Funktionelle Erholung und die posttraumatische Restitution der Blut-Rückenmarks-Schranke nach experimenteller traumatischer Rückenmarksschädigung in der Maus

Abstract-Text deutsch

Einleitung: Rückenmarkstrauma ist einer der führenden Ursachen für bleibende Behinderung und ein großes Problem für Gesundheitssysteme weltweit. Eine der Hauptfaktoren in der Pathophysiologie ist die traumatische Öffnung der Blut-Rückenmarksschranke (BSCB). Deren Erholung spielt eine entscheidende Rolle in der strukturellen Regeneration des Rückenmarks. Diese Pathophysiologie und deren Zeitrahmen besser zu verstehen ist essenziell, um die Suche nach restaurativen Therapien voranzubringen. In der vorliegenden Arbeit charakterisieren wir die posttraumatische Öffnung und Restitution der BSCB in Bezug auf die neurologische Erholung bis zur chronischen Phase nach Rückenmarkstrauma in der Maus.

Material/Methoden: In erwachsenen C57BL/6J Mäusen (m/w, n=55) wurde mittels modifiziertem Aneurysma-Clip (5g, 60s) ein thorakales (Th6/7) Clip-Kompressions-Rückenmarkstrauma induziert. Sham-Tiere erhielten eine 2-Höhen-Laminektomie. Perioperativ erfolgten antibiotische Prophylaxe mit Amoxicillin sowie Schmerztherapie mit Buprenorphin. Neurologische Untersuchungen erfolgten longitudinal (n=23, Catwalk® Ganganalyse, Basso Mouse Scale, Tally-Subscore) an den Zeitpunkten 1, 3, 7, 14, und 28d nach Trauma.   Zusätzlich erfolgten longitudinale in vivo 7T MRT zur Analyse der Trauma-Morphologie. Pro Zeitpunkt erfolgten immunhistochemische Untersuchungen (Luxol-Fast-Blue+H&E, CD31+Evans-Blue, n=5). Die Integrität der BSCB wurde mittels Evans-Blue-Fluoreszenz-Assay (Tecan) quantifiziert (n=50). Alle Tierexperimente wurden behördlich genehmigt (G031417).

Ergebnisse: Die BSCB zeigte sich bis 7d posttraumatisch am gravierendsten eröffnet. Die histologischen und MRT-Analysen bis zu diesem Zeitpunkt zeigten deutliche strukturelle Schäden und ausgedehntes Ödem, mit zunehmender Restitution in der chronischen Phase (14, 28d). Die Quantifikation der Evans-Blue Extravasation ergab eine signifikant eröffnete BSCB bis zu 14d posttraumatisch (14d: p=0.001), mit Restitution erst im Verlauf nach 28d (p=0.096). Neurologische Erholung begann nach 7 und 14d, mit teilweise erholter Hinterpfoten-Aktivität in den meisten Tieren nach 28d (p=0.552).

Diskussion: Die neurologische Erholung nach Rückenmarkstrauma ist assoziiert mit der Erholung der BSCB, welche bis zu 14d posttraumatisch signifikant eröffnet bleibt. Hiermit beschreiben wir ein potenzielles Zeitfenster für Therapieapplikation. Weitere mechanistische Untersuchungen zur Regeneration der BSCB auch zur möglichen Identifikation molekularer Ziele sind essenziell, um restaurative Therapien zu entwickeln, welche auf die neurovaskuläre Einheit abzielen.

Abstract-Text englisch

Objective: Spinal Cord Injury (SCI) is a devastating condition that presents a major socioeconomic burden for healthcare systems. The posttraumatic disruption of the Blood-Spinal-Cord-Barrier (BSCB) is a leading pathophysiology in SCI and its restitution plays a crucial role in structural spinal cord regeneration. A deeper understanding of the pathophysiology and its timeframe will enhance the search for restorative therapies facilitating functional regeneration. With this study we characterize the posttraumatic BSCB disruption and restitution in relation to functional recovery in a mouse model up to 28 days post SCI.

Methods: Adult C57BL/6J mice (m/f, n=55) underwent mid-thoracic (Th6/7) clip-compression SCI using a modified aneurysm clip (5g, 60s) or sham injury (two-level-laminectomy). Perioperative antibiotic therapy with amoxicillin and postoperative pain medication with buprenorphine was applied. Longitudinal neurobehavioral analysis was performed (n=23) using Catwalk® automated gait analysis and Basso Mouse Scale with Tally sub-score at days 1, 3, 7, 14 and 28 post SCI. Additionally, in vivo imaging with 7T MRI was performed for tissue morphology analysis. Individual specimens were sacrificed at each time point for qualitative histological analysis (Luxol-Fast-Blue + H&E, CD31+Evans-Blue, n=5). BSCB disruption was quantified by measuring Evans-Blue(EVB)–extravasation via fluorescence microplate reader (Tecan, n=50). Animal experimental permission was granted (G031417). 

Results: As the posttraumatic disruption of the BSCB is most severe up to day 7 post SCI, histological analysis up to this point showed vast structural damage and edema to the spinal cord with considerable EVB-leakage, supported by MRI findings, with an increasing restitution in the chronic phase (14d, 28d). Quantitative assessment of EVB-extravasation displayed a significant disruption of the BSCB up to 14 days post SCI (14d: p=0.001), with restitution after 28 days (p=0.096). Neurological recovery started between days 7 and 14 post SCI, with most specimens having regained hindlimb function by day 28 (p=0.552).

Conclusions: Functional recovery following SCI is associated with the restitution of the BSCB, which remains significantly disrupted up to 14d post SCI, revealing a potential time frame for therapy application. Further detailed examinations of the regenerative capacities and the molecular players involved in BSCB regeneration are necessary for the development of restorative therapies targeting the neurovascular unit.