Watching the Healing Brain: Multimodal and Non-invasive Imaging of Regenerative Processes after Experimental Cerebral Ischemia

Adamczak, Joanna Magdalena (2013). Watching the Healing Brain: Multimodal and Non-invasive Imaging of Regenerative Processes after Experimental Cerebral Ischemia. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Stroke is a severe disease of the brain, which leads to cell death and loss of function. Neuroprotective therapy to prevent neuronal loss has not been effective in human stroke patients. Therefore, new therapeutic strategies are needed. Spontaneous recovery can be observed in some patients. However, the basis of this phenomenon is not completely understood yet. Several endogenous regenerative processes have been observed following cerebral ischemia, which may be the reason for functional recovery and can be used as a basis for new therapeutic strategies. Shortly after the insult, endothelial cells start to proliferate and eventually lead to revascularization of ischemic brain tissue (angiogenesis). Furthermore, resident neural progenitor cells increase their proliferative activity, migrate towards the ischemic tissue and even differentiate into new neurons (neurogenesis). Detailed knowledge about the molecular mechanisms and interactions between angiogenesis and neurogenesis in response to stroke is needed in order to reveal new therapeutic targets. This PhD thesis established novel non-invasive imaging strategies to followed post-stroke angiogenesis and neurogenesis with particular regard to their dynamic temporal profiles. Bioluminescence imaging and magnetic resonance imaging were chosen for this purpose. The vascular endothelial growth factor receptor 2 was used as a molecular marker for angiogenesis, and for the first time the molecular basis of post-stroke vascular remodelling was observed non-invasively with bioluminescence imaging in an angiogenesis-specific reporter mouse. Structural changes of the vascular system were monitored with a magnetic resonance imaging strategy. Initial pronounced decrease of vessel density in ischemic tissue was followed by vessel density normalization. Non-invasive observation of endogenous neurogenesis is limited by the small number of neural progenitor cells within the adult brain. This work established the first bioluminescence protocol optimized for highly sensitive bioluminescence imaging of neurogenesis in a neurogenesis-specific reporter mouse. For the first time, increased proliferation of neural progenitor cells after stroke was observed with bioluminescence imaging. As post-stroke angiogenesis and neurogenesis may lead to regeneration of brain function, this PhD thesis established the first functional magnetic resonance imaging protocol for the specific application in mice. First investigations of brain function after stroke were performed and future studies will have the opportunity to follow functional recovery in transgenic mouse models. All methods used in this thesis bear the exceptional potential to be combined into a multimodal approach. Screening for new therapeutic targets within the brain endogenous regenerative capacity will be possible non-invasively. Furthermore, the effect of new therapies on angiogenesis, neurogenesis or functional recovery can be quickly tested.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Multimodale und Nicht-invasive Bildgebung Regenerativer Prozesse nach Experimenteller Zerebraler Ischämie	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Der Schlaganfall ist eine schwere Erkrankung des Gehirns, welche zu Zelltod und Funktionsverlust führt. Da neuroprotektive Therapien bei Schlaganfallpatienten bisher unwirksam waren, werden neue therapeutische Ansätze benötigt. Einige Patienten zeigen nach dem Schlaganfall eine spontane Erholung, deren Grundlage noch nicht vollkommen entschlüsselt ist. Endogene, d.h. körpereigene Prozesse, können die Ursache der spontanen Erholung sein und können des weiteren als Grundlage für neue Therapien genutzt werden. Neue Blutgefäße entstehen in der Nähe das ischämische Hirngewebes (Angiogenese) und endogene neurale Vorläuferzellen wandern in das ischämische Gewebe, wo sie sich zu neuen Neuronen weiterentwickeln (Neurogenese). Detaillierte Kenntnisse über die endogenen Prozesse der Angiogenese und Neurogenese nach Schlaganfall werden nun benötigt, um auf ihrer Grundlage neue Therapien zu entwickeln. In dieser Arbeit werden erstmals nicht-invasive bildgebende Strategien verwendet um die endogenen Prozesse der Angiogenese und Neurogenese nach Schlaganfall zu beobachten und insbesondere ihren dynamischen Zeitverlauf zu dokumentieren. Für die Angiognese wurde der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor Rezeptor 2 als molekularen Marker verwendet und erstmals mittels Biolumineszenzbildgebung die molekulare Regulation der Gefäßsystemver-änderungen nach Schlaganfall nicht-invasive beobachtet. Strukturelle Veränderungen des Gefäßsystems wurden mittels einer kernspintomographischen Methode mit hoher räumlicher Auflösung observiert. Auf eine anfängliche Verringerung der Gefäßdichte in ischämischen Bereichen folgte einer Normalisierung. Die nicht-invasive Beobachtung der endogenen Neurogenese wird durch die geringe Anzahl von neuronalen Vorläuferzellen im adulten Gehirn erschwert. Diese Arbeit erstellte ein Protokoll für hochempfindliche Biolumineszenzbildgebung der Neurogenese in einer Neurogenese-spezifischen Reportermaus. Damit ließ sich erstmals die endogene Neurogenese nach Schlaganfall nicht-invasiv untersuchen. Da die untersuchten spontanen regenerativen Prozesse die Grundlage funktioneller Erholung sein können, wurde in dieser Arbeit erstmals ein nicht-invasives funktionelles Bildgebungsverfahren für die spezifische Anwendung an Mäusen etabliert. Erste Untersuchungen der Hirnaktivität nach Schlaganfall wurden in dieser Arbeit durchgeführt und künftige Studien haben die Möglichkeit transgene Mäuse für Untersuchungen der funktionelle Erholung nach Schlaganfall zu verwenden. Die in dieser Arbeit etablierten Verfahren stellen neue, nicht-invasiven Methoden zur Untersuchung von endogenen regenerativen Prozessen nach Schlaganfall dar. Insbesondere können sie nun zu innovativen multimodalen Ansätzen kombiniert werden. Neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung von Angiogenese und Neurogenese können erzielt werden und Therapien schneller und einfacher auf ihre Wirksamkeit getestet werden.

German

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