Astroglia

Vorlesung in der Reihe �Molekulare und zelluläreNeurobiologie� von

Dr. rer. nat. Bernhard ReussInstitut für Anatomie u. Zellbiologie III- Neuroanatomie (IZN)Universität HeidelbergINF 307, 69120 Heidelberg

Astrocyten => Gliazellen (Makroglia)

Vorkommen ausschließlich im ZNS

Identifizierungsmarker: GFAP, S100, GS

Wichtige Funktonen:1.) Nährstofftransport zu den Neuronen2.) Nährstoffspeicherung (Glycogen)3.) Nährstoffkonversion (Glucose => Lactat)4.) Abtransport neuronaler Stoffwechselprodukte (CO2)5.) Abtransport überschüssiger Ionen (K+, Ca++)6.) Aufnahme und Degradation von Neurotransmitternaus dem synaptischen Spalt (Glutamat, Dopamin)7.) Schutz bei Infektionen (Antigenpräsentation)8.) Schutz bei Verletzungen (Reaktive Astrogliose)

Verschiedene Subtypen:

Protoplasmatische Astrocyten => graue SubstanzFibrilläre Astrocyten => weiße SubstanzLaminäre Astrocyten => Kleinhirnrinde (Glomeruli)

Lamina gliae limitans superficialis => Grenzschicht zur PiaLamina gliae limitans perivascularis => Grenze zu den GefäßenEpendymzellen => Auskleidung der Ventrikel

Radiärglia => Auftreten vorallem während der Entwicklung,beim Erwachsenen im Kleinhirn (Bergmann Glia) undder Retina (Müller Gliazellen)

Protoplasmatische Astrocyten

Fibrilläre Astrocyten

Laminäre Astrocten

Ependymzellen

Lamina limitans gliae superficialis

Radiäre Gliazellen

Die Fortsätze radiärer Gliazellen dienen als Führungsschiene für die Wanderung neuronaler Vorläuferzellen während der Entwicklung

GFAP: ein wichtiger biochemischer Marker für Astrocyten

Striatale Kultur Mesencephale Kultur

Gliazelldifferenzierung (Anhand von in vitro Befunden):

Multipotente Neuroepitheliale Vorläuferzellen des Neuralrohrs(Nestin+)

Gliastammzellen(A2B5+, Nestin+, FGFR+, PLP+, DM-20)

Neuronale StammzellenShh, Vitronectin,PDGF, FGFs

Astrocytenstammzellen

Typ-1 Astrocyten(Ran-2+, A2B5-, GFAP+)

O2A-Vorläuferzellen(A2B5+, Ran-2-, GFAP-)

LIF, BMPs, CNTF, EGF

Unreife Oligodendrocyten(O4+, GalC+, MBP-)

Oligodendrocyten(O4+, GalC+, MBP+)

Typ-2 Astrocyten(Ran-2-, A2B5+, GFAP+)PDGF, GRO-alpha,Neuregulin, T3, RA, cAMP

Gliazelldifferenzierung (in vivo):

Gliogenese später als Neurogenese

Bei der Maus Neurogenese zwischen E10 und E16

Entstehung der Astrocyten ab E16 kommt erst postnatal zum Abschluß

Bildung der Oligodendrocyten findet ausschließlich postnatalstatt und kommt erst spät zum Abschluß

Astrogliäre Expression von Wachstumsfaktoren

Starke Zunahme im Verlauf von Läsionen => Reparaturprozessez.B.: FGF-1, FGF-2

EGF, IGFBDNF, NGFTGF-beta1, -2

Ebenso werden verschiedene Cytokine aktiviert wie z.B.IFN alpha, beta und gammaIL-1, IL-6, IL-8TNF-alpha, TNF-beta

Regulation astrogliärer Wachstumsfaktoren durch physiologische Faktoren:Neurotransmitter: Glutamat, DopaminHormone: Thyroxin, Ostrogen, Progesteron

Rezeptoren für FGFs, EGF-R, TrkAÜberexpression von EGF-R => Tumorentstehung

Das neurotrophe Faktorkonzept

Dopamin induziert die astrogliäre Expression von FGF-2

Die DA-abhängige Freisetzung von FGF-2 fördert das Überleben DAerger Mittelhirnneurone

Astrocyten exprimieren verschiedene FGF-Rezeptoren

Glutamat-RezeptorenAMPA/Kainat: GluR4 sowie vereinzelt GluR1Metabotrop: mGluR5NMDA: nur in vivo (Bergmann Glia und Hippocampus

GABA-RezeptorenHippocampus, Rückenmark und Retina (Protoplasmatische Astrocyten)Sehnerv, Bergmann Glia und Pituizyten (Fibrilläre Astrocyten)Bewirken in Astrocyten durch Cl-Ausstromeine Depolarisierung mit �Calciumaktionspotential�

Purinerge RezeptorenAdenosin und ATP-Rezeptoren => Extrazelluläre Ausbreitung von Calciumwellen

Aminerge RezeptorenBeta-adrenerge Rezeptoren vom Beta-2 SubtypInduktion in den Astrocyten der Dominanzsäulen nach Deprivation eines AugesAlpha1-adrenerge RezeptorenSerotonin- und Histamin-Rezeptoren5-HT1A-, sowie H1-RezeptorenDopamin-RezeptorenD1DR und D2DR

Astrogliäre Neurotransmitterrezeptoren

Acetylcholin-RezeptorenM3-muskarinerge Rezeptoren auf Astrocyten von Cortex, Hippocampus und Corpus Callosum=> M. Alzheimer

Rezeptoren für NeuropeptideSomatostatinSubstanz P => Schmerzwahrnehmung (Wird nach Läsionen Aktiviert)Atriales Natriuretisches Peptid

Opioidrezeptoren (Kappa)

NO => lösliche Guanylatcyklase

Arachidonsäure und EicosanoideAuch Eicosanoide und Arachidonsäure beeinflußen Astrocyten

Astrogliäre Neurotransmitterrezeptoren

Dopamin-abhängige Calciumantworten

Olanzapin (Zyprexal) inhibiert die DA-abhängige Calciumantwort

Nährstoffversorgung:Transport von Glucose aus dem Blutserum über die Endothelzellenzu den astrogliären Endfüßen

Aufnahme von Glucose in die Astrocyten (GluT-1)Umwandlung von Glucose in Lactat (Glycolyse)Abgabe von Lactat an Neuronen die Lactat als Energiesubstrat für den Citratcyklus und die mitochondriale Atmung verwenden

Abtransport neuronaler Metabolite:Transport von CO2 von den Neuronen zu den Blutkapillaren

Synaptogenese:Isolierte Neuronen => kaum SynapsenbildungNeuronen in Co-Kultur mit Astrocyten => Zahl und Funktionalität der Synapsen stark erhöht

Wechselwirkung von Astrocyten und Neuronen I

Wechselwirkung von Astrocyten mit Neuronen II

Abtransport von Glutamat aus dem synaptischen SpaltAstrogliäre Glutamat-Transporter: GLAST und GLT-1Umwandlung und Inaktivierung des Glutamats durch Glutamin-Synthetase => Glutamin

Glutamin wird an Neurone abgegeben, wo erneut Glutamatgebildet wird

Astrocyten sind Zulieferer des Kohlenstoffgrundgerüsts für die neuronale Glutamat-Synthese

Freisetzung von NeurotransmitternAstrocyten setzen nach Stimulierung mit Bradykinin Glutamat frei,was zu einer langsamen Depolarisation benachbarter Neurone führtdieser Vorgang wird durch eine intrazelluläre Calciumantwort vermittelt

Kann durch NMDA-Antagonisten blockiert werdenAdrenalin bewirkt Abgabe des NMDA-Antagonisten Homocystein

Entfernung von Kalium aus dem extrazellulären RaumDurch die neuronale Aktivität (Aktionspotentiale) gelangt ständig

K+ in den extrazellulären RaumSteigt die K+ Konzentration zu stark an führt dies zu einer Dauer-depolarisation (Tetanus)

Um dies zu verhindern muß ständig K+ aus dem extrazellulären Raum entfernt werden

Diese Aufgabe wird von den K+-Transportern der Astrocytenwahrgenommen

Sie pumpen das K+ aus dem extrazellulären Raum ab und trans-portieren es über ihre Gap Junctions an Orte mit niedrigerer K+Konzentration (Spatial Buffering)

Wechselwirkung von Astrocyten mit Neuronen III

Wechselwirkung von Astrocyten mit Neuronen IV

Aktivierung astrogliärer Glycogenspeicher

Inaktivierung von Monoaminen

Gap Junctions:Interzelluläre KanälePermeabilität für Substanzen bis zu 1 kDa

Metabolite (Glucose, Aminosäuren, Nucleotide)Ionen (K+, Na+)Sekundäre Botenstoffe (Ca++, cAMP, IP3)

Peptide, Proteine und Nucleinsäuren können nicht passierenBausteine => ConnexineTransmembranproteine (4xTMD, 2xEL, 1xIL, C- und N-Terminus)16 Subtypen identifiziertNomenklatur richtet sich nach Molekulargewicht (Cx43 = 43 kDa)Unterschiedliche Permebilität, Ionenselektivität und Spannungsab-hängigkeit

In Astrocyten vorwiegend Cx43 aber auch Cx30 und Cx26 möglich

Wechselwirkung der Astrocyten untereinander

Funktion der astrogliären Gap Junctions:

Spatial buffering: Aufnahme von K+ durch Astrocyten und Abtransport über Gap Junctions des funktionellen SyncytiumsGleiches gilt umgekehrt auch für Glucose (Transport zum Verbrauchsort)

�Spreading Depression�: Nach Hirnschädigung Entstehung von Sekundärläsionen durch Gap-Junction-vermittelte Signalweiter-leitung aus geschädigten Zellen in gesundes Gewebe

Übermittlung von Calciumwellen

Gap Junctions

Nachweis der Gap Junction Kopplung durch Lucifer Yellow

Astrogliäre Calciumwellen

Ausbreitung eines astrogliären Calciumsignals nach mechanischer Stimulierung

Ausbreitung DA-abhängiger Calciumwellen: Abhängigkeit von der Gap Junction Kopplung

Auslösung astrogliärer Calciumsignale durch Glutamat

Regulation der Myelinisierung:Während der Myelinisierung sind unreife Oligodendrocyten überGap Junctions mit Astrocyten gekoppelt

Zudem stellen Astrocyten trophische Faktoren für die Myelinisierungbereit

Während der Myelinisierung findet starke Zunahme der GFAP-Expression statt

Bei genetischem Defekt von GFAP => Störung der Myelinisierung

Wechselwirkung von Astrocyten mit Oligodendrocyten

Induktion der Blut-Hirn-Schranke:BHS Schränkt die Diffusion von Blutbestandteilen zu den Zellen des

Gehirns ein (kein Farbstoffübertritt aus den Kapillaren in das Hirnparenchym)

Astrocyten stehen mit ihren perivaskulären Fortsätzen (Lamina gliae limitans perivaskularis) in direktem Kontakt mit der Basalmembran der Endothelzellen

Die Diffusionsbarriere wird jedoch nicht von Astrocyten sondern von Tight-Junctions zwischen den Endothelzellen gebildetAstrocyten spielen eine Rolle für die Induktion der Tight Junctionszwischen den KapillarendothelzellenDiese Induktion hängt einerseits von humoralen Faktoren aber auch von Matrixproteinen der Astrocyten ab

Wechselwirkung von Astrocyten mit Endothelzellen

Die Lamina gliae limitans perivascularis

Die Lamina gliae limitans perivascularis (EM)

Die Rolle der Astrocyten in der Regulation des cerebralen Blutflußes

Auslösung einer Immunantwort:ZNS = immunprivilegierter RaumNiedrige Präsenz von MHC-AntigenenLäsionen/Infektionen => Zusammenbruch der Blut Hirn SchrankeAstrocyten => Antigenpräsentierende Zellen (MHC-I und II)Für Auslösung einer Immunantwort im Gehirn ist Kommunikation zwischen Astrocyten und Mikrogliazellen über Cytokine wichtig

Wechselwirkung von Astrocyten mit Mikrogliazellen

Kommunikation von Glia und Immunzellen bei einer Hirninfektion

Verhalten von Astrocyten bei Schädigung des ZNS

Reaktive Astrogliose I:Rasche Veränderung von Morphologie und Stoffwechsel der Astrocyten nach Schädigung des ZNS (mechanisch, ischämisch,toxisch oder durch infektiöse Agentien)Vermehrung der Astrocyten mit gleichzeitiger Zunahme derIntensität der GFAP-Expression

Zahlreiche andere Veränderungen:Zelladhäsionsmoleküle (N-CAM, ICAM-1, Laminin, Tenascin-C etc.)Antigenpräsentation (MHC-I, MHC-II)Cytokine (G-CSF, GM-CSF, IFNs, IL-1, IL-6Wachstumsfaktoren (FGFs, Neurotrophine, IGF-1, TGF-β TNF-α)Cytoskelettproteine (MAP-2, Vimentin, GFAP)Early Response Proteine (c-fos, hsp68, krox-24

Verhalten von Astrocyten bei Schädigung des ZNS

Reaktive Astrogliose II:Lipide (Leukotriene, Prostaglandine, Thromboxane)Enzyme (Glutamin-Synthetase, Glutathion-S-Transferase, MAOPKC, div. Proteasen, div. Protease-Inhibitoren)

Rezeptoren (EGF-Rezeptor, TNF-α-Rezeptor)Transporter (Transferrin, Apolipoprotein E)

Funktion der reaktiven Astrogliose teilweise unklar=> Induktion einer Immunantwort=> Schutz von Neuronen durch neurotrophe Faktoren=> Kontrolle des Eintretens von Blutzellen über die BHS=> Inaktivierung neurotoxischer Substanzen (Glutamat etc)z.T. negative Auswirkungen wie Inhibition des Axonwachstums

Tumore:Entstehung durch fortschreitende Mutation des Genoms

=> Wegfall der ProliferationskontrolleBei spontan auftretenden Gliomen Mutation des EGF-Rezeptors häufig

Bei langsam auftretenden Astrogliomen Ausfall des p53-Gens

Weitere Störungen sind:Inaktivierung von Rb (Retinoblastoma), Überexpression von PDGF, TGF-a, TGF-b, sowie von c-erb B-1, c-myc, ras, c-fos und ros

Gliome weisen häufig auch eine gestörte Gap Junction Kopplung aufTransfektion von Cx43 führt zu einem verringerten Tumorwachstum

Die Rolle von Astrocyten bei Erkrankungen I

Epilepsien:Bei bestimmten Formen von Epilepsien treten vermehrt astrogliäreCalciumwellen auf. Sie gehen häufig von astrogliären Narben nachMikroläsionen des Gehirns aus. Auch Tumore können die Ursachefür spontan auftretende Calciumentladungen sein

Hirnödem:Bei Zusammenbruch der Blut Hirn Schranke (Infektionen, Tumore, mech. Läsionen, Operationen) entsteht häufig durch Diffusion von Wasser ins Hirnparenchym ein sog. ÖdemAstrocyten spielen für den Abtransport des Gewebewassers aus demHirnparenchym zu den Blutgefäßen eine wichtige Rolle. Sie sinddaher für das Verschwinden von Ödemen wichtigWichtigster Wassertransporter der Astrocyten ist Aquaporin-4

Rolle von Astrocyten bei Erkrankungen II

Hepathische Enzephalopathie:Chronischen Lebererkrankungen (Leberzirrhose => HCV, EthOH)Erhöhte Konzentration von NH4+ schädigt die Astrocyten=> Reaktive Astrogliose (erhöhte GFAP Expression, Aktivierungzahlreicher Faktoren und Rezeptoren)Glutamataufnahme und Energiestoffwechsel gestörtMAO-B erhöht => vermehrter Abbau aminerger Transmitter

Hirnischämien:Nähr und Sauerstoffmangel aufgrund von GefäßverschlüssenReaktive GlioseAusbildung von Sekundärläsionen (Penumbra)Entstehung von Glianarben => Epilepsien

Rolle von Astrocyten bei Erkrankungen III

M. Parkinson:Absterben dopaminerger Neurone der Substantia nigramöglicherweise Verursacht durch fehlen neurotropher Faktorenz.B. verringerte Expression von FGF-2 im Gehirn von ParkinsonpatientenParkinsonismus auch aufgrund des Konsums verunreinigter Drogenmöglich: MPTP (N-Methyl-4-Phenyl-1,2,5,6-Tetrahydropyridin)

Wird in Astrocyten in MPP+ umgewandelt, das durch Monoamin-Transporter in Neuronen aufgenommen wird, wo es die mitochon-driale Atmung blockiert

Rolle von Astrocyten bei Erkrankungen IV

M. Alzheimer:Degeneration cholinerger Neurone des Nucleus basalisIn Amyloid-β-Plaques Auftreten reaktiver Astrocyten mitExpression von S100β

Virale Infektionen und Toxoplasmose:Borna Virus: natürliches Vorkommen in Pferden und SchafenBei perinatalen Infektionen => latenter Verlauf mit Schädigung des ZNS => Depressionen, SchizophrenieBei latentem Verlauf Nachweis des Virus vorallem in AstrocytenFunktionelle Störung bislang unklarHIV: SIDA-Neuropathie durch latente Infektion der AstrocytenDurch Störung astrogliärer Funktionen kommt es zu Schädigungder NeuronenToxoplasmen: Vermehrung in Astrocyten => neuropsychiatrischeStörungen (auch bei SIDA)

Rolle von Astrocyten bei Erkrankungen V