Mechanisms of apoptotic cell death of lymphocytes in aging and in Alzheimer's disease

Mechanismen des apoptotischen Zelltodes an Lymphozyten im Alterungsprozeß und in der Alzheimer Demenz

Aging and age-related diseases are becoming more and more important for our society and our health care system. Alzheimer's disease (AD) is a disorder that destroys some parts of the brain and is characterized by global 
Aging and age-related diseases are becoming more and more important for our society and our health care system. Alzheimer's disease (AD) is a disorder that destroys some parts of the brain and is characterized by global cognitive decline including a progressive irreversible loss of memory, orientation, and reasoning. “Healthy aging”, therefore, is one of the major aims for modern medicine. Apoptosis, or programmed cell death, plays an important role for example in fetal development, as well as for learning processes. T-lymphocytes usually undergo apoptosis in order to terminate an acute inflammation. The aim of this thesis was to explore the changes in the apoptotic mechanism of peripheral lymphocytes from Alzheimer’s disease (AD) patients in contrast to physiological aging. The experiments were conducted with lymphocytes of healthy volunteers of different ages, AD patients and young and aged mice. Moreover, transgenic mice carrying familiar AD-related mutations were examined. The aging study of peripheral cells of ‘healthy’-aged volunteers revealed an age-related increase of basal apoptosis. In addition, spontaneous apoptosis as well as apoptosis induced by oxidative stress (ROS) or by Fas engagement were enhanced in aging. A closer look at the subcellular basis of the lymphocytes (e.g. B-, NK-, CD4+-, and CD8+-T cells) determined that all lymphocyte subsets were affected by aging. Therefore, it could be concluded that the regulation of apoptosis is generally impaired in lymphocytes of aged persons. The increased susceptibility to oxidative stress supports the ‘Free radical theory of aging’ that claims the radicals to be the cause for the aging-process. In mice an increase of basal, spontaneous and ROS-induced apoptosis was detected in T cells from the spleen, as well. An oral treatment over two weeks with the Ginkgo biloba extract EGb761 showed a clear reduction of ROS-induced apoptosis in the treated group. Interestingly, basal and spontaneous apoptosis, e.g. physiological apoptosis, were not effected by the plant extract. This is an important benefit for therapy since physiological apoptosis has a great relevance in the elimination of cancer-cells for example. In conclusion, the antidementive drug EGb761 reduces specifically ROS-induced apoptosis that a plays an important role in aging as shown in this thesis. Based on the data found in healthy aging, lymphocytes from AD patients were assessed for apoptosis. The cells show enhanced levels of basal, spontaneous, and Fas-induced apoptosis. In subsequent experiments it was demonstrated that mainly the T cells were responsible for the findings. However, the NK-cells provided an important impact as well. In concordance with AD-affected neurons, peripheral lymphocytes of AD patients show clear signs of apoptotic cell death. In addition, basal apoptosis of T cells and the CD4/CD8-ratio showed a correlation with the severity of the dementia. Therefore, it could be speculated that apoptosis is due to activation-induced cell death (AICD) that occurs in acute and chronic activation of adaptive immunity. In AD there is a chronic neuroinflammation in the CNS triggering degeneration of neural tissue. In order to explore this, the experimental model of lymphocyte’s activation was established in healthy aging first. The study included the detection of various events of lymphocyte’s activation on the basis of the T cell subsets (CD4+ and CD8+). The inducibility to mitogenic stimulation clearly decreased in both subsets in aging. In contrast, T lymphocytes from AD patients showed an enhanced activation subsequent to mitogenic stimulation compared with age-matched nondemented persons. Only proliferation of CD8+ T cells was clearly reduced in AD. This data could be clues that an increased generation of memory T cells due to chronic neuroinflammation might be evident in AD. Memory T lymphocytes show increased inducibility upon mitogenic activation. Interestingly, CD8+ memory T cells display decreased prolifertive capacity. Due to activation, cells die by apoptosis later on. It could be concluded that AD patients display an increased amount of memory T cells compared to controls. The data implicate that there could be a cross talk between inflammatory within the brain and inflammatory cells of the periphery. This is an interesting point since the brain used to be assumed as immune-privileged zone. According to the experiment, the information of the diseased brain is transferred to white blood cells. The connection of those two compartments might raise the opportunity to observe and probably to influence easily not-accessible regions like the brain. Transgenic mice carrying mutations in familiar AD-relevant genes (Amyloid-Precursor-Protein, Presenilin-1, respectively) displayed enhanced levels of apoptotic T cells from the spleen, as well. It seems that those mutated proteins influence the regulation of apoptosis. Probably, they are involved in the increased cell death of T- and NK-cells, as well. Animals overexpressing Presenilin-1 showed reduced levels of apoptotic cell death. It was demonstrated with molecuar biology tools that Presenilin-1, processed during apoptosis, has an anti-apoptotic effect.
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Altern und damit verbundene Alters-bedingte Erkrankungen stellen ein enormes Problem in der westlichen industrialisierten Welt dar. Apoptose, der programmierte Zelltod, spielt bei vielen pathologischen, aber auch bei phy
Altern und damit verbundene Alters-bedingte Erkrankungen stellen ein enormes Problem in der westlichen industrialisierten Welt dar. Apoptose, der programmierte Zelltod, spielt bei vielen pathologischen, aber auch bei physiologischen Prozessen eine wichtige Rolle, so zum Beispiel in der Embryonalentwicklung sowie bei Lernprozessen. Lymphozyten beispielsweise, die während einer Immunreaktion stark proliferieren, werden anschließend apoptotisch eliminiert. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Erfassung von Veränderungen des apoptotischen Verhaltens an peripheren Lymphozyten in der Alzheimer Demenz und zum Vergleich im physiologischen Alterungsprozess. Die Untersuchungen wurden mit Lymphozyten von gesunden Probanden unterschiedlichen Alters, Alzheimer-Patienten und Mäusen verschiedener Altersgruppen durchgeführt. Ausserdem wurden transgene Mäuse untersucht, die mutierte Gene tragen, die für die familiäre Form der Alzheimer Demenz verantwortlich sind. Der Alt-Jung Vergleich von peripheren Zellen von “gesund”-gealterten Menschen zeigte einen Alters-bedingten Anstieg der basalen Apoptoserate. Ausserdem waren die spontane, die durch oxidativen Stress (ROS)- sowie Fas-induzierte Apoptose deutlich mit zunehmenden Lebensalter erhöht. Eine genauere Untersuchung der einzelnen Zellsubtypen zeigte, dass dieser Anstieg bei allen Lymphozyten (B-, NK-, CD4+- und CD8+- T-Lymphozyten) zu messen ist. Man kann daher vermuten, dass die Regulation der Apoptose im Alter allgemein in peripheren Lymphozyten verändert ist. Ausserdem legte sich eine verstärkte Vulnerabilität gegenüber oxidativen Stress dar, eine weiterer Befund zur Stützung der “Free radical theory of aging”, die den Radikalen eine ursächliche Bedeutung im Alterungsprozess beilegt. In der Jung-Alt-Studie am Mausmodell zeigte sich sowohl an peripheren Blutlymphozyten als auch an T-Lymphozyten aus der Milz, ein deutlicher Anstieg der basalen, spontanen und ROS-induzierten Apoptose. Eine zweiwöchige perorale Behandlung mit dem Ginkgo biloba-Extrakt EGb761 zeigte eine deutliche Reduktion der ROS-induzierten Apoptose, aber keinerlei Beeinflussung der physiologischen basalen und spontanen Apoptose. Dies hat einen besonderen Vorteil für die Therapie, da Apoptose physiologisch eine wichtige Rolle zur Elimination bestimmter Zellen, wie beispielsweise Tumorzellen, hat. Das Antidementivum EGb761 hat daher nur spezifisch Einfluss auf den oxidativen Stress-induzierten Zelltod, der, wie hier gezeigt werden konnte, im Alterungsprozess eine grosse Rolle spielt. Basierend auf den Befunden zur Apoptose im physiologischen Alterungsprozess, wurden Untersuchungen mit peripheren Blutzellen von Alzheimer-Patienten durchgeführt. Die Zellen der Patienten zeigten eine Erhöhung der basalen, spontanen und Fas-induzierten Apoptose, die bei Untersuchungen der Subtypen (B-, T- und NK-Lymphozyten) auf die T-Lymphozyten zurück geführt werden konnte, die NK-Zellen aber auch deutlich betroffen waren. Wie die Neuronen im ZNS, so zeigen auch die peripheren Lymphozyten eindeutige Veränderungen, die die Apoptose kennzeichnen. Ausserdem erwies sowohl die basale Apoptose der T-Zellen, als auch das Verhältnis der CD4- zu CD8-positiven T-Zellen eine Abhängigkeit zum Schweregrad der Erkrankung. Dies lies die Vermutung aufkommen, dass es sich bei diesem verstärkten Zelltod um den Aktivierungs-induzierten Zelltod (AICD) handeln könnte, der bei einer akuten aber auch chronischen Aktivierung der adaptiven Immunität auftritt. In der Alzheimer Demenz kommt es zu einer jahrelangen chronischen Neuroinflammation, die mit starker Degeneration einher geht. Um diesen Aspekt näher zu beleuchten, war es notwendig, die Lymphozyten in vitro zu stimmulieren. Untersuchungen, zur Aktivierbarkeit der T-Lymphozyten wurden zunächst wieder im Alterungsprozess etabliert. Hierbei konnte deutlich in einer Studie, die mehrere Zeitpunkte sowie die genauere Betrachtung der T-Zellsubpopulationen (CD4+ und CD8+) mit einschloss, gezeigt werden, in wieweit das physiologische Altern die Immunfunktion beeinflusst. So konnte insgesamt eine verminderte Aktivierbarkeit beider T-Zellsubsets von alten Probanden festgestellt werden. Im Kontrast dazu zeigten sowohl CD4+ als auch CD8+ T-Zellen von Alzheimer-Patienten eine verstärkte Aktivierbarkeit verglichen mit nicht-dementen Altersgemittelten Kontrollpersonen. Nur bei der Proliferation nach mitogenen Stimulieren zeigten CD8+ T-Lymphozyten eine geringeres Ansprechen. Diese Befunde könnten Hinweise darauf geben, dass bei dieser Demenzerkrankung verstärkt Gedächtnis-T-Zellen, wahrscheinlich bedingt durch die chronische Inflammation im ZNS, generiert werden. Gedächtnis-TLymphozyten zeigen eine verstärkte Aktivierbarkeit nach mitogener Stimulation. Interessanterweise, zeigen CD8+ Gedächtniszellen eine geringere Proliferation. Aufgrund der Aktivierung sterben die Zellen anschliessend apoptotisch ab. Daher liegt die Vermutung nahe, dass bei Alzheimer-Patienten eine erhöhte Anzahl an Gedächtnis-T-Zellen im vorliegt. Diese Befunde stützen die These, daß der im Zentralnervensystem stattfindende Zelltod über die aktivierten Glia auch in das periphere Immunsystem überstrahlt. Über die Verknüpfung dieser beiden Kompartimente des Abwehrsystems ist es möglich, Veränderungen in einer nicht zugänglichen Region wie dem Gehirn zu beobachten und möglicherweise auch zu beeinflussen. Transgene Mäuse, die Mutationen (im Amyloid-Precursor-Protein- bzw. im Presenilin-1 Gen) tragen, die für die familiäre Form der Alzheimer-Demenz verantwortlich sind, zeigen auch eine erhöhte Apoptoserate an T-Lymphozyten aus der Milz, was darauf hindeutet, dass diese Genprodukte einen signifikanten Einfluss auf die Regulation der Apoptose haben. Möglicherweise sind diese Mechanismen auch am erhöhten Zelltod der T- und NK-Zellen beteiligt. Bei Tieren, die das Wildtyp Presenilin-1 Protein überexpremieren, konnte, mittels molekularbiologischer Methoden, gezeigt werden, dass dieses während der Apoptoseinduktion prozessiert wird und einen antiapoptotischen Effekt ausübt.
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Metadaten
Author:Katharina Schindowski
URN:urn:nbn:de:hebis:30-34351
Referee:Walter E. Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2007/01/15
Year of first Publication:2001
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2001/12/06
Release Date:2007/01/15
SWD-Keyword:Altern; Alzheimer-Krankheit ; Apoptosis ; Lymphozyt
HeBIS PPN:18471396X
Institutes:Biochemie und Chemie
Dewey Decimal Classification:610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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