In vivo two-photon imaging of glial dysfunction in stroke

Prosjektet fokuserte på hvilke roller gliacellenes vannkanal aquaporin-4 (AQP4) har i hjernen ved hjerneslag. Et hovedfunn var at AQP4 påvirker gliacellenes Ca2+ signaler og volumregulering. Vi avdekket dermed mulige angrepspunkt for behandling av eksitotoksisk hjerneskade. Et annet funn var at AQP4 påvirker hjernens metabolisme under kraftige depolariseringer av hjernebarken. Effekten på hjernevevets metabolisme ble målt ved 2-foton NADH-fluorescensmikroskopi. Overraskende nok fant vi at forsøksmus som mangler AQP4 fikk økt metabolsk stress i hjernebarken, uten at blodtilstrømningen var endret. Andre viktige resultater var oppdagelse av mekanismer for polarisering av astrocytter og hvordan epilepsi medfører tap av slik polarisering. Vi fant også at mangel på AQP4 ikke medfører endringer i blod-hjernebarrieren, slik det var holdepunkt for i litteraturen. Prosjektet bidro også til å kaste nytt lys over AQP4s fysiologiske funksjoner. Først fant vi at AQP4 reduserer skrumpningen av ekstracellulærrommet under synaptisk aktivitet. Så oppdaget vi at AQP4 fremmer resorpsjonen av vann og avfallsstoffer fra hjernen, og øker sirkulasjonen av cerebrospinalvæske (CSF) langs en hittil ukjent rute; langs arterier som går inn i hjernebarken. Siden hjernen mangler et lymfesystem, som i andre organer nettopp sørger for å drenere bort overskuddsvæske og avfallsstoffer, ble den nyoppdagete sirkulasjonsveien kalt «glymfatisk sirkulasjon», der g henviser til gliacellene og deres vannkanaler. Funnene knyttet også vannkanal AQP4 til Alzheimers sykdom, siden mus som manglet AQP4 hadde forsinket drenasje av amyloid fra hjernevev. Resultatene har således endret oppfattelsen av hjernens væskesirkulasjon og avfallsdrenasje.

A number of neurological diseases for which current therapies are nonexisting or inadequate involve deficiencies in glial function. Examples are stroke, epilepsy and Alzheimers disease. The recent Nobel-recognized discovery of aquaporins - the channels th at mediate rapid and regulated transport of water - opened up a new field in molecular medicine. The applicant pioneered the research on aquaporins in the CNS and disclosed that aquaporin-4 (AQP4), the predominant brain aquaporin, is concentrated in speci alized glial membranes at the brain-blood interface. Despite a decade of intense research the roles of glial water channels are still an enigma. The project combines in vivo two-photon imaging to unravel novel roles of AQP4 in experimental stroke and bloo d flow dynamics. The new concepts launched are that AQP4 facilitates glial Ca2+ signaling and release of glutamate, thus promoting excitotoxic neuronal damage, cortical spreading depression and vascular dysfunction. We will delineate mechanisms underlying glial dysfunction in stroke, and assess roles of glial water channels in neurovascular coupling. The project is multidisciplinary and draws on the expertise of a national and international competence network including the EMBL Partnership for Molecular M edicine, an US group that is among the leading groups in the world on in vivo two-photon imaging, and Centre for Integrative Genetics (CIGENE) at the Norwegian University of Life Sciences.