Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

The role of brain infiltrating monocytes and resident microglia in a mouse model of viral encephalitis induced acute seizures and epilepsy

Waltl, Inken

Eine Vielzahl an verschiedenen Hirninsulten kann zur Entstehung akuter Anfälle und Temporallappenepilepsien beitragen. Die häufigsten Ursachen sind Schädelhirntraumata, Schlaganfälle oder Infektionen des zentralen Nervensystems (ZNS), beispielsweise durch Viren, Bakterien oder Parasiten. Das Risiko, nach einer viral bedingten Entzündung des Gehirns (virale Enzephalitis) eine Epilepsie zu entwickeln, liegt bei bis zu 21%. Die Mechanismen, die dabei zur akuten Anfallsentwicklung und Entwicklung einer Epilepsie führen, sind nur unzureichend geklärt. Um diese zu untersuchen, haben wir die Hypothese aufgestellt, dass Zellen des angeborenen Immunsystems, insbesondere in das Gehirn einwandernde Monozyten und/oder die im Gehirn residente Mikroglia, maßgeblich an der akuten Anfallsentwicklung während der viralen Enzephalitis beteiligt sind. Für unsere Studien haben wir uns eines Mausmodells bedient, in dem wir C57BL/6J Mäuse mit dem Theiler’s Murinen Enzephalomyelitis Virus intrazerebral infizierten. In der akuten Phase der dadurch ausgelösten viralen Enzephalitis wurden die Tiere zweimal täglich auf das Auftreten akuter Anfälle sowie auf Veränderungen des Gesundheitszustandes und des Verhaltens der Tiere untersucht. Sechs bis sieben Tage nach der Infektion wurden die Tiere transkardial perfundiert, die Organe des ZNS entnommen und histologisch, immunhistochemisch, durchflusszytometrisch und mittes quantitativer PCR untersucht. Um die Rolle der Zellen des angeborenen Immunsystems zu ermitteln, wurden die Tiere vor der Infektion und während der akuten viralen Enzephalitis mit zwei verschiedenen pharmakologischen Substanzen behandelt, um entweder spezifisch Mikroglia (mittels Colony-stimulating factor 1 Rezeptor-Inhibitor PLX5622) oder infiltrierende Monozyten (mittels Clodronat Liposomen) zu depletieren. Die Mikrogliadepletion führte zu einem erhöhten Schweregrad der Enzephalitis, welche sich durch eine erhöhte Morbidität und Mortalität der Tiere darstellte. Weiterhin konnte eine vermehrte Neurodegeneration und Virusausbreitung bei diesen Tieren feststellt werden. Darüber hinaus wurde die Immunantwort des adaptiven Immunsystems, insbesondere die der T-Lymphozyten, nur unvollständig ausgeführt. Eine Behandlung mit Clodronat-Liposomen führte zu einer Verringerung der Anfallsinzidenz und Monozyteninfiltration in das Gehirn, hatte jedoch weder einen neuroprotektiven Effekt, noch führte es zu einer verminderten Entzündung im Gehirn. Allerdings fanden wir in einigen Hippokampusregionen eine vermehrte Aktivierung von Mikrogliazellen, was gegebenenfalls einen positiven Effekt auf die Pathogenese haben könnte. Die in dieser These inkludierten Studien unterstreichen die Wichtigkeit der Zellen des angeborenen Immunsystems in der viralen Enzephalitis und tragen dazu bei, die darin involvierten Mechanismen besser zu verstehen.

A variety of brain insults can induce acute (early) seizures and temporal lobe epilepsies – for example trauma, stroke, or infections of the central nervous system (CNS). The risk to develop epilepsy after survival of viral encephalitis is up to 21%, but the mechanisms of acute seizure development and epileptogenesis are rarely known. We hypothesized that cells of the innate immune system, especially myeloid cells - either CNS invading monocytes or activated resident microglia within the CNS - play a major role in these processes. Hence, our aim was to selectively deplete these cell populations to investigate their role in acute seizure development following viral CNS infection. For our studies, we used a mouse model of viral encephalitis-induced acute seizures and epilepsy. Female C57BL/6J mice were intracerebrally infected with Theiler’s murine encephalomyelitis virus (TMEV), a Cardiovirus from the Picornaviridae family. Following infection, mice were monitored twice daily for acute seizure development as well as general health and behavioural changes. Six to seven days post infection animals were transcardially perfused and the brains were harvested and analysed via histology, immunohistochemistry, flow cytometry, and RT-qPCR. Prior to TMEV infection, two different approaches were used to specifically ablate either CNS resident microglia or infiltrating monocytes pharmacologically during viral encephalitis. Microglia were depleted using the specific colony- stimulating factor 1 (CSF1R) receptor inhibitor PLX5622, whereas peripheral monocytes and macrophages were depleted using liposome-encapsulated clodronate. Microglia depletion exacerbated viral encephalitis in mice, leading to an increase in morbidity and mortality, enhanced neurodegeneration, and viral spread through the CNS. Furthermore, we found that the adaptive immune response in terms of T lymphocyte recruitment and activation was impaired, emphazising the pivotal role of microglia/T cell crosstalk in viral encephalitis. Inhibition of monocytic brain infiltration by their depletion lowered the seizure incidence in TMEV infected animals and revealed a decrease in the population of infiltrating monocytes within the brain. However, treatment with clodronate liposomes did not prevent hippocampal neuronal loss after viral inoculation. In addition, inflammatory processes were not reduced by the treatment, though microglial cells seem to be more activated in some hippocampal subregions, suggesting a protective role in TMEV infected animals. The herein provided studies underline the importance of innate immune cells in viral encephalitis and its comorbidities, such as acute seizure development and CNS tissue damage, and contribute to enlighten their role in these complex processes.

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Waltl, Inken: The role of brain infiltrating monocytes and resident microglia in a mouse model of viral encephalitis induced acute seizures and epilepsy. Gießen 1. Auflage 2019 2019. DVG Service GmbH.

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