Die Umverteilung von Aquaporin-4 im humanen Glioblastom korreliert mit dem Verlust der Agrin-Immunreaktivität in der Basalmembran von Hirngefäßen

Abstract

Die Entstehung vasogener Ödeme als Folge des Integritätsverlustes der Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist eines der größten klinischen Probleme sowohl bei chemisch-physikalischen Traumata als auch bei Tumoren des zentralen Nervensystems. Verantwortlich für diese Störung des Flüssigkeitsaustausches zwischen den einzelnen Gehirnkompartimenten zeigt sich das Wasserkanalprotein Aquaporin-4 (AQP4), welches als bisher einzig bekannter Bestandteil der sogenannten orthogonalen Partikelkomplexe (OPK) in den perivaskulären Endfüßen der Astrozyten geklustert wird. Diese Partikelkomplexe werden ausschließlich konzentriert in Membranbereichen exprimiert, in welchen der Astrozyt mit dem Mesenchym in Kontakt tritt, wie dies perivaskulär oder an der Gehirnoberfläche in Form der Glia limitans superficialis et pericvascularis der Fall ist. Parenchymale Membranbereiche zeigen immunzytochemisch kein AQP4-spezifisches Signal. In der vorliegenden Arbeit wurde die Expression von AQP4 im humanen Glioblastom untersucht und mit dem Expressionsmuster des extrazellulären Matrix-Heparansulfat-Proteoglykans Agrin sowie Bestandteilen des Dystrophin-Dystroglykan-Komplexes (DDC), welcher den Wasserkanal über eine PDZ-Domäne in der Zellmembran verankert, korreliert. Zu Kontroll- und Vergleichszwecken wurde jeweils Gehirngewebe von gesunden Ratten mituntersucht. Nach Visualisierung der immunhistochemischen Markierungen mittels Laser-Scan-Mikroskopie zeigte sich, dass das polare Expressionsmuster von AQP4 und seines Ankermoleküls 1-Syntrophin im Gliomgewebe verloren geht und beide Moleküle über alle astrozytären Membranoberflächen verteilt nachweisbar sind. Dieser Befund korrelierte positiv mit dem Verlust bzw. einer endothelial orientierten Lokalisation von Agrin in der perivaskulären extrazellulären Matrix. Ebenso konnte eine verminderte bis fehlende Expression des glialen -Dystroglykans, des Rezeptormoleküls für Agrin, dargestellt werden. Interessanterweise war andererseits eine starke Immunreaktivität gegenüber -Dystroglykan im Gefäßendothel nachweisbar. Die Expression der Hauptkomponenten des DDC, Dystrophin und Utrophin, blieb trotz des Polaritätsverlustes bzw. der Umverteilung von AQP4 und 1-Syntrophin über die gesamte Zellmembran ausschließlich auf die Astrozytenendfüße beschränkt. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass im Glioblastom eine räumliche Dissoziation von AQP4 und 1-Syntrophin vom DDC stattfindet und sich in der Folge beide Moleküle in unpolarisierter Form über die gesamte Zellmembran verteilen. Da die Dissoziation der beiden Moleküle jedoch positiv mit dem Verlust von Agrin in der extrazellulären Matrix korreliert, wird mit den vorliegenden Ergebnissen stark die Hypothese unterstützt, dass Agrin über die Bindung an -Dystroglykan direkt für die Klusterung von AQP4 bzw. möglicherweise des gesamten DDC in Form der OPKs verantwortlich ist. Da die polare OPK-Expression eine wichtige Rolle bei der Integrität der BHS spielt wird daher vorgeschlagen, Agrin verstärkt in den Fokus einer antiödematösen Therapie zu nehmen.

Vasogenic brain edema is one of the most serious clinical problems in brain tumors and tightly connected to water shifts between the different fluid compartments. Aquaporin water channels have been recognized to have an important impact on the development of edematous swelling in the brain. Astrocytes, which are believed to induce or at least maintain the blood-brain barrier in the brain capillary endothelial cells, express the aquaporin isoform AQP4. Normally, AQP4 is highly concentrated in the glial membrane where astrocytes contact mesenchymal space, such as perivascular or brain superficial regions. Parenchymal membranes do not show any immunocytochemical AQP4-specific signal. The AQP4 expression in human glioblastoma was investigated and correlated with the expression pattern of the extracellular heparan sulphate proteoglycan agrin and members of the dystrophin-dystroglycan complex. It has been found that AQP4 completely covered the surface of the glioma cells. α-Dystroglycan was absent from glial membranes but retained in endothelial membranes. Utrophin and dystrophin remained restricted to the endfoot membrane in those cells in which AQP4 had been redistributed, whereas α-syntrophin redistributed together with AQP4 across the entire cell surface. Since α-dystroglycan operates as a binding protein for agrin, these observations support the suggestions that (1) AQP4 is tightly associated with the dystrophin-dystroglycan complex, and (2) agrin is necessary for the polarized distribution of AQP4 in the astrocyte. The results are discussed in connection with the fact that normally AQP4 is assembled in the so-called orthogonal arrays of particles (OAPs).The restriction of AQP4/OAPs to the endfoot membrane may be dependent on the presence of agrin, and this might be essentially connected to the ability of astrocytes to maintain the integrity of the blood-brain barrier.