Beeinflussung neuronaler Funktionen durch Tumor-Nekrose-Faktor (TNF) und seine Signalwege

Ziel dieser Arbeit war es, die Effekte von TNF-α sowie seinen beiden Rezeptoren (TNFR1 und TNFR2) auf die neuronale Aktivität zu untersuchen. In der aktuellen Literatur finden sich zahlreiche zum Teil widersprüchliche Hinweise auf stimulierende oder hemmende Effekte. Die dazu durchgeführten Studien verwenden vorwiegend eine Behandlung von Tieren, Zell- oder Gewebekulturen mit TNF-α, bzw. TNFR1 oder TNFR2 Agonisten oder Antagonisten. Diese Behandlungen dauern meist wenige Minuten bis einige Stunden und lassen daher Rückschlüsse auf akute Effekte von TNF-α und den beiden TNFRs zu. In dieser Arbeit wurden organotypische hippocampale Gewebekulturen (OHC) von TNF-α überexprimierenden Mauslinien, sowie TNFR1-ko- und TNFR2-ko-Mauslinien mit wt-Mäusen verglichen, um bislang fehlendes Wissen zu chronischen Effekten dieses Zytokins zu erhalten. Zusätzlich wurde an den OHCs der genannten Mauslinien das Zusammenspiel von TNF-α und Mikroglia auf deren Aktivierung und die neuronale Erregbarkeit untersucht.
Dazu wurden OHCs aller vier Mäusestämme gewonnen und deren Aktivität mit Multielektroden Arrays (MEAs) untersucht. Die OHCs wurden hierfür mit Carbachol (Cch) oder KCl stimuliert und die durchschnittliche Spike-Frequenz nach Stimulation analysiert. Außerdem wurden die Burst-Charakteristika Burstdauer, Spike-Frequenz innerhalb der Bursts und interbust Intervall unter den OHCs der vier Mäusestämme miteinander verglichen. Alle Daten wurden mit Hilfe statistischer Analysen abgesichert.
Nach Stimulation mit Cch war die durchschnittliche Spike-Frequenz in OHCs aus TNFtg-Mäusen (OHC-TNF) deutlich höher als in OHCs aus wt-Mäusen (OHC-WT). In OHCs aus TNFR1-ko-Mäusen (OHC-TNFR1-ko) und OHC-TNFR2-ko war eine höhere Spike-Frequenz als in OHC-TNF messbar. Zwischen OHC-TNFR1-ko und OHC-TNFR2-ko konnte kein Unterschied der Spike-Frequenz festgestellt werden.
In Bezug auf die untersuchten Burst-Charakteristika zeigten OHC-TNF eine reduzierte Aktivität im Vergleich zu OHC-WT, welche sich durch eine geringere Spike-Frequenz und ein verlängertes interburst Intervall kennzeichnete. In OHC-TNFR1-ko war eine reduzierte Spike-Frequenz innerhalb der Bursts messbar. Auch hier konnte kein Unterschied zwischen OHC-TNFR1-ko und OHC-TNFR2-ko festgestellt werden. Die Länge des interburst Intervalls war in OHC-TNFR1-ko deutlich länger als in OHC-WT, in OHC-TNFR2-ko jedoch unverändert zu OHC-WT.
Nach Stimulation mit KCl war in OHC-TNF eine im Vergleich zu OHC-WT reduzierte local field potential (LFP)-Frequenz messbar. Die LFP-Frequenz in OHC-TNFR1-ko war erhöht, wohingegen die LFP-Frequenz in OHC-TNFR2-ko im Vergleich zu OHC-WT reduziert war.

Mittels Immunfluoreszenz wurden mögliche Unterschiede zwischen den Mäusestämmen in der Anzahl und Aktivierung von Mikroglia, anhand deren Form untersucht. In OHC-TNF waren sowohl die Anzahl als auch die Aktivierung der Mikroglia im Vergleich zu OHC-WT erhöht. In OHC-TNFR1-ko war eine reduzierte Aktivierung und Anzahl der Mikroglia messbar. In OHC-TNFR2-ko war zwar eine reduzierte Aktivierung messbar, die Anzahl der Mikroglia unterschied sich jedoch nicht von OHC-WT.

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Untersuchungen, dass sich der Einfluss einer chronischen Erhöhung von TNF-α auf die neuronale Erregbarkeit von dem einer akuten Behandlung deutlich unterscheidet. Die Einflüsse der beiden TNFRs überlappen vermutlich teilweise, wobei sich ein hemmender bzw. neuroprotektiver Einfluss durch TNFR2 und ein stimulierender bzw. neurodegenerativer Einfluss durch TNFR1 auch bei chronischer TNF-Überexpression bestätigen ließ. The objective of this study was to investigate the effects of TNF-α and its two receptors (TNFR1 and TNFR2) on neuronal activity. Current studies show sometimes contradictory results on stimulating or inhibitory effects. Most of these studies are performed with animals, tissue, or cell cultures, that are treated with TNF-α, TNFR1 or TNFR-2 agonists or antagonists for some minutes to several hours. This allows to draw conclusions on acute effects of TNF-α and its receptors. To gather more information on the chronic effects of TNF-α and its receptors, organotypic hippocampal cultures (OHCs) of TNF-α-overexpressing, as well as TNFR1-ko and TNFR2-ko mice strains were compared to OHCs of wt mice in this study. Additionally, connections between TNF-α and microglia on their activation and on neuronal activity were investigated, using OHCs from the same mice strains.
OHCs from all four mice strains were prepared and their activity was investigated using multielectrode arrays (MEAs). For this the OHCs were stimulated with carbachol (Cch) and KCl. The mean spike frequency was recorded as well as some burst parameters, like the duration of bursts, the frequency of spikes within the bursts and the interburst interval. All results were compared using statistical analysis.
After stimulation with Cch the mean spike-frequency in OHCs obtained from TNFtg mice (OHC-TNF) was increased compared to OHCs from wt mice (OHC-WT). The spike frequency in OHCs from TNFR1-ko mice (OHC-TNFR1-ko) and OHC-TNFR2-ko was even higher than in OHC-TNF. However, the spike frequency in OHC-TNFR1-ko did not differ from the spike frequency in OHC-TNFR2-ko.
Concerning burst parameters, OHC-TNF showed a reduced activity compared to OHC-WT, which was characterized by a reduced spike frequency and a prolonged interburst interval. In OHC-TNFR1-ko there was a reduction in spike frequency during bursts. There was no difference in spike frequency in between OHC-TNFR1-ko and OHC-TNFR2-ko. The interburst interval was prolonged in OHC-TNFR1-ko compared to OHC-WT as well as OHC-TNFR2-ko.
After stimulation with KCl OHC-TNF showed a reduced local field potential (LFP) frequency compared to OHC-WT. The LFP frequency in OHC-TNFR1-ko was increased, whereas OHC-TNFR2-ko also showed a reduction in LFP frequency compared to OHC-WT.

Immunofluorescence was used to investigate the number and activation of microglia in OHCs of the different mice strains. Number as well as activation of microglia in OHC-TNF was increased compared to OHC-WT. In OHC-TNFR1-ko there was a reduction in number and activation of microglia. In OHC-TNFR2-ko there was also a reduction in microglial activation, but the number of microglia was comparable to OHC-WT.

To put it in a nutshell, these results show a difference in between the chronic influence of TNF-α on neuronal activity and acute effects of TNF-α. The two TNFRs often show overlapping results. In case their effects differ, there is an anticonvulsive and protective effect of TNFR2 and a proconvulsive and degenerative effect of TNFR1 also with chronically increased levels of TNF-α.