Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Sandra Heckers

Astrocyte functions during cuprizone-induced de- and remyelination

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-111243

titel (deu.)

Astrozytäre Funktionen in der Cuprizone-induzierten De- und Remyelinisierung

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2018

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/heckerss_ss18.pdf

abstract (deutsch)

Viele autoimmune, neurodegenerative Erkrankungen, wie z.B. die Multiple Sklerose, sind durch eine Demyelinisierung des zentralen Nervensystems (ZNS) gekennzeichnet. Der regenerative Prozess der Remyelinisierung stellt die Myelinscheiden wieder her. Dennoch resultiert Remyelinisierung in kürzeren und dünneren Myelinscheiden. Daher sind Remyelinisierungstherapien von großer Bedeutung in der Behandlung von MS. Tiermodelle, wie z.B. das Cuprizone Modell, sind hilfreich um die Prozesse von De- und Remyelinisierung zu studieren. Eine Fütterung von 0,2 % w/w des Kupfer-Chelators Cuprizone führt zu einem Absterben der Oligodendrozyten, einer Aktivierung von Astrozyten und Mikroglia, und somit schlussendlich zu einer Demyelinisierung fast aller Gehirnregionen. Der Wirkmechanismus von Cuprizone ist immer noch nicht völlig verstanden. Daher haben wir das Cuprizone Modell weiter charakterisiert und ferner eine Temperatur-abhängige Inaktivierung dieses Toxins untersucht, da eine mögliche Temperaturempfindlichkeit diskutiert wurde. C57BL/6J Mäuse wurden 4 Wochen lang mit 0,2% Cuprizone gefüttert, welche zuvor hitzebehandelt wurde (60 und 80 °C 15 min., 105 °C 30 min., 121 °C 20 min.). Die Kontrollgruppe erhielt unbehandelte Cuprizone. Zusätzlich wurden primäre Ratten Oligodendrozyten in vitro mit 350 µM Cuprizone-Lösungen inkubiert. Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass die durch Cuprizone verursachte Demyelinisierung, ebenso wie die selektive Toxizität für reife Oligodendrozyten, nicht durch Hitzeeinwirkung eingeschränkt werden. Ferner ist die astrozytäre Aktivierung nicht beeinträchtig durch eine thermale Vorbehandlung von Cuprizone.

Die Beteiligung von Astrozyten in den Vorgängen der De- und Remyelinisierung kann sowohl protektive, als auch schädliche Effekte habe. Für beide Auswirkungen ist die gliale Kommunikation durch Zytokine und Chemokine unabdingbar. Gp130 ist ein transmembranes Glykoprotein, welches als signal-übermittelnder β-Rezeptor für Zytokine der IL-6 Zytokin Familie fungiert. Diese Zytokine haben essentielle, immun-regulierende Eigenschaften im Hinblick auf MS. Der genaue Einfluss von gp130 Rezeptoren auf die Prozesse der De- und Remyelinisierung ist noch nicht völlig aufgeklärt. Deshalb haben wir in der zweiten Studie dieser Dissertation die Auswirkungen einer astrozytären Ablation von gp130 Rezeptoren untersucht. GFAP-Cre+/- gp130fl/fl Mäuse, welche keine gp130 Rezeptoren auf Astrozyten exprimieren, wurden gezüchtet. Für die Evaluation zellulärer- und Veränderungen in der mRNA Expression wurden immunhistochemische Färbungen und RT-PCR Analysen durchgeführt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass gp130 Rezeptoren notwendig für die astrozytäre Aktivierung und ihr Überleben sind. Darüber hinaus könnten diese Rezeptoren eine Schlüsselrolle in der astrozytären Heterogenität spielen, da der astrozytäre Verlust deutlich stärker im Cortex der GFAP-Cre+/- gp130fl/fl Mäuse ausgeprägt war, als im Corpus Callosum. Unsere RT-PCR Ergebnisse zeigen eine starke Verringerung der GFAP mRNA Expression in den GFAP-Cre+/- gp130fl/fl Mäuse. Des Weiteren war die Remyelinisierung im Corpus Callosum verzögert. Eine verringerte Proliferationseigenschaft der Oligodendrozyten Vorläuferzellen, sowie eine reduzierte Aktivierung und Akkumulation mikroglialer Zellen in den GFAP-Cre+/- gp130fl/fl Mäuse im Vergleich zu den gp130fl/fl Kontrolltieren wurde beobachtet. Daher könnte die Signalübertragung durch gp130 Rezeptoren auf Astrozyten einen wichtigen Beitrag in Remyelinisierungstherapien darstellen, da eine Modifizierung des Astrozyten Aktivierungsphänotyp möglich sein könnte.

abstract (englisch)

Several autoimmune neurodegenerative diseases, such as multiple sclerosis (MS), are characterized by demyelination of the central nervous system (CNS). Remyelination is the regenerative process restoring the myelin sheaths. Since remyelination results in shorter and thinner myelin sheaths, and often fails or is incomplete in MS patients, an urgent need for remyelination therapies exists. Animal models, such as cuprizone feeding, are a helpful tool to study the processes of de- and remyelination. The cooper chelator cuprizone leads, when supplemented to rodent chow in a concentration of 0.2% w/w, to oligodendrocytes` death, astro- and microglial activation, resulting in demyelination of almost all brain regions. Since the mode of cuprizone`s action is still not completely understood, we gained to elucidate this animal model further. Moreover, we investigated the inactivation of cuprizone by temperature, since this toxin was claimed to be heat-sensitive. Therefore, C57BL/6J mice were fed for 4 weeks with 0.2% cuprizone; either thermally pretreated (60 and 80 °C for 15 min., 105 °C for 30 min., 121 °C for 20 min.) or not heated. Additionally, primary rat oligodendrocytes were incubated with 350 μM cuprizone solutions, which were as well thermally pretreated or not. Our results clearly demonstrate that cuprizone`s demyelinating effect, as well as its selective toxicity for mature oligodendrocytes are not restricted by heat exposure. Further, no change within the activation of astrocytes has been observed after thermal pretreatment of cuprizone.

The participation of astrocytes in the processes of de- and remyelination can exert protective or detrimental effects. However, glial communication via cytokine/chemokine release and recognition are essential in reaction to any kind of insult to the CNS. Gp130 is a transmembrane glycoprotein, acting as signal-transducing β-receptor for members of the IL-6 cytokine family. These cytokines have essential immune-regulating properties in MS. The particular influence of gp130 receptors on astrocytes during de- and remyelination processes is still not clarified. Thus, in the second part of this thesis we aimed to investigate the influence of ablated gp130 receptors on astrocytes. Therefore, we bred GFAP-Cre+/- gp130fl/fl mice, which do not express gp130 receptors on astrocytes. The evaluation of cellular changes, as well as mRNA expression levels in comparison to gp130fl/fl animals was conducted via immunohistochemical stainings and RT-PCR analysis. We could show that gp130 receptors are essential for astrocyte survival and activation/accumulation. Moreover they may act as key player for astrocyte heterogeneity throughout the CNS, since the loss of astrocytes was more pronounced in the cortex of GFAP-Cre+/- gp130fl/fl animals than in the corpus callosum. Our RT-PCR results show a strong downregulation of GFAP mRNA in GFAP-Cre+/- gp130fl/fl animals. Further, the remyelination of the corpus callosum was delayed and a reduced oligodendrocyte precursor proliferation capacity was observed. Similarly, microglia activation/accumulation was reduced in GFAP-Cre+/- gp130fl/fl animals as compared to gp130fl/fl control animals. Therefore, gp130 signalling on astrocytes could depict a significant contribution in remyelination therapies, since it may allow modifying the astrocyte activation phenotype.

keywords

Astrozyten, Cuprizone, Gp130 ; Astrocytes, cuprizone, gp130

kb

1.531