HABILITATIONSSCHRIFT

 


Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – University of Veterinary Medicine Hannover – Foundation / Library

 

Veronika M. Stein

 

Molekularbiologische und funktionelle Studien zum Einfluss der Mikroglia auf die Pathogenese von Erkrankungen des Zentralen  Nervensystems

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-h2541

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Habilitationsschrift, 2011

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/h_stein11.pdf

abstract (deutsch)

Die Mikroglia ist die Immuneffektorzelle des ZNS. Jegliche Art von pathologischer Störung führt zu ihrer Aktivierung. Aufgrund der potenten Eigenschaften der aktivierten Mikroglia wird sie eng mit der Pathogenese neuropathologischer Erkrankungen assoziiert.

In den vorliegenden Studien wurde das Reaktionsprofil der Mikroglia ex vivo in acht verschiedenen neuropathologischen Paradigmen bei Hund und Katze untersucht. Dabei wurden die Diversität dieser Zellpopulation bei gesunden Hunden studiert, Rückschlüsse auf die Pathogenese gezogen und neue Therapieansätze untersucht. Die Ergebnisse wurden jeweils mit dem Alter und Geschlecht, aber auch mit klinischen Parametern, wie beispielsweise dem Vorhandensein von Krampfgesche­hen, der jeweiligen medikamentellen Behandlung, Kontrastmittelanreicherung in CT oder MRT, der Dauer und dem Schweregrad der Erkran­kung und dem Krankheits­verlauf korreliert. Verschiedene Techniken der Untersuchung wurden angewendet, wie vor allem die Durchflusszytometrie und die quantitative real-time PCR. Entstanden ist ein komplexes Bild über das Reaktionsprofil der Mikroglia bei Hund und Katze, über welches Rückschlüsse auf den Einfluss der Mikroglia auf die Pathogenese neuropathologischer Erkrankungen gezogen werden können.

In einer vergleichenden Studie wurde bei verschiedenen ZNS-Erkrankungen eine Aufregulation derselben Oberflächenantigenen gefunden, was für eine relativ unspezifische Reaktion der Mikroglia spricht. Bei der funktionellen Untersuchung wurde eine gesteigerte Phagozytose und ROS-Generation vor allem bei Entzündun­gen im ZNS gefunden. Entzündliche Erkrankungen waren auch mit einer Expression von MMPs, TIMPs und RECK verbunden, die Aufregulation der MMP-9-Expression auf Mikroglia zeigte eine statistische Signifikanz. Insbesondere für den Einfluss der Mikroglia auf die Pathogenese der Demyelinisierung bei akuter Hundestaupe haben sich deutliche Hinweise gefunden. Mikroglia von Hunden mit CDV-Infektion wies eine spezifisch und signifikant gesteigerte ROS-Generation auf, die zur Peroxidation von Proteinen, Lipiden und Glykolipiden in der Myelinscheide führen können.

Bei der Untersuchung der Mikroglia aus dem Rückenmark haben sich physiologische Unterschiede in Immunphänotyp und Funktion der Mikroglia in Abhängigkeit von der Lokalisation im ZNS ergeben, was auf eine immunologische Diversität der Mikroglia schließen lässt. Die erfassten Daten wurden als regionsspezifische Vergleichswerte für die Untersuchung der Mikroglia von Hunden nach Rückenmarkstrauma herangezogen, um einen Einfluss der Mikroglia auf den Sekundärschaden zu evaluieren. Die Mikroglia wies auch bei Rückenmarkstrauma deutliche morpho­logische, immunphänotypische und funktionelle Anzeichen für ihre Aktivierung auf. Die Frage, ob die mikroglial vermittelten Reaktionen neuroprotektiv sind und die Regeneration unterstützen oder negative Auswirkungen haben, ist schwierig zu beurteilen. Eine gesteigerte Generation von ROS scheint aber aufgrund der direkt neurotoxischen Eigenschaft zum Sekundärschaden nach Rückenmarkstrauma beizutragen.

Im Rahmen einer felinen neurodegenerativen Erkrankung, der Niemann Pick Krankheit Typ C (NP-C), wurden ein geänderter Immunphänotyp und gesteigerte Funktionen der Mikroglia gefunden. In einer Therapiestudie bei NP-C mit dem Medikament Miglustat wurde ein verändertes Reaktionsprofil der Mikroglia gefunden. Die Modulation des Immunphänotyps und der Funktion der Mikroglia könnte einen möglichen Wirkmechanismus von Miglustat darstellen und gleichzeitig einen Erklärungsansatz für die neurologische Verbesserung im Vergleich zu unbehandelten Katzen darstellen.

Die Erkenntnisse über den Einfluss der Mikroglia auf die Pathogenese von ZNS-Erkrankungen könnten neue Ansätze für innovative Therapiestrategien, auch von bisher nicht behandelbaren neurodegenerativen Erkrankungen liefern. Neben den direkten Erkenntnissen über mikrogliale Reaktionsprofile für die untersuchten Spezies Hund und Katze kommt den Studien auch wichtiger translationaler Modellcharakter für den Menschen zu.

 

abstract (englisch)

Microglia are the immune effector cells of the central nervous system (CNS). Virtually, every kind of pathological stimulus leads to their activation. Due to their potential functions activated microglia is closely associated with the pathogenesis of neuropathological diseases.

In the presented studies the reaction profile of microglia was examined ex vivo in the context of eight different neuropathological disease paradigms in dogs and cats. A bridge was built between examinations of the physiological diversity of this cell type, the influence on the pathogenesis of CNS diseases and new treatment modalities in an example of a neurodegenerative disease. The results obtained in the different studies were correlated with age, gender, and clinical parameters such as the presence or absence of seizures, medical treatment, contrast enhancement in computed tomography or magnetic resonance imaging, the duration and severity of the underlying disease, and the course of the disease. Various techniques for microglial characterization were applied such as flow cytometry and quantitative real-time PCR. The results of the studies present a complex picture of the microglial reaction profile in dogs and cats. Some conclusions can be drawn on the potential influence of microglia on the pathogenesis of neuropathological diseases.

In a comparative study an upregulation of surface antigens was found in different CNS diseases suggesting a relatively unspecific reaction pattern of microglia. However, the functional analysis revealed an enhanced phagocytosis and ROS generation most notably in inflammatory diseases of the CNS. Inflammatory CNS diseases were also accompanied with MMPs, TIMPs, and RECK expression on microglia cells, expression of MMP-9 was significantly enhanced. In particular, findings in canine distemper virus (CDV) infection point to a crucial role of microglia in the pathogenesis of demyelination. Microglia of dogs with CDV infection showed a significantly and specifically enhanced generation of ROS which could lead to peroxidation of proteins, lipids, and glycolipids which are constituents of the myelin sheath.

The examination of microglia from the spinal cord revealed physiological differences of microglial immunophenotype and function depending on the topographical localization within the CNS indicating an immunological diversity of microglia. The data obtained were also used as region-specific reference values for the analysis of microglia in dogs with spinal cord injury (SCI) and the assessment of their impact on the “secondary injury”. Microglia of dogs with SCI showed distinct morphological, immunophenotypical, and functional signs of activation. However, it is cumbersome to evaluate whether microglial reactions are neuroprotective and support neuronal regeneration or are harmful and exacerbate neurodegeneration. Due to direct neurotoxicity the enhanced ROS generation of microglia measured might significantly contribute to the secondary injury following SCI.

Furthermore, microglia was characterized in a feline neurodegenerative disorder, Niemann Pick disease type C (NP-C). Microglia of NP-C diseased cats showed immunophenotypical and functional changes associated with their activation. The microglial reaction profile differed in NP-C cats receiving miglustat in the course of a clinical therapy trial. The modulation of microglial immunophenotype and function might be one possible mode of action of miglustat and might similarly be an explanation for neurological improvement in comparison to untreated cats.

Increasing the knowledge about the impact of microglia on the pathogenesis of neuropathological diseases could give rise to the development of new treatment strategies including neurodegenerative diseases. Besides the direct gain of knowledge about microglial reaction profiles in the canine and feline species investigated the findings give important insights for translational studies.

 

keywords

Mikroglia, Zns, Entzündung, microglia, CNS, inflammation

kb

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