Ein visueller Ansatz zur Induktion von Dolichoektasie bei Mäusen zur Modellierung der durch große Gefäße vermittelten zerebrovaskulären Dysfunktion

Mikrovaskuläre Endothelzellen, die die Hirnkapillaren auskleiden, sind die Hauptkomponenten für die Bildung der Blut-Hirn-Schranke (BHS)¹, die eine entscheidende Rolle bei der Regulierung dessen spielt, was in den Gehirnkreislauf mit der Peripherie eintritt oder ihn verlässt. Essentielle Nährstoffe, die für das Nervengewebe benötigt werden, dürfen in die BHS gelangen, während einige essentielle Aminosäuren wie Glutamat aus dem Gehirn ausgeschieden werden, da hohe Konzentrationen das Hirngewebe dauerhaft neuroexzitatorisch schädigen können². Unter normalen physiologischen Bedingungen begrenzt die BHS die Menge an Plasmaproteinen wie Albumin ^3,4 und Prothrombin, da diese schädliche Auswirkungen haben können ^5,6,7. Schließlich schützt die BHS das Gehirn vor Neurotoxinen, die in der Peripherie zirkulieren, wie z. B. Xenobiotika aus der Nahrung oder der Umwelt¹. Insgesamt ist die Schädigung des Hirngewebes irreversibel, und das Altern, das mit einem niedrigen Niveau der Neurogenese korreliert⁸, unterstreicht die Bedeutung der BHS für den Schutz und die Verhinderung von Faktoren, die den neurodegenerativen Prozess beschleunigen.

Bei der Dolichoektasie (oder Erweiterung der großen Blutgefäße) wird eine Abnahme der Gefäßelastizität beobachtet, die dazu führt, dass die Gefäße morphologische Veränderungen erfahren, wodurch sie dysfunktional werden⁹ und der Blutfluss im Gehirn vermindert wird. Diese Verringerung des Blutflusses verringert in der Folge die Sauerstoff- und Glukoseversorgung, was schließlich zu einer Schädigung der BHS durch die Aktivierung reaktiver Astrozyten führt¹⁰. Wenn die innere Elastinlamina der Gefäße durch Dolichoektasie^{geschädigt ist 11}, ist eine wiederholte Stimulation des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF) für die Angiogenese erforderlich. Dies kann zur Bildung von undichten Gefäßen führen und schließlich zu einer pathologischen Angiogenese führen, die durch die Entwicklung defekter Gefäße gekennzeichnet^{ist 12}. Während der pathologischen Angiogenese, wenn Blutgefäße defekt werden, scheint ein Kompensationsmechanismus die Integrität der Gefäße wiederherzustellen, indem er die Tight-Junction-Proteine hochreguliert. Dieser Prozess kann jedoch unbeabsichtigt die BHS stören, wenn die strukturelle Integrität eines Blutgefäßes verloren geht¹³. Dies kann durch eine weitere Störung der BHS und die Förderung der Produktion von Amyloid-Plaque^{geschehen 14}. Darüber hinaus kann ein Austritt aus der Peripherie eine Neuroinflammation¹⁵ verursachen, die zu einer neuronalen Degeneration und einem anschließenden Gedächtnisverlust führt.

Strukturell gesehen besteht der Schutz, den die BHS bietet, in den Tight Junctions, die verhindern, dass xenobiotische Wirkstoffe aus dem Blut in das Gehirn gelangen. Wenn die BHS bestimmte Substanzen in das Gehirn eindringen lässt, geschieht dies hauptsächlich durch zwei Hauptprozesse: passive Diffusion oder spezifische Kanäle (wie Ionenkanäle und Transporter)¹. Bei AD hat die Forschung gezeigt, dass ein dysfunktionales Gefäßsystem eine bedeutende Rolle beim Fortschreiten der Erkrankung spielt^12,13. Die Bildung von Amyloid-beta (Aβ)-Plaques und Neurodegeneration können durch den Abbau der BHS^12,13 und Störungen des zerebralen Blutflusses¹⁶ verursacht werden. Eine Verringerung des zerebralen Blutflusses ist bei älteren Personen zu beobachten, bei denen vaskuläre Demenz und AD ^17,18 diagnostiziert wurden. Eine Schädigung der Blut-Hirn-Schranke (BHS) zusammen mit einer gestörten zerebralen Durchblutung (CBF) kann zu einer erhöhten Produktion von Aβ-Konzentration im Gehirn beitragen, begleitet von der Infiltration von Fremdstoffen aus dem peripheren Kreislauf¹⁹.

Um die Pathogenese neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer und vaskuläre Demenz (VaD) zu untersuchen, werden Modelle entwickelt, um die Krankheit zu replizieren. In-vitro-Modelle werden häufig verwendet, aber es fehlt die biologische Umgebung für umfangreiche Krankheitsmodellierungen wie gemischte Zellpopulationen, was die Bedeutung von in vivo-Modellen erforderlich macht. Mäuse werden häufig verwendet, da sie leicht genetisch manipuliert werden können, um menschenähnliche Eigenschaften (z. B. Pathologie) bei Krankheiten zu erzeugen. Mit den Fortschritten, die bisher gemacht wurden, besteht immer noch ein Bedarf an verbesserten Modellen, um Krankheitsphänotypen wie die Erweiterung großer Gefäße und ihre Rolle bei AD zu emulieren. Zu diesem Zweck sahen wir eine Chance und modifizierten eine Technik, die die Injektion von Elastase in die Cisterna magna von Mäusen beinhaltete^20,21. Elastase ist ein Enzym, von dem gezeigt wurde, dass es Elastin im Bindegewebe²² und in den umgebenden Tight Junctions²³ abbaut. Als Injektionspunkt wurde die Cisterna magna gewählt, da sie sich direkt über dem Willis-Kreis, dem größten Blutgefäß im Gehirn, befindet. Durch die Injektion von Elastase in die Cisterna magna können wir die BHS und die Blutgefäße beeinträchtigen, indem wir die Tight Junctions aufbrechen und eine Erweiterung der Blutgefäße induzieren (Willis-Kreis)^24,25. Die Kombination dieser Technik mit der Verwendung eines AD-Mausmodells der Pathologie für ein besseres Verständnis der Pathogenese für die vaskuläre Komponente der AD kann wertvolle Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen und Einflüsse zwischen diesen beiden unterschiedlichen Pathologien liefern.

Frühere Studien haben Fälle gezeigt, in denen Patienten sowohl die pathologischen Merkmale von AD als auch von VaD aufweisen, eine Erkrankung, die typischerweise als gemischte Demenz bezeichnet wird^26,27. Das Verständnis der miteinander verbundenen Mechanismen zwischen beiden Erkrankungen kann daher eine umfassendere Perspektive auf das Fortschreiten und die Manifestation dieser neurodegenerativen Erkrankungen bieten und unser Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen und potenziellen therapeutischen Strategien verbessern. Zu diesem Zweck demonstrieren wir die Anwendung von Elastase in einem Mausmodell für die Alzheimer-Pathologie (App^NL-F) zur Identifizierung vaskulärer Veränderungen.