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

 

Paraskevi N. Koutsoudaki

 

Molecular basis of the axon – oligodendrocyte interaction during remyelination

Polysialic Acid in the murine cuprizone model for demyelination and remyelination

 

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-97984

title (ger.)

Molekulare Grundlage der Axon-Oligodendrozyten Interaktion während der Remyelinisierung. Polysialinsäure im murinen Cuprizone Modell für De- und Remyelinisierung

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2009

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/koutsoudakip_ws09.pdf

abstract (deutsch)

Multiple Sklerose (MS) ist eine autoimmun vermittelte demyelinisierende Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), von der weltweit 2.5 Millionen Menschen betroffen sind. Die Erkrankung wird durch multifokale Entzündung, Zelltod von Oligodendrozyten, reaktive Gliose und axonale Degeneration charakterisiert. Die Läsionen befinden sich gewöhnlich in der weißen Substanz des Gehirns und des Rückenmarks. Neuere Arbeiten zeigen jedoch, dass Läsionen auch in der grauen Substanz des Gehirns, wie dem Kortex oder Hippocampus häufig zu finden sind. Kognitive Defizite, die bei 25-60% der MS-Patienten beobachtet werden, sind mit den demyelinisierten Plaques im Hippocampus in Verbindung gebracht worden. Durch Zugabe des Kupferchelators Cuprizone zum Futter kommt es bei Nagetieren innerhalb weniger Wochen zu einer reproduzierbaren Oligodendrozytenschädigung und einer ausgeprägten Demyelinisierung im Corpus Callosum. Die Remyelinisierung wird spontan nach dem Absetzten des Cuprizone eingeleitet. Die Verabreichung von Cuprizone ist ein zuverlässiges Tiermodell, das die Untersuchung der De-und Remyelinisierung erlaubt. Vorherige Studien haben gezeigt, dass der Hippocampus durch die Verabreichung von Cuprizone beeinflusst wird. In dieser Studie beschreiben wir detailliert die hippocampale Demyelinisierung im Cuprizone Modell. Wir haben gezeigt, dass nach der Fütterung von 0.2% Cuprizone eine prominente hippocampale Demyelinisierung in C57BL/6 Mäusen erreicht wird. Zusätzlich konnte aufgezeigt werden, dass bestimmte Strukturen im Hippocampus ein variables temporales Demyelinisierungsmuster aufweisen. Die Demyelinisierung im Hippocampus wird von einer Anhäufung von Astrozyten, Mikroglia und Nestin-positiver Zellen begleitet. Eine Remyelinisierung in MS-Plaques tritt zwar regelhaft auf, ist aber oft inkomplett. Die Remyelinisierung erfordert die Rekrutierung von Oligodendrozyten-Vorläuferzellen und die anschließende Differenzierung dieser Zellen zu reifen, myelinbildenden Oligodendrozyten. Das neurale Zelladhäsionsmolekül (NCAM) spielt eine bedeutende Rolle in der Zell-Zell Interaktion im Nervensystem. Seine Funktion wird durch die posttranslationale Anlagerung der Polysialinsäure (PSA) reguliert, die durch zwei Polysialyltransferasen (St8siaII, St8siaIV) erfolgt. St8siaIV ist vorwiegend in adulten Mäusen aktiv. PSA reguliert die Funktion von NCAM, indem es seine Adhäsionsfähigkeit behindert. PSA wird während der Entwicklung in vielen Geweben exprimiert, während im Erwachsenenalter die Expression auf wenige Bereiche im Gehirn limitiert ist. Durch die Reexpression von PSA auf permanent demyelinisierten Axonen in MS-Läsionen kann dieses Molekül als möglicher Inhibitor der Remyelinisierung betrachtet werden. Wir haben gezeigt, dass die Verabreichung von Cuprizone die PSA-Expression im Gehirn beeinflusst. Insbesondere führt die 6-wöchige Fütterung von 0.2% Cuprizone zu einer Reduktion der PSA-Expression in den Fasern des mossy fiber tract, während die Expression in den Fasern der hippocampalen Kommissur und in den jungen Neuronen der subgranulären Zellen des Gyrus dentatus vollständig verloren geht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die verminderte PSA-Synthese mit einer früher einsetzenden Remyelinisierung im Corpus Callosum und Kortex nach Absetzten des Cuprizone in Zusammenhang gebracht werden kann. Der Effekt scheint durch eine schnellere Differenzierung von Oligodendrozytenvorläuferzellen zu reifen Oligodendrozyten vermittelt zu sein. Diese Ergebnisse zeigen, dass PSA die Remyelinisierung, in vivo, moduliert und als eine mögliche Zielstruktur für die MS-Therapie in Frage kommt.

 

abstract (englisch)

Multiple sclerosis is an autoimmune demyelinating disease affecting 2.5 million people worldwide. The disease is characterized by multifocal inflammation, oligodendrocyte death, reactive gliosis, and axonal degeneration. Lesions are usually found in the white matter of the brain and spinal cord. Nevertheless lesions have also been often recorded in gray matter areas of the brain such as the hippocampus. Demyelinated plaques in the hippocampus have been linked to cognitive deficits observed in 25-60% of multiple sclerosis patients. Cuprizone is a copper chelator which when administered to rodents reproducibly causes oligodendrocyte death and induces prominent demyelination in the corpus callosum within weeks. Remyelination occurs spontaneously after cuprizone is withdrawn from the rodent chow. Administration of cuprizone is thus used as a reliable animal model in studying demyelination as well as remyelination. Previous studies have shown that the hippocampus is also affected by cuprizone administration. In this study we described in detail hippocampal demyelination in the cuprizone model. We showed that after 6 weeks of 0.2% cuprizone treatment in C57BL/6 mice hippocampal demyelination was prominent. Also, distinct formations within the hippocampus had a variable temporal demyelination pattern. Demyelination in the hippocampus was accompanied by accumulation of astroglia, microglia, as well as accumulation of nestin-positive cells. Spontaneous remyelination has been described in multiple sclerosis plaques, and it has been found to restore electrophysiological activity. Remyelination requires first recruitment of oligodendrocyte precursor cells and later differentiation of these into mature oligodendrocytes. The neural cell adhesion molecule (NCAM) is playing a major role in cell-cell recognition in the nervous system. Its function is regulated by posttranslational addition of polysialic acid (PSA) on it by two polysialyltransferases, St8siaII and St8siaIV. St8siaIV is the enzyme predominantly active in adult mice. PSA regulates NCAM function by disrupting its adhesive properties. PSA is widely expressed during development, but its expression is limited to very few brain formations in adulthood. Its re-expression on permanently demyelinated axons in multiple sclerosis lesions renders PSA a possible remyelination inhibitor. We showed that cuprizone treatment affects PSA expression in the brain. More particularly a 6-week cuprizone administration leads to reduction of PSA expression in the fibers of the mossy fiber tract, while it completely disappears from fibers of the hippocampal commissure and from the young neurons of the subgranular cell layer of the dentate gyrus. To further study the role of PSA in remyelination, St8siaIV deficient mice were submitted to cuprizone treatment. We observed that reduced PSA synthesis is associated with a faster onset of remyelination in the corpus callosum and the cortex after withdrawal of the cuprizone treatment. This data show that PSA modulates demyelination in vivo and thus it could serve as a target for new regenerative treatments for multiple sclerosis.

 

keywords

Myelin, Cuprizone Modell, Polysialinsäure; myelin, cuprizone model, polysialic acid

kb

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