Therapeutischer Nutzen einer stabilisierten systemischen Redoxbalance im Rett-Syndrom: Bewertung plethysmographischer und elektrophysiologischer Parameter

Das Rett-Syndrom ist eine neurologische Entwicklungsstörung, deren Ursache Mutationen im X-chromosomalen MECP2-Gen sind. Das MECP2-Gen kodiert für das MeCP2 (Methyl-CpG-bindendes Protein 2), das als transkriptioneller Regulator agiert und die Transkription verschiedener Gene sowohl stimulieren als auch hemmen kann. Das Resultat ist unter anderem eine erhöhte Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die das Redoxgleichgewicht stören. Da der Gendefekt des Rett-Sydroms auf dem X-Chromosom lokalisiert ist, betrifft das Rett-Syndrom mit einer Prävalenz von 1:10000 - 15000 in erster Linie Mädchen. Bei männlichen Embryonen führt der Gendefekt aufgrund des hemizygot vorliegenden Chromosoms häufig zu einer schweren neonatalen Enzephalopathie und infolgedessen meist vor dem ersten Lebensjahr zum Tod. Zur Symptomatik gehören unter anderem motorische Einschränkungen, respiratorische Dysfunktionen, epileptische Anfälle und autismusähnliche Merkmale. Einige Merkmale des Rett-Syndroms, wie beispielsweise eine beeinträchtigte Mitochondrienfunktion und einem daraus entstehenden erhöhten systemischen oxidativen Stress, werden in Rett-Mäusen bereits vor dem Auftreten der ersten Symptome deutlich, sodass sich schlussfolgern lässt, dass eine frühe Gabe von Antioxidantien zu einer Stabilisation der neuronalen Funktion führen und damit auch Atemaussetzern entgegenwirken könnte. Im Mittelpunkt dieser Untersuchungen stand daher der Nutzen einer oralen Supplementierung eines Futters, das mit den antioxidativ wirksamen Zusätzen α-Liponsäure, N-Acetyl-L-Cystein und Vitamin E angereichert wurde. Zur Analyse der Atmungsunregelmäßigkeiten wurde das Atmungsverhalten der Mäuse mittels Ganzkörperplethysmographie bewertet. Dabei konnten die Häufigkeit und Ausprägung der Atmungsunregelmäßigkeiten sowie die Atemfrequenzen der verschiedenen Genotypen gezielt verglichen werden. Zudem wurden einige Mäuse während ihrer Ganzkörperplethysmographiemessung gefilmt, um mögliche Verhaltensmuster und Atemmuster zueinander zuordnen zu können. Im Besonderen war von Interesse, ob bestimmte Verhaltensmuster, wie beispielsweise exploratives Verhalten, während der Messung vermehrt gruppenspezifisch nachweisbar waren. Die elektrophysiologischen Untersuchungen erfolgten an akuten hippocampalen Gewebeschnitten der jeweiligen Mäuse. Im Einzelnen wurde der Einfluss des AO-Futters auf die Synapsenfunktion, das Ausmaß der synaptischen Plastizität und auf die Anoxievulnerabilität ermittelt. Die basale Synapsenfunktion und das Ausmaß der synaptischen Plastizität wurden durch extrazellulär abgeleitete elektrische Feldpotentiale (fEPSP) bewertet, die zerebrale Anoxievulnerabilität wurde mittels Auslösung einer hypoxieinduzierten spreading depression analysiert. Dabei stand besonders die Dauer, bis nach Auslösung der Hypoxie die HSD auftritt, sowie die Regenerationszeit nach Reoxygenierung im Fokus. Außerdem wurde über den Verlauf der HSD der Verlust der synaptischen Funktion dokumentiert, um auch mögliche Änderungen in der posthypoxischen Erholungsphase in den verschiedenen Maus- und Behandlungsgruppen zu erfassen. Diese Arbeit erweitert in Bezug auf die respiratorischen Dysfunktionen bei einem MeCP2-Mangel bisherige Ergebnisse und bestätigt auch ein frühes Auftreten der Symptomatik bei jungen Tieren. Zwar führte das AO-Futter zu keiner grundsätzlichen Verbesserung der Atmungsstörungen in allen Versuchsgruppen, doch reduzierte es die Atmungsunregelmäßigkeiten bei den älteren weiblichen heterozygoten Tieren und hatte auf das Atmungsverhalten der Kontrollgruppe der Wildtypen keinen negativen Einfluss. So könnte die orale Antioxidantienverabreichung eine Möglichkeit werden, die Atmungsunregelmäßigkeiten bei den Rett-Syndrom-Patientinnen zu mindern und damit die Gefahr der mit den Apnoen einhergehenden gefährlichen kardialen Folgen bis zum plötzlichen Herztod zu verringern. Die Analyse der Atmungsunregelmäßigkeiten zeigte zudem ein gruppenspezifisches exploratives Verhalten, das bei den erkrankten Tieren eindeutig vermindert war und bei den weiblichen Tieren mit dem Alter abnahm. Dieses Verhalten deutet auf ein frühes und mit dem Alter der erkrankten Tiere progredientes Vorkommen autismusähnlicher Merkmale hin. Zudem deuten einige Untersuchungen dieser Arbeit, insbesondere die Atmungsstörungen, auf das Bestehen eines Kompensationsmechanismus im Sinne einer neuronalen Präkonditionierung an geringe Sauerstoffniveaus bei einem MeCP2-Mangel hin. Das AO-Futter führte allein in weiblichen Wildtypen zu einer verminderten neuronalen Erregbarkeit. Ebenso verminderte diese Fütterungsart die synaptische Kurzzeitplastizität der Wildtypen beider Geschlechter, sodass ein therapeutischer Nutzen der oralen Antioxidantienapplikation auf die synaptischen Dysfunktionen der MeCP2-Mäuse eher auszuschließen ist.Rett syndrome is a neurodevelopmental disorder caused by mutations in the X-linked MECP2 gene. The MECP2 gene encodes MeCP2 (methyl-CpG-binding protein 2), which acts as a transcriptional regulator and can stimulate and inhibit various genes' transcription. The result is, among other aspects, an increased generation of reactive oxygen species (ROS), which disturb the redox balance. Since the genetic defect of Rett syndrome is localized on the X chromosome, Rett syndrome primarily affects girls with a prevalence of 1:10000 - 15000. In male embryos, the genetic defect often leads to severe neonatal encephalopathy due to the hemizygous presence of the chromosome. As a result, death usually occurs within the first year of life. Symptoms include motor impairment, respiratory dysfunction, epileptic seizures, and autism-like features. Some features of Rett syndrome, such as impaired mitochondrial function and a resulting increased systemic oxidative stress, become evident in Rett mice before the onset of the first symptoms. This suggests that early administration of antioxidants could stabilize neuronal function, thus counteracting respiratory irregularities. Therefore, the focus of these studies was the benefit of oral supplementation of a diet enriched with the antioxidant additives α-lipoic acid, N-acetyl-L-cysteine, and vitamin E. To analyze the respiratory irregularities, the respiratory behavior of the mice was assessed by whole-body plethysmography. This allowed a specific comparison of the frequency and severity of the respiratory irregularities and the respiratory patterns of the different genotypes. In addition, some mice were filmed during their whole-body plethysmography measurements to correlate different behavioral and breathing patterns. Of particular interest was whether specific behavioral patterns, such as exploratory behavior, were increasingly detectable in a group-specific manner during the measurement. The electrophysiological studies were performed on acute hippocampal tissue slices of the respective mice. Specifically, the influence of the AO diet on synaptic function, the extent of synaptic plasticity, and anoxia vulnerability were determined. Basal synaptic function and the extent of synaptic plasticity were assessed by extracellularly-recorded field potentials (fEPSP). Cerebral anoxia vulnerability was analyzed by eliciting a hypoxia-induced spreading depression. Particular focus was on the duration until HSD occurs after induction of hypoxia and the regeneration time after reoxygenation. In addition, the loss of synaptic function was documented throughout HSD to detect possible changes in the post-hypoxic recovery phase in the different mouse and treatment groups. Regarding respiratory dysfunction in MeCP2 deficiency, this work extends previous findings and confirms an early onset of symptomatology in young animals. Although the AO diet did not fundamentally improve respiratory dysfunction in all experimental groups, it somewhat reduced respiratory irregularities in the older female heterozygous animals. It had no negative effect on respiratory behavior in the wild-type control group. Thus, oral antioxidant administration could become a way to alleviate the respiratory irregularities in the Rett syndrome patients and reduce the risk of threatening cardiac consequences associated with the apneas, up to sudden cardiac death. Analysis of the respiratory irregularities also revealed a group-specific exploratory behavior, which was diminished in the diseased animals and decreased with age in the females. This suggests an early and progressive presence of autism-like features with age in the diseased animals. In addition, some of the studies in this work, particularly the respiratory disturbances, suggest the existence of a compensatory mechanism in the sense of neuronal preconditioning to low oxygen levels under the conditions of MeCP2 deficiency. The AO diet resulted in a decreased neuronal excitability, especially in wild-type females. Similarly, this feeding regime decreased short-term synaptic plasticity in wild-type mice of both sexes, so that a therapeutic benefit of oral AO application on the synaptic dysfunctions of MeCP2 mice can be rather excluded.2022-03-2