Therapeutic benefit of mitochondrial catalase expression in a mouse model of Rett syndrome

Das Rett-Syndrom ist eine schwer verlaufende, neurologische Entwicklungsstörung die hauptsächlich Mädchen mit einer Prävalenz von 1:10.000 bis 1:15.000 betrifft. Das klinische Erscheinungsbild ist komplex und manifestiert sich durch kognitive Beeinträchtigungen, unregelmäßige Atmung, motorische Koordinationsprobleme und Epilepsie. Im Rett-Syndrom lassen sich sowohl mitochondriale Veränderungen als auch der durch oxidativen Stress entstandene Hirnschaden bereits einige Wochen vor dem Auftreten klinischer Symptome beobachten, sodass die Vermutung besteht, dass die mitochondriale Beeinträchtigung für die Progression der Krankheit von größerer Bedeutung ist. Therapeutische Ansätze, die das Redox-Gleichgewicht in den Mausmodellen des Rett-Syndroms stabilisieren oder die mitochondriale Funktion verbessern, können daher möglicherweise das Auftreten von Symptomen verzögern oder den Schweregrad des Krankheitsverlaufes mildern. In der aktuellen Literatur wurde hauptsächlich der Effekt nicht enzymatischer Antioxidantien auf die Redox-Imbalance im Rett-Syndrom untersucht. In wie weit sich jedoch eine erhöhte Expression antioxidativ wirkender Enzyme auswirkt stand bis dato noch aus. Ziel dieser Arbeit war es demnach, die Redox-Imbalance im Rett-Syndrom hirnregionen-, entwicklungsstadien- und geschlechtsspezifisch zu untersuchen, sowie den therapeutischen Nutzen einer mitochondrialen Katalase-Expression auf die erhöhte H2O2-Freisetzung im Mausmodell des Rett-Syndroms zu evaluieren. Ergänzend sollten auch mögliche Verbesserungen des allgemeinen phänotypischen Erscheinungsbildes der Tiere bewertet werden, indem Größe, Gewicht, Blutglukosespiegel und Hämatokrit untersucht wurden. Im Zuge der Datenerhebung wurden Mitochondrien der Hirnregionen Kortex, Hippocampus, Kleinhirn, Mittelhirn und Hirnstamm isoliert und in fluoreszenzspektrometrischen Messungen deren H2O2-Freisetzung quantifiziert. Die Reinheit der genutzten, angereicherten Mitochondriensuspension wurde mit Hilfe von Western-Blots beurteilt. Es wurde bewiesen, dass die mitochondriale H2O2-Freisetzung im Rett-Syndrom in allen Hirnregionen und allen Altersstufen unabhängig vom Geschlecht signifikant erhöht ist. Außerdem wurde gezeigt, dass durch die Expression der mitochondrialen Katalase die H2O2-Freisetzung im Rett-Syndrom sowohl bei den P50-Männchen als auch bei den P50- und P200-Weibchen signifikant gesenkt werden kann. Bei den P400-Weibchen ist dieser Effekt hingegen nicht mehr zu beobachten. Körpergröße und Körpergewicht sind im Rett-Syndrom bei den P50-Weibchen und Männchen signifikant reduziert, wobei die Expression der mitochondrialen Katalase jedoch keinen positiven Einfluss auf die phänotypischen allgemeinen Parameter wie Größe, Gewicht, Blutglukose und Hämatokrit der Tiere vermittelte. Zusammenfassend kann die mitochondriale Katalase-Expression im Rett-Syndrom als möglicher Therapieansatz in Betracht gezogen werden, um einen positiven Einfluss auf die zelluläre Redox-Imbalance der Erkrankung zu nehmen.Rett syndrome is a severe neurodevelopmental disorder that mainly affects girls with a prevalence of 1: 10,000 to 1: 15,000. The clinical symptoms are complex and are characterized by cognitive impairment, irregular breathing, motor dysfunction, and epilepsy. The pathogenesis includes, among others, mitochondrial impairment, redox imbalance, and oxidative tissue damage. In Rett syndrome, both mitochondrial changes and the tissue damage caused by oxidative stress occur already a few weeks earlier than the typical clinical symptoms, suggesting that the mitochondrial impairment may be of potential importance for the progression of the disease. Therapeutic approaches that improve the redox homeostasis in mouse models of Rett syndrome can therefore be assumed to stabilize also mitochondrial function, which may then delay the onset of symptoms or reduce the disease severity. In the recent literature mainly the effect of non-enzymatic antioxidants on the redox imbalance in Rett syndrome has been reported. However, to what extent an increased expression of antioxidant enzymes is mediating a positive impact on cellular redox-homeostasis has not been studied yet. Therefore, the aim of this thesis was to assess the redox imbalance in Rett syndrome in different mouse brain regions, stages of development and both genders, by using sophisticated multi-sample spectrofluorimetry. H2O2 release by isolated mitochondria was quantified in a coupled reaction of Amplex UltraRed and horseradish peroxidase. Furthermore, the therapeutic benefit of a mitochondrial catalase expression on the exaggerated H2O2 release in a mouse model of Rett syndrome was evaluated. Possible improvements in the general phenotypic appearance of the animals were assessed by measuring body length, body weight, blood glucose levels, and hematocrit. In detail, mitochondria of the brain regions cortex, hippocampus, cerebellum, midbrain and brain stem were isolated and analyzed in fluorometric measurements. The purity of the enriched mitochondrial suspensions was determined by Western blots. Mitochondrial H2O2 release in Rett syndrome was significantly increased in all brain regions and at all ages regardless of gender. It also became evident that by expression of a mitochondrial catalase, the H2O2 release in Rett syndrome in P50 males as well as P50 and P200 females can be reduced significantly. In the P400 females this effect was no longer detectable though. Body length and body weight are significantly reduced in P50 female and male Rett mice. However, expression of the mitochondrial catalase did not noticeably ameliorate these phenotypic general parameters. In summary, mitochondrial catalase expression in Rett syndrome can be considered as a possible therapeutic approach, which is clearly capable of counteracting the the cellular redox imbalance in this disorder.2021-10-2