Der Nucleus praeopticus medianus im Hypothalamus der Ratte als prä-integrative Struktur afferenter Signale zur Aufrechterhaltung des Salz- und Wasserhaushaltes sowie der Körperkerntemperatur
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Zusammenfassung
Der in der Lamina terminalis des rostralen Hypothalamus gelegene Nucleus medianus praeopticus (MnPO) innerhalb, sowie das Organum subfornicale (SFO) bzw. vasculosum laminae terminalis (OVLT) außerhalb der Blut-Hirn Schranke spielen eine bedeutende Rolle als sensorische (SFO, OVLT) bzw. sensorisch/integrative (MnPO) neurogliale Einheiten im Rahmen der zentralnervösen Kontrolle des Salz- und Wasser- sowie Wärmehaushalts von Säugetieren wie der Ratte. Einerseits sind Neurone und gliale Zellen von SFO/OVLT für im Blut zirkulierende Ionen und Signalmoleküle wie Hormone frei zugänglich, andererseits stehen beide Einheiten sowie insbesondere auch der MnPO als integrative Komponente des Hypothalamus in ausgeprägter reziprokneuronaler Verbindung mit zahlreichen Kerngebieten des Hypothalamus, des limbischen Systems oder der Medulla oblongata. Neurone des MnPO erhalten dabei neben den osmoregulatorisch relevanten Afferenzen von SFO/OVLT und thermoregu-latorisch bedeutsamen Afferenzen aus der präoptischen hypothalamischen Region wichtige Informationen aus der Peripherie nach deren Vorverarbeitung in Kerngebieten der Medulla oblongata und Pons mit Kreislauf-, Volumen-, osmo- oder thermoregulatorischer Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die Rolle des MnPO bzw. seiner Zellen im Rahmen der Perzeption dieser afferenten Signale durch den Einsatz Ganztier-physiologischer, immunhistochemischer und zellbiologischer Techniken zu untersuchen. Dazu wurden männliche Wistar-Ratten folgenden Versuchsbedingungen unterzogen, und deren Auswirkung auf Körperkerntemperatur (KT), lokomotorische Aktivität, Trinkwasseraufnahme und Blutparameter als Maß für Änderungen des intravasalen/extrazellulären Flüssigkeitsraums (EZF) untersucht : § Gruppe K: Kontrollgruppe (23°C RT; Trinkwasserzugang) § Gruppe A: Thermische Stimulation (48 h bei 30°C RT; Trinkwasserzugang) § Gruppe B: Thermische Stimulation (48 h bei 33°C RT; Trinkwasserzugang) § Gruppe C: Volumen-Stimulation (PEG-Behandlung; kein Trinkwasserzugang) § Gruppe D: Osmotische Stimulation (23°C RT; 24 h Trinkwasserentzug) Die transkardiale Fixierung des Gehirngewebes unmittelbar nach Beendigung des Tierversuches sollte dann in coronalen Gehirnschnitten denStimulus-spezifischen, immunhistochemischen Nachweis einer Translokation des Transkrip-tionsfaktors Fos in den Kern von Zellen des MnPO sowie OVLT als Parameter einer generellen zellulären Aktivierung ermöglichen. Diese Aktivierung spezifischer Neuronenpopulationen in MnPO (und OVLT) durch extrazelluläre Hypertonizität, Hypovolämie oder erhöhte Umgebungstemperatur führte unmittelbar zur Frage nach den Neurotransmitter-Systemen, welche im Bereich des MnPO an der Verarbeitung der jeweiligen afferenten Signale beteiligt sein könnten. In diesem Zusammenhang wurde dem durch das generierende Enzym neuronale Stickstoffmonoxidsynthase (nNOS) gebildeten, volatilen Botenstoff Stickstoff-monoxid (NO) eine bedeutende Rolle bei der Perzeption und Integration thermo-, osmo- sowie Volumen-regulatorischer Signale aufgrund zahlreicher Literaturdaten zugesprochen. Der Nachweis der nNOS erfolgte ebenfalls immunhistochemisch mit Betonung auf einer zellulären Co-Lokalisation mit Fos. Um eine mögliche efferente Projektion aktivierter, (nicht-)nitrerger MnPO-Neurone in die parvozelluläre Komponente des Nucleus paraventricularis (pPVN) als wichtigstem, integrativen Kerngebiet des Hypothalamus aufzuzeigen, wurde bei den Tieren mit osmotischer Stimulation (Gruppe D) der retrograd transportierte neuronale Tracer true blue (TB) in den pPVN mikroappliziert. Im Hinblick auf die präintegrative Funktion des MnPO als vorgeschaltetem Relais des pPVN sollte in dieser Arbeit also anhand der in vivo Versuchsmodelle untersucht werden, ob im Bereich des MnPO freigesetztes NO eineneuromodulato-rische Funktion im Rahmen der Homöostase des Wasser-, Elektrolyt- und Wärmehaushaltes einnimmt und aktivierte nitrerge MnPO-Neurone Efferenzen zum pPVN aufweisen. Osmotische, von Neuronen des SFO und/oder OVLT zum MnPO übertragene Signale bedienen sich in vivo in erster Linie des Oktapeptids Angiotensin II (AngII) als wichtigstem Neuromodulator, wie vielfach in der Literatur belegt. Änderungen des EZF-Volumens hingegen werden von peripheren Sensoren im Bereich des Niederdrucksystems polysynaptisch über Stukturen der Medulla oblongata an den Hypothalamus, vorrangig den MnPO, übermittelt. Dabei ist Noradrenalin (NA) als finaler Botenstoff zur Übertragung der medullären Signale an den MnPO hauptverantwortlich. Um auf zellulärer Ebene die durch hyperosmolale bzw. hypovolämische in vivo Stimulation induzierte Aktivierung MnPO-intrinsischer Zellen bezüglich der dabei nachgeschalteten intrazellulären Signaltransduktion untersuchen zu kön-nen, wurde eine Primärkultur MnPO-spezifischer Neurone und Gliazellen aus neonatalen Rattengehirnen etabliert. In in vitro Experimenten konnte durch Superfusion der mit Fura-2 AM beladenen Zellen der Primärkultur dieStimulus-abhängige, transiente Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration ([Ca2+]iz) online erfasst und durch nachfolgende immunzytochemische Charak-terisierung Zelltyp-spezifisch zugeordnet werden. Superfundiertes AngII bzw. Noradrenalin (NA) repräsentierten dabei jeweils die Stimulation MnPO-intrinsischer Zellen durch extrazelluläre Hyperosmolalität respektive Hypovolämie. Bezogen auf die vier Versuchsansatze (A D) wurden folgendeGanztierphysiologische, immunhistochemische und zellbiologische Ergebnisse erzielt : § Die milde Wärmeexposition bei Versuchsgruppe A repräsentierte bei unveränderter Plasmaosmolalität und Na+-Konzentration sowie nur geringfügiger Reduktion des Plasmavolumens einen nahezu reinen thermischen Stimulus. Während der zweiten Nachtphasen bei 30°C RT ergab sich ein signifikanter Anstieg der KT um 0,3 - 0,4°C sowie der Trinkwasseraufnahme im Vergleich zu den entsprechenden Perioden bei 23°C RT, bei unveränderter lokomotorischer Aktivität. Für alle drei Substrukturen des MnPO sowie ausschließlich die dorsal cap des OVLT konnte eine ausgeprägte Aktivierung von Neuronen ermittelt werden, von denen sich lediglich einige in der ventralen Zone des aMnPO als nitrerg erwiesen. Im dMnPO zeigten vor allem nicht-nitrerge Neurone in der lateralen Außenzone, im vMnPO ventrikelnahe, nichtnitrerge Neurone eine nukleäre Fos-Translokation. § Die als Hitzestress zu bezeichnende Wärmexposition bei Versuchsgruppe B repräsentierte aufgrund der erhöhten Werte für Hkt sowie Osmolalität und Na+-Konzentration des Plasmas einen kombinierten thermischen sowie hyperosmotischen und hypovolämischen Stimulus. Sowohl die Nachtphasen beider Versuchstage als auch beide Tagphasen des zweiten Tages bei 33°C RT zeigten signifikante Erhöhungen der KT um 0,95 1,4°C im Vergleich zu entsprechenden Perioden bei 23°C RT, bei gedämpfter circadianer Rhythmik der KT. Unzureichende Kompensationsversuche spiegelten sich in einer gesteigerten lokomotorischen Aktivität offensichtlich im direkten Zusammenhang mit vermehrter Trinkwasseraufnahme vorm allem der Tagphasen wider. In allen drei Komponenten des MnPO (vor allem des aMnPO) sowie der dorsal cap des OVLT ergab sich eine ausgeprägte Aktivierung von Neuronen, von denen lediglich einige im aMnPO nNOS exprimierten. Die Verteilungsmuster in den Substrukturen des MnPO ähnelten denen bei milder Wärmeexposition. § Der bei der Versuchgruppe C durch i.p. Applikation von hyperonkotischem PEG hervorgerufene, markante Anstieg des Hkt-Wertes bei unveränderten Werten für Plasmaosmolalität und Na+-Konzentration repräsentierte einen reinen Volumenstimulus in Form einer isotonen, intravasalen Hypovolämie, bei unveränderten Daten für KT und lokomotorische Aktivität. Für alle drei Substrukturen des MnPO sowie das zentrale OVLT konnte eine markante neuronale Aktivierung nachgewiesen werden, die jedoch schwächer als bei thermischer Stimulation ausfiel. Dabei konnten für den aMnPO sowie vMnPO Zellen mit nukleärer Fos-Translokation vor allem in deren ventralen Bereichen lokalisiert werden. Im Mittel 6 12 % aller aktivierten Neurone des aMnPO, dMnPO und vMnPO sowie 50 % des OVLT erwiesen sich als nitrerg, bzw. 6 11 % (MnPO) und 30 % (OVLT) aller nitrergen Zellen wurden durch Hypovo-lämie aktiviert. Calcium imaging Versuche in der MnPO-Primärkultur ergaben, dass 26 % respektive 68 % aller getesteten MnPO-Neurone respektive -Astrozyten auf Superfusion mit NA als wichtigstem, einen systemischen Volumenstimulus repräsentierenden Neurotransmitter mit einer transienten Erhöhung der [Ca2+]iz reagierten. Insgesamt 11 % der aktivierten MnPO-Neurone exprimierten nNOS, in Übereinstimmung mit den in vivo ermittelten Daten. Die pharmakologische Charakterisierung des beteiligten Rezeptorsub-typs konnte die funktionelle und immunhistochemische Expression MnPO-intrinsischer α1-Adrenozeptoren demonstrieren. § Der 24-stündige Entzug des Trinkwassers bei 23°C RT (Versuchsgruppe D) bewirkte einen deutlichen Anstieg der Plasmaosmolalität und -Na+-Konzentra-tion, bei marginaler Erhöhung des Hkt-Wertes, und stellte somit einen Stimulus primär des osmoregulatorischen Regelkreises mit partieller Co-Aktivierung der Volumenregulation dar. Bei unveränderter circadianer Rhythmik der KT und der lokomotorischen Aktivität im Verlauf des Dehydratationsversuchs konnten absolute Temperatur- und Aktivitätswerte nahezu identisch mit denjenigen während der Kontrollperioden mit freiem Zugang zu Trinkwasser er-mittelt werden. Für alle drei Komponenten des MnPO sowie beide Substrukturen des OVLT ließ sich eine markante neuronale Aktivierung anhand der nukleären Fos-Translokation nachweisen, wobei sich für die Einheiten des MnPO jeweils das Muster einer ubiquitären, zentralisiert homogenen Fos-Markierung ergab. Im Mittel 17 26 % aller aktivierten Nervenzellen von aMnPO, dMnPO und vMnPO sowie 24 % des OVLT exprimierten nNOS, bzw. 12 - 26 % (MnPO) und 15 % (OVLT) aller nitrergen Zellen wurden durch extrazelluläre Dehydratation der Versuchstiere stimuliert. Durch neuronal retrograde Tracingstudien konnte gezeigt werden, dass etwa 60 respektive 20 % der durch osmotische Stimulation aktivierten nitrergen Neurone des vMnPO respektive aMnPO/dMnPO efferent zum pPVN projizierten. Bei den in vitro Untersuchungen zur induzierten intrazellulären Signaltransduktion konnte AngII als wichtiger, einen systemischen osmotischen Stimulus repräsentie-render Neuromodulator in 4 % der MnPO-Neurone eine Erhöhung der [Ca2+]iz induzieren, wobei die aktivierten Neurone zu 100 % nNOS exprimierten. Nitrergen Neuronen des vMnPO mit efferenter Verbindung zum pPVN scheint somit eine wichtige Funktion im Rahmen der hypothalamischen Regulation der EZF zu übernehmen.Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
Beschreibung
Anmerkungen
Erstpublikation in
Giessen : VVB Laufersweiler