In vivo and in vitro characterization of p75 neurotrophin receptor expressing cells and their origin in the murine central nervous system

Cana, Armend

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In vivo and in vitro characterization of p75 neurotrophin receptor expressing cells and their origin in the murine central nervous system

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Der p75 Neurotrophinrezeptor (NTR) spielt eine herausragende Rolle in zahlreichen Geweben und wird unter anderem im zentralen Nervensystem (ZNS) exprimiert. Durch Bindung seiner Liganden vermittelt p75NTR vielfältige Wirkungen, die sowohl bei neurodegenerativen als auch -regenerativen Prozessen eine Rolle spielen. Neben zahlreichen Typen von Stammzellen gilt p75NTR als Prototyp-Marker für Schwann-Zell-ähnliche Makroglia, die auch als Adlynoglia bezeichnet werden. Im peripheren Nervensystem wird p75NTR von allen Differenzierungsstadien von Schwann-Zellen mit der Ausnahme myelinisierender Schwann-Zellen exprimiert. Insuffiziente Remyelinsierung wird als eine der wichtigsten Problematiken in vielen neurodegenerativen und demyelinsierenden Erkrankungen des ZNS angesehen, wenngleich experimentelle Tiermodelle auf substantielle regenerationsfördernde Antworten glialer Zellen hindeuten. Neuere Untersuchungen haben in dieser Hinsicht gezeigt, dass endogen, d.h. ZNS-intrinsisch entstandene Schwann-Zellen zur Regeneration bei ZNS-Erkrankungen beitragen können. Trotz der detaillierten Charakterisierung von p75NTR in verschiedenen Zellpopulationen des ZNS, ist insbesondere das Wissen über seine Rolle bei Schwann-Zell-ähnlichen Makroglia noch fragmentarisch. Die Ziele der vorliegenden These bestanden deshalb darin, i) das bisherige Wissen über aldynogliale p75NTR Expression, mit besonderer Berücksichtigung eines kaninen Modells für demyelinsierende Erkrankunken, zusammenzufassen und ii) die Rolle von p75NTR in einem murinen in vitro Modell zu beleuchten. Die These beinhaltet ferner die Erstbeschreibung der p75NTR-Immunoreaktivität von altersassoziierten Periodic acid-Schiff (PAS)-positiven Granula im Hippocampus von SJL/J-Mäusen. Von adulten Mäusen wurden organotypische Schnittkulturen von Großhirn und Hirnstamm für bis zu 18 Tage in vitro kultiviert und immunhistologisch bzw. mittels in situ-Hybridisierung charakterisiert. Die Kultivierung von organotypischen Schnitten war mit einem progressiv zunehmenden, spontanen Auftreten von bi- bis multipolaren, p75NTR exprimierenden, aber Periaxin-negativen Gliazellen assoziiert. Das Auftreten dieser Schwann-Zell-ähnlichen Zellen korrelierte mit einer Antwort von CD107b positiven Mikroglia/Makrophagen. Einzelne bi- bis multipolare Gliazellen exprimierten growth associated protein (GAP)-43, einen Marker für neuroaxonale Regeneration und immature Schwann-Zellen. Hirnstammschnitte wiesen im Vergleich zu Großhirnschnitten eine höhere Anzahl von Mikroglia/Makrophagen sowie bi- bis multipolaren Glia auf. Die These stellt weiterhin das Auftreten von PAS-positiven granulären Depositionen im Hippocampus von SJL/J-Mäusen vor, ein Mäusestamm, bei dem dieses Phänomen zuvor noch nicht beschreiben wurde. Derartige altersassoziierten, häufig in clustern gruppierte Granula, die bei anderen Mäusestämmen bereits zuvor beschrieben worden sind, weisen Charakteristika so genannter Polyglukosan-Körperchen auf. In der vorliegenden Studie waren solche PAS-positiven Strukturen mit zunehmendem Alter im Cornu Ammonis (CA)1- und CA2-Bereich des Ammoshorns von SJL/J-Mäusen beobachtbar. Interessanterweise stellten sich diese Granula immunhistologisch als reaktiv für p75NTR dar. Die cluster von PAS-positiven Granula zeigten eine geringere Anzahl in SJL/J-Mäusen, die zuvor in einem unabhängigen Tierexperiment mit dem demyelinisierenden Agens und Kupfer-Chelator Cuprizon behandelt wurden, als in gleichaltrigen Kontrolltieren. Zusammenfassend zeigten die in vitro Untersuchungen, dass Mikroglia/Makrophagen möglicherweise als wichtiger Auslösefaktor für das Auftreten p75NTR exprimierender Makroglia fungieren. Die Ergebnisse untermauern, dass es sich bei organotypischen Schnittkulturen um ein geeignetes in vitro Modell für die Untersuchung derartiger, möglicherweise regenerationsfördernder Makroglia handelt. Weiterhin beschreibt diese These erstmalig das Auftreten altersassoziierter, PAS-positiver Granula im Hippokampus von SJL/J-Mäusen, ihr verringertes Auftreten nach Fütterung von Cuprizon sowie ihre Immunoreaktivität für p75NTR. Die Abnahme derartiger PAS-positiver cluster nach Cuprizon-Gabe deutet darauf hin, dass möglicherweise eine Imbalance Redox-aktiver Metallionen und/oder eine Dysregulation der Homöostase in der Pathogenese involviert ist. Zukünftige Studien müssen zeigen, ob es sich bei der Immunopositivität PAS-positiver Granula für p75NTR um eine falsch positive Reaktion handelt oder ob p75NTR tatsächlich eine Rolle bei der Pathogenese derartiger altersassoziierter Veränderungen im murinen Gehirn handelt.

P75 neurotrophin receptor (NTR) plays a pivotal role in various tissues including the central nervous system (CNS). Through binding its ligands, it exerts versatile functions, implicated in both neurodegeneration and regenerative events. Besides various categories of stem cells, it is considered as a prototype marker of Schwann cell-like brain glia, a unique type of macroglia, which has been referred to as aldynoglia. In fact, in the peripheral nervous system (PNS) all Schwann cell lineages express p75NTR with the exception of mature myelinating Schwann cells. Failure of remyelination is the major drawback in many neurodegenerative pathologies of the CNS, although various animal models suggest substantial endogenous glial reponses implied in neuroregeneration and remyelination, respectively. Interestingly, recent reports suggest that centrally derived Schwann cells may significantly contribute to regenerative events following CNS injury, especially under conditions of astrocytic loss. Though extensively characterized in the CNS of different species, knowledge on the role of p75NTR in the CNS with special emphasis to Schwann cell like brain glia is sparse. The aim of this thesis was to i) summarize the current knowledge on aldynoglial p75NTR expression with special regard to a canine model for demyelinating disease, and ii) to elucidate the role of p75NTR in glial cells of the murine CNS in vitro. The present thesis additionally details iii) p75NTR immunoreactivity in age-related granular hippocampal deposits of SJL/J mice. Organotypic cerebrum and brain stem slices of adult mice were cultivated for up to 18 days in vitro and investigated by means of immunohistochemistry and in situ hybridization, respectively. Cultivation of slices was associated with a progressively increasing spontaneous occurrence of bi- to multipolar p75NTR-positive, but periaxin-negative glia, indicative of aldynoglial Schwann cell-like cells, which strikingly correlated to neuronal loss of p75NTR expression and a remarkable response of CD107b positive microglia/macrophages. A certain population of bi- to multipolar cells expressed GAP-43, a marker for neuroaxonal regeneration and immature Schwann cells, respectively. A comparatively more intense response of macrophages/microglia and a higher number of bi- to multipolar p75NTR-positive glia were found in brain stem slices compared to cerebrum slices. This thesis additionally reports Periodic acid-Schiff (PAS) positive granular deposits in the hippocampus of SJL mice, a strain not reported to be prone to this phenomenon before. Such age-related granular deposits, commonly organized in clusters, have been reported in other mouse strains and share characteristics of polyglucosan bodies. In the present study, PAS positive granular deposits developed with aging in cornu ammonis (CA)1 and CA2 regions of the hippocampus. Interestingly, the granules stained intensely positive with a polyclonal antibody against p75NTR. These clusters of granular deposits significantly diminished in number in brains of mice from an unrelated experiment, which were previously treated with cuprizone, a copper chelator used as a demyelinating agent. Taken together, the in vitro investigations highlight the role of microglia/macrophages, which seem to be an important triggering factor, facilitating the occurrence of p75NTR positive macroglia and substantiate organotypic slice cultures as an appropriate model to address the role of this unique type of potentially regeneration-promoting macroglia. The in vivo part of the present thesis is the first report that demonstrates that i) age-related PAS positive hippocampal granules occur in SJL mice, ii) their diminished occurrence following cuprizone treatment, and iii) their immunoreactivity for p75NTR. The decline of PAS positive clusters following cuprizone treatment supports the idea that the formation of PAS-positive granules in the senescent mouse brain might be the result of the imbalance of redox-active metals such as copper and iron, and/or a dysregulation of complementary mechanisms that regulate their homeostasis in astrocyte-neuron coupling, respectively. It remains to be determined whether the unsuspected immunoreactivity for p75NTR represents a false positive reaction or if p75NTR is in fact involved in the pathogenesis of age-related hippocampal granular deposits in mice.