The role of the innate immune response in Theiler’s murine encephalomyelitis neuropathogenesis

Li, Lin

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The role of the innate immune response in Theiler’s murine encephalomyelitis neuropathogenesis

German
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Die experimentelle intrazerebrale Infektion von Mäusen mit dem murinen Theilervirus-Enzephalomyelitis-Virus (TMEV) wird in zahlreichen Studien zur Untersuchung von Pathomechanismen demyelinisierender Erkrankungen wie der humanen Multiplen Sklerose (MS) benutzt. Dieses Virus verursacht in empfänglichen Mausstämmen eine biphasische Erkrankung, welche aus einer akuten Polioenzephalitis und einer chronischen demyelinisierenden Leukomyelitis besteht. Demgegenüber eliminieren resistente Mausstämme das Virus innerhalb von zwei bis vier Wochen aus dem zentralen Nervensystem (ZNS). Hierfür benötigen resistente Mäuse wahrscheinlich eine starke antivirale angeborene Immunantwort, welche zum großen Teil auf der Aktivierung des Typ I Interferon (IFN)-Signalweges beruht. Detaillierte Analysen dieses Signalweges wurden jedoch bisher nicht durchgeführt. Im Rahmen dieser Studie wurde die Expression von IFN-abhängigen Genen wie IFN-stimuliertes Protein von 15 kDa (ISG15), Proteinkinase R (PKR) und 2'5'-Oligoadenylatsynthetase (OAS) auf der Ebene der Transkription und Translation im Verlauf der murinen Theilervirus-Enzephalomyelitis (TME) im Rückenmark bei empfänglichen SJL/J- und resistenten C57BL/6-Mäusen verglichen, um Einblicke in die Aktivierung des Typ I IFN-Signalweges zu erhalten. Die Analyse von Microarray-Daten zeigte, dass eine TMEV-Infektion von SJL/J-Mäusen zu einer starken Expression von mRNS-Transkripten IFN-abhängiger Gene insbesondere ISG15 führt. Außerdem wurde die Bildung zahlreicher weiterer Gene des Typ I IFN-Signalweges auf der Ebene der Transkription induziert. Allerdings wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen scheininfizierten und TMEV-infizierten SJL/J-Mäusen in der Genexpression der Typ I Interferone IFN-α und IFN-β nachgewiesen. Darüber hinaus zeigte eine immunhistologische Untersuchung des Rückenmarks von SJL/J-Mäusen, dass die Proteinexpression IFN-abhängiger Gene nach einer TMEV-Infektion kaum verändert war. Demgegenüber wiesen resistente C57BL/6-Mäuse eine starke konstitutive Proteinexpression aller untersuchten IFN-abhängigen Gene sowohl in der grauen als auch in der weißen Substanz des Rückenmarks auf, welche durch die TMEV-Infektion trotz niedriger Virusmengen sogar noch gesteigert wurde. Eine Doppelimmunfluoreszenz unter Verwendung von zellulären Markern wies in beiden untersuchten Mäusestämmen eine Expression von ISG15 in Astrozyten und Endothelzellen nach, während PKR überwiegend von Mikroglia/Makrophagen, Oligodendrozyten und Neuronen gebildet wurde. OAS-Proteine wurden nur in wenigen Zellen nachgewiesen. Diese Ergebnisse deuten auf eine gestörte Aktivierung des Typ I IFN-Signalweges in empfänglichen SJL/J-Mäusen im Verlauf einer TME hin, während die starke konstitutive Expression von antiviral wirkenden IFN-abhängigen Genen möglicherweise entscheidend an der Viruselimination in resistenten C57BL/6-Mäusen beteiligt ist. In den letzten Jahren wurde in mehreren Studien nachgewiesen, dass eine intrazerebrale TMEV-Infektion in C57BL/6- jedoch nicht in SJL/J-Mäusen epileptiforme Anfälle auslösen kann. Somit stellt die TME ein interessantes Tiermodell zur Erforschung der Epileptogenese im Verlauf virusinduzierter Enzephalitiden dar. Die eigenen Untersuchungen zeigten, dass das Auftreten dieser Anfälle von dem Schweregrad der Neurodegeneration und der Menge an aktivierten Mikrogliazellen/Makrophagen in der Hippocampusformation abhängt. Demgegenüber scheinen T-Zellen keine essentielle Rolle bei der Entwicklung der Anfälle zu spielen. Interessanterweise konnte auch anhand der Expression von ISG15 nahezu perfekt zwischen C57BL/6-Mäusen ohne und mit Anfällen unterschieden werden. Da ISG15 bei neuronalen Schäden im peripheren Blut nachgewiesen werden kann, stellt dieses Protein somit möglicherweise auch einen Biomarker zur Erkennung einer potentiellen Iktogenese und Epileptogenese dar. Neben dem Mausstamm hängt der Verlauf der TME auch von dem eingesetzten Virusstamm ab. So zeigen die GDVII-Stämme des TMEV bei allen Mausstämmen eine schnell tödlich verlaufende Polioenzephalitis, während die TO-Stämme BeAn und DA seit langem in der Erforschung der Pathomechanismen demyelinisierender Krankheitsprozesse benutzt wurden. In dieser Studie wurden die letztgenannten TMEV-Stämme benutzt und deren Einfluss auf den Verlauf der TME miteinander verglichen. Hierbei zeigten sich Unterschiede zwischen den untersuchten TO-Stämmen und sogar zwischen zwei BeAn-Substämmen im Ausmaß der entzündlichen Veränderungen im ZNS. Darüber hinaus scheinen Mikrogliazellen/Makrophagen und der Typ I-IFN-Signalweg auch einen bedeutenden Einfluss auf die funktionellen und strukturellen Veränderungen in der Hippocampusformation zu haben, welche letztendlich zum Auftreten von epileptiformen Anfällen führen. Somit stellen die Ergebnisse dieser Studie den Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen dar, in denen die molekularen Mechanismen der verschiedenen durch das TMEV ausgelösten Läsionen im ZNS auf zellulärer Ebene detailliert charakterisiert werden.

Experimental intracerebral infection of mice with the Theiler’s murine encephalomyelitis virus (TMEV) is used in numerous studies to investigate the pathomechanism of demyelinating diseases including Multiple Sclerosis (MS). This virus causes in susceptible mouse strains a biphasic disease consisting of an acute polioencephalomyelitis and a chronic demyelinating leukomyelitis. In contrast, resistant mouse strains eliminate the virus from the central nervous system (CNS) within two to four weeks, which seems to be based on a strong antiviral innate immune response including the activation of the type I interferon (IFN) signaling pathway. Nevertheless, detailed investigations of this pathway during TMEV-induced demyelinating disease (TMEV-IDD) are lacking. This study compared the expression of several interferon-stimulated genes (ISGs) such as IFN-stimulated protein of 15 kDa (ISG15), protein kinase R (PKR), and 2'5'-oligoadenylate synthetase (OAS) in the spinal cord between susceptible SJL/J and resistant C57BL/6 mice at the transcriptional and translational level after TMEV infection to gain a first insight in the activation of the type I IFN signaling pathway. Microarray analysis demonstrated that TMEV-infection of SJL/J mouse induces a strong expression of mRNA transcripts of numerous ISGs including ISG15. Furthermore, transcription of several additional genes involved in the type I IFN signaling pathway was increased. However, no significant differences in the gene expression of the type I IFNs (IFN-a and IFN-b) between mock- and TMEV-infected mice were found. In addition, an immunohistochemical investigation of the spinal cord of SJL/J mice demonstrated that the protein expression of ISGs was hardly affected by TMEV-infection. In contrast, resistant mice showed a high constitutive protein expression of all investigated ISGs in the gray and white matter of the spinal cord, which was even increased by TMEV-infection despite the low amount of virus. A double immunofluorescence using cellular markers demonstrated the expression of ISG15 in astrocytes and endothelial cells in both mouse strains, whereas PKR was mainly expressed in microglia/macrophages, oligodendrocytes, and neurons. Only few cells were immunopositive for OAS proteins. These results indicate a disordered activation of the type I IFN signaling pathway in susceptible SJL/J mice during TMEV-IDD, whereas the high constitutive expression of antiviral ISGs might decisively participate in virus elimination in resistant C57BL/6 mice. In the last years several studies demonstrated that an intracerebral infection of C57BL/6 but not SJL/J mice provokes epileptiform seizures. Hence TMEV-IDD represents an interesting animal model to investigate the epileptogenesis during virus-induced encephalitis. The present study showed that the occurrence of these seizures is dependent on the degree of neurodegeneration and the numbers of activated microglia/macrophages in the hippocampus. In contrast, T cells do not seem to play a prominent role in the development of seizures. Interestingly, the quantification of ISG15 expression allowed a nearly perfect discrimination between C57BL/6 mice with and without early seizures. Due to the presence of ISG15 in the peripheral blood during neuronal injuries, this protein could also constitute a biomarker to detect a potential ictogenesis and epileptogenesis. In addition to the mouse strain, the course of TMEV-IDD is dependent on the virus strain used in the experiments. For instance, GDVII strains of TMEV induce in all mouse strains a rapidly progressing lethal polioencephalitis, whereas TO strains such as BeAn and DA have been used for a long time to investigate the pathomechanisms of demyelinating diseases. The latter strains have also been used in the present study and the ensuing course of the disease has been compared. These experiments demonstrated differences between the investigated TO strains and even between two BeAn substrains in the degree of inflammatory changes in the CNS. Furthermore, microglia/macrophages and the type I IFN signaling pathway seem to have a strong impact on the functional and structural changes in the hippocampus, which finally lead to epileptiform seizures. Consequently, the results of this study might be a starting point for further investigations to characterize the molecular mechanisms of the different TMEV-induced CNS lesions on the cellular level in detail.