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

 

Maren Lindner

 

Characterization of toxin induced de- and remyelination in the central nervous system and role of the chemokine receptor CXCR2

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-94970

title (ger.)

Charakterisierung von Toxin induzierter De- und Remyelinisierung des Zentralen Nervensystems und Rolle des Chemokinrezeptors CXCR2

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2007

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/lindnerm_ws07.pdf

abstract (deutsch)

Die Gründe für eine unvollständige Remyelinisierung bei der Multiplen Sklerose (MS) sind noch weitgehend ungeklärt. Die vorliegende Studie untersuchte die Remyelinisierung in einem toxischen Demyelinisierungsmodell, dem Cuprizon-Modell. Durch Fütterung des Kupferchelators Cuprizon wird eine gut reproduzierbare Demyelinisierung des Balkens (corpus callosum) herbeigeführt, wobei es  nach Absetzen des Toxins zu einer spontanen Remyelinisierung kommt. Um den Prozess der Remyelinisierung zu beschreiben bzw. Faktoren zu untersuchen die diesen beeinflussen können, etablierten wir zuerst eine geeignete Quantifizierungsmethode. Die semi-quantitative Auswertung eines früh exprimierten Myelinproteins (MBP; PLP) in Kombination mit einem spät exprimierten Myelinprotein (MOG) stellte sich als zuverlässige Quantifizierungsmethode heraus.

Im Folgenden untersuchten wir die Rolle des Chemokin Rezeptors CXCR2 während der physiologischen Myelinisierung sowie der De- and Remyelinisierung. Wir konnten zeigen, dass CXCR2 konstitutiv auf Oligodendrozyten exprimiert wird. Darüber hinaus, regulierten Mikroglia/Monozyten die CXCR2 Expression während der Demyelinisierung herauf. Die Regulation der CXCR2 Expression  erfolgte unterschiedlich auf den verschiedenen Zelltypen. Untersuchungen in CXCR2 defizienten Mäusen zeigten weder Unterschiede in der Myelinisierung noch einen anderen veränderten Verlauf der De- und Remyelinisierungsphase nach Cuprizongabe. CXCR2 spielt keine entscheidende Rolle bei der Remyelinisierung und dessen Funktion wird kompensiert in vivo. Weitere Versuche sollten den Einfluss  einer verlängerten Demyelinisierungsphase klären. Obwohl nach 16-wöchiger Cuprizongabe eine Depletion der Oligodendrozytenvorläuferzellen zu beobachten war, kam es dennoch zu einer weitreichenden Remyelinisierung, die aber langsamer erfolgte als nach kurzer Cuprizongabe (6 Wochen). Die untersuchte axonale Schädigung war nur gering ausgeprägt und steigerte sich nicht unter verlängerter Toxingabe. Die Anzahl der geschädigten Axone korrelierte gut mit der beobachteten Mikroglia/Monozyten Akkumulation, was die Vermutung zulässt, dass Mikroglia/Monozyten an den Pathomechanismen des axonalen Schadens beteiligt sind.

Die Beteiligung von kortikalen Läsionen am Verlauf der MS rückt zunehmend in den Fokus der MS Forschung. In der vorliegenden Arbeit beschreiben wir zum ersten Mal kortikale Läsionen in Cuprizon-Modell. Der Grad der Demyelinisierung wird vom verwendeten Mausstamm beeinflusst. C57BL/6 Mäuse zeigten nach 6 Wochen Cuprizongabe eine vollständige Demyelinisierung des Kortex, im Gegensatz zu balb/c Mäusen die nur unvollständig demyelinisierten.   Darüber hinaus scheinen die Mechanismen die zur Apoptose der Oligodendrozyten führen im Kortex und im Balken unterschiedlich zu sein, da es im Balken während der Demyelinisierung zu einer massiven Mikroglia/Monozyten Akkumulation kam, während diese im Kortex komplett fehlte.

Während verlängerter Cuprizongabe zeigten die Mäuse Stress-induzierte Anfälle, die in der vorliegenden Arbeit näher untersucht wurden. Außerdem konnte eine massive Demyelinisierung des Hippokampus mit einhergehender neuronalen Schädigung gezeigt werden. Unsere Daten lassen vermuten, dass die im Cuprizon-Modell auftretenden Anfälle durch die neuronale Degeneration am Hippokampus ausgelöst werden.

Zusammengefasst, wurde in der vorliegenden Arbeit das Cuprizon-Modell näher charakterisiert und verschiedene neue Aspekte, eingeschlossen kortikale Demyelinisierung sowie Neuronenverlust im Hippokampus, beschrieben. Darüber hinaus unterstreicht die vorliegende Studie, dass sich das Cuprizon-Modell zur Untersuchung der pathologischen und funktionellen Konsequenzen der Demyelinisierung gut eignet. Die vorliegenden Daten  geben neuen Aufschluss über den Remyelinisierungsprozess  im Cuprizon-Modell und dienen als Basis für eine weiterführende Aufklärung der molekularen Mechanismen der Remyelinisierung.

 

abstract (englisch)

The reasons for remyelination failure in multiple sclerosis (MS) lesions are manifold and not completely understood. The present study investigated the remyelination process in a toxic demyelination model, the cuprizone model. Feeding of the copper chelator cuprizone to young adult mice leads to a reproducible demyelination of the corpus callosum. Spontaneous remyelination occurs after withdrawal from the diet. In order to describe the remyelination process and investigate factors which may influence this process we established first a fast and reliable quantification method. Scoring of an early re-expressed myelin protein (like MBP or PLP) and a late re-expressed myelin protein (MOG) was found to correlate well with electron microscopic results even adding additional information. Hence, this time-saving method turned out to be reliable and was used for all further experiments. These experiments could also demonstrate that remyelination is initiated quickly after the toxin is removed and repair processes are switched on within days.

We further studied the role of the chemokine receptor CXCR2 during myelination, de- and remyelination. CXCR2 is believed to influence the behaviour of oligodendrocyte precursor cells (OPC), the myelin producing cells in the central nervous system (CNS). We showed that CXCR2 is constitutively expressed on OPC as well as on mature oligodendrocytes during cuprizone treatment. In addition, double staining demonstrated that microglia/monocyte upregulate the expression of CXCR2 during demyelination. These findings suggest that CXCR2 is differentially regulated on oligodendrocytes and microglia/monocytes. However, physiological myelination in CXCR2 -/- mice was not altered compared to wildtype littermates. Furthermore, the absence of CXCR2 did not influence the de- and remyelination of the cuprizone model. Thus, the impact of CXCR2 signalling is highly compensated for in vivo and other chemokine receptors may serve as a substitute for CXCR2. It is still not clear whether or not CXCR2 plays a role in patients with MS, but our results make it unlikely that this receptor may be a useful therapeutic target.

Additional investigations examined the consequences of prolonged demyelination in this model. Despite severe depletion of OPC after chronic cuprizone exposure (up to 16 weeks), extensive remyelination occurred. Nevertheless, the rate of the observed remyelination process was slowed down compared to acute demyelination (6 weeks on cuprizone diet). Interestingly, the investigated axonal damage was only minimal after acute demyelination and did not increase while cuprizone treatment was continued. The amount of axonal damage correlated best with the microglia/monocyte accumulation, suggesting a role for microglia in the pathomechanisms of axonal loss.

The presence of cortical lesions in MS was mostly neglected in the past and has come more into the focus of current MS research. We described here for the first time cortical demyelination in the cuprizone model. Interestingly, the degree of demyelination within the cortex seems to be strain dependent, since balb/c mice exhibit less demyelination than C57BL/6 mice. Moreover, the mechanisms of oligodendrocyte death appear to be different in the corpus callosum and the cortex. During demyelination microglia/monocytes accumulated extensively in the corpus callosum, whereas microglial accumulation was absent in the cortex. This contrasts observations in balb/c mice, where microglia/monocytes accumulate abundantly in the cortex. These findings underline the importance of the mice strain used in the cuprizone model and suggest a genetic dependence on the underlying molecular mechanisms.

Epileptic seizures are known to occur in different animal models of demyelination. We described and characterized epileptic seizures occurring during chronic demyelination. Upon stress-inducing stimuli most animals exhibited seizures. Furthermore, we showed for the first time a massive demyelination within the hippocampal formation which was associated with neuronal loss. Our data suggest that the seizures occurring in the cuprizone model are a consequence of neuronal degeneration in the hippocampal formation. Moreover, this study corroborates the usefulness of the cuprizone model in studying the pathological and functional consequences of demyelination.

In conclusion, the present study further characterized the cuprizone model. Several new features including cortical demyelination and hippocampal damage with neuronal loss and epileptic seizures were described. These data provide substantial information about the remyelination process within the cuprizone model and serve as a basis for the further elucidation of the molecular mechanisms of remyelination.

 

keywords

Multiple Sklerosis, Remyelinisierung, Chemokinrezeptor CXCR2; multiple sclerosis, remyelination, chemokine receptor CXCR2

kb

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