Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Investigation on the role of the extracellular matrix in the brain of dogs after natural infection with canine distemper virus

Al-Abed H. Al-Azreg, Seham

In the literature section, a short review about the classification of the morbillivirus genus, the host spectrum and pathogenesis of canine distemper virus (CDV) infection is provided and its role as an animal model for human multiple sclerosis is described. Another part deals with a general overview on the role of the extracellular matrix (ECM) of the central nervous system under normal as well as pathological conditions. In particular, the alteration of the ECM that occurs in demyelinating canine distemper leukoencephalitis and its role during regeneration are outlined. The cerebella of a total of 19 dogs, 15 of them suffering from canine distemper leukoencephalitis and 4 healthy control dogs, have been used in the present study. For histochemical and immunohistochemical investigations formalin-fixed, paraffin-embedded tissue was used. A hematoxylin and eosin (HE) and a luxol fast blue cresyl echt violet stain (LFB) have been employed to detect pathomorphological changes and demyelinaton. Furthermore, for histochemical detection of the ECM, different methods including the azan stain, the periodic acid Schiff reaction and a modified picrosirius red stain as well as the Gomori´s silver method were used. Antibodies specific for canine distemper virus nucleoprotein antigen have been employed. In addition, immunohistochemical investigations with antibodies specific for the detection of predominantly astrocyte-derived matrix molecules like aggrecan, brevican, collagen type I, decorin, neurocan and phosphacan were performed. Furthermore, antibodies against the basal membrane (BM) components, collagen type IV, fibronectin and laminin, were applied. Tissue sections were evaluated semiquantitatively and morphometrically. The percentage of the positive area compared to the total lesioned area or investigated white matter area was calculated. The lesions in the cerebella of the infected dogs, suffering from demyelinating distemper encephalitis, and the healthy control animals were classified into 8 groups by using neuropathological changes and the immunohistochemical detection of canine distemper virus nucleoprotein antigen expression as follows: control group (group 1), normal appearing white matter (NAWM) of distemper cerebella (group 2), areas without microscopical lesions but with detection of CDV-antigen (group 3), vacuolization (group 4), acute lesions (group 5), subacute lesions without inflammation (group 6), subacute lesions with inflammation (group 7) and chronic plaques (group 8). Canine distemper virus nucleoprotein antigen was present in all distemper dogs, whereas no labeling was detected in control sections. The signal for LFB was significantly decreased in lesions of group 6 to 8. In control dogs, none of the staining or antibodies applied detected any changes in the cerebellar ECM in the white matter and expression patterns were prominently restricted to meninges and vascular basement membranes. In CDV-infected dogs, a progressively increased accumulation of the ECM in demyelinating white matter lesions of the cerebella was observed. Within the cerebellum parenchyma the excessive ECM accumulation included various proteoglycans, glycoproteins and collagens predominately collagen type I, and fibronectin. Their expression was restricted to demyelinated lesions. Many of them displayed a reticular pattern starting from the lesion center. In contrast, the aggrecan immunoreactivity was demonstrated in the center of the chronic lesions and in foamy macrophages. Brevican, decorin and neurocan Immunohistochemistry did not show any reaction in any lesion. At the margins of many demyelinating areas, collagen type IV immunoreactivity was demonstrated in the cytoplasm of macrophages. Only phosphacan immunoreactivity displayed a reduction in demyelinating lesions. In addition, absence of laminin in chronic lesions was detected. The immunoreactivity of the extracellular matrix molecules with an increased or decreased expression displayed significant differences between controls and the different groups of infected animals. Summarized, the provided data indicated that severe alterations of the extracellular matrix occurred in canine distemper demyelinating leukoencephalitis. The observed pattern of matrix deposition suggests that activated astrocytes represent the main cellular source of the accumulated ECM. But the possible involvement of leukocytes, in particular macrophages, endothelial cells, pericytes, invading meningeal fibroblasts and other resident cell types in the production of ECM in demyelinating canine distemper cannot be excluded. Considering the insufficiency of morphological and functional regeneration in chronic demyelinating distemper encephalitis it can be postulated that severe deposition of the ECM constituents in canine distemper leukoencephalitis lesions may constitute an obstacle to axonal regeneration and remyelination. Lack of regeneration can also be attributed to the presence of inhibitory molecules such as chondroitin sulfate proteoglycans. Additional in vivo and in vitro studies are required to elucidate the complex interactions of ECM molecules and different cell types.

Im Literaturteil wird ein kurzer Überblick über die Systematik der Gattung Morbillivirus, ihr Wirtsspektrum und die Pathogenese der kaninen Staupevirus (CDV)-Infektion gegeben. Darüber hinaus wird ihre Rolle als Tiermodell für die Multiple Sklerose des Menschen beschrieben. Ein weiterer Teil der Arbeit gibt einen allgemeinen Überblick über die Rolle der extrazellulären Matrix (EZM) des zentralen Nervensystems unter normalen und pathologischen Bedingungen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf astrozytär produzierte Proteoglykane und Glykoproteine gelegt. Vor allem Veränderungen der extrazellulären Matrix, die während pathologischen Prozessen im Rahmen einer demyelinisierenden kaninen Staupeleukoenzephalitis auftreten sowie die Rolle der EZM bei der Regeneration, werden behandelt. Die Kleinhirne von insgesamt 19 Hunden wurden für die Studie verwendet. Von diesen waren 15 an kaniner Staupeleukoenzephalitis erkrankt. 4 waren gesunde Kontrolltiere. Für histochemische und immunhistologische Untersuchungen wurden Formalin-fixierte, Paraffin-eingebettete Gewebeproben verwendet. Die Schnitte wurden mittels Hämatoxylin-Eosin (HE) sowie Luxol-Fast-Blue-Kresylechtviolett (LFB) gefärbt. Darüber hinaus sind für den histochemischen Nachweis der EZM verschiedene Methoden, einschließlich der Azan-, Pikrosiriusrot- und Perjodsäure-Schiff-Färbung sowie eine Versilberungstechnik nach Gomori, angewendet worden. CDV-Nukleoprotein-Antigen-spezifische Antikörper sowie Antikörper für den Nachweis von Astrozytenmatrixmolekülen, die spezifisch für Aggrecan, Brevican, Kollagen I, Decorin, Neurocan und Phosphacan sind, wurden verwendet. Des Weiteren wurden Antikörper gegen Komponenten der Basalmembran (BM) wie Kollagen IV, Fibronektin und Laminin gebraucht. Die Gewebeschnitte wurden semiquantitativ und morphometrisch ausgewertet. Dadurch wurde der Anteil des positiv reagierenden Gewebes im Vergleich zur untersuchten weißen Substanz bzw. Läsion berechnet. Die Kleinhirnläsionen der infizierten Hunde mit demyelinisierender Staupeenzephalitis sowie die der nicht infizierten Kontrolltiere wurden anhand pathomorphologischer und immunhistologischer Untersuchungen der Staupevirus-Nukleoprotein-Antigen-Expression in 8 Gruppen eingeteilt: Kontrollgruppe (Gruppe 1), „normal appearing white matter“ der CDV-infizierten Tiere (Gruppe 2), Antigennachweise ohne mikroskopische Läsionen (Gruppe 3), Vakuolisierungen (Gruppe 4), akute Läsionenen (Gruppe 5), subakute Läsionen ohne Entzündung (Gruppe 6), subakute Läsionen mit Entzündung (Gruppe 7) und chronische Plaques (Gruppe 8). Immunhistochemisch wurde Staupevirus-Nukleoprotein-Antigen in allen CDV-infizierten Hunden nachgewiesen. Das Signal für LFB war deutlich erniedrigt in den Plaques der Gruppen 6 bis 8. Bei den Kontrollhunden konnten mittels histochemischen Färbungen bzw. Antikörpermarkierungen (bis auf Phosphacan) nur geringgradige Mengen an zerebellären EZM in der weißen Substanz nachgewiesen werden. Die Laminin-, Fibronectin- und Kollagen Typ IV-Expression in den Kleinhirnen der Kontrollhunde war im Wesentlichen auf die vaskulären Basalmembranen begrenzt. In den zerebellären Läsionen der weißen Substanz konnte bei den CDV-infizierten Hunden in Bereichen mit Demyelinisierungen eine progressive Zunahme von vielen der untersuchten EZM-Molekülen beobachtet werden. Im Kleinhirnparenchym bestand die übermäßige Akkumulation der EZM aus Kollagenfasern, hier vor allem von Kollagen I, Fibronektin und Mukosubstanzen. Sie war darüber hinaus auf demyelinisierende Läsionen, die ein netzartiges Muster ausgehend vom Zentrum der Läsion annahmen, begrenzt. Eine Aggrecan-Immunreaktivität konnte im Zentrum chronischer Läsionen, in aktivierten Makrophagen akkumulierend gezeigt werden. Während die Brevican-, Decorin-, und Neurocan-Immunreaktivität keine Reaktion bei der demyelinisierenden Staupeenzephalitis zeigte, konnte in der Peripherie der demyelinisierenden Bereiche Kollagen Typ IV-Immunreaktivität im Zytoplasma von Makrophagen nachgewiesen werden. Lediglich die Phosphacan-Immunreaktivität in den demyelinisierten Regionen der weißen Substanz wies eine Reduktion auf. Darüber hinaus konnte ein Fehlen von Laminin im Parenchym demyelinisierender chronischer Läsionen gezeigt werden. Die Unterschiede zwischen der Immunreaktivität der akkumulierten Matrixmoleküle, welche eine gestiegene beziehungsweise gesunkene Expression in chronischen Staupeenzephalitisläsionen aufwiesen, waren statistisch signifikant. Zusammenfassend zeigen die Befunde dieser Studie, dass schwerwiegende Veränderungen der extrazellulären Matrix während einer kaninen demyelinisierenden Staupeleukoenzephalitis auftreten. Das beobachtete Muster der Matrixablagerung deutet darauf hin, dass unter anderem aktivierte Astrozyten eine wichtige zelluläre Quelle der akkumulierten EZM sind. Dessen ungeachtet kann diese Studie jedoch nicht ausschließen, dass Leukozyten, insbesondere Makrophagen, Endothelzellen, einwandernde meningeale Fibroblasten und andere stationäre Zellen bei der Produktion der EZM eine Rolle spielen. Angesichts der Unzulänglichkeit der morphologischen und funktionellen Regeneration bei der chronischen demyelinisierenden Staupeleukoenzephalitis, kann postuliert werden, dass die hochgradige Ablagerung von extrazellulären Matrixkomponenten in das Gehirnparenchym bei den kaninen Staupeleukoenzephalitisläsionen und des Fehlen der Regeneration der Anwesenheit von hemmenden Moleküle wie Chondroitinsulfate-Proteoglykanen zuzuschreiben ist und zusätzlich ein Hindernis für die axonale Regeneration darstellt. Daher sind weitere in vivo- und in vitro-Studien erforderlich, um die komplexe Zell-EZM-Interaktion oder auch das Zusammenspiel verschiedener EZM-Moleküle untereinander zu analysieren

Zitieren

Zitierform:

Al-Abed H. Al-Azreg, Seham: Investigation on the role of the extracellular matrix in the brain of dogs after natural infection with canine distemper virus. Hannover 2010. Tierärztliche Hochschule.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export