Die Rolle von Astrozyten bei spinaler LTP und Hyperalgesie

Chronischer Schmerz ist ein wesentliches Problem in unserer Gesellschaft. Während akuter Schmerz eine wichtige Warnfunktion zum Schutz vor schädlichen Einflüssen einnimmt, hat chronischer Schmerz keine physiologische Funktion. Das Hinterhorn des Rückenmarks stellt eine zentrale Umschaltstelle in der Schmerzbahn dar. Hier werden die nozizeptiven Informationen von C-Faser Afferenzen auf nachgeschaltete Neurone übertragen. An diesen Synapsen kann die nozizeptive Information erstmals moduliert werden, bevor sie zum Gehirn weitergeleitet wird, wo letztlich der Sinneseindruck Schmerz entsteht. Hyperalgesie stellt ein typisches Symptom klinisch relevanter chronischer Schmerzen dar. Ein zellulärer Mechanismus, der zu einem solchen gesteigerten Schmerzempfinden beitragen kann, ist die synaptische Langzeitpotenzierung (englisch long-term potentiation, LTP) an C-Faser Synapsen im Hinterhorn des Rückenmarks. LTP stellt eine lang anhaltende Verstärkung der synaptischen Übertragung dar, die durch besonders starke und/oder lang anhaltende noxische Reize ausgelöst werden kann. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass in unterschiedlichen Gehirnarealen neben Neuronen auch Astrozyten eine tragende Rolle bei der Entstehung plastischer Veränderungen an Synapsen spielen. Über die Rolle von Astrozyten bei der Induktion der LTP auf Rückenmarksebene ist jedoch sehr wenig bekannt. Bisher konnte gezeigt werden, dass spinale Astrozyten auf elektrische Reizung von C-Fasern mit einem Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration reagieren. Außerdem können Astrozyten neuroaktive Substanzen wie Chemokine, Zytokine oder D-Serin ausschütten, die einen wichtigen Beitrag zur Entstehung der LTP an Rückenmarkssynapsen leisten könnten. Im Rahmen des beantragten Projekts möchte ich die Rolle spinaler Astrozyten bei der Entstehung von LTP und Hyperalgesie untersuchen. Dazu werden genetisch veränderte G-Protein gekoppelte Rezeptoren verwendet, die mit Hilfe von viralen Vektoren selektiv in spinale Astrozyten von Ratten eingebracht werden. Diese Rezeptoren werden auch als DREADDs (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs) bezeichnet. Mit Hilfe moderner elektrophysiologischen und biochemischen Methoden sowie Verhaltenstests und Imaging-Verfahren möchte ich in diesem Projekt untersuchen, (I.) ob und wie die selektive Aktivierung G-Protein gekoppelter Rezeptoren von Astrozyten die basale synaptische Übertragung an Rückenmarkssynapsen beeinflusst, (II.) ob eine auf diese Weise erfolgte Aktivierung der Astrozyten hinreichend für die Entstehung der synaptischen LTP ist, und (III.) ob die Aktivierung der Astrozyten auf Rückenmarksebene einen Einfluss auf das nozizeptive Verhalten von Ratten hat.

Schmerz ist ein wichtiges Warnsignal unseres Körpers. Die Entstehung von Hyperalgesie, einer verstärkten Wahrnehmung schmerzhafter Reize in einer von Verletzung oder Entzündung betroffenen Körperregion löst ein Schonverhalten aus, welches zum Heilungsprozess beiträgt. Die Ausbildung eines sogenannten Schmerzgedächtnisses kann allerdings dazu führen, dass die Hyperalgesie länger als die eigentliche Schmerzursache anhält, chronische Schmerzen können sich entwickeln. Chronischer Schmerz ist ein wesentliches Problem in unserer Gesellschaft. Schätzungen gehen davon aus, dass alleine in Österreich etwa 1.5 Millionen Menschen unter langanhaltenden oder wiederkehrenden Schmerzen leiden. Das Schmerzgedächtnis kann durch verschiedene Mechanismen ausgelöst werden. Dazu zählt auch die Verstärkung der Erregungsübertragung an den Kontaktstellen (Synapsen) zwischen den Nervenzellen im Rückenmark. Man nennt das synaptische Langzeitpotenzierung (englisch: long-term potentiation, LTP). Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass neben den Nervenzellen auch andere Zellen, die sogenannten Astrozyten, eine tragende Rolle bei der Entstehung eines Schmerzgedächtnisses spielen können. Schmerzhafte Reize können zu einer Aktivierung von Astrozyten führen. Dabei können diese Zellen neuroaktive Botenstoffe ausschütten, die einen wichtigen Beitrag zur Ausbildung einer Gedächtnisspur an Synapsen im Rückenmark leisten könnten. Im Tierversuch konnte gezeigt werden, dass manche Arten von chronischen Schmerzen durch eine pharmakologische Blockade von Astrozyten verhindert oder umgekehrt werden können. Über die Rolle dieser Zellen bei der Entstehung der LTP auf Rückenmarksebene ist jedoch bisher sehr wenig bekannt. Um die Rolle der Astrozyten bei der Entstehung der LTP und Hyperalgesia untersuchen zu können, kann man sich neuer, sogenannter pharmakosynthetischen Methoden bedienen. Dabei werden Rezeptoren im Reagenzglas genetisch so verändert, dass sie nur mehr über eine spezielle Substanz aktiviert werden können, die ansonsten pharmakologisch inert ist. Diese Rezeptoren werden auch als DREADDs (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs) bezeichnet. Im vorliegenden Projekt konnte ich eine Methode entwickeln, die DREADDs mit Hilfe verschiedener viraler Vektoren in Astrozyten des Rückenmarkes einzubringen. Unter Verwendung biochemischer und bildgebenden Verfahren konnte ich die Selektivität und Funktionalität dieser DREADDs prüfen. In weiterer Folge möchte ich nun untersuchen, ob und wie die selektive Aktivierung von Astrozyten die basale synaptische Übertragung an Rückenmarkssynapsen beeinflusst, und ob eine Aktivierung der Astrozyten hinreichend für die Entstehung einer Gedächtnisspur für Schmerz ist.