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Degeneration mechanisms in human dopaminergic neurons

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Dissertation
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Zusammenfassung

Parkinson’s disease (PD) is the most common neurodegenerative movement disorder. The extensive loss of dopaminergic neurons in the Substantia nigra pars compacta and the resulting lack of dopamine in the target regions lead to severe motor symptoms. The single most consistent risk factor is aging. With a steadily increasing age of the world population, the prevalence of the global burden of PD will further rise in the future.



So far, only symptomatic treatments that reduce motor complications are available. Neuroprotective and –restorative therapies are still lacking. To make things worse, at the time point of diagnosis around 60% of nigral dopaminergic neurons are already lost. Thus, strategies to prevent or at least to slow disease progression remain the central aim of PD-related research. We think that a deeper understanding of molecular mechanisms of the selective neurodegeneration is needed.



Also, new and optimized models for the study of protective strategies are essential for further achievements in PD research. Animal models are often used, but differences in signaling pathways to humans exist. Furthermore, PD is a disease affecting solely humans. In vitro models, based on human material, represent a relevant alternative to in vivo experiments.



In this thesis, the human LUHMES cell line was introduced as model system for studies on neurodevelopment and neurodegeneration. We characterized the cell line with a focus on the suitability for PD research. We optimized the differentiation protocol and demonstrated a fast, homogeneous and irreversible differentiation to post-mitotic dopaminergic neurons. A distinct sensitivity to the parkinsonian model toxin 1-methyl-4-phenylpyridinium (MPP+) was shown. This allowed mechanistic studies on parkinsonian neurodegeneration processes and the investigation of possible intervention strategies. The LUHMES/MPP+ model reproduced many molecular pathways of the complex disease. A newly established differentiation protocol, allowing the generation of dopamine-free LUHMES cells, demonstrated that dopamine contributes to MPP+-toxicity. Furthermore, different strategies using diverse classes of pharmacological inhibitors were found to protect LUHMES from MPP+-induced neurodegeneration.



Major findings were that (i) the LUHMES cell line represents an advanced in vitro model for PD research, and that (ii) dopaminergic neurons can be protected from degeneration, although a strong MPP+-mediated energy depletion via inhibition of complex I of the respiratory chain occured. We showed that ATP-depletion and cell death are not inevitably coupled. Transferred to a general view on PD, with mitochondrial dysfunctions as key contributor to disease progression, novel strategies for the protection from degeneration of dopaminergic neurons might be developed. The primary effect of MPP+ (in the cell model) and of mitochondrial dysfunction (in the disease), does not necessarily have to be prevented to be able to protect cells from dying. This approach might, in combination with an earlier diagnosis of the disease, make an important contribution to the development of neuroprotective therapies for PD.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die Parkinson-Krankheit ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung mit motorischen Störungen. Ein exzessiver Verlust von dopaminergen Neuronen in der Substantia nigra pars compacta und der damit einhergehende Dopaminmangel in den Zielregionen verursachen schwere motorische Komplikationen. Wichtigster Risikofaktor ist das Altern, daher ist in der immer älter werdenden Weltbevölkerung eine weitere Zunahme der Krankheitshäufigkeit unumgänglich.



Die Parkinson-Krankheit wird deswegen auch in Zukunft eine der großen gesundheitlichen Herausforderungen unserer Gesellschaft darstellen. Therapeutische Maßnahmen ermöglichen bislang nur eine sympomatische Linderung der motorischen Störungen. Trotz intensiver Forschung konnten noch keine neuroprotektiven und restorativen Maßnahmen entwickelt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass zum Zeitpunkt der Diagnose bereits 60% der dopaminergen Neuronen der Substantia nigra degeneriert sind.



Die Möglichkeit diese Krankheit zu verhindern oder zumindest die fortschreitende Degeneration zu verlangsamen stellt daher das zentrale Ziel der Parkinson-Forschung dar. Unserer Meinung nach liegt der Schlüssel zum Erfolg zum einen in einem tieferen Verständnis der molekularen Mechanismen des selektiven Degenerationsprozesses und zum anderen in der Entwicklung besserer Modelle für die Erforschung neuartiger Interventionsstrategien.



Tiermodelle kommen zwar häufig zum Einsatz, stellen aber nicht zuletzt wegen Unterschieden in Signalwegen und der Tatsache, dass Parkinson eine rein humane Erkrankung ist, möglicherweise eine gute Annäherung, aber nicht unbedingt ein perfektes Modell dar. In in vitro Modellen hingegen können auch humane Zellen zum Einsatz kommen. Diese erlangen daher eine immer wichtigere Rolle in vielfältigen Bereichen der Forschung.
In dieser Arbeit wurde die humane LUHMES Zelllinie grundlegend und mit Fokus auf Parkinson-Forschung charakterisiert, ein optimiertes Differenzierungsprotokoll erarbeitet und das System wurde eingesetzt, um mögliche protektive Strategien vor Toxin-induzierter Neurodegeneration zu entwickeln.



Wir charakterisierten die LUHMES Zelllinie ausführlich als Parkinson Modell und zeigten, dass eine sehr schnelle, homogene und irreversible Differenzierung zu post-mitotischen dopaminergen Neuronen möglich ist. Eine ausgeprägte Sensitivität gegenüber 1-Methyl-4-Phenylpyridinium (MPP+), einem Modell-Toxin der Parkinson-Forschung, wurde nachgewiesen und ermöglichte mechanistische Studien der Neurodegeneration, sowie die Erarbeitung von Strategien vor dieser zu schützen.



Viele Aspekte der komplexen Erkrankung und viele in Patienten beschriebene beteiligte Signalwege finden sich in diesem Zellmodell wieder. Ein neu erarbeitetes Differenzierungs-Protokoll ermöglichte die Generierung von Dopamin-freien LUHMES Zellen. Mit Hilfe dieser Neuronen konnten wir zeigen, dass Dopamin selbst zur Sensitivität gegenüber MPP+ beiträgt. Zusätzlich zeigten wir verschiedene Strategien auf, die es erlauben vor MPP+-induziertem Zelltod zu schützen, und fanden eine Vielzahl an Substanzklassen mit neuroprotektiver Wirkung. Obwohl MPP+ durch die Inhibition von Komplex I der Atmungskette stets zu einer starken Energiedepletion führte, können die Zellen durch verschiedene Substanzen vollständig geschützt werden.



Die wichtigsten Erkenntnisse dieser Arbeit waren, dass (i) LUHMES Zellen ein ausgereiftes System für in vitro Studien in der Parkinson-Forschung darstellen, und dass (ii) ATP-Depletion, ausgelöst durch mitochondriale Störungen, und Zelltod nicht zwangsläufig gekoppelt sein müssen. Überträgt man diese Erkenntnisse auf das Gesamtbild der Parkinson-Krankheit, in dem mitochondriale Fehlfunktionen als ein wichtiger Ursprung der Erkrankung angesehen werden, so könnten sich neue Strategien zum Schutz vor Degeneration dopaminerger Neuronen ergeben. Der primäre Effekt von MPP+ (im Zellmodell) bzw. von mitochondrialen Fehlfunktionen (in der Krankheit) muss also nicht zwangsläufig verhindert werden, um die Zellen vor dem Absterben zu schützen. Dieser Ansatz könnte im Idealfall mit einer früheren Diagnose der Erkrankung kombiniert werden und neue Therapiemöglichkeiten eröffnen und so einen wichtigen Beitrag im Kampf gegen Parkinson leisten.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

Schlagwörter

Parkinson's Disease, Cell Death, In vitro models, MPP+, Neurodegeneration

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ISO 690PÖLTL, Dominik, 2012. Degeneration mechanisms in human dopaminergic neurons [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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