Characterization of an unusual murine glial cell population in dorsal root ganglia

Dorsalwurzelganglien (‚dorsal root ganglia‘, DRG) stellen Ansammlungen von Neuronen im Bereich der foramina intervertebralia an der dorsalen Wurzel eines jeden Spinalnervens dar. Innerhalb dieser Ganglien liegen pseudounipolare Neurone mit einem einzelnen sich T- oder Y- förmig aufzweigenden Axon. Während der eine Fortsatz in die Peripherie zieht um dort afferente Signale aufzunehmen (sensorische Nervenendigungen), zieht der zweite Teil in Richtung des Rückenmarkes um die gesammelten Informationen in das zentrale Nervensystem (ZNS) zu übermitteln. Aktuelle Studien haben jedoch gezeigt, dass DRG nicht nur einfache Umschlagplätze für Informationen darstellen, sondern dass sie eine wichtige Rolle in verschiedenen pathologischen Prozessen wie z.B. der Entstehung chronischer Schmerzen spielen.

Satellitengliazellen (SGZ) zählen neben Schwann-Zellen zu den Gliazellen des peripheren Nervensystems (PNS). Sie umschließen die sensorischen Neurone in den DRG als eine vollständige, enge Hülle. Dadurch bilden sie zum einen, zusammen mit dem sie umgebenden Bindegewebe, eine mechanische Schutzschicht um die empfindlichen Perikarya und sorgen für die Regulierung und Aufrechterhaltung der neuronalen Homöostase. Die unmittelbare räumliche Nähe von SGZ und Neuronen ermöglicht jedoch nicht nur einen direkten Informationsaustausch zwischen diesen Zellen und eine präzise Steuerung des extrazellulären Milieus. Insbesondere auf übersichtsgefärbten Gewebsschnitten gestaltet sich die Identifikation dieser Zellen sowie eine weitergehende Untersuchung ihrer zellulären Besonderheiten aufgrund genau dieser räumlichen Nähe oft schwierig. Häufig ist ein gezieltes Ansprechen von SGZ und eine klare Abgrenzung von Gewebsmakrophagen oder Spindelzellen des angrenzenden Bindegewebes nicht möglich. Laut Literaturangaben exprimieren SGZ jedoch ein spezifisches Panel von Gliazell-Markern, von denen einige permanent exprimiert werden. Darüber hinaus gibt es noch weitere Marker, welche nur unter bestimmten Bedingungen im Zuge einer Zellaktivierung detektierbar sind.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet zwei aufeinander aufbauende Studien, in denen zum einen (1) ein spezifisches Markerpanel für die immunhistologische und Immunfluoreszenz-basierte Detektion von murinen SGZ identifiziert werden soll. Hierbei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Identifikation zur Erkennung möglicher funktionaler Untergruppen innerhalb dieser Gliazellpopulation. In der zweiten Studie soll dann auf Grundlage dieser Marker (2) eine Charakterisierung einer geänderten/aktivierten Markerexpression von SGZ im Zeitverlauf eines murinen Modells der G_M1-Gangliosidose erfolgen. Anhand dieser zwei Studien sollen die Hypothesen überprüft werden, dass SGZ (i) einen molekularen Phänotyp besitzen, der sie von anderen Gliazellen klar unterscheidet und dass SGZ (ii) ein außergewöhnlich großes, plastisches Potenzial besitzen, welches es Ihnen ermöglicht ihr eigenes Expressionsprofil an mögliche pathologische Bedingungen anzupassen und in diesem Zuge einen möglicherweise regenerativen Phänotyp anzunehmen.

In adulten, murinen SGZ konnte gezeigt werden, dass Gluthamin Synthetase (GS) und der einwärts gleichrichtende Kaliumkanal Kir4.1 (Kir4.1) geeignete zellspezifische Marker für SGZ darstellen. Bezüglich möglicher funktionaler Überschneidungen mit Gliazellen des ZNS zeigte sich, dass SGZ von gesunden, adulten Mäusen keine Expression von saurem Gliafaserprotein (Marker für Astrozyten) aufweisen. Ebenfalls stellten sich die Zellen negativ für von myelinisierenden Zellen des ZNS sowie des PNS (Oligodendrozyten und Schwann-Zellen) exprimierte Marker dar. Auch ein möglicher Makrophagen-ähnlicher Phänotyp wurde nicht beobachtet. Allerdings wies ein Teil der SGZ eine positive Reaktion für CD45, einen Marker für hämatopoetische Zellen und Leukozyten, auf, was auf ein mögliches Immunzellpotential dieser Zellen hinweisen könnte. In Bezug auf die vermutete hohe Plastizität dieser Zellpopulation zeigte sich, dass ein Teil der murinen SGZ einen Oligodendrozyten-Progenitormarker exprimiert, was auf ein remyelinisierendes Potenzial hinweisen könnte. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass eine Doppelfärbung von SGZ mit einem zellspezifischen Marker (GS, Kir4.1) und dem jeweils untersuchten Marker das Risiko von falsch-positiven oder falsch-negativen Ergebnissen merklich reduziert. Auch eine 3D-Rekonstruktionen von konfokalmikroskopischen Bildern erwies sich bei der Evaluation als große Hilfe.

Auf Grundlage dieser Untersuchungen wurden homozygote knock-out Mäuse in einem murinen Modell der G_M1-Gangliosidose auf ein mögliches, geändertes Expressionsprofil von SGZ untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass erkrankte Tiere im Vergleich zu gesunden Wildtyp-Mäusen im Alter von 4 Monaten eine kontinuierlich zunehmende Expression von saurem Gliafaserprotein, im Alter von 6 Monaten eine gesteigerte Zellproliferation und im Alter von 8 Monaten die Expression eines neuronalen Stammzellmarkers (Nestin) aufwiesen. Eine Expression von Markern für differenzierte myelinisierenden Zellen oder Makrophagen konnte auch in diesem Modell nicht beobachtet werden. Die Ergebnisse dieser zweiten Studie zeigen, dass SGZ im Verlauf einer lysosomalen Speicherkrankheit nicht nur klare Anzeichen für eine Aktivierung zeigen, sondern auch in der Lage sind einen Stammzellen-ähnlichen Phänotyp auszubilden. Diese neugewonnenen Erkenntnisse unterstreichen noch einmal die hohe Plastizität dieser Zellpopulation und ihr möglicherweise regeneratives Potenzial.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass SGZ eine außergewöhnliche und faszienierende Gliazellpopulation darstellen, deren Eigenschaften und Funktionen bis heute nicht völlig entschlüsselt sind. Es wurde gezeigt, dass diese Zellen unter Verwendung von spezifischen Markern sicher und eindeutig identifiziert werden können und dass sich innerhalb dieser Zellpopulation Fraktionen von Zellen befinden, welche möglicherweise über einen Immunzell- und Oligodendrozytenvorläuferzell-ähnlichen Phänotyp verfügen. Darüber hinaus konnte herausgearbeitet werden, dass sich das exprimierte Markerpanel dieser Zellen im Verlauf einer lysosomalen Speicherkrankheit ändert. Auch hier konnte neben einer Aktivierung der Zellen interessanterweise die Expression eines zusätzlichen Stammzellmarkers beobachtet werden. Diese Eigenschaften machen SGZ zu spannenden Kandidaten für weiterführende in vitro und in vivo Experimente um herauszufinden, inwiefern das Potenzial dieser Zellpopulation für regenerative Therapieansätze genutzt werden kann.