Bedeutung unterschiedlicher Populationen von Hinterwurzelganglienneuronen für die sensorische peptiderge renale Innervation

Meaning of different populations of dorsal root ganglion neurons in sensory peptidergic renal innervation

  • Hintergrund und Ziele Peptiderge afferente renale Nerven (PARN) wurden in der Literatur in Verbindung gebracht mit Nierenschädigung bei Hypertonie und Nephritis. Weder ihre Rezeptoren noch die verantwortlichen Signale für die lokale Freisetzung von Neurokininen wie Calcitonin Gene-Related Peptide (CGRP) und Substanz P (SP) sowie ihre Transmission zum Gehirn sind bisher gut verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Hypothese untersucht, ob PARN verglichen mit nicht renalen Afferenzen (Nicht-RN) empfindlicher sind für die Säurestimulation in Bezug auf Generierung von Aktionspotentialen vermutlich über Transient Rezeptor Potential Vanilloid Typ 1 (TRPV1) Kanäle und ob sie unterschiedliche FHintergrund und Ziele Peptiderge afferente renale Nerven (PARN) wurden in der Literatur in Verbindung gebracht mit Nierenschädigung bei Hypertonie und Nephritis. Weder ihre Rezeptoren noch die verantwortlichen Signale für die lokale Freisetzung von Neurokininen wie Calcitonin Gene-Related Peptide (CGRP) und Substanz P (SP) sowie ihre Transmission zum Gehirn sind bisher gut verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Hypothese untersucht, ob PARN verglichen mit nicht renalen Afferenzen (Nicht-RN) empfindlicher sind für die Säurestimulation in Bezug auf Generierung von Aktionspotentialen vermutlich über Transient Rezeptor Potential Vanilloid Typ 1 (TRPV1) Kanäle und ob sie unterschiedliche Feuerungsmuster zeigen, denen unterschiedliche Ausstattung mit spannungsabhängigen Ionenkanälen zugrunde liegen Methoden Insgesamt wurde an 180 Neuronen, stammend von 12 männlichen Sprague Dawley Ratten, experimentiert. PARN wurden von Nicht-RN durch Fluoreszenzfärbung mit einem inerten, lipophilen Farbstoff (DiI), der unter die Nierenkapsel platziert wurde, unterschieden. Retrograder axonaler Transport des Farbstoffs erlaubte zweifelsfreie Zuordnung der Neurone zum Projektionsort ihrer Dendriten. Nach sechs Tagen stand die primäre Zellkultur aus Hinterwurzelganglienneuronen (DRG; Th11-L3) für in-vitro Patch-Clamp-Experimente im Whole-cell-Modus zur Verfügung. Zunächst wurden mithilfe der Voltage-Clamp-Technik die nervenzelltypischen schnellen spannungsabhängigen Natrium- und Kaliumkanäle bezüglich ihrer Aktivierungs- und Inaktivierungsspannungen, Peak-Spannungen und Beträgen der Gesamtnatriumaktivierung in verschiedenen Neuronenpopulationen untersucht und verglichen. Im Current-Clamp-Modus wurde anschließend das Feuerverhalten und die Säuresensitivität untersucht. Feuermuster auf Strominjektion steigender Intensität sowie die Säuresensitivität in Bezug auf Generierung von Aktionspotentialen wurden bestimmt und Neurone danach klassifiziert. Dafür wurden Säurestimuli der Stärke pH 6 und pH 5 gewählt. Ergebnisse und Beobachtungen Die Fluoreszenzmarkierung der Neurone erwies sich als erfolgreich. Neurone konnten nach der Herkunft ihrer Dendriten sowie anhand ihrer Kapazität in sechs Gruppen eingeteilt werden. Phasische kleine und mittelgroße Neurone zeigten signifikant stärkere Kaliumauswärtsströme als tonische. Natriumkanalaktivierung von kleinen und mittelgroßen phasischen Neuronen erfolgte bei um 10 mV negativeren Rechtecksspannungen als bei tonischen Zellen. Dies war bei großen Neuronen nicht signifikant erkennbar. Die Peak-Spannung mit dem stärksten Natriumeinwärtsstrom lag sowohl bei tonischen als auch bei phasischen Neuronen bei –20 mV. Im Vergleich aller phasischen Zellen zeigten nicht renale Neuronen bei der Peak-Spannung von –40 mV maximale Natriumaktivierung, renale Zellen erst bei –20 mV. Auch unter allen gefärbten, renalen Zellen wurden Natriumkanäle bei phasischen Neuronen um 10 mV früher als in tonischen Zellen aktiviert. 48 % der PARN wurden als tonische Neuronen (TN = anhaltende Feuerungsmuster während der Strominjektion) und 52 % als phasische (PN = transientes Feuern) klassifiziert. Nicht-RN waren seltener tonisch (15 %), dafür öfter phasisch (85 %) als PARN (P < 0,001). TN waren öfter säuresensitiv als PN (50–70 % vs. 2–20 %, P < 0,01). Weiterhin waren renale PN öfter säureempfindlich als nicht renale PN (20 vs. 2 %, P < 0,01). Der Säurestimulus erwies sich als geeignet, da alle Neuronen während der Durchströmung ein Rezeptorpotential zeigten, der bei steigender Protonenkonzentration ebenfalls anstieg. Praktische Schlussfolgerungen In der vorliegenden Doktorarbeit wurde gezeigt, dass PARN durch deutlich unterschiedliche Populationen von kleinen bis mittleren Neuronen repräsentiert werden, und dass diese öfter tonische Feuerungsmuster sowie TRPV1 vermittelte Säuresensitivität zeigten. Die Ausstattung mit spannungsabhängigen Kalium- und Natriumkanälen scheint in Neuronen mit unterschiedlichem Feuerungsmuster zu differieren. Die unterschiedlichen Populationen von Hinterwurzelganglienneuronen könnten eine entscheidende Rolle in der Nierenphysiologie und Pathogenese spielen. Möglicherweise wirken die durch Protonen aktivierten Neuronen auf unterschiedliche Weise auf die sympathische, efferente Nervaktivität. Denkbar wären auch Änderungen der Feuerungsmuster durch Einfluss von lokalen Faktoren wie Gewebeazidose. In Nierenerkrankungen, die mit lokaler Azidose einhergehen, könnten PARN antagonistische Mechanismen wie die Ausschüttung des vasodilatatorisch wirksamen Neuropeptids CGRP vermittelt über TRPV1-Rezeptoren übernehmen. Weitere Erforschung insbesondere der intrarenal gelegenen Nervenfasern und ihrer Rezeptoren sind notwendig, um die Bedeutung renaler afferenter Innervation für die Äthiopathogenese von Nierenerkrankungen und der Hypertonie zu klären und pharmakologische Einflussmöglichkeiten abzuleiten.show moreshow less
  • Background Peptidergic afferent renal nerves (PARN) have been linked to kidney damage in hypertension and nephritis. Neither the receptors nor the signals controlling local release of neurokinines calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP) and signal transmission to the brain are well-understood. We tested the hypothesis that PARN, compared with nonrenal afferents (Non-RN), are more sensitive to acidic stimulation via transient receptor potential vanilloid type 1 (TRPV1) channels and exhibit a distinctive firing pattern, which is based on the presence of voltage-gated channels with different characteristics. Methods Altogether, 180 neurons were studied, harvested from 12 malBackground Peptidergic afferent renal nerves (PARN) have been linked to kidney damage in hypertension and nephritis. Neither the receptors nor the signals controlling local release of neurokinines calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP) and signal transmission to the brain are well-understood. We tested the hypothesis that PARN, compared with nonrenal afferents (Non-RN), are more sensitive to acidic stimulation via transient receptor potential vanilloid type 1 (TRPV1) channels and exhibit a distinctive firing pattern, which is based on the presence of voltage-gated channels with different characteristics. Methods Altogether, 180 neurons were studied, harvested from 12 male Sprague-Dawley rats. PARN were distinguished from Non-RN by fluorescent labelling with inert, lipophilic dye (DiI), which was placed under the renal capsule. By retrograde axonal transport of the dye, neurons could be allocated to the projection places of their dendrites. After six days, the primary cell culture of labelled neurons from dorsal root ganglia (DRG; Th11-L3) was available for in-vitro patch-clamp experiments in a whole-cell mode. First of all, fast voltage-gated potassium and sodium channels, which are specific for neurons, were tested with respect to their activation and inactivation voltages, peak voltage and the overall sodium influx at the patch-clamp setting. In the second step, firing behaviour and acid sensitivity were investigated using current-clamp mode. Firing patterns due to current injection as well as generation of action potentials due to acid superfusion were determined in order to classify neurons. For this purpose, pH 5 and pH 6 were used as acid stimuli. Results and observations The fluorescent staining of neurons was successfully attained. According to the origin of their dendrites and to their capacity, neurons could be divided into six groups. Phasic small and medium-sized neurons showed significantly higher potassium currents than tonic ones. Furthermore, activation of sodium channels in small and medium-sized phasic cells occurred at 10 mV more negative voltage values than in tonic cells. However, both effects lacked statistical significance in large-sized neurons. The comparison of all stained, i.e. renal neurons, revealed that sodium currents in phasic neurons were also activated at 10 mV lower voltage values than in tonic ones. Forty-eight percent of PARN were classified as tonic neurons (TN = sustained firing during current injection), and 52 % were phasic (PN = transient firing). Non-RN were rarely tonic (15 %) but more frequently phasic (85 %) than PARN (P < 0.001). TN were more frequently acid-sensitive than PN (50–70 % vs. 2–20 %, P < 0.01). Furthermore, renal PN were more frequently acid-sensitive than nonrenal PN (20 % vs. 2 %, P < 0.01). Conclusion These data show that PARN are represented by a very distinct population of small- to medium- sized DRG neurons exhibiting more frequently tonic firing and TRPV1-mediated acid sensitivity. The pattern of expression of voltage-gated sodium and potassium channels seems to differ in different subclasses of DRG neurons. However, it deserves further studies to clarify these findings. These very distinct DRG neurons might play a pivotal role in renal physiology and patophysiology. It is possible that acid activated neurons affect sympathetic efferent nerve activity in different ways. Changes of firing patterns by influence of local factors like tissue acidosis could be considered. Furthermore, in kidney diseases accompanied by local acidosis, PARN might initiate antagonistic mechanisms like the release of neuropeptide vasodilator CGRP. Further investigations especially of intrarenally-localised nerve fibres and their receptors are necessary to elucidate the meaning of renal afferent innervation for pathogenesis of kidney diseases and hypertension, and to derive pharmacological implications.show moreshow less

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Metadaten
Author:Kristina Rodionova
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-39186
Advisor:Kristina Rodionova
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/12/07
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Medizinische Fakultät
Date of final exam:2012/11/22
Release Date:2012/12/07
Tag:Current-Clamp-Methode; Feuerungsmuster; phasisch; tonisch
acid sensitivity; innervation; kidney; peptidergic
SWD-Keyword:Empfindlichkeit; Innervation; Niere; Patch-Clamp-Methode; Peptiderge Nervenzelle; Strom-Spannung; Vegetative Innervation; Voltage-Clamp-Methode
Institutes:Medizinische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:610 Medizin und Gesundheit

$Rev: 12793 $