Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Vergleich der Schwann-Zell-Remyelinisierung in Modellen demyelinisierender Erkrankungen

Becker, Kathrin

Multiple sclerosis is a demyelinating disease of the central nervous system (CNS) which frequently affects young adults. Numerous animal models are used to evaluate the underlying mechanism of this disease. These models include Theiler’s murine encephalomyelitis (TME) as well as the murine cuprizone and the murine ethidium bromide model. The latter two models are based on the toxic effect of the applied substance, while the first is a virus-induced model.   Spontaneous remyelination is observed both in multiple sclerosis and its models. This process is mainly carried out by oligodendrocytes, but remains incomplete in multiple sclerosis. Despite being the ensheathing glia of the peripheral nervous system, Schwann cells can also participate in remyelination in the CNS. The Schwann cells seem to either migrate from the periphery into the   CNS or to directly develop from central precursor cells.   The first part of this study consisted of a review article focusing on the role of p75 neurotrophin receptor (p75NTR) in the CNS. While p75NTR is widely expressed during development, only certain cell populations retain its expression in the adult CNS. Yet, injury of the CNS can lead to the upregulation of p75NTR in neurons, astrocytes, oligodendroglia and microglia. Additionally, the important role of p75NTR as a marker for immature and non-myelinating Schwann cells, especially in the context of Schwann cell remyelination in the CNS, was elucidated.   The aim of the second part of this study was to compare the above mentioned three murine models in terms of presence of Schwann cell remyelination and differences in this process, for instance differing temporal development, as comparative studies are lacking so far in this regard. In addition, factors which could potentially influence this intrinsic reparative mechanism were investigated.   While Schwann cell remyelination, demonstrated via immunohistochemistry for periaxin, could be observed within lesions in the ethidium bromide model relatively early (day 21 after administration of toxin) and only later in TME (day 98 after infection), it was not present in the cuprizone model.   Different factors might contribute to this difference. Astrocytes have a negative influence on Schwann cell remyelination. Whereas astrocytes are diffusely distributed in the cuprizone model, they seemed to demarcate the lesions containing Schwann cells in the other two models. Besides, rapid remyelination by oligodendrocytes, possibly positively influenced by astrocytes, occurs in the cuprizone modell which might just not leave enough time for the Schwann cells to participate in remyelination.   Astrocytes further play a role as they are part of the blood-brain barrier. Damage to the bloodbrain barrier can allow Schwann cells to invade the CNS form the periphery. The damage induced by ethidium bromide in glial cells and thus also in the blood-brain barrier might favour the early appearance of Schwann cells in this model.   Besides astrocytes, microglia/macrophages also play an important part in Schwann cell remyelination. The phagocytosis of myelin debris by these cells sets the stage for remyelination by oligodendrocytes and might also play a role in Schwann cell-mediated remyelination. An increase in the number of microglia/macrophages was observed parallel to the Schwann cell remyelination in both the ethidium bromide model and TME. In TME, increased numbers of microglia/macrophages were present from day 98 to 245. Contrary, such an increase was only observed at day 14 and 35 in the cuprizone model. Possibly, the duration of the reaction of the   microglia/macrophages in this model is too short to have a positive influence on Schwann cell remyelination. Hence, this might be another factor contributing to the lack of Schwann cell remyelination in the cuprizone model.   Apart from the cellular components, the affected compartment of the CNS and the resulting distance from peripheral nerves to lesion might also be a factor. Contrary to studies in canine models, only single bipolar cells expressing p75NTR as a marker for   immature and non-myelinating Schwann cells were observed in the murine models. This might be attributable to species differences, but could also be caused by differing pathomechanisms. Besides the immunohistological investigations, a microarray analysis of genes expressed by Schwann cells was conducted in TME. This analysis revealed that the number of differentially expressed probe sets increased ftom 15% on day 14 to 72.5% on day 196. This is in concordance with the results of the immunohistochemistry which revealed the presence of significant numbers of myelinating Schwann cells from day 98 to 245.   In conclusion, the results of the present study demonstrate that multiple factors can potentially influence Schwann cell remyelination in the CNS and that this process markedly differs in the murine models, also with respect to temporal appearance of Schwann cells.

Die Multiple Sklerose stellt eine häufig junge Menschen betreffende, demyelinisierende Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS) dar. Um die zugrundeliegenden Mechanismen dieser Erkrankung zu erforschen, werden verschiedene Tiermodelle verwendet. Dazu gehören unter anderem die durch eine Virusinfektion verursachte Theilersche murine Enzephalomyelitis (TME) sowie das murine Cuprizon- und das murine Ethidiumbromid-Modell. Die beiden letzteren Modelle beruhen auf der toxischen Wirkung der verabreichten Substanz, während es sich bei ersterem um ein Virus-induziertes Modell handelt.   Sowohl bei der Multiplen Sklerose als auch ihren Modellen wird eine spontan auftretende Remyelinisierung beobachtet. Sie erfolgt vorwiegend durch Oligodendrozyten und bleibt bei der Multiplen Sklerose unvollständig. Obwohl Schwann-Zellen die Hüllzellen des peripheren Nervensystems darstellen, können auch sie an der Remyelinisierung im ZNS beteiligt sein. Dabei scheinen die Schwann-Zellen zum einen aus der Peripherie in das ZNS einwandern und zum anderen sich direkt aus zentralen Vorläuferzellen entwickeln zu können.   Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle des Neurotrophinrezeptors p75NTR im ZNS in einem Übersichtsartikel dargelegt. Während p75NTR in der Entwicklung von vielen Zellen exprimiert wird, ist seine Expression im adulten ZNS auf bestimmte Zellpopulationen beschränkt. Schädigungen des ZNS können jedoch zu einer Heraufregulation dieses Rezeptors in   Neuronen, Astrozyten, Oligodendrozyten und Mikroglia führen. Zusätzlich wurde die wichtige Rolle von p75NTR als Marker für unreife und nicht-myelinisierende Schwann-Zellen, vor allem auch in Zusammenhang mit dem Prozess der Schwann-Zell-Remyelinisierung im ZNS, beleuchtet.   Ziel des zweiten Teils der Arbeit war es, in den drei oben genannten murinen Modellen vergleichend zu untersuchen, ob eine Schwann-Zell-Remyelinisierung auftritt und inwiefern sie sich z.B. in der zeitlichen Ausprägung unterscheidet, da bisher keine Tiermodell-übergreifenden Studien vorliegen. Zusätzlich sollten Faktoren, die diesen intrinsischen Reparaturmechanismus   beeinflussen, untersucht werden.   Während in den Läsionen im Ethidiumbromid-Modell relativ früh (Tag 21 nach Toxingabe) und bei der TME erst später (Tag 98 nach Infektion) Schwann-Zell-Remyelinisierung mittels Immunhistologie für Periaxin dargestellt werden konnte, war sie im Cuprizon-Modell nicht vorhanden. Diese Unterschiede können auf verschiedene Faktoren zurückzuführen sein. Astrozyten haben einen negativen Einfluss auf die Schwann-Zell-Remyelinisierung. Während die Astrozyten im Cuprizon-Modell diffus verteilt waren und so möglicherweise keinen Raum für Schwann-Zellen ließen, schienen die Astrozyten in den anderen beiden Modellen die Läsionen,   die Schwann-Zellen enthielten, zu demarkieren. Außerdem wird im Cuprizon-Modell, eine sehr schnelle Reymyelinisierung durch Oligodendrozyten beobachtet, die möglicherweise durch die Astrozyten begünstigt wird und eventuell den Schwann-Zellen nicht genug Zeit lässt, sich an der Remyelinisierung zu beteiligen.   Astrozyten spielen zusätzlich insofern eine Rolle, dass sie an der Bildung der Blut-Hirn-Schranke beteiligt sind. Eine Schädigung der Blut-Hirn-Schranke kann Schwann-Zellen aus dem peripheren Nervensystem ermöglichen, das ZNS zu infiltrieren. Da Ethidiumbromid gliale Zellen und damit auch die Blut-Hirn-Schranke schädigt, könnte das frühe Auftreten von Schwann-   Zellen in diesem Modell dadurch begünstigt werden.   Neben Astrozyten spielen auch Mikroglia/Makrophagen eine wichtige Rolle bei der Schwann-Zell-Remyelinisierung. Bei der Remyelinisierung durch Oligodendrozyten ebnen die Mikroglia/Makrophagen durch Phagozytose den Weg für die Remyelinisierung. Möglicherweise spielt dieser Prozess auch eine Rolle bei der Schwann-Zell-Remyelinisierung. Sowohl im Ethidiumbromid-Modell als auch bei der TME trat die Schwann-Zell-Remyelinisierung zeitgleich mit einem Anstieg der Zahl der Mikroglia/Makrophagen auf. Die erhöhte Anzahl an Mikroglia/Makrophagen war bei der TME von Tag 98 bis 245 zu beobachten. Im Gegensatz dazu war eine solche Erhöhung nur an Tag 14 und 35 im Cuprizon-Modell nachweisbar. Möglicherweise ist diese zeitlich limitierte Reaktion der Mikroglia/Makrophagen zu kurz, um einen positiven Einfluss auf die Schwann-Zell-Remyelinisierung zu haben und stellt somit einen   weiteren Faktor dar, der zur fehlenden Schwann-Zell-Remyelinisierung in diesem Modell beitragen könnte.   Zusätzlich zu den zellulären Komponenten kann auch das jeweilige Kompartiment des ZNS eine Rolle spielen, wenn es um die Entfernung der Läsion zu peripheren Nerven geht. Im Gegensatz zu Studien in kaninen Modellen konnten bei den murinen Modellen nur einzelne bipolare Zellen, die p75NTR als Marker für unreife und nicht-myelinisierende Schwann-Zellen exprimieren, nachgewiesen werden. Dies kann auf Speziesunterschiede, jedoch auch auf abweichende Pathomechanismen zurückzuführen sein.   Zusätzlich zur immunhistologischen Untersuchung wurde für die TME eine Microarray-Analyse von Genen, die von Schwann-Zellen exprimiert werden, durchgeführt. In dieser Analyse zeigte sich, dass die Zahl der differentiell exprimierten probe sets von 15% an Tag 14 auf 72,5% an Tag 196 anstieg. Diese Ergebnisse sind mit der Immunhistologie vereinbar, bei der von Tag 98 bis 245 eine signifikante Anzahl myelinisierender Schwann-Zellen vorhanden war.   Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass unterschiedliche Faktoren den Prozess der Schwann-Zell-Remyelinisierung im ZNS beeinflussen können und zwischen den murinen Modellen deutliche Unterschiede, auch im Hinblick auf das zeitliche Auftreten, bestehen.

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Becker, Kathrin: Vergleich der Schwann-Zell-Remyelinisierung in Modellen demyelinisierender Erkrankungen. Hannover 2018. Tierärztliche Hochschule.

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