Macrophage migration inhibitory factor (MIF) and non-neuronal impact as modifiers of familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS)

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine tödlich verlaufende, bisher nicht kurativ behandelbare Erkrankung, die durch die Degeneration sowohl der oberen als auch der unteren motorischen Neurone in der Großhirnrinde, im Hirnstamm und im Rückenmark gekennzeichnet ist. Die Patienten entwickeln fortschreitenden Paresen und Muskelatrophien, die in der Regel nach durchschnittlich 36 Monaten zum Tod durch Atemstillstand führen. Dabei sind die molekularen Mechanismen der Degeneration der Motoneurone bis heute noch nicht vollständig geklärt. Die Neurodegeneration wird von einer Neuroinflammation begleitet, die durch immunonegative reaktive Mikroglia und Astrozyten verursacht wird, die eine wichtige Rolle bei der Pathogenese der Krankheit spielen. Grundsätzlich werden zwei Formen der ALS unterschieden, die familiäre ALS (fALS) und die sporadische ALS (sALS). Von allen ALS-Fällen sind etwa 10 % familiär, wobei in der Mehrzahl der Fälle ein dominantes Vererbungsmuster vorliegt; die restlichen etwa 90 % der Fälle treten sporadisch auf. Seit der Identifizierung der ersten ursächlichen Genmutation im Superoxiddismutase-1-Gen (SOD1) im Jahr 1993 wurden mehr als 40 Gene mit der Krankheit in Verbindung gebracht. Die häufigsten ALS-verursachenden Mutationen liegen neben dem SOD1-Gen in den C9orf72-, FUS- und TDP-43-Genen.  Auch in fast 10 % der sporadischen Fälle lassen sich ALS-assozierte Mutationen finden. Allein anhand dieser Vielzahl genetischer Veränderungen, die mit der ALS in Verbindung gebracht werden, zeigt sich, wie komplex und heterogen diese Erkrankung ist. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, bei der Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze die multifaktorielle Pathophysiologie der ALS zu berücksichtigen, wobei es Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen genetischen Veränderungen und einer Vielzahl von molekularen Signalwegen gibt.

Einer dieser möglichen Ansatzpunkte ist der Makrophagen-Migrations-Inhibitionsfaktor (MIF), der im ersten Teil dieser Arbeit im Fokus stand. Als multifunktionales Protein spielt MIF eine wichtige Rolle in der Immunantwort bei der durch SOD1-Fehlfaltung verursachten ALS-Erkrankung. Während der Mechanismus abnormaler Akkumulation von fehlgefalteter SOD1 bis zum jetzigen Tag nicht vollständig verstanden ist, ist gesichert, dass diese zu Neurotoxizität führt, die sich vor allem gegen die Membranen der Mitochondrien und des Endoplasmatischem Retikulums (ER) richtet. Es konnte bereits gezeigt werden, dass MIF aufgrund seiner Chaperon-Aktivität durch Bindung an SOD1 dieser Fehlfaltung entgegenwirkt und so auch die Bindung an Mitochondrien und ER unterbindet. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Proteinexpression von MIF in humanem post-mortem Gewebe (Rückenmark und Motorcortex) von sporadischen ALS-Patienten untersucht werden. Darüber hinaus wurde die Proteinexpression von MIF in Motorneuronen aus induzierten pluripotenten Stammzellen mit verschiedenen ALS-Mutationen einschließlich gesunder Kontrollgruppen analysiert und der Effekt einer Lentivirus-induzierten-MIF-Überexpression in einer SOD1 Zelllinie untersucht. Dabei zeigen die Ergebnisse, dass für MIF sowohl in den humanen post-mortem Proben von ALS-Patienten als auch in der Zellkultur bei Vorliegen von SOD1-, C9orf72- und TDP-43-Mutationen im Vergleich zu der Kontrollgruppe eine verminderte Proteinexpression vorlag und dass durch die Lentivirus-induzierte MIF- Überexpression die Menge an fehlgefaltetem SOD1-Protein reduziert werden konnte.

Im zweiten Teil wurde der Einfluss von humanen aus permanent wachsenden mesenchymalen Stammzellen gewonnen Exosomen auf primäre Motorneuronen aus SOD1G93A-Mäusen untersucht.  Exosomen sind doppelmembranige ca. 20 bis 200 nm große Nanovesikel, die von der Zelle mittels Exozytose an die Umgebung abgegeben werden und dabei neben DNA, verschiedene Sets an RNAs (mRNAs, circRNAs, tRNAs, long non-coding RNAs, and regulatory microRNAs (miRNAs)) auch Proteine enthalten und unter anderem bei der zellulären Kommunikation eine Rolle spielen. Basierend auf dieser Annahme und einigen präklinischen Studien über den nutzbringenden Einsatz von Exosomen bei der Modulation der Immunantwort und daraus resultierender Neuroprotektion, sollte hier in primären SOD1G93A-Motoneuronen die Wirkung dieser Exosomen untersucht werden. Dabei konnte ein neuroprotektiver Effekt sowohl auf das Wachstum der Neuriten als auch auf deren Morphologie unter oxidativen Stressbedingungen gezeigt werden. Bei der Analyse der Zusammensetzung der Exosomen wurden antioxidative und anti-inflammatorisch wirkende Gene mitsamt entsprechender miRNAs identifiziert, die eine Rolle in den Signalwegen der Apoptose, des Axonwachstums und des oxidativen Stresses spielen.

Im letzten Teil dieser Arbeit wurde zum ersten Mal der Wirkstoff Parthenolid im Kontext der ALS untersucht. Das Sesquiterpenlacton Parthenolid, Hauptbestand des Mutterkrautes, kann aufgrund seines lipophilen Charakters die Bluthirnschranke durchqueren und zeigte in Modellen anderer neurodegenerativer Erkrankungen vielversprechendes therapeutisches Potential, vor allem durch eine Modulation der von aktivierten Mikrogliazellen und Astrozyten induzierten Neuroinflammation. Hierbei konnte in dieser letzten Studie ein neuroprotektiver Effekt von Parthenolid durch Verschiebung von einem immunonegativen auf einen immunopositiven reaktiven Status der SOD1G93A-Mikroglia mit sekundären positiven Effekten auf primäre Motorneuronen und Astrozyten festgestellt werden.