungen wie Schizophrenie, bipolare Störungen, Autismus oder chronische Depressionen mit Defekten in der weißen Substanz des ZNS in Verbindung gebracht (Fields, 2008), die Anomalien in der Expression vieler am Myelinisierungsprozess beteiligter Gene aufweisen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass bis zu 25 % der Frühgeborenen mit niedrigem Geburtsgewicht (<1.500 g) eine periventrikuläre Schädigung der weißen Substanz (PWMI) aufgrund einer veränderten Entwicklung der Oligodendrozyten entwickeln. Diese Schädigung der weißen Substanz geht häufig mit motorischen und kognitiven Defiziten einher, die später bei diesen Säuglingen beobachtet werden. Das Versagen der Oligodendrozytendifferenzierung und der Remyelinisierung ist auch ein Hauptgrund für dauerhafte Lähmungen nach Rückenmarksverletzungen.
Trotz dieser enormen Beteiligung der Oligodendrozyten an der ZNS-Myelinisierung bei Gesundheit und Krankheit besteht immer noch große Unklarheit über die verschiedenen Faktoren, die die Oligodendrozyten dazu veranlassen, eine ordnungsgemäße anfängliche Myelinisierung, Remyelinisierung oder sogar Feinabstimmung der Myelinisierung zu gewährleisten, die die Plastizität des ZNS für Lernen und Gedächtnis ermöglicht. Ein Großteil der bisherigen Arbeiten konzentriert sich auf Autoimmunreaktionen gegen die Myelinscheide und auf Zellsignalfaktoren, die an der Proliferation, dem Wachstum und der Differenzierung von Oligodendrozyten beteiligt sind. Bisher wurden die meisten dieser Arbeiten in vitro durchgeführt, und es ist wenig darüber bekannt, wie die neuronale Aktivität und die Aktivität im umgebenden Gliagewebe, z. B. Veränderungen des Membranpotenzials der Zellen, den Myelinisierungsprozess zusätzlich beeinflussen.
Um ein besseres Verständnis des Einflusses verschiedener Zellaktivitäten auf den Myelinisierungsprozess zu erhalten, wollen wir die Zellaktivität und die Myelinisierung in Zebrafischen gleichzeitig in vivo beobachten. Zebrafische werden häufig als Wirbeltiermodellorganismus für die neurale Entwicklung und die Myelinisierung verwendet (Buckley et al., 2008). Die grundlegenden Eigenschaften des Myelins sind bei Wirbeltieren weit verbreitet, und der Zebrafisch hat sich als leistungsfähiges System zur Untersuchung des Myelinisierungsprozesses in vivo unter Verwendung fluoreszierender Proteine erwiesen (Yoshida und Macklin, 2005). Zebrafische eignen sich auch sehr gut für genetische Manipulationen, Überexpressionsstudien, Morpholino-Knockdown-Experimente sowie für die gezielte Erzeugung von Knock-out- und Knock-in-Fischlinien mithilfe der kürzlich beschriebenen Zink-Finger-Technik. Eine große Anzahl von mutierten Fischlinien, darunter viele mit Myelinisierungsphänotypen, sind im Rahmen verschiedener Screening-Projekte frei verfügbar. Darüber hinaus machen die Transparenz der Zebrafischlarven und das Vorhandensein verschiedener Albinolinien den Zebrafisch zu einem idealen Modell für alle Arten der nicht-invasiven In-vivo-Bildgebung.
In Oligodendrozyten wurden mehrere Neurotransmitter-Rezeptoren gefunden, z. B. führt die Gabe von Glutamat und sogar GABA – im Gegensatz zu herkömmlichen Neuronen – zu ihrer Depolarisierung. Wie Neuronen und Astrozyten erhöhen auch Oligodendrozyten ihren internen Ca2+-Spiegel durch Neurotransmitter-Rezeptoren und spannungsgesteuerte Kanäle (Kirischuk et al., 1995), die wiederum durch einen Anstieg der extrazellulären K+-Konzentration aktiviert werden können. Die Überwachung interner Ca2+-Konzentrationen mit dem fluoreszierenden GCaMP-Reporter oder Varianten davon (Dreosti et al., 2009) wird eine Möglichkeit sein, das Aktivitätsniveau in Oligodendrozyten und anderen umgebenden Glia- oder Neuronenzellen durch In-vivo-2-Photonen-Bildgebungsverfahren zu erfassen. Die intrazelluläre Ca2+-Konzentration spielt eine wichtige Rolle bei Prozessen wie der Induktion von synaptischer Plastizität, der Pathophysiologie verschiedener Krankheiten, anderen intrazellulären Signalen und der Freisetzung von Transmittern. Die Transmitterfreisetzung wiederum, als eine weitere Form der Zellaktivität, kann mit sypHy oder Varianten davon sehr genau überwacht werden (Granseth et al., 2006; Odermatt et al., 2012). Die Möglichkeit, Mosaik-Zebrafische zu erzeugen, die verschiedene fluoreszierende Reporter für die Myelinisierung und/oder Zellaktivität in verschiedenen Zellen exprimieren, durch Zelltransplantationen aus verschiedenen transgenen Fischlinien (Carmany und Moens, 2006), wird mir sehr leistungsfähige Werkzeuge zur Verfügung stellen, um ihre Interaktion in vivo zu untersuchen. Langfristig hoffen wir, die Aktivität der Zellen sogar aus der Ferne manipulieren zu können, indem wir lichtgesteuerte Kanäle wie Channelrhodopsin und Halorhodopsin (Zhang et al., 2007) in diesen Zellen exprimieren.
Oligodendrozyten entfernen K+ aus dem extrazellulären Raum durch K+-Kanäle mit Einwärtsgleichrichter und Connexin-Kanäle (Menichella et al., 2006; Odermatt et al., 2003). Wenn der Oligodendrozyt depolarisiert wird, verringert sich der K+-Einstrom in den Oligodendrozyten, weil die Leitfähigkeit durch diese Kanäle verringert wird, sodass die extrazelluläre K+-Konzentration deutlich ansteigt, da der extrazelluläre Raum klein ist. Daher können neuronale Aktionspotenziale an den Knotenpunkten leichter evoziert werden, und die Leitungsgeschwindigkeit erhöht sich durch die Depolarisierung der Oligodendrozyten. In diesem Fall beeinflussen Oligodendrozyten nicht nur die Axone, die sie selbst umhüllen, sondern auch diejenigen, die gerade ihr Aktionsfeld durchqueren (Yamazaki et al., 2010).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Myelinisierung und die Funktion der Oligodendrozyten in Gesundheit und Krankheit von einem sehr komplexen Zusammenspiel vieler verschiedener Faktoren abhängen, von denen einer sicherlich das Aktivitätsniveau der beteiligten Zellen selbst ist. Ein besseres Verständnis dieser aktivitätsabhängigen Regulierungen in vivo sollte sicherlich dazu beitragen, neue Erkenntnisse über den Prozess der Myelinisierung zu gewinnen.