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Cathrin Jacqueline Czupalla

• Im Zentralen Nervensystem (ZNS) kommunizieren neuronale Synapsen über eine Kombination von chemischen und elektrischen Signalen, die in ihrer Umgebung eine spezifische Komposition von Ionen benötigen. Um eine strenge Kontrolle des ZNS-Milieus zu gewährleisten, hat sich in Säugetieren eine endotheliale Blut-Hirn-Schranke (BHS) entwickelt. Die BHS limitiert den parazellulären Molekül Transport und wird von den Kapillargefässen des Gehirns gebildet, wobei die physische Barrier von den Tight Junctions (TJs) des vaskulären Endothels generiert wird. Das Gehirnendothel ist Teil einer neurovaskulären Einheit (NVE), zu der auch Perizyten (PZ), Astrozyten (AZ), Mikroglia und Interneurone zählen. Fehlkommunikation oder defekte zelluläre Komponenten in der NVE führen in der Regel zu Störungen in der BHS Funktion und können schwerwiegende neuronale Erkrankungen zur Folge haben. Vor einigen Jahren haben wir und andere Forschungsgruppen herausgefunden, dass der Wnt/β-Catenin Signalweg essentiell für die Vaskularisierung des Gehirns während der Embryonalentwicklung ist und darüber hinaus auch eine bedeutende Rolle in der Induktion der BHS spielt. Des Weiteren konnte im Zebrafischmodell eine Aktivierung des kanonischen Wnt Signalweges auch im adulten Organismus nachgewiesen werden. Allerdings ist die Quelle der Wnt Wachstumsfaktoren bis dato unbekannt. Der Wnt Signalweg ist eine hoch konservierte und komplexe zelluläre Signalkaskade, die in allen mehrzelligen Organismen vorkommt. Wnt Wachstumsfaktoren sind sekretierte, hydrophobe Signalmoleküle, die sowohl über lange als auch kurze Strecken entweder den β-Catenin-abhängingen („kanonischen“) oder β-Catenin-unabhängingen („nicht-kanonischen“) Wnt Signalweg aktivieren können. Da die meisten ZNS Erkrankungen mit einem Zusammenbruch der BHS-Funktion assoziiert sind, ist die Forschung bestrebt die Mechanismen, die der Entstehung und Aufrechterhaltung der BHS zugrunde liegen, zu ermitteln und zu verstehen. Das Ziel meiner Doktorarbeit war es herauszufinden, ob AZ Wnts produzieren und ob deren Wirkung auf das Gehirnendothel an der Aufrechterhaltung der BHS beteiligt ist. Zu diesem Zweck, habe ich ein in vitro BHS Kokultivierungs-Modellsystem etabliert das erstmalig ausschliesslich auf der Verwendung von murinen AZ und Gehirnendothelzellen basiert. Zu Beginn der Studie wurden sowohl primäre AZ als auch eine murine Gehirnendothel-zelllinie (MBE) bezüglich ihrer zell-spezifischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei konnte belegt werden, dass sowohl die primären AZ als auch die MBE Zelllinie, aufgrund ihrer Proteinexpressionsprofile als repräsentative Vertreter ihres Zelltyps eingestuft werden können. Die darauffolgenden Untersuchungen konnten zeigen, dass primäre AZ über mehrere Passagen hinweg fast alle 19 Wnt Liganden auf mRNA Ebene exprimierten. Ferner konnte in primären Gehirnendothelzellen und zwei Gehirnendothelzelllinien die korrespondierenden Frizzled (FZD) Rezeptoren und low density lipoprotein receptor-related protein (LRP) Korezeptoren nachgewiesen werden. Dieser Befund legte Nahe, dass AZ und Gehirnendothelzellen die basalen Eigenschaften besitzen, um über den Wnt Signalweg miteinander zu kommunizieren. Die Stimulation von pMBEs mit Astrozyten konditioniertem Medium (AKM) induzierte die Hochregulation von Claudin-3 einem bekannten kanonischen Wnt Zielgens. Interessanterweise konnte diese Regulation teilweise durch die Zugabe von dickkopf 1 (Dkk1), einem Wnt/β-Catenin Antagonisten, inhibiert werden. Um die physiologische Rolle der Wnt Liganden zu bestimmen, habe ich mir die Eigenschaft des universellen Sekretionsmechanismus der Wachstumsfaktoren, welcher von dem Transmembranprotein evenness interrupted (Evi) abhängig ist, zu Nutze gemacht. Die Verpaarung von Evifl/fl mit hGFAP-Cre Mäusen erlaubt die AZ-spezifische Deletion des Evi Proteins (Evi KO), was zur Folge hat, dass die Astrozyten der Nachkommen keine Wnt Wachstumsfaktoren sekretieren können. In vitro führte der Verlust von Wnts in AKM zu einer teilweisen Delokalisierung von Junction Proteinen. Während die Kokultivierung mit Evi WT AZ einen straken Anstieg im TEER und reduzierte Permeabilitätsmesswerte induzierten, konnten diese pro-BHS Eigenschaften bei Evi KO AZ nicht beobachtet werden. Diese Ergebnisse zeigten deutlich, dass Wnts sekretiert von AZ den BHS Phenotyp positive beeinflussen, indem sie die Zell-Zell-Verbindung verstärken, was wiederum zu erhöhtem Zellwiderstand und reduzierter transzellulärer Permeabilität führt. Die Analyse des in vivo Phänotyps von Evi KO Mäusen ergab, dass mit fortschreitendem, postnatalem Alter makroskopisch erkennbare zerebrale Blutungen auftraten. Ausserdem konnte ich zeigen, dass eine Subpopulation von Blutgefässen Malformationen aufwies, die mit reduzierter Astrozytenendfuss-Assoziierung einhergingen. Das Wissen um die Beteiligung des Wnt Signalweges an der Regulation der BHS auch im adulten Organismus kann in Zukunft von wichtiger Bedeutung sein, da es potentielle therapeutische Anwendungen ermöglicht.