Behavioral and pharmacological investigations in a transgenic mouse model of early-onset torsion dystonia

Dystonien gehören zu den häufigsten Bewegungsstörungen des Menschen und sind charakterisiert durch unwillkürliche Muskelkokontraktionen, die repetitive drehende Bewegungen verursachen. Die Early-onset-Torsionsdystonie ist gekennzeichnet durch eine Mutation des DYT1-Gens und stellt die häufigste genetische Form der Dystonie dar (Schmidt et al., 2008). Die Erkrankung beginnt zwischen dem 5. und 28. Lebensjahr, weist eine Penetranz von nur 30-40% unter den Genträgern auf und hat meist einen progressiven Verlauf (Bandmann und Müler, 2002; Bressman, 2006). Verschiedene Mausmodelle, in die dieser Gendefekt eingebracht wurde, sind als Modell für die Early-onset- Torsionsdystonie vorgeschlagen worden (Grundmann et al., 2007; Sharma et al., 2005; Shashidharan et al., 2005). Allerdings beruhte die Charakterisierung der einzelnen DYT1-Mauslinien bisher auf wenigen Untersuchungen. Die sog. „face validity“ (Vergleichbarkeit der Symptome beim Modell und beim Patienten) stellt ein wichtiges Kriterium zur Eignung eines Modells für präklinische Arzneimitteluntersuchungen dar. Erste Beschreibungen von Shashidharan und Mitarbeitern (2005) ließen vermuten, dass die von ihnen generierten transgenen Mäuse eine dystone Symptomatik aufweisen. Daher wurde dieses Mausmodell in der vorliegenden Arbeit weiter charakterisiert. Zunächst wurden unbehandelte DYT1-Mäuse mittels verschiedener Tests zur Beurteilung der Motorik und des Angstverhaltens untersucht. Diese Tests wurden in verschiedenen Altersstufen durchgeführt, um eine mögliche Progression der Erkrankung erkennen und so eine bessere Aussage in Hinblick auf die „face validity“ treffen zu können. Entgegen der initialen Beschreibung von Shashidharan und Mitarbeitern (2005) machten die Ergebnisse dieser Untersuchungen jedoch deutlich, dass dieses Mausmodell keine eindeutige dystone Symptomatik aufweist. Sowohl Befunde bei DYT1-Patienten als auch Ergebnisse vorangehender Untersuchungen und die Kenntnisse über die Funktion des Proteins TorsinA deuteten darauf hin, dass dem dopaminergen System eine kritische Rolle für die Manifestation von DYT1-Dystonien zukommt (Shashidharan et al., 2005; Wichmann, 2008). Einer möglichen funktionellen Relevanz dopaminerger Fehlfunktionen sollte in der vorliegenden Arbeit zunächst durch die akute intraperitoneale (i.p.) Applikation verschiedener dopaminerger Substanzen nachgegangen werden. Dabei sollten vor allem auf eine eventuelle Verschlimmerung bzw. Verbesserung der von Shashidharan et al. (2005) beschriebenen „Dystonie-ähnlichen“ Bewegungen geachtet werden. Zunächst wurde daher mit Hilfe des Dopamin-Vorläufers L DOPA in einer Dosierung von 100 mg/kg in Kombination mit dem Decarboxylasehemmer Carbidopa in einer Dosierung von 10 mg/kg sowie des Dopamin- Wiederaufnahmehemmers GBR12935 in einer Dosierung von 15 mg/kg untersucht, ob es altersabhängige Unterschiede im Ansprechen auf diese Substanzen bzw. im Auftreten der „Dystonie-ähnlichen“ Bewegungen gibt. Hierfür wurden verschiedene Verhaltenstests durchgeführt und zusätzlich ein Score-System zur Beurteilung der „Dystonie-ähnlichen“ Bewegungen etabliert, um diese besser quantifizieren zu können. Nachdem in diesen Untersuchungen keine altersabhängigen Effekte auftraten, wurden die Effekte nach Applikation von 25 mg/kg L DOPA, 45 mg/kg GBR 12935, 5 und 10 mg/kg Amphetamin (zur Erhöhung des Dopaminumsatzes), 1 und 2 mg/kg des selektiven D1-Agonisten A 68930, 0,3 und 0,6 mg/kg des selektiven D1-Antagonisten SCH 39166, 1 und 5 mg/kg des selektiven D2-Agonisten Quinpirol sowie 0,5 und 3 mg/kg des selektiven D2-Antagonisten Racloprid nur noch im Alter von 6 Monaten mit Hilfe des Score- Systems beurteilt. Da diese akuten Applikationen keine abweichenden Effekte bei DYT1-Mäusen im Vergleich zu Kontrolltieren zeigten, die auf dopaminerge Fehlfunktionen hätten hinweisen können, wurde untersucht, ob eine längerfristige Manipulation des dopaminergen Systems zu Veränderungen der „Dystonie-ähnlichen“ Bewegungen führt. Hierzu wurde L DOPA in einer Dosierung von 25 mg/kg in Kombination mit 10 mg/kg Carbidopa chronisch über einen Zeitraum von 20 Tagen täglich i.p. appliziert. Im Gegensatz zur akuten Applikation erhärten die festgestellten Befunde die Hinweise auf Fehlfunktionen des dopaminergen Systems in diesem Mausmodell und damit auf einen kausalen Zusammenhang zur DYT1-Mutation. So zeigte sich eine Zunahme der „Dystonie-ähnlichen“ Bewegungen bei transgenen Mäusen, hingegen nicht bei den Kontrolltieren. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse einer fehlenden „face validity“ ist das in dieser Arbeit untersuchte DYT1-Mausmodell als nicht geeignet für die präklinische Arzneimittelforschung zu beurteilen. Trotzdem kann dieses Mausmodell eventuell nützliche Hinweise auf die Pathophysiologie der Erkrankung geben und dazu beitragen, auslösende Mechanismen für die Manifestation der Erkrankung aufzudecken.Dystonia, one of the most common movement disorders, is characterized by involuntary muscle cocontractions, causing repetitive twisting movements. The early-onset torsion dystonia can be identified by a mutation of the DYT1 gene and represents the most common hereditary type of dystonia (Schmidt et al., 2008). This type of dystonia usually occurs between the 5th and the 28th year of age, has a penetrance of only 30-40% in gene carriers and tends to generalize (Bandmann und Müler, 2002; Bressman, 2006). After the detection of the mutation, different mouse lines which carry the human gene defect are recommended as models for the early-onset torsion dystonia (Grundmann et al., 2007; Sharma et al., 2005; Shashidharan et al., 2005). However, characterization of these models is based on only few analyses so far. The “face validity” (comparable symptoms in model and patient) is an important criterion for the use of a model in the preclinical drug research. Initial descriptions by Shashidharan et al. (2005) led to the assumption that their transgenic mouse model shows “dystonic-like” postures. Therefore, we chose this mouse model for further characterization in this study. For this purpose, we firstly investigated untreated DYT1 mice with different tests for the evaluation of the motor activity and fear behavior. These investigations were done at different ages to recognize a possible progression of the disease and for a better prediction of the “face validity”. Contrary to the initial descriptions by Shashidharan et al. (2005) the results of these studies revealed that this mouse model does not exhibit a clear dystonic phenotype. The results from DYT1 patients as well as the findings from previous studies in DYT1 mice and knowledge about the function of the protein TorsinA indicate that the dopaminergic system plays a critical role for the occurrence of DYT1 dystonia (Shashidharan et al., 2005; Wichmann, 2008). In order to determine the possible functional role of dopaminergic dysfunctions in DYT1 mice, different dopaminergic drugs were acutely applicated intraperitoneally. Thereby, attention was paid to an exacerbation respectively an improvement of the “dystonic-like” postures initially described by Shashidharan et al. (2005). By the application of the dopamine-precursor L-DOPA at a dosage of 100 mg/kg in combination with the decarboxylase inhibitor carbidopa (10 mg/kg) and of the dopamine reuptake inhibitor GBR 12935 at a dosage of 15 mg/kg at different ages, it was investigated if age-dependent differences in the side effects of these compounds respectively in the “dystonic-like” postures occur. For this purpose, we used several behavioral tests and additionally we established a score-system for the evaluation of “dystonic-like” postures to firstly quantify these postures and movements. Since age-related differences could not be observed in these investigations, the effects of 25 mg/kg L DOPA, of 45 mg/kg GBR 12935, of 5 and 10 mg/kg amphetamine (to increase the dopamine turnover), of 1 and 2 mg/kg of the selective D1-agonist A 68930, of 0.3 and 0.6 mg/kg of the selective D1-antagonist SCH 39166, of 1 and 5 mg/kg of the selective D2-agonist quinpirole as well as 0.5 and 3 mg/kg of the selective D2-antagonist raclopride were only evaluated at an age of 6 month by using a score-system. These acute applications of different dopaminergic substances did not reveal abnormal reactions in DYT1 mice in comparison to control mice and thus, did not indicate a functional relevance of a dopaminergic dysfunction in DYT1 mice. Therefore, it was determined if possible changes of the “dystonic-like” movements and postures could be provoked by chronic manipulations of the dopaminergic system. Consequently, L-DOPA was given at a dose of 25 mg/kg in combination with 10 mg/kg carbidopa i.p. once a day over a period of 20 days. In contrast to the acute application, L-DOPA enhanced the severity of "dystonic-like" movements in transgenic mice but not in L-DOPA treated control animals. This finding indicates that malfunction of the dopaminergic system is involved in this mouse model. As shown by the results, the here examined DYT1 mouse model shows no „face validity”. Therefore this transgenic line is not suitable for the preclinical drug research. Nevertheless, this mouse model could probably give useful insights into the pathophysiology of the disease. This model can be helpful to identify trigger mechanisms for the manifestation of the disease