 |
Molecular mechanisms of neuroprotection in a translational model of neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128464 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Kovács, Viktória |
| Title in Hungarian |
Neuroprotektív stratégiák molekuláris mechanizmusainak vizsgálata újszülöttkori hipoxiás-iszkémiás enkefalopátia transzlációs modellben |
| Title in English |
Molecular mechanisms of neuroprotection in a translational model of neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy |
| Keywords in Hungarian |
újszülött malac, hipoxiás-iszkémiás enkefalopátia, BDNF, kinurénsav analóg, mRNS |
| Keywords in English |
newborn pig, hypoxic-ischemic encephalopathy, BDNF, kynurenic acid analog, mRNA |
| Discipline |
| Organ physiology and pathophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 60 % | | Ortelius classification: General pathology | | Pediatrics, perinatology (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Neurology, cerebrovascular disorders, psychiatry and mental health (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Neurology, Psychiatry |
|
| Panel |
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology |
| Department or equivalent |
Department of Physiology (University of Szeged) |
| Starting date |
2018-10-01 |
| Closing date |
2021-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.807 |
| FTE (full time equivalent) |
2.22 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kutatásaink középpontjában az újszülöttekben iszkémia hatására kialakuló hipoxiás-iszkémiás enkefalopátia (HIE) vizsgálata áll, melyhez nagyállat transzlációs modellként újszülött malacot használunk. A HIE hátterében álló perinatális aszfixia (PA) hipoxiás-iszkémiás agykárosodáshoz vezethet. A károsodásért a reoxigenizációs/reperfúziós folyamatok, a másodlagos energiaválság és az epileptiform görcstevékenység egyaránt felelősek, amelyek hatására az agykárosodás a születést követő 48-72 órán belül alakul ki. A folyamatosan kifejlődő kórállapot még lehetőséget biztosíthat a károsodás folyamatainak mérséklésére, így kiemelt jelentőségű a megfelelő terápiás célpontok kidolgozása. A már klinikai gyakorlatban is alkalmazott hipotermiás kezelés hatékonynak bizonyult ugyan, de csak részleges megoldást kínál a HIE kezelésére. Kísérleteink célja lehetséges neuroprotektív stratégiák kidolgozása, melyet két útvonalon közelítünk meg. Elsősorban az aszfixia bekövetkezését követő időszakban molekuláris hidrogén lélegeztetésével, illetve a Magyarországon kifejlesztett vér-agy gáton is permeábilis SZR-72 kezeléssel,mely a neuroprotektív kinurénsav széles körben alkalmazott származéka. Célul tűztük ki az említett kezelések hatásának kimutatását önmagukban, hipotermiás kezeléssel kombinálva, ill. további target molekulák azonosítását, melyek a PA során bekövetkező neuronális károsodás kialakulásában játszanak szerepet. Előzetesen elvégzett kísérleteink alapján feltételezzük az agyi eredetű neurotróf faktor (BDNF), illetve a caspase-3 génexpressziós mintázatának változását az aszfixiás inzultus hatására, célunk tehát ezen szabályozó útvonalak feltérképezése a HIE kialakulásának folyamatában.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A perinatális aszfixia (PA) által indukált metabolikus stressz az újszülöttekben olyan elváltozásokat okozhat, amely hipoxiás-iszkémiás enkefalopátia (HIE) kialakulásához vezet. Napjainkban a szisztémás hipotermia kezelés (HT) hatása klinikailag igazolt ugyan, de csak részben hatékony neuroprotektív terápia a HIE súlyosságának enyhítésére. Laborunk által létrehozott HIE nagyállat transzlációs modell alkalmas a következő konkrét hipotézisek tesztelésére:
1. Szeretnénk megvizsgálni, hogy a HT-val kombinált H2 kezelés képes-e további neuroprotektív hatást eredményezni a korábban önmagában alkalmazott HT-val összehasonlítva újszülött sertésekben PA után.
2. Szeretnénk megvizsgálni a kinurénsav származék SZR-72 feltételezett neuroprotektív szerepét önmagában alkalmazva, illetve HT kezeléssel kombinálva.
3. Vizsgálni kívánjuk az agyi eredetű neurotróf faktor (brain-derived neurotrophic factor BDNF) és a caspase-3 molekuláris szintű génexpressziós mintázat változásait, illetve a hozzájuk köthető szignál transzdukciós útvonalakat a HIE kialakulásának folyamatában.
4. Abban az esetben, ha a HT a H2 kezeléssel, illetve a HT az SZR72 szisztémás kezelésével neuroprotektívnek bizonyul, célul tűzzük ki ezen folyamatok hátterében zajló szignál transzdukciós útvonalak felderítését a 3. pontban említettek szerint.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A perinatális aszfixia (PA) által indukált hipoxiás-iszkémiás enkefalopátia (HIE) súlyos hatással nehezedik a társadalomra. Ez azonban nem csak a családokat érinti, hanem a társadalombiztosítást szintén súlyosan megterheli az a sok száz milliárd forint, mely a HIE által szenvedett túlélő gyermekek kezelésébe kerül. A társadalmat érintő súlyos teher ellenére, az alapkutatás ezen területe meglehetősen nagy érdektelenséget mutat, ezenkívül a gyógyszergyárak által kínált terápiás lehetőségek szintén nagyon szűkösek. Ezen terület kutatásának közfinanszírozása tehát kiemelt jelentőséggel bír. Az általunk létrehozott egyedi újszülött malac modell kiválóan alkalmas klinikailag releváns neuroprotektív stratégiák tesztelésére, amely alapot biztosít a további klinikai kutatások számára. Kísérleti körülményeink az inzultust követő kritikus 48 órában a jelenlegi legjobb szupportív klinikai ellátást biztosítják a PA-n átesett újszülött malacnak. Ez a PA/HIE modell tehát alkalmas súlyos PA során kialakuló metabolikus, hemodinamikai és EEG elváltozások modellezésére, így a már klinikumban is alkalmazott hipotermiás kezeléssel kombinálva különböző neuroprotektív kezelések hatásosságának tesztelésére. Bebizonyítottuk, hogy HIE modellünkben a molekuláris hidrogén neuroprotektív hatással rendelkezik, melyet a PA-t követő 24 órás utánkövetési időszaban vizsgáltunk. Ezen hatást most hipotermiás kezeléssel kiegészítve 48 órás utánkövetési időszakra bővítve kívánunk tovább vizsgálni. Tervezzük továbbá, hogy teszteljünk egy új SZR-72 kinurénsav származékot, amelyről már bebizonyosodott, hogy a vér-agy gáton átjutva neuroprotekciót fejt ki különböző felnőtt patkány neurodegeneratív- és stroke modellekben. Ezt a vegyületet még soha nem vizsgálták HIE transzlációs modellben, így eredményeink nemzetközi érdeklődés középpontjába kerülhetnek. A neuroprotekció mértékét pontosan jelző neuropathológiai pontozás és az EEG regenerációja mellett génexpressziós vizsgálatokat tervezünk annak érdekében, hogy betekintést nyerjünk a neuronális sérülések- és védelem molekuláris mechanizmusaiba. Az összegyűjtött agymintákból először a BDNF és a kaszpáz-3 mRNS-szint változásokat, majd a downstream és az upstream jelátviteli kaszkád elemeit vizsgáljuk meg.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A WHO adatai szerint a perinatális aszfixia (PA) érett újszülöttek esetében is 1000 élve születésből 4 újszülöttet érint világszerte, amennyiben ez az oxigén hiányos állapot elég hosszú időn át áll fenn ahhoz, hogy maradandó fizikai károsodást hozzon létre. Ez évente 4 millió csecsemő halálát jelenti világszerte, további 38%-uk pedig 5 éves kora előtt elhalálozik. A PA a legfontosabb tényező, melynek következményeként a maradandó agysérülés és idegrendszeri károsodás végzetes kimenetelű lehet. A PA megnöveli tehát a mortalitást, illetve a fizikai és értelmi fogyatékosság kockázatát. Ezt a kórképet hipoxiás-iszkémiás enkefalopátiának (HIE) nevezzük. Ez a PA-t túlélő csecsemőknél kialakuló kórkép nem egy hirtelen bekövetkező esemény, inkább egy elhúzódó folyamat eredménye. A HIE-hoz vezető út háttere nem teljesen ismert, és jelenleg nem létezik teljes mértékben hatásos kezelés, amely védelmet biztosítana a HIE kialakulásával szemben. A kórkép tökéletes modellezése is nehéz, annak ellenére, hogy jelenleg többféle állatmodellen próbálják létrehozni a HIE humán jellegzetességeit. Kísérleteink újszülött malac modellje közelebb áll a széles körben elterjedt újszülött egér és patkány modelleknél, hiszen agyának mérete, struktúrája, érettsége áll legközelebb az érett humán újszülötthöz. Célul tűztük ki olyan sejten belüli hatások vizsgálatát, melyek elengedhetetlenek az idegsejtek túléléséhez és segíthetnek az idegrendszert védő terápiák kifejlesztésében. A HIE molekuláris hátterének megismerése hozzásegíthet minket további hatásos terápiák kidolgozásában, melynek nyomán képesek leszünk csökkenteni az agykárosodás súlyosságát, illetve a halálozási arányt PA bekövetkezése esetén.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The proposal focuses on the study of neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE) using a translational large animal model: the newborn pig. HIE is triggered by perinatal asphyxia leading to hypoxic/ischemic brain injury through a sequence of events characterized by reoxygenation/reperfusion injury, secondary energy failure, neuroinflammation, and seizures resulting in cumulative brain injury over the first 48-72 hours after birth. Neuronal injury in HIE is thus an evolving process opening a quite long therapeutic window, especially if injury mechanisms are identified and appropriate treatment options are developed. In recent years, hypothermia treatment (HT) offers a partial solution to neuroprotective management of HIE. To extend the translational potential of our model, we doubled our HIE model observation period in order to be able to employ HT. The major objectives of the current proposal are to test the neuroprotective potencies of two interventions, specifically postasphyxial administration of H2 and the kynurenic acid analogue SZR-72. We are planning to test neuroprotective effects of these treatments alone and also combined with HT to assess the translational potential of the treatments. Furthermore, we aim to identify molecular targets mediating neuronal injury by studying changes in gene expression utilizing porcine-specific primers and qRT-PCR. We hypothesize and provide preliminary evidence that brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and its downstream signaling elements and also caspase-3 expression changes in response to asphyxia, and we wish to reveal if the effective neuroprotectants can exert their actions through these mechanisms.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Perinatal asphyxia induces severe metabolic stress in the neonate triggering the chain of events leading to hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE). Currently, systemic hypothermia treatment (HT) is the only clinically proven but only partially effective neuroprotective therapy to mitigate HIE severity. We have developed and recently improved a translational large animal model of HIE to test the following specific hypotheses related to the proposal:
1. We would like to investigate if H2 combined with HT would exert additional neuroprotection compared to HT alone after experimental asphyxia in newborn pigs.
2. We would like to investigate if the kynurenic acid derivative SZR-72 is neuroprotective, and if it would exert additional neuroprotection combined with HT in our animal model.
3. We would like to investigate the molecular mechanisms of brain injury, more specifically, we would like to investigate expression changes for BDNF, its downstream signal transduction elements, as well as caspase- 3 and its upstream elements.
4. In case neuroprotection can be shown for HT combined either with H2 or SZR-72, we wish to investigate if the neuroprotection is associated/explained by the changes of the signal transduction pathways studied at point 3.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE) induced by perinatal asphyxia (PA) has a tremendous impact on the society. This impact can also be measured in billions of dollars of health care costs, still this area is underrepresented in basic research, and the interest of pharmaceutical companies in developing HIE treatments is also quite limited. Therefore, public funding of this research area is of paramount importance. Our unique newborn piglet model of HIE is suitable to test clinically relevant neuroprotective strategies thus may form the basis of further, clinical research. Our model reproduces the current best clinical supportive care and now also hypothermia treatment (HT) of asphyxiated infants up to 48 hours following PA in piglets. This PA/HIE model has been shown to reproduce severe PA comparable to that occurring in humans proven by similar changes in arterial pH, and lactate levels inducing moderate to severe HIE. Our model is now ready to compare the neuroprotection afforded by new approaches with HT, and to test combined treatments for synergistic neuroprotection. We have already shown that H2 can be effective in protecting neurons and neurovascular unit function up to 24 hours after asphyxia, and now we are going to test hydrogen treatment against and in combination with HT in our extended HIE model. This is a novel approach, unparalleled in Hungary, and there are only a handful of laboratories world-wide that can perform this labour-intensive in vivo model. We are also planning to test a novel kynurenic acid analogue SZR-72 that has already been shown to penetrate into the brain and to exert neuroprotection in various adult rodent models. However, to the best of our knowledge, this compound has never been tested in any HIE models yet, thus the results may produce high impact research papers in the field of experimental neonatology. In addition to the well-known outcome measures of neuroprotection such as neuropathology scoring and EEG recovery, we are planning new gene expression studies to get insight into the molecular mechanisms of neuronal injury and protection starting with BDNF and caspase-3 expression changes along with its downstream and upstream signaling cascade elements, respectively.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The World Health Organization estimates that perinatal asphyxia (PA) affects ~4 out of 1000 live births resulting from deprivation of oxygen to a newborn infant that lasts long enough to cause physical harm. According to these data, 4 million neonatal deaths occur yearly due to PA, representing 38% of deaths of children under 5 years of age worldwide. PA is one of the main factors leading to cerebral injuries and neurodevelopmental impairment and can be fatal in severe cases. PA can elicit mortality or severe disability in the survivors called hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE) in term infants which affects about every fourth babies exposed to PA worldwide. This mental and physical disorder of surviving children is not a single “event” but rather an evolving process. The exact development of HIE is not yet understood and there is currently only partially effective hypothermia treatment (body cooling) that necessitate further preclinical research. There are several animal models to study the mechanisms of developing HIE, however, we believe that the newborn piglets used in our studies are superior to pups of rats and mice, as their brain size, structure and maturity is much more similar to the term human neonate offering translational research. Our research proposal aims to test novel neuroprotective therapies and also to study subcellular molecular mechanisms that can be decisive to the survival and preservation of nerve cells during this crucial period of brain development. Our studies may identify new promising targets of neuroprotection that can offer mitigation of HIE severity and to further reduce neonatal mortality after PA.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
