Das Oozyten-Expressionssystem: Ein In vitro-Modell für neurotoxische Fragestellungen

Summary

The expression system of the Xenopus oocytes was used for neurotoxic investigations. The injection of mRNA from rats brains into the oocytes led to the expression of a voltage operated potassium channel and of glutamate operated ion channels. The effects of the neurotoxin lead (Pb²⁺) on the function of these ion channels were investigated. The potassium currents were decreased by Pb²⁺ in a concentration dependent manner. The threshold concentration was below 0.1 μmol/l, the IC50 value was about 1 μmol/l. Pb²⁺ exerts its effects from the extracellular side of the membrane. The reduction of the potassium currents by Pb²⁺ could be assumed to contribute to an increase of neuronal activity in nervous tissue. Membrane currents elicited by glutamate receptor agonists were affected by Pb²⁺ in a different manner. Pb²⁺ reduced membrane currents elicited by kainate (KA) and N-methyl-D-aspartate (NMDA). The AMPA induced ion currents were not affected by application of Pb²⁺. The threshold concentration of Pb²⁺ to KA responses were below 0.1 μmol/l, the IC50 value was greater than 50 μmol. The reducing effects of Pb²⁺ on the KA- and NMDA-induced membrane currents may contribute to the neurotoxic effects found in man. The results showed that the Xenopus oocyte expression system is a suitable tool for investigating the molecular actions of neurotoxic agents on ion channels.

Zusammenfassung

Das Expressionssystem der Oozyten von Xenopus laevis wurde für neurotoxikologische Untersuchungen eingesetzt. In den Oozyten wurde die Ausbildung eines spannungsgesteuerten Kaliumkanals und Glutamat-gesteuerter Ionenkanäle durch Injektion von messenger Ribonukleinsäure aus dem Nervengewebe der Ratte induziert. Es wurden die Wirkungen des Neurotoxins Blei (Pb²⁺) auf die Funktionsweise dieser Ionen-kanäle untersucht. Die Kaliumströme wurden konzentrationsabhängig durch Pb²⁺ verkleinert. Die Schwellenkonzentration von Pb²⁺ lag unter 0,1 μmol/l und die Konzentration bei halbmaximaler Wirkung (IC50) bei ca. 1 μmol/l. Blei übt seine Wirkung von der extrazellulären Seite der Membran aus. Die Verminderung der Kalium-Ionenströme könnte im Nervenzellverband zu einer verstärkten bioelektrischen Aktivität der Nervenzellen führen. Die Funktion der Glutamat-gesteuerten Ionenkanäle wurde in unterschiedlicher Weise durch Pb²⁺ beeinträchtigt. So wurden die Ionenströme der Glutamat-Agonisten N-Methyl-D-Aspartat und Kainat durch Pb²⁺ konzentrationsabhängig reduziert, während die durch a-Amino-3-Hydroxy-5-Methyl-4-Isoxazolpropionat ausgelösten Ionenströme nicht beeinflußt wurden. Die Schwellenkonzentration von Pb²⁺ auf die Kainat-Ionenströme lag unter 0,1 μmol/l, der ICso-Wert über 50 μmol/l. Da die Kainat- und N-Methyl-D-Aspartat-Ionenströme wesentlich an der synaptischen Übertragung im Zentralnervensystem beteiligt sind, können über die toxische Wirkung von Pb²⁺ auf diese Ionenkanäle verschiedene Störungen des Zentralnervensystems bei Blei-Intoxikationen erklärt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß das In vitro-Modell der Oozyten geeignet ist, molekulare Wirkmechanismen von neurotoxischen Substanzen auf Membrankanäle zu untersuchen, die für die Signalverarbeitung wichtig sind.

Key words

Lead - Neurotoxicity - Oocyte - Ion channels - Potassium channel - Glutamate receptors