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Carcinoembryonic antigen related cell adhesion molecule 1 (CEACAM1) ist im sich entwickelnden Gehirn der Ratte ab dem 7. postnatalen Tag auf myelinisierenden Strukturen nachweisbar und unter Schadenseinfluss von Hyperoxie/Inflammation in seiner Expression negativ korrelierend zur Myelinisierung verändert. Unklar ist, ob und wenn ja über welche Signalwege CEACAM1 mit der Myelinisierung interagiert, zumal die Regulationsmechanismen der Myelinisierung komplex sind. Die Hypothese dieser Arbeit war, dass CEACAM1 entweder über den Wnt-Signalweg oder den Toll-like Rezeptor 2/4(TLR2/TLR4)-Signalweg Einfluss auf die Myelinisierung nimmt. Anknüpfend an die nachgewiesene Schädigung von Myelin und Veränderung der CEACAM1-Expression an Tag 11 (p11) in Realtime Polymerasekettenreaktion (qPCR) in einem hyperoxie- und inflammationsinduzierten Schädigungsmodell im sich entwickelnden Rattenhirn wurde zunächst in dieser Arbeit immunhistochemisch versucht, den Nachweis dieser CEACAM1-Veränderung festzustellen, was sich nicht etablieren ließ. Im zweiten Schritt wurden zur Überprüfung eines möglichen Zusammenhanges des Wnt und TLR2/4- Signalweges immunhistochemische und immunzytochemische Färbungen durchgeführt, um eine Kolokalisation zum CEACAM1 nachzuweisen. Molekulargenetisch erfolgten die Untersuchungen von kompletten Hemisphären und Cortices an p6 und p11 jeweils in einer Kontrollgruppe als auch nach einer Schädigung mit Lipopolysaccharid (LPS), Hyperoxie oder der Kombination beider Noxen. Hierbei wurden Genexpressionsanalysen für ausgewählte Gene des Wnt-, TLR2- und TLR4-Signalwegs sowie für CEACAM1 inklusive der CEACAM1-Isoformen durchgeführt, um eine mögliche Korrelation zwischen CEACAM1 und dem Wnt- bzw. TLR2-/TLR4-Signalweg zu erfassen. Anhand dieser Untersuchungen konnte kein Zusammenhang zwischen CEACAM1 und dem TLR2- bzw. TLR4-Signalweg nachgewiesen werden. Es besteht aber ein Zusammenhang zwischen CEACAM1 und dem Wnt-Signalweg. Im Cortex an p6 ließen sich gegenläufige Veränderungen in der Genexpression im Wnt-Signalweg und von CEACAM1 aufzeigen. Hieran anknüpfend sollten weiterführende Untersuchungen unternommen werden. Möglich wären Untersuchungen an primären Oligodendrozytenkulturen mit einer CEACAM1-stimulierten und -inhibierten Gruppe zusätzlich zur Kontrollgruppe. Sollte sich eine Veränderung der Myelinisierung und eine Modulation im Wnt-Signalweg zeigen, wäre dies ein Hinweis dafür, dass CEACAM1 über den Wnt-Signalweg die Myelinisierung beeinflusst. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2022

Einleitung: Die Überlebensrate Frühgeborener hat sich in den letzten Jahren deutlich verbessert. Jedoch sind neurologische Schäden durch eine gestörte Gehirnentwicklung weiterhin eine große Komorbidität bei Frühgeborenen. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung, ob die Volumina der „deep grey matter“ (DGM, Basalganglien/Thalami) und der Seitenventrikel in der kranialen Magnetresonanztomografie (MRT) am errechneten Entbindungstermin (ET) mit der postnatalen Ernährung der Frühgeborenen korrelieren. Methoden: Die Kohorte dieser Arbeit besteht aus 67 Frühgeborenen (33 Mädchen und 34 Jungen), die im Jahr 2011 und 2012 am Universitätsklinikum Essen geboren worden sind. Sie wurden zwischen der 23. und 34. Schwangerschaftswoche (SSW) mit einem Gewicht von 450g bis 2085g geboren. Zur Beantwortung der Frage, ob eine Assoziation zwischen der Ernährung und dem Volumen der Basalganglien, Thalami (deep grey matter, DGM) bzw. der Seitenventrikel (SV) besteht, wurde die Ernährung sowie verschiedene klinische Faktoren analysiert. Dafür wurde für die einzelnen Nährstoffe Proteine, Fette und Kohlenhydrate und die Energie in kcal jeweils die kumulative Zufuhr am Lebenstag 14 und 28, die mittlere tägliche Einfuhr bis einschließlich zu einem korrigierten Alter von 35+0 SSW und die mittlere tägliche Einfuhr in der ersten, zweiten, dritten und vierten Lebenswoche berechnet und mit den Volumina der DGM und Seitenventrikel in Beziehung gesetzt. Ergebnisse: Bei den Ergebnissen der multiplen Regressionsanalyse zeigte sich, dass die Variablen „Kopfumfang im korrigierten Alter von 35 SSW“ (p

Die intraventrikuläre Hirnblutung (IVH) ist eine der Hauptursachen für die Entwicklung einer Zerebralparese bei Frühgeborenen. Ihren Ursprung hat die IVH in der germinalen Matrix, einem Gebiet, von dem neuronale Vorläuferzellen ausgehen und das von fragilen unreifen Kapillaren durchzogen ist. Die germinale Matrix liegt im Bereich des Ventrikelsystems des frühkindlichen Gehirns oberhalb des Nucleus caudatus. Um der Entwicklung einer IVH vorzubeugen, müssen die Risikofaktoren, die zur Blutung führen erkannt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden von 265 Frühgeborenen der Gestationswochen 23 bis 30 (136 mit IVH, 129 ohne IVH) aus zwei Universitätskliniken retrospektiv die perinatalen Parameter, die Einfluss auf das Auftreten einer Hirnblutung haben könnten, erhoben und analysiert. Mithilfe eines mathematischen Modells, das von der Forschungsgruppe für Zerebralparese und Kinderneuroorthopädie der TU München entwickelt wurde, wurde der frühkindliche zerebrale Blutfluss (CBF) in Abhängigkeit unterschiedlicher klinischer Parameter berechnet. Mehr als 70 % der Frühgeborenen mit IVH wurden vor der Gestationswoche 28 geboren. Bei 29,41 % wurde die IVH am dritten Lebenstag diagnostiziert. Höhergradige Hirnblutungen kamen gehäuft in niedrigen Gestationswochen vor: 67,86 % der Grad III-IV Hirnblutungen traten in Woche 23-26 auf. Präeklampsie wurde in der Risikogruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe seltener festgestellt (5,15 % versus 16,28 %). Die retrospektive Analyse zeigte, dass die Patient*innen mit IVH häufiger vaginal entbunden wurden. Der 1‘- und 5‘-Minuten APGAR-Wert war bei Patient*innen mit IVH niedriger im Vergleich zur Kontrollgruppe. In der Risikogruppe wurden vor IVH statistisch signifikant niedrigere MAD- (mittlerer arterieller Druck), SaO2- (arterielle Sauerstoffsättigung), Hämatokrit-, Thrombozytenzahl- und pH-Werte im Vergleich zur Kontrollgruppe gemessen. Patient*innen mit IVH hatten statistisch signifikant höhere pCO2-Werte (Kohlendioxidpartialdruck) im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die Fluktuationen des CBF (berechnet mittels der mittleren absoluten Abweichung des CBF) waren in der Risikogruppe signifikant stärker ausgeprägt. Zusammenfassend wurden insbesondere Hypotension und Hyperkapnie, CBF-Fluktuationen, niedriger 1‘ oder 5‘ Minuten APGAR-Wert, sowie Thrombozytopenie, niedriger Hämatokrit, niedriger pH-Wert und geringe arterielle Sauerstoffsättigung als wesentliche Risikofaktoren, die in Zusammenhang mit einer Hirnblutung stehen, identifiziert. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2021

Hintergrund: VLBW-Fr��hgeborene werden aufgrund der negativen Auswirkungen einer Hypothermie direkt postnatal im Inkubator versorgt. Es liegen keine Daten vor, welches das g��nstigste Gewicht ist, bei dem man die Kinder aus dem Inkubator in ein W��rmebett legen kann. Methodik: Prospektive Studie von 42 VLBW-Fr��hgeborenen im Zeitraum von November 2011 bis September 2014. Verlegung vom Inkubator in ein W��rmebett (initiale Temperatureinstellung 37��C) bei einem aktuellen Gewicht zwischen 1490 g und 1650 g. In der Studiengruppe waren 8 Kinder mit noch vorhandener Atemunterst��tzung (davon 2 mit O2-Bedarf). Ausschlusskriterien waren invasive Beatmung oder O2-Bedarf > 25%. F��r 72h nach der Umbettung wurden Vitalzeichen und die K��rpertemperatur ��ber zwei Temperatursonden (Sternum, Axilla) und rektal erfasst, sowie das Trinkverhalten vor und nach der Umbettung und die Gewichtsentwicklung analysiert. Die Gesamtliegedauer, der Zeitpunkt bis zur voll oralen Ern��hrung ohne Magensonde und der Zeitpunkt, ab dem die Kinder keinen zus��tzlichen W��rmebedarf mehr ben��tigten, wurden mit einer historischen Gruppe von 42 VLBW-Fr��hgeborenen aus den Jahren 2011/2012 verglichen. Diese Kinder wurden bei einem h��heren mittleren Gewicht in ein W��rmebett umgebettet. Die Gruppen unterschieden sich nicht signifikant bez��glich Geburtsgewicht und Gestationsalter. Ergebnisse: Ein Kind zeigte eine Hypothermie (< 36,5��C rektal), sodass das W��rmebett auf 38��C erh��ht wurde. Es erfolgte kein Transfer zur��ck in den Inkubator. Gewichtsentwicklung 48 Stunden vor zu 48 Stunden nach Umbettung so zeigt sich keine signifikante ��nderung der t��glichen Zunahme des K��rpergewichts durch die Umbettung. Bei einem Kind kam es zur Gewichtsabnahme, bei vier Kindern stagnierte das Gewicht. In der hist. Vergleichsgruppe kam es nur in einem Fall zur Gewichtsabnahme bei jedoch insgesamt nicht signifikant besserer Gewichtszunahme. Auch in der weiteren Gewichtsentwicklung, das hei��t zum Zeitpunkt 36 + 0 Schwangerschaftswochen, zur Entlassung und am errechneten Termin ��ndert sich die Gewichtsentwicklung im Vergleich zur hist. Vergleichsgruppe nicht. Keine signifikante H��ufung von Apnoen, Bradykardien und Sauerstoffs��ttigungsabf��llen w��hrend der Testphase. Der Zeitpunkt des Absetzens der Coffeingabe ��nderte sich nicht signifikant. Das K��rpergewicht und die korrigierte Schwangerschaftswoche bei Umbettung in ein normales Bett sind in der RADI-Gruppe signifikant niedriger. Es zeigt sich eine signifikante Zunahme der selbstst��ndigen Trinkmenge am Tag nach der Umbettung bei insgesamt gleicher Gesamtzeit bis zur Sondenentw��hnung. Die korrigierte Schwangerschaftswoche bei Entlassung und die Dauer des station��ren Aufenthaltes ��nderten sich nicht. In der BGA am Tag nach Umbettung zeigten sich keine Hypoglyk��mien oder Azidosen. Elternfragebogen: Beide Elternteile machten sich Sorgen um die neue Schlafumgebung ihres Kindes. Ein Inkubator gibt das Gef��hl einer sicheren Umgebung, sodass es leicht nachvollziehbar ist, dass die Eltern zumindest vor der Verlegung das Gef��hl hatten, dass ihr Kind dort besser aufgehoben sei. Sicher in der Versorgung f��hlen sich die Eltern, als das Kind im W��rmebett lag. An dieser Stelle ist zu erw��hnen, dass der Teil der Betreuung ihres Kindes, an dem die Eltern aktiv mitwirken k��nnen, sicherlich die Versorgung des Kindes wie z.B. Wickeln ist. Hierbei werden die Eltern m��glichst fr��hzeitig angeleitet. An dieser Stelle eine starke Unsicherheit zu ��u��ern, w��rde zum einen nicht f��r die Anleitung sprechen, zum anderen die Eltern auch sehr aus ihrer Position als kompetente Verantwortliche f��r das Kind dr��ngen. Ganz klar ��u��ern sich die Elternteile dazu, dass sich die Beziehung zu ihrem Kind verbessert hat, seitdem es im W��rmebett liegt. Dies ist ein sehr subjektives Empfinden, welches sich sicherlich auf eine Summe an Einflussfaktoren, wie z.B. geringere Barriere, ges��nderes Kind, oft Verlegung von Intensivstation auf Normalstation ���der erste Schritt nach Hause���, zur��ckf��hren l��sst. Auch wenn die R��cklaufquote zu klein ist, um von signifikanten Ver��nderungen zu sprechen, zeigt es aber eine Tendenz des Empfindens. Schlussfolgerung: Ein Verlegen von Fr��hgeboren mit einem Geburtsgewicht von unter 1500g vom Inkubator in ein W��rmebett bei einem aktuellen Gewicht von 1500g bis 1650g ist sicher und hat keine negativen Folgen f��r das jeweilige Kind.

Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2022

Jedes zehnte Kind wird in Deutschland zu früh geboren. Die Fortschritte der peri- und neonatalen Medizin haben zu einem deutlich gestiegenem Überleben der sehr kleinen frühgeborenen Kinder geführt. Die Raten an schweren (motorischen) Behinderungen sind heute vergleichsweise niedrig. Im Gegensatz hierzu steht eine unverändert hohe Rate an neurokognitiven Defiziten, insbesondere im Bereich der exekutiven Funktionen. Diese beschreiben die zielgerichtete Handlungssteuerung und die Selbstregulation menschlicher Individuen, unter anderem die inhibitorische Kontrolle oder Impulskontrolle. Die Fähigkeit auf die Befriedigung eines Bedürfnisses zu warten (= inhibitorische Kontrolle), gehört zu den grundlegenden Entwicklungsaufgaben im Kindesalter. Defizite in diesem Bereich können lebenslange zu Auswirkungen, u.a. Verhaltensauffälligkeiten, Suchtproblematiken und sozialen wie gesundheitlichen Nachteilen, führen. In der vorliegenden Studie wurden die Zusammenhänge zwischen dem Zeitverständnis und der Fähigkeit zum Bedürfnisaufschub untersucht. Hypothese: Je besser das Zeitverständnis (gemessen in Prozent korrekter Antworten im Sanduhrtest), desto besser ist die Fähigkeit zur Bedürfniskontrolle (gemessen in Wartezeit im Bedürfnisaufschubtest). Insgesamt wurden 25 ehemalige Frühgeborene (Gestationsalter median 28+3 SSW, FG) sowie 26 Kinder der Kontroll-Gruppe (Gestationsalter median 40+1 SSW, KG) im Alter von 4 Jahren untersucht. Es zeigte sich eine mediane Wartezeit im Bedürfnisaufschub von 3:42 Minuten (FG) vs. 10:29 Minuten (RG). Im Zeitverständnis erreichten die Probanden median 43% (FG) vs. 54% (RG) korrekte Antworten. Es zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Fähigkeit zum Bedürfnisaufschub und dem Zeitverständnis (r = 0.399, p = 0.004, zweiseitig). Der Zusammenhang blieb auch nach Kontrolle des Sprachverständnisses bestehen. Dieses Ergebnis ergänzt die bereits bestehenden Nachweise der Defizite im Bereich der exekutiven Funktion Frühgeborener. Erstmalig wird in dieser Arbeit jedoch ein neuer Einflussfaktor der inhibitorischen Kontrolle evaluiert: das Zeitverständnis. Kinder mit bereits entwickeltem Verständnis von „Zeit“ als Konzept können Impulse staffeln und Bedürfnisse zurückstellen. Ein Training des Zeitverständnisses könnte entsprechend Einfluss auf die Impulskontrolle haben. Frühgeborene zeigen hier Defizite im Vergleich zur Kontroll-Gruppe. Ein Erklärungsansatz der Defizite ist die Hirnentwicklung, insbesondere der weißen Substanz. Aufgrund der vielfältigen Auswirkungen von exekutiven Dysfunktionen sollte ein Screening Kinder mit Risiko für Entwicklungsverzögerungen erkennen und mittels Interventionen die Langzeitprognose gebessert werden. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2020

Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2020

Die akute therapeutische Hypothermie (HT) ist die einzige klinisch etablierte therapeutische Intervention gegen die neonatale hypoxisch-ischämische Enzephalopathie (HIE), jedoch ist ihr protektiver Effekt gegenüber neuronaler Schädigung limitiert. Regenerative Therapien, wie die Behandlung mit mesenchymalen Stromazellen (MSZ), stellen eine vielversprechende adjuvante Therapieform dar. Stabile experimentelle Modelle der HIE und HT sind für die Etablierung neuroprotektiver Strategien unverzichtbar. Trotz klinischer und experimenteller Indikationen für eine endogene thermoregulatorische Reaktion auf die HIE, haben die potentiellen Effekte auf die Hypoxie-Ischämie (HI)-induzierte Hirnschädigung in vorklinischen Studien bisher weitestgehend keine Beachtung gefunden. In der vorliegenden Studie wurde daher ein klinisch relevantes Modell der HIE und HT etabliert, das die Testung adjuvanter therapeutischer Strategien ermöglicht. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde gezeigt, dass die Modellierung der HIE in neonatalen Mäusen mit einer signifikanten endogenen Herunterregulierung der Körpertemperatur von 2°C assoziiert ist. Diese endogene Hypothermie war mit einer signifikanten Neuroprotektion assoziiert, die sich in einer verminderten neuropathologischen Schädigung, einem verminderten neuronalen Zellverlust und einer reduzierten Abnahme axonaler/neuronaler und Myelin-assoziierter Strukturproteine äußerte. Für die Evaluierung der Effekte einer therapeutischen HT wurde im zweiten Teil der Arbeit das HIE-Modell ausgewählt, bei dem die Nest-Körpertemperatur während der Hypoxie beibehalten wird, da dies die klinische Situation bestmöglich widerspiegelt. Verglichen wurden zwei milde HT-Protokolle (Differenz der Rektaltemperatur betrug 3°C für 4 Stunden), die sich im Zeitpunkt der Therapieeinleitung unterschieden: entweder unmittelbar nach der HI oder mit einer Verzögerung von 2 Stunden. Die direkt nach HI eingeleitete Therapie ergab bezüglich ihres protektiven Effekts auf die kurz- und langfristige histologische Gewebeschädigung und assoziierte Verhaltensdefizite leichte Vorteile gegenüber dem verzögerten Therapiebeginn. Die neuroprotektiven Therapieeffekte waren ähnlich, bzw. geringer ausgeprägt, verglichen mit der Wirkung der HI-induzierten endogenen Kühlung. Zudem wurden die HI-induzierten Verhaltensdefizite durch HT nur teilweise verbessert, indem eine signifikante Verbesserung motorischer Defizite erzielt wurde, kognitive Defizite hingegen unverändert blieben. Diese experimentell ermittelten Therapieeffekte sind im Einklang mit klinischen Beobachtungen, die eine signifikante aber unvollständige Protektion vor zerebraler Schädigung sowie einer limitierten Wirksamkeit auf kognitive Defizite indizieren. Vor diesem Hintergrund wurde dieses Modell der HIE und HT als geeignetes Modell zur Evaluierung von Kombinationstherapien ausgewählt. In Anbetracht der regenerativen Wirkung von MSZ, wurde in der vorliegenden Arbeit die Hypothese überprüft, dass eine kombinierte Behandlung mit einer akuten therapeutischen HT und einer verzögerten MSZ-Therapie in einer verbesserten Protektion vor zerebraler Schädigung und langfristigen Verhaltensdefiziten resultiert. Daher wurde im dritten Teil der vorliegenden Studie der Effekt der Einzeltherapien mit der Kombinationstherapie verglichen. Die alleinige HT-Behandlung führte zur Protektion neuronaler Strukturen und verbesserte signifikant die motorischen Defizite, während die Myelinschädigung und kognitive Defizite durch die MSZ-Einzeltherapie, nicht jedoch durch eine HT, verbessert wurden. Die kombinierte Anwendung beider Therapien führte hingegen zu einer Abmilderung oder Aufhebung dieser protektiven Einzeltherapieeffekte, was sich in einer verschlechterten zerebralen Schädigung und stärkeren langfristigen motor-kognitiven Defiziten im Vergleich zu den jeweiligen Einzeltherapien äußerte. Entgegen unserer Hypothese zeigen diese Ergebnisse die Möglichkeit eines nachteiligen Interaktionseffekts des kombinierten Therapieprotokolls auf. Da jede Einzeltherapie für sich jedoch vielversprechende Effekte aufweist, sollten weitere Studien die schädliche Wirkung der Kombinationstherapie untersuchen und mögliche Strategien entwickelt werden, die dieser negativen Interaktion entgegen wirken können. Das in der vorliegenden Studie entwickelte Modell der HIE, therapeutischen HT und MSZ-Applikation bietet hierfür eine geeignete und zuverlässige experimentelle Grundlage. Abstract Acute hypothermia treatment (HT) is the only clinically established intervention against neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE). However, 40-50% of cooled infants still suffer from major neurological problems. Regenerative therapies, such as mesenchymal stromal cells (MSC) appear promising as adjuvant therapy. In order to develop new therapeutic strategies, stable experimental models of HIE and HT are required. Despite clinical and experimental indications for an endogenous thermoregulatory response to HIE, the potential effects on HIE-induced brain injury have largely been neglected in pre-clinical studies. In the present study we established a clinical relevant model of HIE and HT which is suitable for testing adjuvant therapeutic strategies. Here, we demonstrated that HIE modeling in neonatal mice is associated with a significant endogenous drop in body core temperature by 2°C resulting in profound neuroprotection, revealed by reduced neuropathological injury scores, reduced loss of neurons, axonal structures and myelin. In the second part of this study, using the model which mimics the clinical situation most closely, i.e. through maintenance of the nesting body temperature during hypoxia, we compared two mild therapeutic HT protocols (rectal temperature difference 3°C for 4 hours), initiated either immediately after insult or with a delay of 2 hours. Immediately applied post-hypoxic HT revealed slight advantages over a delayed onset of therapy on short- and long-term histological outcome and behavioural deficits demonstrated by reduced neuropathological injury scores and preservation of hippocampal structures. However, depending on the brain region analyzed, neuroprotective effects were similar or even reduced compared to endogenous cooling during HIE modelling. Moreover, long-term neurobehavioural outcome was only partly improved for motoric function while cognitive deficits remained unchanged. As these pre-clinical results closely resemble the clinical situation, i.e. significant but incomplete protection from brain injury and no amelioration of cognitive deficits, we chose this model of HIE and HT for the evaluation of a combined treatment with MSC According to the regenerative capacity of MSCs, we hypothesized that acute HT combined with delayed MSC therapy results in augmented protection from brain injury and behavioural deficits. Therefore, in the third part of this study, we compared the effect of either single therapy with the combined treatment. HT single therapy protected neuronal structures and significantly improved motor deficits, while myelination and cognitive function could only be restored by MSC but not by HT. However, compared to each single therapy, combined treatment led to exacerbated brain injury and increased long-lasting motor-cognitive deficits. Against our hypothesis, these results suggest the possibility of a detrimental interaction of the combined therapy protocol. However, regarding the promising effects of each single therapy, further studies on the underlying reasons of the detrimental effect and possible strategies to overcome this negative interaction are urgently needed. According to this, the herein developed mouse model of HIE, therapeutic HT and MSC-application will be a suitable and reliable tool., Acute hypothermia treatment (HT) is the only clinically established intervention against neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE). However, 40-50% of cooled infants still suffer from major neurological problems. Regenerative therapies, such as mesenchymal stromal cells (MSC) appear promising as adjuvant therapy. In order to develop new therapeutic strategies, stable experimental models of HIE and HT are required. Despite clinical and experimental indications for an endogenous thermoregulatory response to HIE, the potential effects on HIE-induced brain injury have largely been neglected in pre-clinical studies. In the present study we established a clinical relevant model of HIE and HT which is suitable for testing adjuvant therapeutic strategies. Here, we demonstrated that HIE modeling in neonatal mice is associated with a significant endogenous drop in body core temperature by 2°C resulting in profound neuroprotection, revealed by reduced neuropathological injury scores, reduced loss of neurons, axonal structures and myelin. In the second part of this study, using the model which mimics the clinical situation most closely, i.e. through maintenance of the nesting body temperature during hypoxia, we compared two mild therapeutic HT protocols (rectal temperature difference 3°C for 4 hours), initiated either immediately after insult or with a delay of 2 hours. Immediately applied post- hypoxic HT revealed slight advantages over a delayed onset of therapy on short- and long- term histological outcome and behavioural deficits demonstrated by reduced neuropathological injury scores and preservation of hippocampal structures. However, depending on the brain region analyzed, neuroprotective effects were similar or even reduced compared to endogenous cooling during HIE modelling. Moreover, long-term neurobehavioural outcome was only partly improved for motoric function while cognitive deficits remained unchanged. As these pre-clinical results closely resemble the clinical situation, i.e. significant but incomplete protection from brain injury and no amelioration of cognitive deficits, we chose this model of HIE and HT for the evaluation of a combined treatment with MSC According to the regenerative capacity of MSCs, we hypothesized that acute HT combined with delayed MSC therapy results in augmented protection from brain injury and behavioural deficits. Therefore, in the third part of this study, we compared the effect of either single therapy with the combined treatment. HT single therapy protected neuronal structures and significantly improved motor deficits, while myelination and cognitive function could only be restored by MSC but not by HT. However, compared to each single therapy, combined treatment led to exacerbated brain injury and increased long-lasting motor-cognitive deficits. Against our hypothesis, these results suggest the possibility of a detrimental interaction of the combined therapy protocol. However, regarding the promising effects of each single therapy, further studies on the underlying reasons of the detrimental effect and possible strategies to overcome this negative interaction are urgently needed. According to this, the herein developed mouse model of HIE, therapeutic HT and MSC-application will be a suitable and reliable tool.

In industralisierten Ländern werden 5.5-11.4% der Kinder zu früh geboren (Geburten zwischen der 23-37 Schwangerschaftswoche). Trotz der großen Vorteile in der Geburtshilfe und der Neonatalversorgung, zeigen Frühgeborene ein erhöhtes Risiko langfristig neurologische Defizite zu entwickeln. Das unreife Gehirn ist sehr vulnerabel gegenüber verschiedenen Noxen wie der Hypoxie oder Hyperoxie. In Experimentellen Studien wurde bereits gezeigt, dass eine neonatale Hyperoxie eine Schädigung der weißen Substanz verursacht, die mit einer Degeneration der Oligodendrozyten und Hypomyelinisierung assoziiert ist. Diese korrelieren mit ultrastrukturellen Veränderungen der weißen Substanz. Obwohl das Wissen über die Pathophysiologie der perinatalen Hirnschädigung zunimmt, gibt es bis zum heutigen Zeitpunkt keine effektive Therapie. Daher untersuchten wir das therapeutische Potential des Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptor Agonisten Fingolimod, welches sich für die Behandlung der demyeliniserenden Erkrankung multiple Sklerose bereits bewährt, in dem Modell der Hyperoxie-induzierten Hirnschädigung in vivo und in vitro. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine einmalige Behandlung mit FTY720 die Hyperoxie-induzierte Hypomyeliniserung sowie langfristige Veränderungen der Mikrostruktur der weißen Substanz verbessert. Außerdem wurden kognitive Dysfunktionen im Erwachsenenalter, die aus einer neonatale Hyperoxie resultieren, durch eine FTY720 Gabe reduziert. Analysen der zugrunde liegenden Mechanismen ergaben, dass eine neonatale Hyperoxie zu einer erhöhten Freisetzung von pro-inflammatorischen Zytokinen wie TNF-α und IL-1β, sowie zu einer Aktivierung von Iba1 markierten Mikroglia führt, welche durch eine einmalige Injektion von FTY720 auf Normalniveau minimiert wurden. Zudem wurde die Hyperoxie-induzierte erhöhte Expression der oxidativen Stressparameter durch die FTY720 Behandlung verbessert. Diese Ergebnisse suggerieren, dass die protektive Wirkung von FTY720 in Richtung Myelinisierung und langfristigem Verhalten auf seine anti-inflammatorische und anti-oxidative Wirkung zurückgeführt werden kann. Weitere in vitro Analysen mit einem selektiven S1P1-Rezeptor Antagonisten zeigten, dass die protektive Wirkung von FTY720 durch eine direkte Interaktion mit Oligodendrozyten reguliert wird. Auf Grund dieser Ergebnisse, scheint FTY720 ein vielversprechender Kandidat für die Behandlung von Frühgeboren zu sein, die ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung einer Schädigung der weißen Substanz zeigen., 5.5-11.4% of all live births in industrialised countries are preterm born infants (born between gestational ages of 23-37 week). Despite major advances in obstetrics and neonatal intensive care, preterm born infants are at high risk to develop neurological deficits in later life. The immature brain is very susceptible to injury caused by different environmental factors such as hypoxia or hyperoxia. Experimental studies demonstrated that neonatal hyperoxia induces white matter injury, which is associated with oligodendroglial cell death, hypomyelination and with ultrastructural changes of the developing white matter. Despite increasing knowledge about the pathophysiology of perinatal brain injury, up to now there is no effective therapy. Therefore, we investigated the therapeutic potential of the sphingosine-1-phosphate (S1P) receptor agonist FTY720, which is already approved for the treatment of the demyelinating disease multiple sclerosis, in a model of hyperoxia-induced brain injury in vivo and in vitro. Herein we demonstrated that a single dose of FTY720 improved hyperoxia-induced hypomyelination and long-term microstructural alterations in the white matter. Furthermore, neonatal hyperoxia resulted in long-lasting impairment of cognitive function in adulthood, which was reduced by FTY720 treatment. Analysis of underlying mechanisms revealed that neonatal hyperoxia caused an increased release of pro-inflammatory cytokines, such as TNF-α and IL-1β, and induced an increased activation of Iba1-labeled microglia, which were normalized by FTY720 administration. Moreover, hyperoxia-induced upregulation of oxidative stress parameters was ameliorated by FTY720 treatment. These results suggest that FTY720´s protective effects in terms of myelination and long-term functional improvement may be attributed to its anti-inflammatory and anti-oxidative effects. Further in vitro analysis with a selective S1P1-receptor antagonist demonstrated that FTY720 also mediates its protective effect through a direct interaction with the S1P1 receptor on oligodendrocytes. With these findings, FTY720 has been identified as a promising candidate for treating preterm babies with an increased risk for the development of white matter injury.

Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2020

Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2019

Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2018

Introduction: Inflammation is an important factor contributing to developmental brain injury in preterm infants. Although tumor necrosis factor-inducible gene 6 protein (TSG-6) has immunomodulatory effects in several inflammatory conditions in adult animals, the role of TSG-6 in the developing brain, its impact on perinatal inflammation and its therapeutic potential is currently unknown. The aim of the current work was 1) to characterise the developmental expression of TSG-6 in the newborn rat brain, 2) to evaluate the impact of lipopolysaccharide (LPS) exposure on TSG-6 expression and 3) to assess the therapeutic potential of exogenous TSG-6 administration. Methods: Brain hemispheres of healthy Wistar rats (postnatal day 1-postnatal day 15 (P1-P15)) were evaluated with regard to the physiological expression of TSG-6. LPS-treated rats (0.25 mg/kg LPS intraperitoneally (i.p.) on P3) were analysed for inflammation-induced changes in TSG-6 and cytokine expression. To evaluate whether exogenous recombinant human (rh)TSG-6 affects inflammation-induced brain injury, Wistar rats exposed to LPS on P3 were treated with rhTSG-6 i.p. (4 repetitive doses of 2.25 mg/kg every 12 h, first dose 3 h before LPS injection). Results: TSG-6 is physiologically expressed in the developing brain with a linear increase in expression from P1 to P15 at the messenger ribonucleic acid (mRNA) level. At P6, regional differences in TSG-6 expression in the cortex, thalamus and striatum were detected at mRNA and protein level. Furthermore, TSG-6 gene expression was significantly increased by inflammation (induced by LPS treatment). Combined treatment with LPS and TSG-6 vs. LPS exposure alone resulted in significant down-regulation of cleaved caspase-3, a marker of apoptosis and neuronal plasticity. In addition, several inflammatory serum markers were decreased after TSG-6 treatment. Conclusion: TSG-6 is physiologically expressed in the developing brain. Changes of TSG-6 expression associated with inflammation suggest a role of TSG-6 in neuroinflammation. Reduction of cleaved caspase-3 by TSG-6 treatment demonstrates the putative neuroprotective potential of exogenous TSG-6 administration in inflammation-induced developmental brain injury. Einleitung: Inflammation spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Hirnschädigungen bei Frühgeborenen. Obwohl Tumor necrosis factor-inducible gene 6 protein (TSG-6) immun-modulatorische Eigenschaften unter unterschiedlichen inflammatorischen Bedingungen in erwachsenen Tieren zeigte, sind eine Rolle von TSG-6 im sich entwickelnden Gehirn, ein Einfluss während einer perinatalen Inflammation und ein therapeutisches Potential noch unerforscht. Das Ziel dieser Arbeit war 1) die entwicklungsabhängige Expression von TSG-6 im Rattenhirn zu charakterisieren 2) den Einfluss von Lipopolysaccharide (LPS) auf die TSG-6 Expression zu evaluieren 3) das therapeutische Potential einer externen TSG-6 Gabe zu beurteilen. Methoden: Hirnhälften von gesunden Wistar Ratten (postnatal Tag 1-postnatal Tag 15 (P1-P15)) wurden hinsichtlich der physiologischen Expression von TSG-6 untersucht. Die Expression von Cytokinen und TSG-6 unter inflammatorischen Bedingungen wurde bei LPS-behandelten Ratten untersucht (0,25 mg/kg LPS intraperitoneal (i.p.) an P3). Um zu evaluieren, ob rekombinantes, humanes (rh)TSG-6 einen Einfluss auf inflammatorische Schädigungen während der Hirnentwicklung hat, wurden Wistar Ratten mit LPS an P3 und zusätzlichem rhTSG-6 i.p. behandelt (4 repetitive Dosen von 2,25 mg/kg alle 12 h, erste Dosis 3 h bevor LPS Behandlung). Resultate: TSG-6 messenger Ribonukleinsäure (mRNA) wird physiologisch im sich entwickelnden Gehirn exprimiert mit linearem Anstieg von P1 zu P15. An P6 wurden regionale Unterschiede in der TSG-6 Expression zwischen Cortex, Thalamus und Striatum auf Gen- und Proteinebene nachgewiesen. Zudem wird die TSG-6 Gen-expression durch LPS-induzierte Inflammation signifikant erhöht. Zusätzliche Therapie mit TSG-6 im Vergleich zu alleiniger Gabe von LPS zeigte eine signifikante Verringerung der cleaved caspase-3 Menge, einem Marker für Apoptose und neuronaler Plastizität. Außerdem zeigte sich eine verringerte Expression einiger inflammatorischer Moleküle im Serum nach TSG-6 Therapie. Schlussfolgerung: TSG-6 wird physiologisch exprimiert im sich entwickelnden Gehirn. Änderungen der TSG-6 Expression im Rahmen einer Inflammation deuten auf eine Rolle von TSG-6 während einer Neuroinflammation hin. Die Reduktion der cleaved caspase-3 Menge durch TSG-6 demonstriert ein mögliches neuroprotektives Potential von exogenem TSG-6 bei inflammatorischen Schädigungen während der Hirnentwicklung. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2017