Mechanisms of adaptation and reconstruction in the hypoperfused brain

Ischemic damage to the brain poses a long-term disability or even death. Endogenous recovery cannot fully restore functionality by itself, leading to deficits in cognition and motor function. This thesis investigates microenvironmental changes mediated by the molecules interleukin 6 (IL-6) and SorCS2 in murine models of ischemia. Our first study focuses on the effect of the inflammatory cytokine IL-6 in carotid stenosis, evaluating changes in the brain parenchyma and other associated factors. IL-6 plays an ambivalent role in the hypoperfused brain: it is associated with poor outcome such as deterioration in motor function, but it is also essential for recovery processes. In this study, mice underwent unilateral carotid artery occlusion, and IL-6 overexpression in astrocytes was induced on day 2 after surgery. Motor skills and health status were monitored for 21 days using behavioral tests, and changes in cerebral connectivity and brain remodeling were examined using diffusion tensor imaging. Data analysis showed that IL-6 overexpression has no adverse effect on the overall condition and fosters connectivity changes in the brain. In total, 10 out of 14 tracts were increased, mainly in interhemispheric networks. Proteome analysis of the ipsilesional striatal fiber tracts and the contralesional motor cortex showed alterations in expression levels of plasticity-associated proteins. Caprin-1 was more abundantly expressed on the ipsilesional side, and the GABA-transporter Gat1 was downregulated on the contralesional side, reducing inhibitory GABA signaling. Both are targets for further studies and potential drug targets for translatory research. The second part of the thesis investigates the effects of a SorCS2 knockout in stroke models. This Vps10p sorting receptor is a regulator of vesicular trafficking and secretion, possibly involved in endogenous IL-6 regulation. The study showed that contrary to prior knowledge, not only neurons but also astrocytes express SorCS2 after stroke, and TGF β likely mediates induction. IL-6 was not confirmed to be regulated in in vivo assays. Ablation of SorCS2 correlated with endostatin expression, mediating effects on regenerative processes such as angiogenesis. Our third study focuses on improving animal research. Data from standardized behavioral tests were collected in one curated database. This allows meta-analysis of data and can reduce animal suffering and the number of experimental animals due to higher experimental standards and prediction of human endpoints. It also generated a new starting point for innovative research concepts based on existing animal data. In summary, the thesis contributes insights into post-ischemic recovery processes and found several potential targets for further research on therapeutic interventions for brain ischemia. It also contributes to the 3R approach of reducing animal suffering in experimental research.Eine ischämische Schädigung des Gehirns kann zu einer langfristigen Behinderung bis hin zum Tod führen. Die körpereigene Regeneration kann verlorene Funktionalität nicht vollständig wiederherstellen, was zu kognitiven und motorischen Defiziten führt. Diese Arbeit erforscht die durch die Moleküle IL-6 und SorCS2 in Ischämiemodellen bei Mäusen vermittelten, lokalen Veränderungen des Mikromileus. Die erste Studie untersucht die Wirkung des inflammatorischen Zytokins Interleukin 6 (IL-6) bei einer Karotisstenose auf Veränderungen des Hirnparenchyms. IL-6 spielt im hypoperfundierten Gehirn eine ambivalente Rolle, da es einerseits mit einem schlechte-ren Verlauf korreliert, andererseits aber auch für den Erholungsprozess wichtig ist. In dieser Studie wurde bei Mäusen ein einseitiger Verschluss der Arteria carotis communis vorgenommen und zwei Tage später eine Überexpression von IL-6 in Astrozyten indu-ziert. Die motorischen Fähigkeiten und der Gesundheitszustand wurden 21 Tage lang mittels Verhaltensversuchen beobachtet und Veränderungen in der zerebralen Konnek-tivität sowie der Umbau des Gehirns untersucht. Die Überexpression von IL-6 hatte keine nachteiligen Auswirkungen auf den Gesundheitszustand und begünstigte eine Zunahme der Konnektivität im Gehirn bei 10 von 14 veränderten Verbindungen, vor allem zwischen den Hemisphären. Die Proteomanalyse der ipsilesionalen striatalen Faserbahnen und des kontraläsionalen motorischen Kortex zeigte Veränderungen in den Expressionsni-veaus von Plastizitäts-assoziierten Proteinen wie Caprin-1 und dem GABA-Transporter Gat1. Beide Moleküle sind Kandidaten für weitere Untersuchungen und potenzielle Ziel-strukturen für translationale Forschung. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Auswirkungen eines SorCS2-Knockouts in Schlagan-fallmodellen untersucht. Die Hypothese war, dass SorCS2 an der endogenen IL-6-Regu-lation beteiligt ist. Die Studie zeigte, dass im Gegensatz zu bisherigen Erkenntnissen nach einem Schlaganfall nicht nur Neuronen, sondern auch Astrozyten TGF-β-vermittelt SorCS2 exprimieren. Es wurde nicht bestätigt, dass IL-6 durch SorCS2 reguliert wird. Ein SorCS2-Knockout korrelierte hingegen mit der Endostatin-Expression. Diese hat Auswir-kungen auf regenerative Prozesse wie Angiogenese. Drittens konnte durch Agglomeration von Verhaltensdaten eine kuratierte Datenbank er-stellt werden, um eine Meta-Analyse der Daten zu ermöglichen. Somit kann die Zahl der Versuchstiere aufgrund höherer experimenteller Standards und das Tierleid durch Vor-hersage humaner Endpunkte reduziert werden. Zusammenfassend gewährt diese Arbeit Einblicke in postischämische Erholungspro-zesse und zeigt potenzielle Zielstrukturen für die weitere Erforschung therapeutischer In-terventionen bei Ischämien auf, während sie gleichzeitig einen Beitrag zum 3R-Ansatz zur Verringerung des Tierleidens in der experimentellen Forschung leistet