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Exzitotoxizität ist die Hauptursache für den neuronalen Tod bei Hirnischämie und ein beitragender Faktor bei mehreren neurodegenerativen Erkrankungen 1,2,3,4,5,6,7,8,9. Eine Störung des sauerstoffreichen Blutflusses zum Gehirn (z. B. aufgrund eines Blutgerinnsels) führt zu einer Fehlfunktion der Glutamattransporter, was zu einer Akkumulation von Glutamat in der Synapse führt. Dieser Überschuss an Glutamat überaktiviert postsynaptische Glutamatrezeptoren (GluRs), was zu einem übermäßigen (katalytischen, nicht-stöchiometrischen) Einstrom von Ca2+ in Neuronen führt (Abbildung 1A). Dieser nachteilige Einstrom führt zu einer fortschreitenden postsynaptischen Neurodegeneration, die morphologisch und mechanistisch von Apoptose bis hin zu regulierter Nekrose reicht 10,11,12. Obwohl sie auf erfolgreichen Interventionen in Tiermodellen basierten, sind mehrere klinische Studien mit GluR-Antagonisten, die darauf abzielten, den Eintritt von Ca2+ zu blockieren und die Zellviabilität zu fördern, im klinischen Umfeld gescheitert 13,14,15,16. Ein wahrscheinlich entscheidender Faktor für dieses Versagen ist die Tatsache, dass (im Gegensatz zu den Tiermodellen) die Behandlung im klinischen Umfeld Stunden nach Beginn des Schlaganfalls verabreicht wird, was dazu führt, dass die Intervention spät wirkende neuroprotektive Mechanismen blockiert, während die degenerative Signalübertragung stromabwärts von GluRs 14,16,17 nicht unterbrochen wird. Ein alternativer Ansatz, der auf der Thrombolyse basiert, kann nur in einem stark eingeschränkten Zeitfenster verabreicht werden, so dass viele Patienten (die zu Hause einen Schlaganfall mit schlecht erkennbarem Erkrankungszeitpunkt erleiden) nicht davon profitieren können17. Diese Rückschläge unterstreichen die Notwendigkeit, die Exzitotoxizitätsforschung auf die Untersuchung von Ereignissen zu konzentrieren, die nach einer GluR-Hyperstimulation auftreten, und nachfolgende degenerative Kaskaden von gleichzeitigen neuroprotektiven Prozessen zu unterscheiden. Dieser Ansatz kann dazu beitragen, Zellschäden zu verhindern und effiziente Wirkstoffziele zu identifizieren, die später nach dem Auftreten der Schädigung verabreicht werden können.
Ein Ansatz, um nachfolgende Ereignisse in der Exzitotoxizität zu identifizieren, besteht darin, die Zelltod-Signalmechanismen nach der GluR-Hyperstimulation zu untersuchen, wie z. B. diejenigen, die zum Mitochondrienkollaps führen. Eine drastische Fehlfunktion der mitochondrialen Physiologie und Dynamik ist ein Kennzeichen der Neurodegeneration, wie in der Exzitotoxizität 18,19,20 zu sehen ist. Während alle Zellen für das Überleben, die Aktivität und den Zellerhalt auf die Funktion und Verfügbarkeit der Mitochondrien angewiesen sind, sind Neuronen besonders auf die mitochondriale Energieproduktion angewiesen, um die Signalübertragung und -ausbreitung zu unterstützen. Konkret wenden Neuronen ~50% ihres signalbedingten Energieverbrauchs auf, um das Ruhemembranpotenzial nach der Aktivierung postsynaptischer Rezeptoren/Kanälewiederherzustellen 21, mit hoher Abhängigkeit von Sauerstoff und Glukose. Die beim Schlaganfall beobachtete verminderte Verfügbarkeit von Glukose und Sauerstoff führt zu schwerwiegenden mitochondrialen Veränderungen, die zu einer weiteren Verringerung der ATP-Produktion führen 19,22,23,24. Studien zur Identifizierung der Abfolge von Ereignissen, die zum Mitochondrienkollaps führen, führten jedoch zu kontroversen Ergebnissen und es fehlte an Konsens. Die Analyse der mitochondrialen Morphologie kann helfen, diese Ereignisse zu verstehen, die zur mitochondrialen Pathologie führen, da sie ein guter Indikator für die neuronale Gesundheit ist 25,26,27,28,29. Filamentöse Mitochondrien sind repräsentativ für ein gesundes Neuron, während fragmentierte Mitochondrien erhebliche neuronale Schäden aufweisen, die zum Zelltod führen können. Die Analyse der mitochondrialen Morphologie bei lebenden Tieren unter verschiedenen genetischen Bedingungen kann dazu beitragen, sich auf spezifische Gene und Signalwege zu konzentrieren, die an der mitochondrial-abhängigen Neurodegeneration bei Exzitotoxizität beteiligt sind.
Ein weiterer Ansatz zur Identifizierung nachfolgender Ereignisse, die das Ausmaß der exzitotoxischen Neurodegeneration regulieren könnten, besteht darin, die transkriptionellen neuroprotektiven Mechanismen zu untersuchen, die einige der Auswirkungen der Exzitotoxizität abschwächen14,16. Die mangelnde Spezifität der wichtigsten neuroprotektiven Transkriptionsfaktoren und die Divergenz der Versuchsanordnungen behindern jedoch den Erfolg der Bemühungen, die wichtigsten neuroprotektiven Programme (insbesondere bei regulierter Nekrose) eindeutig zu identifizieren.
Daher stießen sowohl die Untersuchung der nachgeschalteten Todessignalwege als auch die Untersuchung der transkriptionellen Neuroprotektion bei Exzitotoxizität auf große Schwierigkeiten und Meinungsverschiedenheiten über die beobachteten Ergebnisse. Ein Großteil dieser Kontroverse dürfte auf die Verwendung von ex vivo- oder in vitro-Modellen der Exzitotoxizität und die Variabilität zurückzuführen sein, die durch die Spezifität verschiedener Versuchsaufbauten entsteht. Es ist daher sehr vorteilhaft, sich auf die Identifizierung von Kernmechanismen zu konzentrieren, die hochkonserviert sind, und sie in vivo zu untersuchen. Das einfache Modellsystem des Fadenwurms C. elegans bietet eine besonders effektive Option, da es eine leistungsstarke und diversifizierte Kombination aus besonders leistungsfähigen und diversifizierten Forschungsinstrumenten, der Konservierung der Kernzelltodwege und den reichhaltigen Informationen über die Struktur und Konnektivität seines Nervensystems bietet 30,31,32,33. In der Tat ist die bahnbrechende Arbeit des Driscoll-Labors zur genetischen Analyse der nekrotischen Neurodegeneration in mechanosensorischen Neuronen ein hervorragender Beweis für die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes34. Wichtig für die Analyse der Exzitotoxizität ist, dass die Konservierung der Signalwege im Nematoden alle Hauptkomponenten der glutamatergen Neurotransmission umfasst35,36.
Das Nematoden-Exzitotoxizitätsmodell baut auf diesen bahnbrechenden Studien auf und ermöglicht es dem Forscher, biochemische Prozesse zu untersuchen, die denen ähneln, die bei Schlaganfällen und anderen neurodegenerativen Erkrankungen auftreten, die von Glutamat-abhängiger Neurotoxizität betroffen sind. Um exzitotoxische Bedingungen in C. elegans zu induzieren, wird in diesem experimentellen Ansatz ein Exzitotoxizitätsstamm verwendet, der die Kombination aus einem Knockout eines Glutamattransporter-Gens (glt-3) und einem neuronalen sensibilisierenden genetischen Hintergrund (nuls5 [Pglr-1::GαS(Q227L)]) ist, um eine GluR-Überstimulation und Neurodegenerationzu erzeugen 37. Dieser Exzitotoxizitätsstamm setzt 30 spezifische (glr-1-exprimierende) Neuronen, die postsynaptisch bis glutamaterge Verbindungen sind, einer exzitotoxischen Neurodegeneration aus. Von diesen 30 gefährdeten Neuronen durchlaufen einzelne Neuronen im Laufe der Entwicklung des Tieres eine Nekrose (mit gemischter Stochastizität und teilweiser Präferenz für bestimmte spezifische Neuronen38), während gleichzeitig auch Zellleichen allmählich entfernt werden. In Kombination mit der Zugänglichkeit vieler mutierter Stämme ermöglicht dieser Ansatz die Untersuchung mehrerer Signalwege, die Neurodegeneration und Neuroprotektion beeinflussen. Diese Ansätze wurden bereits verwendet, um einige der nachgeschalteten Todessignalkaskaden39 und transkriptionellen Regulatoren der exzitotoxischen Neurodegeneration bei Exzitotoxizitätzu analysieren 38,40. Wie bei anderen Fällen nekrotischer Neurodegeneration beim Wurm41 geht es bei der exzitotoxischen Neurodegeneration des Fadenwurms nicht um die klassische Apoptose40.
Diese Methodenarbeit beschreibt das grundlegende System zur Induktion, Quantifizierung und Manipulation der exzitotoxischen nekrotischen Neurodegeneration in C. elegans. Darüber hinaus werden zwei Hauptprotokolle beschrieben, die derzeit verwendet werden, um Studien zu spezifischen Aspekten der Nematoden-Exzitotoxizität zu rationalisieren. Durch die Verwendung von fluoreszierenden Reportern und Live-In-vivo-Bildgebung kann der Forscher die mitochondriale Beteiligung und Dynamik im Nematodenmodell der exzitotoxischen Neurodegeneration untersuchen. Um die Wirkung spezifischer neuroprotektiver Transkriptionsfaktoren zu bestimmen, kann der Forscher die zelltypspezifische Expression von Fluoreszenzmarkern, die Dissoziation von Tieren in einzelne Zellen und FACS verwenden, um spezifische Neuronen zu isolieren, bei denen das Risiko einer Nekrose durch Exzitotoxizität besteht. Diese zelltypspezifisch isolierten Neuronen können dann für die RNA-Sequenzierung in Stämmen verwendet werden, die Mutationen in wichtigen Transkriptionsfaktoren aufweisen. Zusammengenommen können diese Methoden es Forschern ermöglichen, die molekularen Grundlagen der exzitotoxischen Neurodegeneration und Neuroprotektion in vivo mit großer Klarheit und Präzision zu entschlüsseln.