Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Epigenetics in Psychiatry – Characterization of the Immune System and Its Methylome in Depressed Patients Receiving Electroconvulsive Therapy

BACKGROUND: Major Depressive Disorder (MDD) represents a serious global health concern, affecting more than 322 million individuals worldwide. Its main symptoms can dramatically restrict the patients’ quality of life, leading to suicide in many cases. These data underline the seriousness of MDD and thus the need for efficient treatment strategies. Unfortunately, the urge for appropriate therapy is being challenged by the incomplete knowledge of its etiology and pathomechanism. Ample studies report nature and nurture to be both relevant for the development of MDD. Stressful or traumatic life events like maltreatment, isolation, and paternal neglect can, in dependence on the individual’s genetic constitution, result in long-term changes in protein production. This phenomenon is mediated by epigenetics—a dynamic interplay of various enzymes regulating gene expression without interfering with the DNA sequence itself. Alterations in epigenetics (i.e., mainly in DNA methylation or the post-translational modification of histones) can have an immense impact on several processes, as immune system responses or synaptogenesis, for instance. Despite this growing body of knowledge (and thus the possibility of novel therapy options), 30%–50% of depressed patients do not achieve full remission with standard treatment approaches. Electroconvulsive therapy (ECT) has been stated to be the most powerful option for the acute treatment of pharmacoresistant depression. Importantly, ECT remission rates vary depending on the patients’ clinical characteristics (indicating the existence of subgroups being particularly sensitive to ECT), reaching 50% minimum in most studies. In this context, optimization is still required, as no reliable predictors of clinical response are established in the routine clinical practice. With the overall purpose to enable patient-tailored treatment strategies for MDD in the long-term, the current thesis aims to find predictive biomarkers indicating ECT responsiveness. Because epigenetics, as well as inflammation and neuronal plasticity, seem to play a striking role in MDD and its treatments, these entities presented the main targets of our experiments. We thus characterized the differences between ECT responders (i.e., the patients who benefit from the treatment) and ECT non-responders regarding the composition of their immune system and its DNA methylation. Because ECT’s general mechanism remains poorly understood, we further aimed to provide additional hints for the basis of its effects by identifying ECT-induced changes irrespective of clinical outcome. METHODS: To address these issues, blood was withdrawn from treatment-resistant MDD patients at several time points within a whole course of ECT. After isolating peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from these samples, we analyzed the relative counts of different immune cell subtypes and their ECT-associated proportional changes using flow cytometry [Study 1]. DNA from these cells served for epigenetic analyses by either next-generation sequencing [Study 2] or Sanger sequencing [Study 3], with the former approach allowing an identification of novel genes being potentially involved in MDD or ECT. Sanger sequencing, in contrast, served for targeted DNA methylation analysis of gene regions encoding for tissue-type plasminogen activator (t-PA) and its inhibitor plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1)—two proteins recently reported to be implicated in MDD and ECT. Regarding the latter approach, we did not only investigate the DNA methylation of two different cohorts of refractory ECT patients (for replication purposes) but did also compare the DNA methylation rates between different immune cell subtypes (namely B cells, monocytes, natural killer (NK) cells, and T cells), enabling us to unravel whether there is a particular immune cell subset taking the lead regarding the clinical outcome. By these means, we further aimed to explore the inaccuracy of DNA methylation measurements obtained from whole blood only. RESULTS: According to our analyses, NK cells were taking center stage regarding ECT’s general effects and its clinical outcome. Besides, differences in particular monocyte and T cell subsets were additionally found between ECT remitters and non-remitters. Further, our data-driven PBMC methylome pilot analysis, suggests ten novel candidate genes to be implicated in either ECT responsiveness or its general effects. Target-driven epigenetic analyses of defined t-PA and PAI-1 gene regions revealed only marginal DNA methylation differences in dependence on clinical outcome. In contrast (and irrespective of ECT responsiveness), great differences in t-PA’s DNA methylation were found between the different immune cell subtypes analyzed, leading to the overall recommendation of performing epigenetic analyses preferably in defined immune cell subsets instead of in whole blood only. CONCLUSION: The experiments conducted within the framework of the current thesis revealed interesting immunological and epigenetic baseline differences between ECT outcome groups. By analyzing ECT-associated changes during the full treatment course of ECT, the present work does further provide a deeper insight into its general mechanism. Due to various limitations (as the small group size of our study), the findings must be regarded as preliminary. To confirm our results, replication in larger cohorts is warranted.

HINTERGRUNDINFORMATIONEN: Mit über 322 Millionen Erkrankten weltweit, stellt die Depression eine der derzeit größten medizinischen Herausforderungen dar. Bedingt durch ihre Symptomatik (die sich, unter anderem, durch eine gedrückte Stimmung, das Fehlen von Motivation, oder das Vorhandensein von Schuldgefühlen kennzeichnet), fühlen sich Betroffene oftmals stark in ihren alltäglichen Handlungen eingeschränkt. Der dabei entstehende Leidensdruck, der nicht selten als einer der Hauptgründe für Arbeitsunfähigkeit aufgeführt wird, kann Depressive im schlimmsten Falle sogar zum Suizid drängen—eine Tatsache, die die dringende Notwendigkeit effizienter antidepressiver Therapeutika unterstreicht. Der unzulängliche Wissensstand über die Entstehung der Depression stellt hierbei eine derzeit unüberbrückbare Herausforderung dar. Als eine vornehmlich durch Stress ausgelöste Erkrankung, rücken Umweltfaktoren hierbei immer weiter in den Fokus. Traumatische Erlebnisse (z.B. Misshandlungen, Isolation oder fehlende Fürsorge) können dabei, je nach genetischer Disposition, die Produktion bestimmter Proteine langfristig beeinflussen, ohne die eigentliche DNA-Sequenz verändern zu müssen—ein biologischer Prozess, welcher als ‚Epigenetik‘ bezeichnet wird. Veränderungen in der Epigenetik (d.h. konkret vor allem in der DNA- Methylierung oder der post-translationalen Modifikation von Histonen) können, als fundamentale Entität einer jeden menschlichen Zelle, auf diverse Mechanismen Einfluss nehmen und somit beispielsweise das Immunsystem oder die Synapsenbildung beeinträchtigen. Trotz des stetig wachsenden Kenntnisstandes (und der damit einhergehenden Möglichkeit neuer Therapiemethoden), sprechen 30%–50% der depressiven Patienten nicht auf die gängige Medikation an. Die Elektrokonvulsionstherapie (EKT) (auch Elektrokrampftherapie genannt) stellt eine der effektivsten Therapieoptionen für die Behandlung der pharmakoresistenten Depression dar. Trotz relativ hoher Remissionsraten, besteht aber auch hier noch Optimierungsbedarf. Eine Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten könnte, im Falle der Depression, durch das Charakterisieren verschiedener Subgruppen und das Identifizieren von Biomarkern (d.h. von Indikatoren, welche das Ansprechen auf die jeweilige Therapie voraussagen) erreicht werden. Im Rahmen dieser Doktorarbeit adressieren wir diese Notwendigkeit und spezialisieren uns hierbei auf das Immunsystem und dessen epigenetische Regulation unter Einfluss der EKT. In diesem Kontext untersuchten wir inwiefern sich die EKT-Responder (d.h. die Personen, die auf die Therapie ansprachen) von den Non-Respondern hinsichtlich der Zusammensetzung des Immunsystems und dessen DNA-Methylierung sowohl zu Beginn als auch im Verlauf der Therapie unterscheiden. Wir charakterisierten zudem den allgemeinen (d.h. von EKT-Respondern/Non-Respondern unabhängigen) Effekt der EKT, um weitere Informationen zu dessen (noch derzeit unvollständig verstandenem) Mechanismus zu erhalten. METHODEN: Um das Immunsystem und dessen Epigenetik untersuchen zu können, nahmen wir bei depressiven Patienten zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der EKT-Serie Blut ab. Aus diesem Blut isolierten wir Immunzellen, welche hinsichtlich ihrer proportionalen Veränderungen (d.h. der Veränderung unterschiedlicher Subtypen) während der Therapie mittels Durchflusszytometrie analysiert wurden [Studie 1]. Ferner diente die DNA dieser Immunzellen der Bisulfit-Konvertierung und der nachfolgenden Sequenzierung, welche in Studie 2 mittels der Next-Generation-Sequenzierung und in Studie 3 mittels der Sanger-Methode erfolgte. Ersteres diente der Identifizierung neuer Gene, deren DNA-Methylierung bei der Depression und dem Effekt der EKT eine potenzielle Rolle spielen könnten. Mittels der Sanger-Methode analysierten wir hingegen nur diejenigen Genbereiche, die für den gewebespezifischen Plasminogenaktivator (engl.: tissue-type plasminogen activator, t-PA) und dessen Inhibitor (Plasminogen-Aktivator-Inhibitor-1, PAI-1) kodieren, da beide Proteine in Bezug zur EKT und zur Depression in anderen Studien vielversprechende Ergebnisse zeigten. Hierfür verwendeten wir nicht nur das Blut aus zwei unterschiedlichen Kohorten (aus Replikationszwecken), sondern konzentrierten uns zudem auf den DNA-Methylierungsunterschied mehrerer Immunzell-Subpopulationen (nämlich zwischen B-Zellen, Monozyten, Natürlichen Killerzellen und T-Zellen) um auf die Ungenauigkeit der epigenetischen Analysen aus Vollblut aufmerksam zu machen. ERGEBNISSE: Die Untersuchung der relativen Immunzellzusammensetzung deutet auf eine Rolle der Natürlichen Killerzellen hin, sowohl in Bezug auf das Ansprechen als auch auf den allgemeinen Effekt der EKT. Ferner wurden weitere immunologische Unterschiede zwischen EKT-Respondern und Non-Respondern aufgedeckt, welche bestimmte Subtypen von T-Zellen und Monozyten einbeziehen. Des Weiteren schlagen wir zehn neue Gene vor, welche im Zusammenhang der EKT (sei es nun in Bezug auf das Ansprechen als auch auf den allgemeinen Mechanismus der Therapie) eine fundamentale Rolle spielen könnten. Da die DNA-Methylierung von t-PA und PAI-1 (d.h. deren Gene) weder im Verlauf der Therapie noch in Relation zur Ansprechbarkeit eine Veränderung zeigte, können die vielversprechenden Ergebnisse anderer Studien nicht bestätigt werden. Stattdessen zeigte sich zwischen den verschiedenen Immunzellpopulationen ein deutlicher (von der Therapie unabhängiger) DNA-Methylierungsunterschied im t-PA-Gen, welcher auch für andere Erkrankungen bedeutend sein könnte. SCHLUSSFOLGERUNG: Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden interessante Ergebnisse hinsichtlich der Immunzellkomposition sowie dessen DNA-Methylierung in Bezug zum klinischen Ansprechen und dem allgemeinen Effekt der EKT gefunden. Die Resultate unserer Experimente können jedoch nur unter Einschränkungen verwendet werden und bedürfen einer Replikation in größeren Patienten-Kollektiven.

Cite

Citation style:
Could not load citation form.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export